Transcript 第二章变压器

第2章

变压器
定义:
变压器是一种静止的电气设备，它利用电磁感应原理将
一种电压、电流的交流电转换成同频率的另一种或两种以上
电压、电流的交流电。换句话说，变压器就是一种实现电能
在不同等级之间进行转换的装置。
§2.1 变压器的用途、分类与结构
一、变压器的作用与用途
1、作用：在交流电路中变电压、变电流、变阻抗、
变相位和电气隔离。
2、电力系统示意图
图2.1.1 电力系统示意图
二、变压器的分类
按用途分：电力变压器、特种变压器。
按相数分：单相、三相、多相变压器。
按绕组结构分：双绕组、三绕组、多绕组变压器和自耦变压器。
按冷却方式分：干式变压器、油浸式变压器和充气式变压器。
按铁心结构分：心式变压器和壳式变压器。
按调压方式分：无励磁调压变压器和有载调压变压器。
按容量不同分：中小型变压器、大型变压器和特大型变压器。
电力变压器
电源变压器
环形变压器
控制变压器
接触调压器
三相干式变压器
三、变压器的基本结构
铁心
1、组成：
器身
绕组
变压器
油箱
其他部件
变压器的主要结构：铁心和绕组。
• 铁心是变压器的磁路部分；
• 绕组是变压器的电路部分。
2、铁心和绕组：
1）铁心：构成了变压器的磁路，同时又是套装绕组的骨架。铁
心由铁心柱和铁轭两部分构成。铁心柱上套绕组，铁轭将铁
心柱连接起来形成闭合磁路。
铁心材料：为了提高磁路的导磁性能，减少铁心中的磁滞、
涡流损耗，铁心一般用高磁导率的磁性材料——硅钢片叠成。
硅钢片有热轧和冷轧两种，其厚度为0.35～0.5mm，两面涂
以厚0.02～0.23mm的绝缘漆，使片与片之间绝缘。
铁心结构:变压器铁心的结构有心式结构和壳式结构。
图2.1.3 心式变压器
图2.1.4 壳式变压器
铁心叠片形式:变压器的铁心一般将硅钢片裁成条状，为了减
少气隙和磁阻，一般采用交错式叠法，使相邻层的接缝错开。
a)单相叠装式
b)三相直缝叠装式
2) 绕组
绕组是变压器的电气部分，一般用绝缘铜或铝导线
绕制而成。绕组的作用是作为电气的载体，产生磁通和感
应电动势。
一次绕组（原绕组）：接电源侧，输入电能。
二次绕组（副绕组）：接负载侧，输出电能。
高压绕组：接高压电网
低压绕组：接低压电网
从高、低压绕组的相对位置来看，变压器的绕组又可
分为同心式、交叠式。
同心式绕组:将高、低压绕组套在铁心柱上，通常低压绕
组靠近铁心，高压绕组套装在低压绕组外面。
交叠式绕组：将高低压绕组分成若干线饼，沿着铁心柱的高
度方向交替排列。
图2.1.5
同心式绕组
图2.1.6
交叠式绕组
3、变压器其它附件
14
15
16
图2.1.2 三相油浸式电力变压器外形图
1一温度计；
2一吸湿器；
3一储油柜；
4一油标；
5一安全气道；
6一气体继电器；
7一高压套管；
8一低压套管；
9一分接开关；
10一油箱；
11—铁心；
12—线圈；
13—放油阀门
14—铭牌
15—小车
16—接地板
四、变压器的铭牌与额定值
铭牌：标有名称、型号、功能、规格、出厂日期、制造厂等字样。
1、型号：表示一台变压器的结构、额定容量、电压等级等内容。
表示方法为：
2、额定数据
（1）额定电压 U1N/U2N:
U1N是指变压器正常工作时加在原绕组上的电压，U2N
是原绕组加U1N时，副绕组的开路电压，即U20 。单位为V或kV 。
（2）额定电流 I1N、I2N：指变压器原、副绕组连续运行所允许通过的电流。
单位为A 。
（3）额定频率：按我国规定，工业用电50Hz。
（4）额定容量SN：指在额定使用条件下所能输出的视在功率，即设计功率，
通常叫容量。用伏安（VA或kVA ）等表示。
单相： S N  U1N I1N  U 2 N I 2 N
三相： S
N
 3U1N I1N  3U2 N I 2 N
例：有一台单相变压器，额定容量SN=100KVA，额定电压
U1N/U2N=10/0.4，求额定运行时原、副绕组运行时原、副绕组
中的电流。
解：I1N=SN/U1N=1000/10=100A
I2N=SN/U2N=1000/0.4=2500A
§2.2 变压器的基本工作原理
一、变压器工作时的物理量

A
u1
i1
i2
e1
e2 u
2
a
X
各电、磁量正方向的规定：
x
图2.2.1 变压器工作原理图
(1) 同一支路中电压u与i 的正方向一致；
(2) 磁通的方向与产生它的电流方向符合右手螺旋定则；
(3) 感应电动势与产生它的磁通方向符合右手螺旋定则。
◆ 变压器一次绕组接交流电源,二次绕组开路时的运行状态,叫空载运行。
◆ 变压器空载运行时通过一次绕组的电流，叫空载电流。
二、变压器变电压的原理
按图2.2.1所示参考方向，根据电磁感应定律，主磁通φ在原绕组中

的感应电动势为

d
e1   N1
dt
A
u1
i1
i2
e1
X
图2.2.1 变压器工作原理图
设φ=Φmsinωt ，代入上式计算得
e1 = -ωN1Φmcosωt
= 2πf N1Φmsin（ωt-90°）
= E1msin（ωt-90°）
x
e2 u
2
a

在上式中， E1 m=2πf N1Φm 是电动势的最大值，其有效值E1为
1
E1   2fN1 m  4.44 fN1 m
2

由于原、副绕组中通过同一磁通，因此副绕组感应电动势为
E2=4.44 f N2Φm

由此可得原边电动势E1与副边电动势E2之比，即
E1 N1

K
E2 N 2
K称为变压器的变比，也即变压器原、副绕组的匝数比。

忽略了原、副绕组中的漏阻抗后，电压与电动势在数值上大致
相等，即:
U1≈E1=4.44 f N1Φm
变压器输入、输出的电压关系
U1 E1 N1
 
K
U 2 E2 N 2
注意：
（1）K一般取高压与低压之比。
（2）对三相变压器是指原、副边相电动势（相电压）之比。
三、变压器变电流的原理

由于变压器的效率很高，忽略了各种损耗后，根据能量守恒定律，变
压器输入输出的视在功率基本相等。即
U 1 I 1 ≈U 2 I 2
I1 U 2 1 N 2
  
I 2 U1 K N1

表明：变压器在改变电压的同时，电流也随之成反比例地变化，且原、
副边电流之比等于匝数之反比。
三、变压器变阻抗的原理
变压器原边绕组中的电压和
电流分别为：
U1=K U2 ，I1= I2/K

从变压器输入端看，等效的输入阻抗： 图2.2.2
Z

变压器变阻抗的原理
U1
U
 K 2 2  K 2 ZL
I1
I2
表明负载阻抗ZL反映到电源侧的输入等效阻抗Z，其值扩大了K2倍。
§2.3
单相变压器的运行特性
一、变压器的电压变化率和外特性
1.变压器的电压变化率

原边加额定电压，负载的功率因数一定，空载与额定负载时副边端电
压之差（U2N-U2）与额定电压U2N的比值，用百分数表示的数据。即
U2N U2
U
U % 
100% 
100%
U2N
U2N
即从空载到额定负载运行时，副绕组输出电压的变化量与副边额定电
压的百分比。
2.变压器的外特性
定义: 原边电压为额定值U1=U1N，
负载功率因数cosφ2一定时，副边
端电压U2 随负载电流I2 变化的关
系曲线，即
U2 =f （I2 ）
◆ 感性负载时，2>0，U为正。
◆ 容性负载，2<0，U为负。
实际运行中一般是感性负载
图2.3.1
变压器的外特性
二、变压器的损耗和效率
1.变压器的损耗
（1） 铜损耗pCu
◆ 铜耗指原，副绕组内电流引起的欧姆电阻损耗。
◆ 其值与电流的平方成正比。铜损耗的大小随负载的变化
而变化，叫做可变损耗。
◆ 负载运行的铜损耗等于负载系数β的平方乘以额定电流
下短路试验测定的损耗Pk ，即：
Pcu=β2Pk
(β =I1/I1N=I2/I2N)
（2）铁损耗pFe
它是铁心中通过交变磁通引起发热而产生的，其值与铁
心中磁通量的最大值有关。当电源电压不变时，变压器铁心
中的磁通量最大值基本不变，铁损耗也基本不变，把铁损耗
称为不变损耗。
◆ 负载运行的铁损耗等于在同电压下由空载试验测出的损
耗P0。即：PFe=P0
（3）变压器的总损耗 = 铁损耗 + 铜损耗
即：
 p  pCu  pFe   pK  p0
2
2.变压器的效率
定义：变压器输出有功功率P2 与输入有功功率P1 的比值，计算公式为：
P2
  100%
P1

效率特性：在功率因数一定时，变压器的
效率与负载电流之间的关系η=f(β),称
max
为变压器的效率特性。
0

图2.3.2 变压器的效率特性
由数学分析可以证明，当
即
m 
 pK  p0
2
m
时，变压器的效率最高。
p0
时
pK
 m S N cos 2
  m 
100%
 m S N cos 2  2 p0
§2.4 三相变压器
三相变压器组:由三台同容量的单相变压器组成的三相变压器。
三相变压器：采用三相共有一个铁心的三相心式变压器。
一、三相变压器的磁路系统
图2.4.1
三相心式变压器的磁路系统
外加三相对称电压时，三相磁通也是对称的，故三相磁通之和：



U  V  W  0
特点：在这种铁心结构的变压器中，任一瞬间某一相的磁通
均以其他两相铁心为回路，因此各相磁路彼此相关联。
图2.4.1
三相心式变压器的磁路系统
二、三相变压器的电路系统—联接组
◆ 联接组
按照原、副绕组对应线电动势的相位关系把变压器绕组
的连接种类分成各种不同的组合。
◆ 时钟法
用时钟的长针代表原边的电动势相量，置于时钟的12
时处不动；短针代表副边的电动势相量，落后的相位差除
以30，为短针所指的钟点数。
1.单相变压器的联接组
◆ 变压器绕组的极性:指变压器一、二次绕组中感应电动势
之间的相位关系。
◆ 同名端概念：对绕在同一个铁心柱上的原、副绕组，通
电后，铁心中磁通交变，在两个绕组中都会产生感应电势。
在某一瞬时，原绕组某一端电位为正，则副绕组也必然有一
个电位为正的对应点，这两个对应的同极性点称作同极性端
或同名端。
同名端：原、副绕组两个对应的同极性端点，用“ • ”表
示
电动势正方向的规定：从首端指向末端
EU与Eu相位相同，
联接组别为Ii0
EU与Eu相位相反，
联接组别为Ii6
2.三相变压器绕组的接法
◆ 星形连接（Y连接）：把三相绕组的三个末端连结在一起作为中点。当Y联
结有中点引出线时，用YN表示。
◆ 三角形连接（D连接）：一相绕组末端与另一相绕组首端相连，依次得到
一 闭合回路。 有顺、逆之分。
a)
图4-20
b)
三相绕组的联结法
c)
三相绕组的接法与相量图
3、三相变压器的联接组
三相变压器原、副绕组有多种不同的接法，导致了原、
副边对应的电动势之间有不同的相位差。
按照原、副绕组对应线电动势的相位关系把变压器绕
组的连接种类分成各种不同的组合，称为联接组。
三相变压器绕组的联接组
联结组的认识：
（1）当变压器的绕组标志（同名端或首末端）改变时，
变压器的联接组号也随着改变。
（2）最常用的联接组是Yy0 和 Yd11
图2.4.4
图2.4.6
Yy0联接组
Yd11联接组
图2.4.5
图2.4.7
Yy6联接组
Yd1联接组
Yy0联接组
Yd11联接组
三、变压器的并联运行
一次侧绕组
二次侧绕组
负载
母线
三相变压器并联运行的接线图
变压器的并联运行：是指两台或两台以上变压器的原、副绕组
分别并联起来，接到原边和副边的公共母线上参加运行。
1.变压器并联运行的优点
■ 提高供电的可靠性。如果某台变压器发生故障，可把
它从电网切除，进行维修，电网仍能继续供电。
■ 可根据负载的大小，调整运行变压器的台数，使工作
效率提高。
■ 可以减少变压器的备用量和初次投资，随着用电量的
增加，分批安装新的变压器。
2.变压器理想的并联运行



空载运行时，各变压器绕组之间无环流。
负载时，各变压器所分担的负载电流与它们的容量
成正比。防止某台过载或欠载，使并联的容量得到
充分发挥。
各变压器的负载电流同相位。
3.变压器理想并联运行的条件

各变压器原、副边的额定电压相等，即变比相等。
各变压器的联接组别相同

各变压器的短路电压相等。

§2.5
特种变压器
一、自耦变压器
1、定义:原、副边共用一个绕组，副边电路从原边抽头而
来 ，原、副边之间不仅有磁的耦合，电路还互相连通。
图2.5.1
自耦变压器原理
2.特点：
自耦变压器一、二次绕组既有磁耦合，又有电联系。
3.自耦变压器的电压、电流关系：
(不计算漏阻压降)
U1
E1
N1


k
U 2 E2 N 2
图2.5.1 自耦变压器原理图
传导功率：由电路关系直接传递的功率.
电磁功率：由电磁感应传递的功率 。
传导功率是自耦变压器独具一格的特点，也是节省材料的关
键所在。
3、公共绕组中的电流
I = I 2 － I1
图2.5.1 自耦变压器原理图
4、自耦变压器输出的视在功率：
S2 = U2 I2
= U2（I+ I1）
= U2 I+ U2 I1
图2.5.1 自耦变压器原理图
U2I1是电流I1直接传到负载的功率——传导功率；
U2I 是通过电磁感应传到负载的功率——电磁功率。
5、自耦变压器的特点
◆ 在输出容量相同的情况下，自耦变压器比普通双绕组变
压器省铁省铜、尺寸小、质量轻、成本低、损耗小、效率
高。
◆ 自耦变压器的二次侧也必须采取高压保护，防止高压入
侵损坏低压侧的电气设备。
◆ 自耦变压器二次功率不是全部通过磁耦合关系从一次侧
得到，而是有一部分功率直接从电源得到。
6、使用注意事项
◆ 使用时，要求把原、副边的公共端U2和u2接零线， U1和U2接
电源，u1和u2接负载。
图2.5.2
自耦变压器的正确接法
图2.5.3
自耦变压器的错误接法
二、仪用互感器
仪用互感器，简称互感器，专门用于测量的变压器。
◆ 作用
（1）使测量仪表与高电压或大电流电路隔离，保证仪
表和人身的安全
（2）可扩大仪表的量程，便于仪表的标准化。
1.电压互感器
（1）实质：降压变压器
（2）用法：工作时，一次侧并接在
需测电压的电路上，二次侧接在
电压表或功率表的电压线圈上。
图2.5.4
电压互感器原理接线图
（3）电压关系
由
U1
N
 1  Ku 即
U 2 N2
U1  Ku U2
（Ku称为电压互感器的电压变比）
说明：电压互感器利用原、副边
不同的匝数比，可将线路上的高
电压变为低电压来测量。
图2.5.4
电压互感器原理接线图
（4）注意事项
◆ 电压互感器不能短路，否则将产生很大的电流，导致绕
组过热而烧坏。
◆ 电压互感器的额定容量是对应精确度确定的，在使用时
二次侧所接的阻抗值不能小于规定值，即不能多带电压表或
电压线圈。否则电流过大，会降低电压互感器的精确度等级。
◆ 铁心和二次侧线圈的一端应牢固接地，以防止因绝缘损
坏时二次侧出现高压，危及操作人员的人身安全。
2.电流互感器
（1）实质:升压变压器
（2）用法:工作时，一次侧与被
测电流的线路串联(有的只有一
匝)，二次侧接电流表或瓦特表
的电流线圈。
图2.5.5
电流互感器原理接线图
（3）电流关系
由
I1
N2

 Ki
I2
N1
有：
I1  Ki I2
（Ki为电流互感器的电流变比）
表明：电流互感器利用原、副边不同的匝数关系，可将线
路上的大电流变为小电流来测量。
（4）注意事项
◆ 电流互感器工作时，二次侧不允许开路。因为开路时,I2
=0,失去二次侧的去磁作用,一次磁势I1N2成为励磁磁势,将使
铁心中磁通密度剧增,这样,一方面使铁心损耗剧增,铁心严
重过热,甚至烧坏;另一方面还会在二次绕组产生很高的电压,
有时可达数千伏以上,将绕组线圈击穿,还将危及测量人员的
安全。
◆ 二次侧绕组回路串入的阻抗值不得超过允许值，否则将影
响电流互感器的精确度。
◆ 二次绕组的一端和铁心必须牢固接地，以免当互感器绝缘
损伤时一次高压进入二次侧发生危险。
三、电焊变压器
1、实质：是一台具有特殊外特性的降压变压器。
图2.5.6
电焊变压器外特性
2、要求

空载时，具有60～75V的输出电压U20，以保证容易起弧。但为了操作
者的安全，最高电压一般不得超过85V。

负载时，应具有电压迅速下降的外特性，如图2.5.6所示。在额定负载
时的输出电压U2约为30V左右。

短路时，其短路电流不应过大。

为了焊接不同的工件和使用不同的电焊条，要求焊接电流能在一定的
范围内可调。
3、结构特点
（a）磁分路
图2.5.7
（b）串联可变电抗器
电焊变压器结构