变压器原理介绍_图文.ppt

第5章变压器变压器原理介绍_图文 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第5章变压器图 5-1单相双绕组变压器的结构示意图5.1变变 压压 器器 概概 述述5.1.1变压器的工作原理变压器的工作原理图5-1是一台单相双绕组变压器的结构示意图。第5章变压器当交流电压u1加到一次绕组上时，在铁心中产生主磁通，并在原副边感应电动势e1和e2。其电路连接与磁路原理如图5-2所示。图 5-2单相双绕组变压器的电路与磁路第5章变压器根据电磁感应定律和右手螺旋定则，规定感应电动势和交变主磁通的正方向时有：一次绕组感应电势为 二次绕组感应电势为 式中：N1和N2分别为一、二次绕组匝数。各电量参考方向如图5-2所示。第5章变压器显然，一、二次绕组感应电动势e1、e2之比等于一、二次绕组匝数N1、N2之比，即引入变压器变比K的概念。K的大小可由下式计算：可见，当电源电压u1确定时，若改变匝数比N1/N2，则可以获得不同数值的二次侧电压，以达到变压的目的。第5章变压器5.1.25.1.2变压器的基本结构变压器的基本结构铁芯和绕组是组成变压器的两个主要部分。图5-3给出了油浸式电力变压器的总图。图 5-3三相油浸式双绕组电力变压器第5章变压器三相油浸式双绕组电力变压器各主要部分的功能及结构如下所述。1.铁芯铁芯图 5-4铁芯交叠装配图（a）1，3，5，层；（b）2，4，6，层第5章变压器图 5-5斜接缝的交叠装配图（a）第一层；（b）第二层；（c）两层叠加当前，大量采用高导磁、低损耗的冷轧硅钢片做铁芯。因其在轧制方向上导磁性能高，为此采用斜切角条片，叠成斜接缝的交叠装配方法，如图5-5所示。第5章变压器变压器铁芯由铁芯柱和铁轭两部分组成。在铁芯柱上套置一、二次绕组；铁轭是构成交变磁通闭合磁路必不可少的部分，铁芯结构的基本形式有芯式和壳式两种。图 5-6三相芯式变压器的铁芯与绕组第5章变压器图 5-7单相壳式变压器示意图图5-7为单相壳式变压器的铁芯和绕组示意图。这种铁芯结构制造工艺复杂，使用材料较多。目前，只有容量很小的电源变压器使用这种结构。第5章变压器2.绕组绕组绕组是变压器的电路部分，套置在铁芯柱上。变压器绕组形式可分为同心式或交叠式两类。同心式绕组是指高、低压绕组同心地套在铁芯柱上，一般低压绕组套在里面，高压绕组套在外面。国产电力变压器均采用这种结构。交叠式绕组都做成饼式，高、低压绕组互相交叠地放置，如图5-8所示。一般最上层和最下层的两个绕组都是低压绕组。较大型的电炉变压器常采用这种结构。3.其它结构部件其它结构部件此外，油箱上还有引出线的绝缘套管、发生事故时报警的气体继电器、调节一次绕组匝数用的分接开关等部件。第5章变压器5.1.35.1.3变压器的型号与额定参数变压器的型号与额定参数每台变压器油箱上都装有铭牌，上面标注着该变压器的型号及有关数据。铭牌数据是使用变压器的依据。变压器的型号由汉语拼音字母和数字按确定的顺序组合起来构成。例如：SL-1000/10，S表示三相；L表示铝线；1000表示额定容量为1000 kVA；10表示高压侧额定电压为10 kV。第5章变压器1.变压器的铭牌数据变压器的铭牌数据1）额定容量SN SN指变压器的视在功率，单位为VA、kVA或MVA。对于双绕组的电力变压器，其一、二次侧绕组设计容量是相同的，所以SN=S1N=S2N。对于三相变压器，SN是指三相总容量。2）额定电压U1N/U2NU1N指电源施加到一次绕组的额定电压；U2N指当一次绕组加U1N时，二次绕组开路（空载）时的二次绕组电压U20，所以U20=U2N。对于三相变压器，额定电压是指线电压，额定电压的单位为V或kV。第5章变压器3）额定电流I1N/I2N变压器额定容量SN除以一、二次额定电压（U1N或U2N）后，所计算出来的值即为额定电流（I1N或I2N），单位为A或kA。对于三相变压器，额定电流指线电流。对于单相变压器 对于三相变压器 4）额定频率fN我国规定供电的工业频率为50 Hz。因此，所有电力变压器的额定频率均为50 Hz。第5章变压器解：解：【例【例5-1】有一台三相双绕组电力变压器，额定容量SN=100 kVA，额定电压U1N/U2N=6000/400 V，试求一次、二次绕组的额定电流。第5章变压器图 5-9变压器的图形符号 2.变压器的图形符号变压器的图形符号国家标准规定了电气图用的图形符号，变压器的图形符号如图5-9所示。第5章变压器5.1.4变压器的分类变压器的分类按照用途可将变压器分为电力变压器和特种变压器两大类。升压变压器降压变压器配电变压器联络变压器厂用变压器电力变压器第5章变压器整流变压器电炉变压器试验变压器中频变压器特殊变压器电焊变压器电源变压器阻抗匹配变压器脉冲变压器电流互感器电压互感器电抗器调压器第5章变压器变压器还可按相数分成单相、三相、多相，按绕组数分为双绕组、三绕组、多绕组，按绝缘方式分为油浸式、干式，还可按冷却方式分为自然冷却、风冷、水冷、强迫油循环冷却等各种形式。第5章变压器5.25.2变压器的空载运行变压器的空载运行图 5-10变压器空载运行5.2.15.2.1变压器空载运行原理变压器空载运行原理第5章变压器从电路方面看，在一次侧，铁芯磁通和1在一次绕组中感应的电势分别为（5-1）式中，e1称为一次侧漏电势。根据图5-10中的正方向，依据基尔霍夫定律可得一次侧电路方程为u1=（e1+e1）+i0R1 （5-3）（5-2）第5章变压器在二次侧，主磁通在二次侧感应的电势为（5-4）同理，二次侧电路方程（二次此时开路）为u20=e2 （5-5）从磁路方面看，在不计漏磁通的情况下，变压器一次侧绕组产生的磁动势全部降在铁芯上。可见，变压器空载时其磁路关系比较简单。第5章变压器5.2.25.2.2变压器空载运行时的电势、电流及漏电抗变压器空载运行时的电势、电流及漏电抗1.电势电势在大多数变压器中，空载电阻压降i0R1和漏电势e1都非常小，两者之和也只有电源电压u1的0.2%，感应电势e1非常接近电源电压u1。所以，当u1为正弦时，e1、e2也为正弦，因此主磁通可以认为是正弦，即主磁通可表示为=m sint（5-6）式中，m为主磁通的幅值。第5章变压器按图5-10所示各物理量的参考方向，主磁通在一次绕组中的感应电动势的瞬时值为同理，主磁通在二次绕组中感应电动势的瞬时值为（5-7）（5-8）从式（5-7）、（5-8）可见，一次、二次绕组感应电势e1、e2相位相同，两者均滞后主磁通90。用相量表示一、二次绕组中的感应电动势分别为第5章变压器根据式（5-3），当忽略一次侧的电阻降和漏电势时，u1=e1，用相量表示时，而E1正比于主磁通幅值m，所以，当外加电压U1一定时，m就基本确定。这就是交流磁路中的电压决定磁通原则。根据这一原则，若变压器外加电压U1不变，则其电动势E1、主磁通幅值m基本不变。（5-11）第5章变压器电动势有效值为由式（5-9）、（5-10）可见，绕组感应电动势的大小与电源频率f、绕组的匝数N以及主磁通幅值m的大小成正比。（5-9）（5-10）（5-11）第5章变压器可以画出变压器空载运行时一、二侧电压、电动势及主磁通的相量图。图 5-11变压器忽略电阻降和漏磁通时的空载运行相量图第5章变压器2.励磁电流励磁电流变压器空载电流i0的作用是激励并产生磁通，所以空载电流又称励磁电流。由于励磁电流产生的是交变磁通，而交变磁通会在铁芯中引起铁芯损耗（包括磁滞损耗和涡流损耗），因而铁芯损耗所需的功率是由空载电流来提供的。所以，空载电流包括：产生磁通的电流分量为无功分量，称为磁化电流，用表示；提供铁损耗的电流分量称为有功分量，用表示。第5章变压器图 5-12磁通为正弦时的磁化电流波形第5章变压器由上图可见，变压器的励磁电流由无功分量和有功分量组成，即（5-12）图 5-13变压器忽略电阻降和漏磁通时的电势、励磁电流相量图第5章变压器3.一次侧漏电势与漏电抗一次侧漏电势与漏电抗在分析变压器的过程中，变压器一次绕组漏磁通引起的漏电感用L1表示。由于变压器的漏磁路主要由空气、油等非磁性材料构成，因而漏磁通引起的漏电感L1可以认为是一个常数，这样一次绕组的漏电势e1可表示为由于变压器中的电流按正弦变化，因而式（5-13）写成复数形式为（5-13）（5-14）第5章变压器X1=L1（5-15）这里X1为一次绕组漏磁电抗，简称漏抗。由式（5-14）可见：漏电势可以表示成空载电流在一次绕组漏抗X1上的电压降，相位上滞后为90。这样，引入漏抗X1后，就将漏磁通在一次绕组感应的电动势看成一次绕组的漏抗X1上的压降了，使问题相对简化。第5章变压器根据电路原理可知，L1=N21/R，其中R是漏磁路的磁阻。可见变压器制成后，匝数N1确定，而漏磁路又不会饱和（即R为常数），则漏电感L1随之确定。从式（5-15）可见，若电源频率f1不变，则X1为常数。但是，如果将低频变压器用于高频，则漏抗增大就成为影响变压器正常工作的原因之一。第5章变压器4.一次侧电势及励磁阻抗一次侧电势及励磁阻抗前面分析了产生的漏磁通1、漏抗X1及漏电势E1。而变压器空载时，漏磁通只是其磁路中的一少部分，大量的是主磁通。主磁通感应的电动势可以用类似分析漏磁通的方法处理。从图5-13可见，励磁电流的有功分量和 同相位，因此，可以看成在一个电阻R上的压降，即（5-16）第5章变压器而励磁电流的无功分量滞后相位90，因此，也可以看成 在一个电抗X上的压降，即将式（5-16）、式（5-17）带入式（5-12），得（5-18）（5-17）第5章变压器根据电路原理，令复导纳，则式（5-18）可表示为对应电路可以用图5-14表示。（5-19）第5章变压器图 5-14式（5-19）所示的电路图第5章变压器图5-14所示的电路在分析计算时有些不便，所以分析变压器电路时，常用电阻与电感的串联电路来表示，根据电路原理可得：式中，Zm为励磁阻抗；表示铁耗的等效电阻，也称为励磁电阻，并且I20Rm=pFe；表示励磁电抗，它反映了单位励磁电流产生主磁通的能力，受铁芯饱和的影响。（5-20）第5章变压器根据，RFe为变压器铁芯磁阻，当磁路饱和时磁阻增大，Xm减小。若饱和程度确定，则励磁电抗Xm随即确定。在变压器正常运行状态下，电源电压U1为额定值，则变压器主磁通m为确定值。因此，磁路饱和程度及铁耗均可确定，相应地，励磁电阻Rm及励磁电抗Xm有确定值，Zm也有确定值。第5章变压器 在电力变压器中，ZmZ1，因此在额定电压下运行时，励磁电流I0主要取决于Zm的大小。为提高变压器性能，希望I0小些，因此，通常电力变压器Zm值设计得较大。采用励磁电阻Rm及励磁电抗Xm串联表示E1时有其电路如图5-15所示。（5-21）第5章变压器图 5-15式（5-21）所示的电路第5章变压器5.2.3变压器空载运行时的电压方程、相量图和等效电路变压器空载运行时的电压方程、相量图和等效电路1.空载时一次侧电路的电压方程空载时一次侧电路的电压方程根据式（5-3）、式（5-14）和（5-21），变压器一次侧电路的电压平衡方程式为Z1=R1+jX1 （5-23）式中，Z1为变压器一次绕组漏阻抗；X1为变压器一次绕组漏阻抗压降。（5-22）第5章变压器2.空载时一次侧电路的相量图空载时一次侧电路的相量图根据以上对变压器空载运行的分析和式（5-22）、式（5-23），可以画出变压器空载时一次侧电路的相量图，如图5-16所示。图中取为参考相量，和的夹角0为空载运行时的功率因数角，090，即空载时变压器功率因数很低，空载变压器主要从电源吸收无功电流建立主磁场，相当于电源的感性负载。第5章变压器图 5-16变压器空载运行相量图第5章变压器3.空载时一次侧串联等效电路空载时一次侧串联等效电路根据以上对变压器空载运行的分析和式（5-22）、（5-23），可以画出变压器空载时一次侧等效电路，如图5-17所示。图 5-17变压器空载运行时的等效电路第5章变压器【例【例5-2】一台三相变压器，SN=100 kVA，U1N/U2N=6000 V/400 V；“Y，y”接法，每相参数Z1=R1+jX1=（4.2+j9.2），Zm=Rm+jXm=（514+j5526）。计算：（1）励磁电流与额定电流的比值；（2）空载运行时的输入功率;（3）一次侧相电压、相电动势及漏阻抗压降，并比较它们的大小。解：解：本例虽为三相变压器，但属对称运行的分析，故只需求解一相的量。（1）先求取额定电流I1N，再求取I0/I1N，即第5章变压器由空载等效电路或电压方程可求I0，等效电路总阻抗为Zm+Z1=（4.2+j9.2）+（514+j5526）=518.2+j5535=5559.284.65所以第5章变压器比值为（2）空载输入功率：视在功率有功功率无功功率 第5章变压器 比较P1和Q1可见，空载运行时电源送入变压器的功率主要是无功功率，用以建立变压器磁场。（3）相电压、相电动势、漏阻抗压降及其比较：相电压相电动势漏阻抗压降 第5章变压器上述数据表明，E1I0|Z1|，所以U1E1在工程应用中是比较精确的。其比值为 第5章变压器5.35.3变压器的负载运行变压器的负载运行5.3.1负载时的磁动势平衡方程及一、二次侧电流关系负载时的磁动势平衡方程及一、二次侧电流关系变压器一次侧AX接交流电压U1、二次侧ax与负载ZL连接的运行状态称为负载运行，如图5-18所示。与空载运行不同的是，二次侧ax与负载ZL接通，在二次绕组电势 的作用下，二次绕组有电流流过,二次侧负载上的电压为 ，所以。显然，的大小和相位取决于负载阻抗ZL的大小和性质（容性、感性、阻性）。图5-18中，一次侧各电磁量的正方向和空载运行时的正方向一致。、和 按电动机惯例定向，即电源向变压器输入的有功功率为P1=U1I1cos1，当P10时，电源向变压器输入有功功率，反之亦然；第5章变压器二次侧 、和 按发电机惯例定向，即变压器向负载输出的有功功率为P2=U2I2cos2，当P20时，变压器向负载输出有功功率，反之亦然。从图5-18可见，负载运行时变压器一、二次绕组分别有电流 和 ,并产生各自的磁动势 和 ，并共同作用在铁芯闭合磁路上。根据安培环路定律，负载时变压器中的主磁通由一、二次绕组的磁动势共同产生。按照图5-18所示的参考方向，负载时变压器一、二次绕组的合成磁动势为，即（5-24）第5章变压器图 5-18变压器的负载运行第5章变压器虽然变压器负载以后，一次绕组的电流与空载电流相比增加很多，但是由于一次侧漏阻抗Z1很小，漏阻抗降也很小（国标规定，应不超过额定电压的5%），使得一次侧绕组电压仍能满足。所以，当变压器一次侧电压 不变时，和就可以认为不变。也就是说，无论变压器空载运行还是负载运行，变压器的主磁通、合成磁动势都是不变的。如果变压器空载磁动势，那么负载时的合成磁动势与空载磁动势相等，即。根据式（5-24）可得变压器的磁动势平衡方程为（5-25）第5章变压器或者式（5-26）还可以写成电流的形式，即（5-27）（5-26）如果忽略，则式（5-27）可以表示为第5章变压器5.3.25.3.2负载时变压器的电压方程负载时变压器的电压方程变压器负载以后，二次侧绕组电流也会产生只与二次侧交链的漏磁通，可以用二次侧漏抗系数X2来表示。因此，根据图5-18中的参考方向，二次侧漏电势 根据基尔霍夫定律可得二次绕组端口a、x间的电压，即二次侧电压方程为（5-28）式中，Z2=R2+jX2，为二次侧漏阻抗。第5章变压器仿照式（5-22），可以得到变压器负载时的一次侧电压方程为（5-29）表征变压器负载运行的6个基本方程可总结如下:（1）一次侧电压方程为（5-29）（2）二次侧电压方程为（3）一、二次侧的电动势关系为第5章变压器（4）磁动势平衡方程为（5）一次侧励磁电流为（6）负载电压为（ZL为负载阻抗）第5章变压器5.45.4变压器的等效电路和相量图变压器的等效电路和相量图5.4.15.4.1绕组折算绕组折算由于变压器一、二次侧间没有电的联系，仅靠磁耦合关系进行能量传递，所以工程上采用折合算法来解决这一问题。折合算法实质上是在保持功率关系、磁动势关系不变的条件下，将绕组的实际匝数、电压、电流变换为一个折算值。第5章变压器1.电流电流I2的折算的折算由于折算前后磁动势 不变，即因此应有电流折算只需将原值乘以1/K即可。（5-30）第5章变压器2.电压、电势折算电压、电势折算保持折算前后主磁通不变，即所以应有同理，保持不变，则（5-31）第5章变压器应有同理应有电压、电势折算只需将原值乘以K即可。（5-32）第5章变压器3.阻抗折算阻抗折算折算原则是保持折算前后功率不变。保持电阻损耗功率不变时有 可得到同理：保持无功功率不变时有 第5章变压器可得到同理所以阻抗折算只需将原值乘以K2即可。（5-33）（5-34）第5章变压器综上分析，折算后变压器的六个基本方程为第5章变压器图 5-19折算后的变压器示意图5.4.25.4.2变压器负载时的等效电路变压器负载时的等效电路第5章变压器图 5-20变压器的T型等效电路第5章变压器图 5-21型等效电路T型等效电路揭示了变压器负载时一、二次侧电磁量的依存和制约关系。由于变压器一次侧漏阻抗Z1远小于励磁阻抗Zm，因而在工程计算中可以将T型等效电路进一步简化为型等效电路。第5章变压器图 5-22变压器简化等效电路（a）一字形等效电路；（b）用短路阻抗表示的等效电路变压器负载运行工程分析时可以忽略，同时等效电路可以简化为简化等效电路，如图5-22所示。第5章变压器5.4.35.4.3变压器负载时的相量图变压器负载时的相量图根据变压器折算后的基本方程及等效电路所表示的关系，可以画出变压器负载时的相量图。由于负载性质不同，因而相应的相量图也不同。1.变压器接电阻电感性负载时的相量图变压器接电阻电感性负载时的相量图工程应用中的变压器，其二次侧所接的负载大部分是电阻电感性负载，此时20，滞后于的相角为2，相量图如图5-23所示。第5章变压器图 5-23电阻电感性负载时的相量图第5章变压器图 5-24电阻电容性负载时的相量图2.变压器接电阻电容性负载时的相量图变压器接电阻电容性负载时的相量图对于电阻电容性负载，此时20，滞后于的相角为2，相量图如图5-24所示。第5章变压器【例【例5-3】一台三相变压器SN=750 kVA，额定电压U1N/U2N=10 000/400 V，“Y，y”接法，已知每相短路电阻Rk=1.40，短路电抗Xk=6.48。该变压器一次侧接额定电压，二次侧接三相对称负载（y接法），负载的每相阻抗ZL=（0.20+j0.07）。计算：（1）变压器一、二次侧负载电流I1、I2；（2）二次侧电压；（3）输入及输出功率（有功及无功）；（4）变压器带此负载的运行效率。第5章变压器 解：可应用简化电路求解。（1）计算一、二次侧负载电流。变比为负载阻抗为ZL=0.20+j0.07=0.21219.29ZL=K2ZL=（125+j43.75）第5章变压器图 5-25例5-3图忽略I0，采用简化等值电路计算，如图5-25所示。第5章变压器从一次侧看进去，每相总阻抗为Z=Zk+ZL=Rk+jXk+RL+jXL =1.40+j6.48+125+j43.75 =136.0121.67一次侧电流为二次侧电流为I2=KI1=2542.45=1061.25 A第5章变压器（2）二次侧电压为（3）计算输入及输出功率。一次侧功率因数角为1=21.67一次侧功率因数为cos1=cos21.67=0.93输入的有功功率为第5章变压器输入的无功功率为二次侧功率因数为cos2=cos19.29=0.94（2=L=19.29）输出功率为输出无功功率为（4）效率为（滞后）（滞后）第5章变压器5.5.15.5.1变比变比K K、铁耗、铁耗p pFeFe、励磁阻抗、励磁阻抗Z Zm m的测定的测定空载试验空载试验变压器空载试验可以测出变比K、铁耗pFe和励磁阻抗Zm及Xm、Rm，测试线路如图5-26所示。空载试验通常在低压边加电压，将高压边开路。以升压变压器为例，空载试验线路如图5-26（a）所示。一次侧（低压侧）接电源，二次侧（高压侧）开路，通过电压表、功率表、电流表分别测量一次侧电压U0、一次侧电流I0、输入功率p0和U20。5.55.5变压器的参数测定与应用变压器的参数测定与应用将变压器作为电路元件的工程分析与应用时必须知道变压器的参数。第5章变压器图 5-26空载试验线路及等效电路图第5章变压器因Z1Zm，故Z1可以忽略，则励磁阻抗为因R10，cos2和sin 2均为正值，u为正值，说明二次侧端电压随负载电流I2的增大而下降，因为I1NXkI1NRk，故2角越大，u越大，如图5-39中曲线3所示；当负载为容性负载时，20，而sin20，第5章变压器当|I1NRk cos2|1，从式（5-61）可见，一次侧电流和二次侧电流相位相差180，在数值上I2I1。（5-61）第5章变压器2.自耦变压器的容量自耦变压器的容量自耦变压器的额定容量指输出（或输入）电压与电流的乘积，即SN=U1NI1N=U2NI2N （5-62）对于双绕组变压器，两个绕组的容量相等，且等于变压器容量。而自耦变压器则不同，如图5-45所示，绕组Aa段和绕组ax段的容量分别为（5-63）第5章变压器从式（5-63）可见，自耦变压器串联绕组和公共绕组的容量相等，都为额定容量SN的倍。如果把容量为SNS、变比为K的普通双绕组变压器改接为降压自耦变压器，并且保持两个绕组的额定电压和额定电流不变，设改接后的自耦变压器容量为SN，则SNS和SN之间的关系为 第5章变压器其变形为从式（5-64）可见，把变比为K的双绕组变压器改接为降压自耦变压器以后，自耦变压器的额定容量增加到。（5-64）第5章变压器双绕组变压器和自耦变压器之间的一个重要差别是：双绕组变压器的一次、二次侧绕组间是电隔离的，能量的传递靠磁耦合完成；自耦变压器不但有磁耦合，还有电连接。由于自耦变压器的一次侧、二次侧存在电连接，因此其容量关系和双绕组变压器不同，即 SN=U1NI1N=（UAa+U2N）I1N=UAaI1N+U2NI1N （5-65）第5章变压器从式（5-65）可见，自耦变压器的容量SN分为两部分：第一部分为UAaI1N=SNS，是自耦变压器通过电磁感应传递给负载的，称为电磁功率；第二部分为U2NI1N，是一次侧电流I1N通过传导关系直接给负载的，称为传递功率。由于传递功率不需要增加自耦变压器的电磁参数，因此与双绕组变压器相比，自耦变压器的漏阻抗较小，损耗较低，励磁电流较小，价格较便宜。如果工程考虑的只是电压变换，对一、二次侧绕组间的电隔离不作为一个重要因素的情况下，则自耦变压器的优势是十分明显的，下面举例说明。第5章变压器【例【例5-8】一台50 kVA，2400 V/240 V的配电变压器，将它连接成一台自耦变压器，如图5-46所示。图中ab为240 V绕组，bc为2400 V绕组，且240 V绕组的绝缘足以承受2640 V的对地电压。计算：（1）该自耦变压器高压和低压侧的电压额定值U1N和U2N。（2）作为自耦变压器的额定容量。解：解：（1）由于2400 V绕组连接到了低压电路，因此U1N=2400 V，当Ubc=2400 V时，在绕组ab中将感应一个与Ubc同相的电压Uab=240 V。因此，高压侧的电压U2N为U2N=Ubc+Uab=2640 V第5章变压器图 5-46例5-8用图第5章变压器（2）从作为双绕组变压器的额定容量50 kVA可知，240 V绕组的额定电流为 ，由于自耦变压器的高压引线连接到240 V绕组，故高压侧额定电流I2N等于240 V绕组的额定电流，即208 A。因此，该自耦变压器的额定容量为SN=2640208=550103 VA=550 kVA注意，在此连接方式中，自耦变压器具有等效匝数比2400/2640。因而，一次侧绕组的额定电流必然为 第5章变压器作为双绕组的变压器，2400 V绕组的额定电流为，而额定容量为50 kVA，但作为自耦变压器时，额定容量却能达到550 kVA。这是因为有传导功率的原因。第5章变压器5.9.2多绕组变压器多绕组变压器有三个或更多个绕组的变压器，称为多绕组变压器或多电路变压器，常用于具有不同的三个电压或更多个电路互相连接。对此用途，多绕组变压器比等效数目的双绕组变压器花费较少，效率更高。在电子装置的多输出直流供电中，经常可以看到单一次侧、多二次侧的变压器。第5章变压器同样，大配电系统可能是通过三相多绕组变压器组，由具有不同电压的两个或更多个传输系统供电的。此外，用于使不同电压的两个传输系统互相连接的三相变压器组，常常带有第三套绕组，来为变电站中的辅助用电装置提供电压，或供给本地配电系统。有时，将D连接的第三套绕组接入，为励磁电流的三次谐波分量提供低阻抗路径，以减少中点电压的三次谐波分量。多绕组变压器在使用中将引起的若干问题，如漏阻抗对电压调整率、短路电流及电路间负载分配等。这些问题可以用类似于双绕组变压器的方法去解决。第5章变压器5.9.3电压互感器和电流互感器电压互感器和电流互感器由于电力系统的电压范围高达几百千伏，电流可能为数十千安，这就需要将这些高电压、大电流用变压器变为较为安全的低压、低流等级形式，以提供给测量仪器。测量高电压的专用变压器叫电压互感器（PT），测量大电流的专用变压器叫电流互感器（CT）。电压互感器和电流互感器用在仪器测量中，以使被测高电压或大电流满足仪表和其他仪器的量程。第5章变压器1.电压互感器电压互感器电压互感器是一次侧接高压、二次侧接大阻抗的测量仪器，所以，将电压互感器设计为正常运行时相当于普通变压器的空载运行。电压互感器一次侧匝数N1大，二次侧匝数N2小，一次侧电压是二次侧电压的Ku倍，为电压互感器的电压变比。电压互感器将一次侧高压变为二次侧低压，为测量仪器提供被测信号或控制信号，如图5-47所示。电压互感器的设计特点是：应具有较大的励磁阻抗，较小的绕组电阻和漏电抗，较低的铁芯磁密，不能饱和，从而提高了测量精度。同时，负载阻抗必须保持在某一最小值之上，以避免在所测量的电压大小和相位中引入过大的误差。第5章变压器图 5-47电压互感器的原理图第5章变压器电压互感器的设计特点是：应具有较大的励磁阻抗，较小的绕组电阻和漏电抗，较低的铁芯磁密，不能饱和，从而提高了测量精度。同时，负载阻抗必须保持在某一最小值之上，以避免在所测量的电压大小和相位中引入过大的误差。由于电压互感器正常运行时相当于空载运行，因此二次侧绝不允许短路，否则将引起电流过高而烧坏电压互感器。同时，二次侧不能并联过多数量的仪器，否则会导致电压互感器负载过大，引起测量误差的增加。第5章变压器2.电流互感器电流互感器电流互感器的一次侧绕组直接串入被测电路，因此，被测电流I1直接流过一次侧绕组。一次侧绕组N1仅有一匝或几匝，二次侧绕组匝数N2较多。电流互感器的二次侧与阻抗很小的仪表（如电流表、功率表）接成闭合回路，有电流I2流通，如图5-48所示。由于电流互感器二次侧阻抗很小，因此电流互感器正常运行时，其电磁原理相当于二次侧短路的变压器。第5章变压器图 5-48电流互感器的原理图第5章变压器为了提高电流互感器的测量精度，使二次侧电流能够准确反映一次侧电流，需要尽可能减小励磁电流。这样，电流互感器应尽量减少磁路中的气隙，选择导磁性能好的铁芯材料，使电流互感器铁芯的磁密值较低，不饱和。这时，可以认为励磁电流I0忽略不计，即式中，称为电流互感器的电流变比。（5-66）第5章变压器通常，电流互感器二次侧电流额定值为1 A或5 A，而一次侧电流的测量范围较宽，在不同的测量情况下可以选取不同的电流互感器。由于式（5-66）忽略了励磁电流，因而实际应用中的电流互感器总是存在着误差，即电流误差和相位误差。其电流误差用相对误差表示为 第5章变压器根据相对误差的大小，国家标准规定，电流互感器分为五个等级，即0.2，0.5，1.0，3.0，10.0。如，0.2级的电流互感器表示：在额定电流时误差最大不超过0.2%。对各级的允许误差（电流误差和相位误差）见有关国家标准。使用电流互感器时应注意如下事项：（1）二次侧绝对不允许开路。因为当二次侧开路时，一次侧的大电流I1（由主电路决定，与互感器状态无关）全部成为互感器的励磁电流，会使铁芯磁密急剧增高、铁耗剧增，铁芯过热而烧毁绕组绝缘，导致高压侧对地短路。更为严重的是，使二次侧感应极高电压，危及设备和人身安全。第5章变压器（2）二次绕组一端必须可靠接地，以防绝缘损坏后，二次绕组带高压引起伤害事故。（3）二次侧串入的电流表等测量仪表的总数不可超过规定值，否则阻抗过大，I2变小，I0增大，误差增加。（4）在更换测量仪器时，首先应闭合图5-48中的短路开关QS，然后更换测量仪器。第5章变压器小结小结变压器是使用最为广泛的电磁元件之一。它的工作原理主要建立在电磁感应和磁动势平衡这两个关系的基础上，它的基础理论可以推广到交流电机中，因此应深入掌握。从基本结构上看，变压器由绕组、铁芯和其它辅助设备构成。变压器的两个互相绝缘且匝数不同的绕组称为一、二次绕组，这两个绕组通过同一铁芯磁路铰链同一主磁通。从基本原理上看，一、二次绕组电路通过电磁耦合关系联系起来，因此，既有磁路问题，又有电路问题；在运行中既要保持磁动势平衡关系，又要保持电压平衡关系。变压器工作原理的分析就是在这两个基本关系的基础上进行的。第5章变压器从基本功能上看，变压器的一次绕组接电源，二次绕组接负载。由于变压器的一、二次绕组匝数不同，因此可将一种电压等级（如电源电压）转换为同频率的另一电压等级（如负载需要的电压）。同样，变压器还能实现改变电流等级和改变相位的功能。第5章变压器变压器内部的磁通可分为主磁通和漏磁通进行处理。这是由于这两种磁通所经过的磁路的性质不同，不能用一个公式把全部磁通与绕组相交链的情况表达出来，只能把全部磁通分为通过不同性质磁路的两个磁通。然后引入励磁阻抗Zm以反映主磁通对电路的影响，引入漏抗X1、X2以反映漏磁通对电路的影响，这样就把电磁场问题转化为电路问题。这是分析变压器的基本思想。变压器空载运行与负载运行时的物理现象是变压器的理论基础，通过对空载运行与负载运行的研究，导出了变压器的基本方程式、相量图和等效电路。第5章变压器基本方程式综合了电动势和磁动势的平衡关系；相量图是基本方程式的一种图示表示法；等效电路是基本方程式的模拟电路，它既能正确地模拟变压器内部所发生的电磁过程，又能把实际变压器的电磁关系模拟成一个电路来研究。基本方程式、相量图和等效电路三者在物理意义上完全统一、紧密联系。由于基本方程式的求解比较复杂，因此在实际应用中，如作定性分析，则采用相量图，比较直观而且简便；如作定量分析计算，则采用等效电路比较方便。在应用等效电路时，必须注意到一、二次侧各量的归算关系。第5章变压器在分析变压器负载运行时，由于励磁电流比负载电流小得多，因而通常可将励磁支路忽略，使变压器的等效电路简化为两个漏阻抗串联的近似等效电路。在分析变压器空载运行和励磁现象时，励磁电流成为主要研究对象。对已制成的变压器的参数，可以通过空载实验与负载实验来测定。第5章变压器由于三相变压器的每一相都可看成为单相变压器，因此，分析三相变压器时，只需利用单相变压器的基本方程式、等效电路和相量图对其进行分析。三相变压器的磁路系统及绕组连接方式对磁通及电动势波形有较大的影响。三相变压器一、二次绕组有多种连接方式，用连接组别来表示。它反映了一、二次侧线电势之间的相位关系，采用不同的连接组别可实现变相位的目的。并联运行的变压器要满足具有相同的连接组别、相同的变比和相近的阻抗电压标幺值，否则对变压器的运行很不利，甚至损坏变压器。第5章变压器自耦变压器的工作原理与双绕组变压器相同。自耦变压器一、二次绕组之间不仅有磁的耦合，还有电的联系，可将电能从一次侧直接传导到二次侧。因此，自耦变压器比双绕组变压器节省材料，效率更高。第5章变压器仪用互感器的工作原理与双绕组变压器相同。电压互感器和电流互感器是一种测量用的变压器，误差问题是其主要问题，因此，电压互感器和电流互感器是以误差来分等级的。电流互感器和电压互感器具有较大的变比，可将大电流、高电压转换成测量仪表所需的小电流、低电压，从而实现对一次侧电流和电压的测量。电流互感器二次侧不允许开路，电压互感器二次侧不允许短路。综上所述，本章主要介绍了变压器的结构及工作原理、运行状态、参数测定方法、运行特性、连接组别等，同时介绍了自耦变压器和仪用互感器。