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1、第二章变压器基本作用原理,第二章 变压器的基本作用原理与理论分析,第二章变压器基本作用原理,第一节 电力变压器的基本结构和额定值,电力变压器的基本结构 铁芯：0.35mm硅钢片叠压而成 铁芯柱：用于套线圈的部分 铁轭：用于闭合磁路的部分 装配方式：交叠装配,第二章变压器基本作用原理,油浸式变压器,第二章变压器基本作用原理,干式变压器铁心及线圈,第二章变压器基本作用原理,安装中的三相电力变压器,第二章变压器基本作用原理,变压器铭牌,第二章变压器基本作用原理,二、变压器的额定值,额定容量SN ：额定条件下使用时输出能力的保证值。 额定电压：空载时额定分接头上的电压保证值。 额定电流：由额定容量和额
2、定电压计算所得。,单相变压器：,三相变压器：,第二章变压器基本作用原理,三相电路知识,相量表示法： 相量的三个要素：时间轴，投影及有向线段。 相量、波形图及函数表达式是正弦变量三位一体的表达方法。,第二章变压器基本作用原理,第二节 变压器空载运行,空载运行的物理现象 学习要点： 空载运行的含义及变压器电势平衡的分析方法,第二章变压器基本作用原理,空载运行时电势平衡关系的建立,问题1：如果外接电压为直流电源的分析。 问题2：为什么空载电流幅值很小？,结论1：空载电流的主要作用是产生变压器工作所需要的磁场、磁通。 问题3：空载电流产生的磁通大小如何确定？ 结论2：外施电压大小决定感应电势大小，感应
3、电势大小决定了磁通量大小。 提示：分析变压器问题要从外施电压开始！,第二章变压器基本作用原理,感应电势及磁通关系表达式、电压变比,若已知：,根据上述结论2可知，感应电势E1外施电压U1存在平衡关系（几乎相等），这个平衡包括了幅值、频率及相角之间的近似。 由此可推知磁通型式。亦可用物理知识加以验证。,（1）,第二章变压器基本作用原理,由上述式（1）可得变压器电压变比表达式：,提示：这一部分的学习必须注重逻辑关系。即分析问题的起点在哪里，然后运用什么物理原理得到什么结论。（复习时注意从正弦外施电压出发一直推导到激磁电流。）,第二章变压器基本作用原理,考虑饱和时的激磁电流,问题：已知磁通情况，如何推
4、导产生该磁通的激磁电流情况？ 解决方法1：作图法,磁路不饱和情况下,磁路饱和情况下,第二章变压器基本作用原理,作图法,第二章变压器基本作用原理,解决方法2：利用磁路欧姆定律分析 已知：,又饱和前磁阻为常数，则,可知饱和前磁通波形和电流波形是一致的，其中一个如果是正弦波形则全为正弦波形。 当进入饱和状态后，导磁率变小，磁阻增大。和饱和前相比，单位增量的磁通需要大的电流增量。则电流波形必然比正弦波形的陡度大。 根据上述分析可知，当磁通为正弦波形时，激磁电流为尖顶波。,第二章变压器基本作用原理,由于尖顶波不能用相量表示，将它用相同的有效值、相同的基波频率且同相位的正弦电流等效。该等效的正弦量用 表示
5、，称为磁化电流。 由于 与 同相位，而 滞后- 90 ，所以 滞后- 90 ，具有无功电流的性质。 激磁电流是空载电流的主要组成部分。,你能否理解 和 同相位和含义？,第二章变压器基本作用原理,磁滞现象对励磁电流的影响,由于磁滞效应，磁化曲线的上升段和下降段不一致，使得励磁电流波形不对称，可分解为一个尖顶波和一个超前 90 的正弦波。该正弦分量称为磁滞电流分量，与 同相位，是有功电流分量（为什么？）。,第二章变压器基本作用原理,涡流对励磁电流的影响,变磁通在铁芯中产生涡流及涡流损耗。与涡流损耗对应的电流分量称为涡流电流分量，是有功电流分量，根据功率定义，必然与感应电势同相位。 磁滞电流分量和涡
6、流电流分量同相位，可以统称为铁耗电流分量：,如此，励磁电流可以表示为铁耗电流和磁化电流两个分量：,第二章变压器基本作用原理,励磁特性的电路模型,根据前述结论，激磁电流可以分解为两个不同作用电流分量之和，则可以得到单个线圈的等效模型：,注意：rm 并不是实际存在的电阻，而是为了计算铁耗而引进的模拟电阻。,第二章变压器基本作用原理,漏抗,主磁通感应主电势，产生主电势的激通及相应激磁效应引入电抗Xm进行等效。相应的，漏磁通也要感应漏电势，也可引入电抗X1等效。,第二章变压器基本作用原理,思考：,思考： rm 和 xm 大一点好还是小一点好？ rm 和 xm 的大小与哪些因素有关？,第二章变压器基本作
7、用原理,电路方程、等效电路和相量图,第二章变压器基本作用原理,第三节 变压器负载运行,第二章变压器基本作用原理,物理现象,磁势平衡概念 楞次定律及交变磁场中线圈特性回顾 为什么说付方线圈对磁路中磁通的表现为去磁作用？ 回答（注意逻辑顺序） 原边施加的电压是否改变？ 和空载条件下相比，磁通是否改变？ 如果原方电流不变，则电势平衡将不再成立。 结论：磁势平衡的真谛在于，负载后原付方项圈一起完成空载时激磁电流的励磁工作。,第二章变压器基本作用原理,基本方程式,第二章变压器基本作用原理,负载后电磁现象总结：,第二章变压器基本作用原理,思考题：,用变压器空载到负载的原方电流变化过程来说明变压器工作时磁势
8、平衡的原理。 用变压器轻载到重载的原方电流变化过程来说明变压器工作时磁势平衡的原理。,第二章变压器基本作用原理,变压器等效电路的导出,以两绕组变压器为例，原方和付方是可逆的。 基于前面得到的空载变压器等效电路可猜想完整变压器等效电路如下：,第二章变压器基本作用原理,等效电路存在的问题：,变压器两端电路被割裂，无法求解 激磁阻抗是整个变压器的激磁性能的等效，将其割裂不符合物理现实。 结论：必须对一个线圈进行归算。,第二章变压器基本作用原理,三：归算,归算原则：保持变压器内部电磁关系不变，保持原付方功率传递关系不变。 归算方法：将二次绕组用一个匝数与一次绕组匝数相同的虚拟绕组替代。 需归算的量：与
9、二次绕组有关的物理量，包括电流、电动势、电阻和漏抗。 电流的归算值 归算原则：磁动势保持不变,第二章变压器基本作用原理,电动势的归算值 归算原则：电磁功率保持不变,电阻的归算值 归算原则：铜耗保持不变,第二章变压器基本作用原理,四、归算后的基本方程、等效电路和相量图,第二章变压器基本作用原理,由此可得基于该等效电路的解题注意事项： 注意已知条件是线值还是相值，如果是线值必须根据连接方式（星型或三角型）换算出相值。 利用得到的相电压、相电流等计算出阻抗值并带入等效电路。,注意！对于三相变压器，等效电路指的是某一相的等效，而不是三相的等效。,第二章变压器基本作用原理,相量图的作法,前提：电路参数和
10、负载已知。 组成：二次电压相量图、电流相量图和一次电压相量图。,第二章变压器基本作用原理,五、近似等效电路和简化等效电路,励磁电流Im(0.030.08)I1N。,合并原边、副边阻抗，略去励磁电流。,第二章变压器基本作用原理,思考题：,1.试分析外施额定电压时变压器激磁电流的波形情况。 提示：回答这个问题要注意如下层次： 外施额定电压时线圈感应电势是什么性质的波形。 感应电势如果是正弦波形，磁通是什么波形。 磁通波形和激磁电流波形的情况。（考虑饱和特性）,第二章变压器基本作用原理,思考题,2.解释等效电路中各参数的含义。 尤其要对变压器激磁电抗的含义有深刻的理解。 3.为什么说激磁电抗的数值反
11、映了变压器激磁性能的强弱。,第二章变压器基本作用原理,结论： 反映了变压器激磁能力的强弱,类似地可以对漏抗进行分析。,第二章变压器基本作用原理,思考题：,2变压器的其它条件不变，仅将原、副边线圈匝数增加10，试问对X1和xm的影响怎样？如果仅将外施电压升高10，其影响怎样？如果仅将频率升高10，其影响又怎样？ 提示：把握住电势平衡，利用等效参数的定义和磁路欧姆定律进行分析。,第二章变压器基本作用原理,第四节 标 幺 值,第二章变压器基本作用原理,三、标幺值的表示：用下标“*”表示。,对于三相系统，要注意其基值是线间额定值，因此要注意区分三相线圈的不同连接方式。,如三角形接法：,第二章变压器基本
12、作用原理,四、标幺值的优点 1、计算方便且容易判断错误。 2、用标幺值计算的同时也起到归算的作用。 3、用标幺值更能说明问题的实质。,标幺值是电力系统计算的重要表达型式，利用标幺值解题则不需要对变压器原付方的物理量进行归算，但一定要注意进行标幺值转换时须采用正确的标幺基值。,第二章变压器基本作用原理,一、空载实验： 目的：求取 rm 和 xm 。 方法：低压侧加额定电压（U0），高压侧开路，测取 p0 和 I0。,第五节 参数测定方法,计算：,第二章变压器基本作用原理,说明： 1、以上计算所得参数为低压侧参数，如实验在高压侧进行，则计算所得参数为高压侧参数。 2、励磁参数随铁芯饱和程度而变化，
13、所以空载实验应在额定电压下进行。 3、对于三相变压器，计算式中的数值均应是每相值，计算结果也是每相值。,第二章变压器基本作用原理,二、短路实验,目的：求取 rk 和 xk 。 方法：低压侧短路，调节高压侧电压Uk，使短路电流不超过额定电流，测取 pk 和 Ik。 注意！决不允许在额定电压下进行短路实验，因为此时 Ik =（9.5 20）IN ，将损坏变压器。,计算：,第二章变压器基本作用原理,用电桥测出一、二次侧直流电阻值，再用以下两式联立求解可分离出一、二次侧电阻值。,一、二次侧漏抗不能用实验的方法分离，一般可认为两者归算到同一侧的值相等。 由于电阻随温度而变化，按照电力变压器标准规定，需将
14、实验所得电阻换算到75时的值：,第二章变压器基本作用原理,短路实验时，短路电流为额定电流时的外加电压称为短路电压，是一重要参数，可用标幺值表示为：,短路电阻标幺值还可表示为：,若短路电流不为额定值，pkN可用下式计算：,第二章变压器基本作用原理,第六节 变压器的运行性能,一、电压变化率 定义：一次侧电压为额定电压时，空载与额定负载两种情况下的二次侧电压算术差与空载电压之比。,电压变化率本质上定义了变压器的带载能力。,第二章变压器基本作用原理,由图中可以看出：,注意： 上式中的 2 为二次侧电压超前电流的角度，感性负载时为正值，容性负载时为负值。 当2 为负值时， U 可能为负值，说明变压器带容
15、性负载时，二次侧电压可能高于空载电压。 额定电压变化率：cos2 = 0.8（滞后）时额定负载的电压变化率。约为 5% 8%。,第二章变压器基本作用原理,二、变压器的效率,变压器的损耗可以分为铜耗和铁耗： 铜耗 基本铜耗：电流流过绕组产生的直流电阻损耗。 附加铜耗：趋肤效应、内部环流和漏磁场引起的损耗。 铁耗 基本铁耗：主磁通在铁芯中引起的磁滞损耗和涡流损耗。 附加铁耗：主磁通在其他部件中引起的涡流损耗。,第二章变压器基本作用原理,效率计算方法：间接法（损耗分离法）。 铁耗 pFe ：不随负载变化，空载实验时 I0 和 r1 都很小，铜耗可忽略，p0 都是铁耗。 铜耗 pCu ：与负载电流平方成正比，短路实验时电压很低， Im 很小，铁耗可忽略，pkN 都是铜耗。 任意负载时变压器总损耗可表示为：,输出功率：,