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1、电机与拖动ppt本讲稿第一页，共四十八页（电机与拖动 ）电子教案授课内容摘 要 第三章 变压器课时安排6授课日期08年7 月26日班 级08电工任课教师席艳瑶编写日期08年6 月20 日检查签字教学目的要 求掌握变压器结构与工作原理重点与难 点变压器结构与工作原理教学回顾掌握的较好教学过程详见教案本讲稿第二页，共四十八页第一节第一节 变压器的工作原理和结构变压器的工作原理和结构 变压器是一种静止的装置，它是依靠磁耦合的作用，将一种等级的电压与电流转换成另一种等级的电压与电流，起着传递电能的作用。变压器分类：按相数分为：电力变压器仪用互感器试验变压器调压器控制变压器单相三相变压器本讲稿第三页，共

2、四十八页 一、变压器的工作原理一、变压器的工作原理 在一个闭合的铁心上缠绕两个绕组，其匝数既可以相同，也可以不同，但一般是不同的。如图4.1所示，两个绕组之间只有磁的耦合，而没有电的联系。图3.1 单相双绕组变压器原理图本讲稿第四页，共四十八页 二、变压器的结构二、变压器的结构 变压器的主要结构部件有：铁心和绕组两个基本部分组成的器身，以及放置器身且盛满变压器油的油箱。此外，还有一些为确保变压器运行安全的辅助器件。图3.2为一台油浸式电力变压器外形图。图4.2 油浸式变压器外形图1放油阀门 2绕组 3铁心 4油箱 5分接开关 6低压套管7高压套管 8气体继电器 9安全气道 10油表 11储油柜

3、 12吸湿器 13湿度计 本讲稿第五页，共四十八页 1 铁心。构成变压器磁路的主要部分。为了减小交变磁通在铁心中引起的损耗，铁心通常用厚度为0.3 mm0.5mm、表面具有绝缘膜的硅钢片叠装而成，分为铁心柱和铁轭两部分。图3.3(a)、(b)所示的变压器，从外面看，线圈包围铁心柱，称为心式结构；图3.4所示的变压器，从外面看，铁心柱包围线圈，(a)单相心式变压器(b)三相心式变压器图3.3 心式结构变压器本讲稿第六页，共四十八页图3.4 壳式结构的变压器 2 绕组。构成变压器电路的主要部分。原、副边绕组一般用铜或铝的绝缘导线缠绕在铁心柱上。3 其他部件 1）油箱及储油柜 变压器的冷却方式分为干

4、式自然冷却、油浸自然冷却、油浸风冷、油浸强迫油循环冷却。储油柜就是油枕。2）绝缘套管 变压器的绝缘套管装在箱盖上，多用瓷质绝缘套管。作用是把绕组的引线端头从油箱中引出，并使引线与油箱绝缘。本讲稿第七页，共四十八页 3）气体继电器 气体继电器装在油箱盖与储油柜的连通管导管中，对变压器的短路、过负荷、漏油等故障起到保护作用。4）安全气道（又称防爆管）安全气道装在较大容量变压器油箱顶上的一个钢质长筒，下筒口与油箱连通，上筒口以玻璃板封口。当变压器内部发生严重故障又恰逢气体继电器失灵时，油箱内的高压气体便会沿着安全气道上冲，冲破玻璃封口，以避免油箱受力变形或爆炸。5）分接开关 分接开关装在变压器油箱盖

5、上，通过调节分接开关来改变一次绕组的匝数，从而调节二次绕组的输出电压。三、变压器铭牌三、变压器铭牌 1、变压器型号 按国家标准规定，变压器的型号由汉语拼音字母和数字组成，表示变压器的系列和规格。本讲稿第八页，共四十八页 按照国家标准规定，标注在铭牌上的，代表变压器在规定使用环境和运行条件下的主要技术数据，称为变压器的额定值(或称为铭牌数据)，主要有：(1)额定容量是变压器在正常运行时的视在功率，通常以SN来表示，单位为伏安(VA)或千伏安(kVA)。对于一般的变压器，原、副边的额定容量都设计成相等。(2)额定电压：在正常运行时，规定加在原边绕组上的电压，称为原边的额定电压，以U1N来表示；当副

6、边绕组开路(即空载)，原边绕组加额定电压时，副边绕组的测量电压，即为副边额定电压，以U2N来表示。在三相变压器中，额定电压系指线电压，单位为伏(V)或千伏(kV)。(3)额定电流：是指根据额定容量和额定电压计算出来的电流值。原、副边的额定电流分别用I1N、I2N来表示，单位为安(A)。(4)额定频率：我国以及大多数国家都规定fN=50Hz。额定容量、额定电压和额定电流之间的关系为 本讲稿第九页，共四十八页 单相变压器：三相变压器：此外，变压器的铭牌上还一般会标注效率、温升、绝缘等级等。本讲稿第十页，共四十八页第二节变压器的运行原理第二节变压器的运行原理 一、变压器的空载运行一、变压器的空载运行

7、 空载运行是指变压器一次侧加额定电压、二次侧开路时的运行状态。变压器的各电磁量都是交流量，为分析和计算方便，必须规定出其正方向。图3.5所示变压器各量的正方向是遵循惯例，按下面所述的相应电磁规律来规定的。图3.5 变压器工作原理示意图 1、空载运行时的磁场 空载交变磁势F0=i0 N1，建立空载磁场。磁场由两部分磁通组成：存在于铁心中的磁通并同时与原边、副边绕组相交链，称为主磁通 ；少量的磁通：只与原边绕组相交链，称为原边侧漏磁通 。本讲稿第十一页，共四十八页2、空载运行时的电磁关系1）感应电动势：设主磁通：感应电动势为：则：e1、e2的有效值分别为本讲稿第十二页，共四十八页相应的相量表达式为

8、：漏磁感应电动势：2）空载电流 变压器的空载电流i0一方面建立磁场，另一方面要补偿空载运行时变压器的损耗。前者仅起磁化作用，称为励磁电流或磁化电流，是i0中的无功分量，以im表示；后者是有功分量，以iFe表示。本讲稿第十三页，共四十八页i0=im+iFe空载电流的相量关系如图3-6所示。图图4.10 空载时电流分析等效图 图3.6 空载时电流相量图 例：31 书68页电压平稳衡方程式：变比为：3、空载变压器的等效电路：根据变压器空载运行时的实际物理情况，可以把原边绕组等效为一个电阻、一个空心线圈和一个实心线圈串联组成，如图3.7所示。电阻即为绕组内阻，空心线圈所产生的磁通为原边绕组的漏磁通，实

9、心线圈产生的磁通为铁心中的主磁通。这样就可以把实际的原边绕组与三个理想元件相等效，便于作进一步分析。等效电路如图3.8所示。相量如图3.9所示。本讲稿第十四页，共四十八页图3.7 空载时原边绕组等效图 二、变压器的负载运行二、变压器的负载运行 原边绕组接通额定电压，副边绕组接上负载ZL时，称为变压器的负载运行。其工作原理图如图3.10所示。图3.8 变压器空载时的等效电路图 图3.9 变压器空载运行时的相量图 1、平衡方程式 1）磁势平衡方程式 由：得本讲稿第十五页，共四十八页图3.10 变压器负载运行原理图空载时磁势为：负载时变压器的磁势为：总磁势为：本讲稿第十六页，共四十八页2）电流平衡方

10、程式 由：得：3）电压平衡方程式 3、等效电路：利用变压器负载运行时的磁动势、电动势平衡方程式以及原、副边之间的电压比关系，可以计算出变压器在稳态运行时的各个电磁量。但是对于既有电路又有磁路的变压器而言，用方程组计算十分繁琐，为此我们希望有一个能正确反映变压器内部电磁关系的单纯电路来代替实际的变压器，用电路的理论对其进行分析和计算，这种电路称为等效电路。本讲稿第十七页，共四十八页 1）折算：使变压器一、二次侧的各量转化为同一匝数下的量的计算过程。折算的原则：折算前后电磁关系和功率关系不变。（1）电流归算 根据归算前后的磁动势保持不变，有考虑到 ，有 （2）电动势和电压的折算 由于归算前后磁动势

11、保持不变，因此主磁通也不会改变，感应电动势就与所对应的匝数成正比 本讲稿第十八页，共四十八页 （3）二次阻抗的折算 根据归算前后副边绕组的铜耗和无功功率保持不变的原则，有 负载阻抗的折算值为 2)等效电路 当采用折算法将变压器一、二次绕组各量统一成为同一匝数下的各量时，便能用一个纯电路形式的等效电路来直接表示变压器负载运行时内部的电、磁关系和功率关系的电路。本讲稿第十九页，共四十八页折算后变压器负载运行时的基本方程式为：根据以上方程式作出电路如图3.11 3.12 3.13所示:本讲稿第二十页，共四十八页图3.11 变压器的T型等效电路图3.12 变压器的型等效电路 图3.13 变压器的等效电

12、路图3.14 变压器负载运行时的相量图 本讲稿第二十一页，共四十八页电路阻抗为:负载运行时的相量如图3.14所示。例：32 34 书73页和74页 三、变压器的参数测定三、变压器的参数测定 1、空载试验 空载试验的目的：测定(1)变比k；(2)空载损耗P0；(3)励磁参数。为了安全起见，一般是在低压侧进行。单相变压器空载试验接线图如图3.15所示。等效电路如图3.16所示。本讲稿第二十二页，共四十八页图3.15 空载试验接线图 图3.16 空载试验等效电路图 空载时所测阻抗可近似等效为励磁阻抗，即 本讲稿第二十三页，共四十八页 2、短路试验短路试验的目的：测定短路参数 ；额定铜耗 短路试验时，

13、副边绕组处于短路状态。理论上短路试验即可以在高压侧进行，也可以在低压侧进行，但为了安全起见，一般是在高压侧进行。短路试验接线图如图3.17所示。相量如图3.18所示。图3.17 短路试验接线图 图3.18 短路试验等效电路图 短路试验中，把绕组电流达到额定值时，加在原边绕组两端的电压称为短路电压或阻抗电压，；所测得Z1称为短路阻抗。本讲稿第二十四页，共四十八页测得参数为：换算到75下的值为：铜线铝线例：34 书77页本讲稿第二十五页，共四十八页第三节第三节 变压器的运行特性变压器的运行特性 变压器的运行特性包含两个方面：(1)外特性。即原边绕组施加额定电压，负载的功率因数保持不变时，副边绕组端

14、电压随负载电流的变化规律U2=f(I2)。(2)效率特性。一、外特性一、外特性 一、外特性一、外特性 由于原边绕组所加电压始终为额定值，主磁通 保持不变，副边绕组的感应电动势 也保持不变。当副边电流 发生变化时，副边漏阻抗压降也会发生变化，从而导致副边端电压 随之变化。将其变化规律用曲线描述出来，就是变压器的外特性曲线。本讲稿第二十六页，共四十八页 在变压器分析过程中，通常用电压调整率U%来衡量端电压变化的程度。电压调整率指的是在原边绕组施加额定电压，负载功率因数一定，变压器从空载到负载时，端电压之差(U20-U2)与副边额定电压U2N之比的百分值。即特性曲线如图3.19所示.图3.19 变压

15、器在不同负载时的端电压变化率 二、效率特性二、效率特性 1、功率关系：本讲稿第二十七页，共四十八页1）铁损：铁心中磁滞和涡流损耗的统称。2)铜损:变压器负载运行时一、二次绕组导线上产生的损耗。2 效率：变压器的效率指的是输出的有功功率与输入的有功功率之比，即本讲稿第二十八页，共四十八页例：35 书80页本讲稿第二十九页，共四十八页 第四节第四节 三相变压器三相变压器三相变压器工作原理与单相变压器完全相同。一、三相变压器的磁路系统一、三相变压器的磁路系统 三相变压器可以用一个由3个磁路相互独立的单相变压器所组成的，三相之间只有电的联系而无磁的联系。如图3.20所示。也可以将三相绕组同装在一个铁心

16、上，组成三相变压器。图图图3.20 三相组式变压器 本讲稿第三十页，共四十八页 1、三相变压器组的磁路系统（单独）磁路特点：三相磁通各有自己的单独的磁路。但当对原边绕组施加对称的三相电压时，便会对称，空载电流也是对称的。2、三相心式变压器的磁路 与三相组式变压器不同，三相心式变压器的磁路相互关联。它是通过铁轭把3个铁心柱连在一起的。如图3.21所示。这种铁心结构是从单相变压器演变过来的，把3个单相变压器铁心柱的一边组合到一起，而将每相绕组缠绕在未组合的铁心柱上。由于在对称的情况下，组合在一起的铁心柱中不会有磁通存在，故可以省去。图3.21 三相心式变压器的铁心结构本讲稿第三十一页，共四十八页

17、二、变压器的连接方式和连接组别二、变压器的连接方式和连接组别 1、变压器绕组的标记和极性 1）标记 如表31所示绕组名称首端末端中点原边绕组U、V、WX、Y、ZO副边绕组u、v、wx、y、zO表3-1 三相变压器首末端标记 2）极性 同名端：任何时刻两个绕组的感应电动势都会在某一端呈现高电位的同时，在另外一端呈现出低电位。借用电路理论的知识，把原边、副边绕组中同时呈现高电位(低电位)的端点称为同名端，并在该端点旁加“”来表示。2、单相变压器的连接组别本讲稿第三十二页，共四十八页 按照惯例，统一规定原边、副边绕组感应电动势的方向均从首端指向末端。一旦两个绕组的首、末端定义完之后，同名端便唯一由绕

18、组的绕向决定。当同名端同时为原边、副边绕组的首端(末端)时，和 同相位，用连接组I/I-12表示，如图3.22所示；否则，和 相位相差180，用连接组I/I-6表示，如图3.23所示。(a)接线图 (b)相量图 图3.22 连接组I/I-12(a)接线图 (b)相量图 图3.23 连接组I/I-6 本讲稿第三十三页，共四十八页 3、三相绕组的连接方式 有星形连接和三角形连接二种。三相变压器的连接组有两部分组成，一部分表示三相变压器的连接方法；一部分连接组的标号。钟表法:根据原副线电动势的相位关系来确定连接组标号。连接组标号有两层含义：一方面原边、副边线电动势相位差都是30的倍数，该倍数即为连接

19、组标号；另一方面代表着时钟的整点数，如果规定原边线电动势作为分针始终指向12点不动，副边绕组的线电动势作为时针，按顺时针转动，指向几点，则连接组标号就是几，这就是所谓的钟表法。1 Y/y连接组 图3.24图3.29给出了所有Y/y连接组的接线图和相量图。本讲稿第三十四页，共四十八页(a)接线图 (b)相量图(a)接线图 (b)相量图图3.24 Y/y-12连接组图3.25 Y/y-2连接组(a)接线图 (b)相量 图3.26 Y/y-4连接(a)接线图 (b)相量图 图3.27 连接组Y/y-6本讲稿第三十五页，共四十八页(a)接线图 (b)相量图 图3.28 连接组Y/y-8(a)接线图 (

20、b)相量图 图5.29 连接组Y/y-10 由此可见，当原边、副边绕组采用相同的连接方式时，连接组标号均为偶数，并且，原边、副边绕组感应电动势的相序一致，标号的改变并不会影响到相序。2 Y/d连接组 图3.30图3.35给出了所有Y/d连接组的接线图和相量图。本讲稿第三十六页，共四十八页(a)接线图 (b)相量图 图3.31 Y/D-3连接组(a)接线图 (b)相量图 图3.32 Y/d-5连接组(a)接线图 (b)相量图 图3.33 Y/d-7连接组本讲稿第三十七页，共四十八页(a)接线图 (b)相量图 图3.34 Y/d-9连接组(a)接线图 (b)相量图 图3.35 Y/d-11连接组

21、当原边、副边绕组采用不同的连接方式时，连接组标号均为奇数。3.由三相变压器的连接组确定接线图 这可以看成是上一过程的逆过程。其步骤如下：首先根据连接组所示的连接方法，初步画出原边、副边绕组的连线方式，并且按照常规，定义原边绕组的出线端标志及相电动势、线电动势，在此基础上，画出原边绕组相量图；然后把U点当作u点，根据连接组标号，再相量图中画本讲稿第三十八页，共四十八页出副边绕组的线电动势、相电动势；最后根据原边、副边线电动势的相位关系，确定副边绕组的出线端标志、同名端。下面以Y/y-2及Y/d-3为例来说明如何根据三相变压器的连接组确定其接线图。1)Y/y-2 (1)初步画出原边、副边绕组的连线

22、方式，定义原边绕组的出现U标志及相电动势、线电动势，如图5.17所示。(2)根据连接组标号，再相量图中画出副边绕组的线电动势、相电动势。(3)根据原边、副边线电动势的相位关系，确定副边绕组的出线端标志、同名端。2)Y/D-3 (1)初步画出原边、副边绕组的连线方式，定义原边绕组的出线端标志及相电动势、线电动势。(2)根据连接组标号，再相量图中画出副边绕组的线电动势、相电动势。(3)根据原边、副边线电动势的相位关系，确定副边绕组的出线端标志、同名端。本讲稿第三十九页，共四十八页三三 变压器的并联运行变压器的并联运行 1.变压器并联运行的理想情况和条件 并不是任意的变压器都可以组合在一起就能并联运

23、行的，为减少损耗，避免可能出现的危险情况，希望并联运行的变压器能实现以下的理想情况：(1)空载时，为减少绕组铜耗，应保证并联运行的各变压器之间无环流；(2)负载时，为使各变压器都能得到充分利用，每台变压器应该按其容量成比例地承担负载；(3)负载时，为了提高带载能力，并联运行各变压器的副边绕组电流相位应相同。2.理想并联运行的条件 下面就以两台单相变压器的并联运行为例，来详细研究为实现变压器的理想并联运行所应满足的条件。1）一、二次侧额定电压相同及变压比相等。2）连接组别相同。3）短路电压（或短路阻抗）标么值相等。本讲稿第四十页，共四十八页第五节第五节 特殊变压器特殊变压器 一一 自耦变压器自耦

24、变压器 自耦变压器也有单相和多相之分，但与普通双绕组变压器的区别在于：只有一个绕组，副边绕组是原边绕组的一部分，因此，原边、副边绕组之间不但有磁的耦合，还有电的联系。下面就以单相自耦变压器为例来对其进行分析。（一）、工作原理 图3.36所示为一台单相降压自耦变压器的工作原理图。和普通变压器一样，根据电磁感应定律可知，绕组的感应电动势与匝数成正比，所以原边、副边绕组的感应电动势分别为 图3.36 单相自耦变压器工作原理图本讲稿第四十一页，共四十八页 1、电压电流关系变压器的电压比为 。在忽略漏阻抗压降时，自耦变压器与普通变压器有着相同的磁动势平衡方程式，即 如果忽略影响不大的励磁电流 ，上式可以

25、变成 即上式说明 与 反相，并且I2I1。本讲稿第四十二页，共四十八页 2、容量关系 普通变压器是以磁场为媒介，通过电磁感应作用来进行能量传输的。自耦变压器的原边、副边绕组既然有了电的联系，它的能量传输方式也必然有着与普通变压器的不同之处。自耦变压器的输出功率有两部分组成，一部分为U2 I1，由于I1是原边电流，在它流经只属于原边部分的绕组之后，直接流到副边，传输到负载中去，故U2 I1称为传导功率；另一部分为U2 I12，显然要受到负载电流和原边电流的影响，所以I12可以看成是由于电磁感应作用而产生的电流，这一部分功率也相应地称为电磁功率。另外，自耦变压器也通常设计的原边、副边容量相等，即

26、(二)特点 (1)在同样容量的前提下，自耦变压器所用材料要比普通变压器少、体积小、重量轻，效率也要高一些。从而可以降低成本，提高经济效益。但当电压比k较大时，经济效益就不明显，一般自耦变压器电压比k设计为k=1.252。本讲稿第四十三页，共四十八页 (2)由于副边绕组为原边绕组的一部分，两绕组之间存在着电的联系，低压侧容易受到高压侧过电压的影响。所以绝缘和过电压保护要加强；(3)由于只有一个绕组，漏电抗较普通变压器要小，因此，短路阻抗小，短路电流就大，要加强短路保护。二二 仪用互感器仪用互感器 仪用互感器是配电系统中供测量和保护用的设备，分为电流互感器和电压互感器两类。它们的工作原理和变压器相

27、似，是把高电压设备和母线的运行电压、大电流即设备和母线的负荷或短路电流按规定比例变成测量仪表、继电保护及控制设备的低电压和小电流。1 电压互感器 电压互感器又称仪表变压器，也称PT或TV，工作原理、结构和接线方式都与普通变压器相同。其接线图如图3.37所示。图3.37 电压互感器接线本讲稿第四十四页，共四十八页 电压互感器的特点是：(1)与普通变压器相比，容量较小，类似一台小容量变压器；(2)副边负荷比较恒定，所接测量仪表和继电器的电压线圈阻抗很大，因此，在正常运行时，电压互感器接近于空载状态。电压互感器的原、副边绕组额定电压之比，称为电压互感器的额定电压比。即k=U1N/U2N，其中原边绕组

28、额定电压U1N是电网的额定电压，且已标准化，如10、35、110、220kV等，副边电压U2N，则统一定为100(或 )V，所以k也就相应地实现了标准化。为安全起见，副边绕组必须有一点可靠接地，并且副边绕组绝对不能短路。本讲稿第四十五页，共四十八页 2 电流互感器 电流互感器也是按电磁感应原理制成的，也称CT或TA。其原边绕组串接于被测线路中，副边绕组与测量仪表或继电器的电流线圈串连，副边绕组的电流按一定的变比反应原边电路的电流。其接线图如图3.38所示。与电压互感器的情况相似，电流互感器的副边绕组也必须有一点接地。由于作为电流互感器负载的电流表或继电器的电流线圈阻抗都很小，所以，电流互感器在

29、正常运行时接近于短路状态。图3.38 电压互感器接线图 本讲稿第四十六页，共四十八页 电流互感器的特点是：(1)原边绕组串联在被测线路中，并且匝数很少，因此，原边绕组中的电流完全取决于被测电路的负荷电流，而与副边电流无关；(2)电流互感器副边绕组所接电流表或继电器的电流线圈阻抗都很小，所以正常情况下，电流互感器在近于短路状态下运行。电流互感器原边、副边额定电流之比，称为电流互感器的额定互感比：k=I1N/I2N，因为原边绕组额定电流I1N已标准化，副边绕组额定电流I2N统一为5(或1、0.5)A，所以电流互感器额定互感比也标准化了。为安全起见，电流互感器副边绕组在运行中绝对不允许开路，为此，在电流互感器的副边回路中不允许装设熔断器，而且当需要将正在运行中的电流互感器副边回路中仪表设备断开或退出时，必须将电流互感器的副边短接，保证不致断路。本讲稿第四十七页，共四十八页 小结:本次课重点讲解变压器的运行原理、三相变压器的连接组别及特殊变压器的用途。作业：书9192页的1、2、3、4、19、20、23、24、31、32本讲稿第四十八页，共四十八页