合肥工業(yè)大學(xué)顧繩谷《電機(jī)及其拖動(dòng)基礎(chǔ)》第三章ppt講義

1、第三章第三章 變壓器變壓器第一節(jié)第一節(jié) 變壓器的工作原理、分類及結(jié)構(gòu)變壓器的工作原理、分類及結(jié)構(gòu)一、變壓器的工作原理一、變壓器的工作原理 變壓器的主要部件變壓器的主要部件鐵心和套在鐵心上的兩個(gè)繞鐵心和套在鐵心上的兩個(gè)繞組。兩繞組只有磁耦合沒電組。兩繞組只有磁耦合沒電聯(lián)系。在一次繞組中加上交聯(lián)系。在一次繞組中加上交變電壓，產(chǎn)生交鏈一、二次變電壓，產(chǎn)生交鏈一、二次繞組的交變磁通，在兩繞組繞組的交變磁通，在兩繞組中分別感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。中分別感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。tNeudd111tNeudd222機(jī)電系2111222UENkUENk匝比匝比忽略鐵心中的損耗，根據(jù)能量守恒定律，有：忽略鐵心中的損耗，根據(jù)能量守恒定律

2、，有：2211IUIU二、變壓器的分類二、變壓器的分類 按用途分：電力變壓器和特種變壓器。按用途分：電力變壓器和特種變壓器。按繞組數(shù)目分：?jiǎn)卫@組（自耦）變壓器、雙繞組變壓器、三繞組按繞組數(shù)目分：?jiǎn)卫@組（自耦）變壓器、雙繞組變壓器、三繞組變壓器和多繞組變壓器。變壓器和多繞組變壓器。按相數(shù)分：?jiǎn)蜗嘧儔浩?、三相變壓器和多相變壓器。按相?shù)分：?jiǎn)蜗嘧儔浩?、三相變壓器和多相變壓器?按鐵心結(jié)構(gòu)分：芯式變壓器和殼式變壓器。按鐵心結(jié)構(gòu)分：芯式變壓器和殼式變壓器。 按調(diào)壓方式分：無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓變壓器和有載調(diào)壓變壓器。按調(diào)壓方式分：無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓變壓器和有載調(diào)壓變壓器。 按冷卻介質(zhì)和冷卻方式分：干式變壓器、油浸式變壓器和

3、充氣按冷卻介質(zhì)和冷卻方式分：干式變壓器、油浸式變壓器和充氣式變壓器。式變壓器。 機(jī)電系3電源變壓器電力變壓器控制變壓器接觸調(diào)壓器三相干式變壓器機(jī)電系4三、變壓器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介三、變壓器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介鐵心鐵心變壓器中主要的磁路部分，變壓器中主要的磁路部分，分為鐵心柱與鐵軛兩部分。分為鐵心柱與鐵軛兩部分。 單相芯式變壓器單相芯式變壓器1 1鐵心柱鐵心柱 2 2鐵軛鐵軛3 3高壓線圈高壓線圈 4 4低壓線圈低壓線圈三相芯式變壓器三相芯式變壓器1 1鐵心柱鐵心柱 2 2鐵軛鐵軛3 3高壓線圈高壓線圈 4 4低壓線圈低壓線圈機(jī)電系5單相殼式變壓器單相殼式變壓器1 1鐵心柱鐵心柱 2 2鐵軛鐵軛 3 3繞組繞組繞

4、組繞組變壓器中的電路部分。變壓器中的電路部分。 1 1低壓繞組低壓繞組 2 2高壓繞組高壓繞組交疊式繞組交疊式繞組機(jī)電系6油浸式電力變壓器油浸式電力變壓器1 1信號(hào)式溫度計(jì)信號(hào)式溫度計(jì)2 2吸濕器吸濕器3 3儲(chǔ)油柜儲(chǔ)油柜4 4油位計(jì)油位計(jì)5 5安全氣道安全氣道6 6氣體繼電器氣體繼電器7 7高壓套管高壓套管8 8低壓套管低壓套管9 9分接開關(guān)分接開關(guān)1010油箱油箱1111鐵心鐵心1212線圈線圈1313放油閥門放油閥門機(jī)電系7變壓器的額定值變壓器的額定值額定容量為變壓器的視在功率（用額定容量為變壓器的視在功率（用SN 表示，單位表示，單位 kVA ，VA）額定電壓（一次和二次繞組上分別為額定

5、電壓（一次和二次繞組上分別為U1N 和和U2N ，單位單位V, kV）額定電流（一次和二次繞組上分別為額定電流（一次和二次繞組上分別為I1N 和和I2N ，單位單位 A , kA）單相變壓器單相變壓器N2N2N1N1NIUIUS三相變壓器三相變壓器N2N2N1N1N33IUIUS額定頻率額定頻率fN 我國(guó)的規(guī)定為我國(guó)的規(guī)定為50Hz機(jī)電系8 例例3-13-1 有一臺(tái)三相油浸自冷式鋁線電力變壓器，有一臺(tái)三相油浸自冷式鋁線電力變壓器，AkV160NSkV4 . 0/kV35/2NN1UU試求一次、二次繞組的額定電流。試求一次、二次繞組的額定電流。解解：A64. 2A10353101603331NN

6、N1USIA9 .230A104 . 03101603332NNN2USIY,y0聯(lián)結(jié)聯(lián)結(jié)機(jī)電系9第第二節(jié)節(jié) 單相變壓器的空載運(yùn)行單相變壓器的空載運(yùn)行一、空載運(yùn)行時(shí)的物理情況一、空載運(yùn)行時(shí)的物理情況變壓器匝數(shù)為變壓器匝數(shù)為N1的一次繞組加上的一次繞組加上交流電壓，變壓器匝數(shù)為交流電壓，變壓器匝數(shù)為N2的二的二次繞組開路，這種情況即為變壓次繞組開路，這種情況即為變壓器的空載運(yùn)行。器的空載運(yùn)行。一次繞組和二次繞組的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式一次繞組和二次繞組的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式110 1110111dd()()ddui reei RNNtt 2022ddueNt 其中，其中，i0 空載電流；空載電流；u20

7、二次繞組的空載電壓；二次繞組的空載電壓；r1 一次繞組的一次繞組的電阻。電阻。 主磁通；主磁通；1 一次繞組漏磁通。一次繞組漏磁通。機(jī)電系101 1、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與主磁通、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與主磁通空載運(yùn)行時(shí)，忽略空載運(yùn)行時(shí)，忽略i1R1和和e1 11eu sinmt 設(shè)：設(shè)：1111dsin(90 )sin(/2)dmmeNNtEtt 2222dsin(90 )sin(/2)dmmeNNtEtt 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1 和和e2 均滯后于均滯后于 的電角度的電角度90，其有效值為其有效值為mmmmfNfNNEE1111144. 42222mmmmfNfNNEE2222244. 42222E1和和E2

8、的相量表達(dá)式的相量表達(dá)式mfNE1144. 4 jmfNE2244. 4 j機(jī)電系112、空載電流、空載電流空載電流包含兩個(gè)分量，一個(gè)是勵(lì)磁分量，作用是建立磁空載電流包含兩個(gè)分量，一個(gè)是勵(lì)磁分量，作用是建立磁場(chǎng)，產(chǎn)生主磁通場(chǎng)，產(chǎn)生主磁通無(wú)功分量；另一個(gè)是鐵損耗分量，作無(wú)功分量；另一個(gè)是鐵損耗分量，作用是供變壓器鐵心損耗用是供變壓器鐵心損耗有功分量。有功分量。 性質(zhì)：由于空載電流的無(wú)功分量遠(yuǎn)大于有功分量，所以空載電性質(zhì)：由于空載電流的無(wú)功分量遠(yuǎn)大于有功分量，所以空載電流主要是感性無(wú)功性質(zhì)流主要是感性無(wú)功性質(zhì)也稱勵(lì)磁電流；也稱勵(lì)磁電流；大?。号c電源電壓和頻率、線圈匝數(shù)、磁路材質(zhì)及幾何尺寸有大?。号c

9、電源電壓和頻率、線圈匝數(shù)、磁路材質(zhì)及幾何尺寸有關(guān)，用空載電流百分?jǐn)?shù)關(guān)，用空載電流百分?jǐn)?shù)I I0 0% %來(lái)表示：來(lái)表示：%100%N00III3、漏磁通和漏電抗、漏磁通和漏電抗漏電動(dòng)勢(shì)漏電動(dòng)勢(shì)E 1mIE1111jXmEI 漏電抗漏電抗X X1 是一次繞組的一個(gè)參數(shù)。是一次繞組的一個(gè)參數(shù)。機(jī)電系12二、空載運(yùn)行時(shí)的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式、二、空載運(yùn)行時(shí)的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式、相量圖及等效電路相量圖及等效電路1111111()()j()mmmUI REEI RI XE 11111(jX )()()mmIREI ZE 220EU1(jX )mmmmmEI ZIR其中，其中，Z 1 一次繞組漏阻抗一次繞組漏阻

10、抗 Zm 變壓器的勵(lì)磁阻抗變壓器的勵(lì)磁阻抗 Xm 變壓器的勵(lì)磁電抗變壓器的勵(lì)磁電抗 Rm 變壓器的勵(lì)磁電阻變壓器的勵(lì)磁電阻并且有并且有mmIEZ1FemmpRI22mmmXZR機(jī)電系13mmmmZIZIEZIU1111)(機(jī)電系14第第三節(jié)節(jié) 單相變壓器的基本方程式單相變壓器的基本方程式 變壓器一次側(cè)接在額定頻率、額定電壓的交流電源上，二次側(cè)變壓器一次側(cè)接在額定頻率、額定電壓的交流電源上，二次側(cè)接上負(fù)載的運(yùn)行狀態(tài)，稱為負(fù)載運(yùn)行接上負(fù)載的運(yùn)行狀態(tài)，稱為負(fù)載運(yùn)行。一、負(fù)載運(yùn)行時(shí)的物理情況一、負(fù)載運(yùn)行時(shí)的物理情況由于電源電壓恒定，即由于電源電壓恒定，即U1= =常數(shù)，則常數(shù)，則E1常數(shù)，常數(shù)，m常數(shù)

11、。因此，常數(shù)。因此，達(dá)到新的電動(dòng)勢(shì)平衡的條件是使一次繞組的電流增量所產(chǎn)生的磁動(dòng)達(dá)到新的電動(dòng)勢(shì)平衡的條件是使一次繞組的電流增量所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)與二次繞組電流所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)相抵消，以維持主磁通基本不變，勢(shì)與二次繞組電流所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)相抵消，以維持主磁通基本不變，以及由主磁通所感應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)基本不變以及由主磁通所感應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)基本不變。02211NINI2121INNI機(jī)電系15二、負(fù)載運(yùn)行時(shí)的基本方程式二、負(fù)載運(yùn)行時(shí)的基本方程式1 1、磁動(dòng)勢(shì)平衡方程式、磁動(dòng)勢(shì)平衡方程式2 2、電動(dòng)勢(shì)平衡、電動(dòng)勢(shì)平衡 方程式方程式0)(22112211NINIININIm12211NININIm和漏電抗和漏電抗。

12、分別為一次和二次繞組的漏阻抗、電阻分別為一次和二次繞組的漏阻抗、電阻121212ZZRRXX、 、 、 、和mmZIE1111111111jUEI RI XEI Z222222222jUEI RI XEI Z1212/EENNk機(jī)電系16第四節(jié)第四節(jié) 變壓器的等效電路及相量圖變壓器的等效電路及相量圖一、繞組歸算一、繞組歸算歸算：將變壓器的二次（或一次）繞組用另一個(gè)繞組來(lái)等效，同時(shí)，歸算：將變壓器的二次（或一次）繞組用另一個(gè)繞組來(lái)等效，同時(shí)，對(duì)該繞組的電磁量作相應(yīng)的變換，以保持兩側(cè)的電磁關(guān)系不變。對(duì)該繞組的電磁量作相應(yīng)的變換，以保持兩側(cè)的電磁關(guān)系不變。歸算原則：歸算原則：1 1）保持二次側(cè)磁動(dòng)勢(shì)

13、不變；保持二次側(cè)磁動(dòng)勢(shì)不變；2 2）保持二次側(cè)各功率或損）保持二次側(cè)各功率或損耗不變。耗不變。二次繞組歸算后，變壓器一次和二次繞組具有同樣的匝數(shù)，即二次繞組歸算后，變壓器一次和二次繞組具有同樣的匝數(shù)，即（一）電動(dòng)勢(shì)和電壓的歸算一）電動(dòng)勢(shì)和電壓的歸算12NN 則則221222ENNkENN22EkE 2020EkE 22UkU 機(jī)電系17（二）電流的歸算（二）電流的歸算22IIk （三）阻抗的歸算（三）阻抗的歸算阻抗歸算的原則：歸算前后電阻銅耗及漏感中無(wú)功功率不變。阻抗歸算的原則：歸算前后電阻銅耗及漏感中無(wú)功功率不變。222222I RI R22222222IRRk RI 222222IXI X

14、 22222222IXXk XI 歸算后變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)的基本方程式變?yōu)槿缦滦问剑簹w算后變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)的基本方程式變?yōu)槿缦滦问剑簃III211111ZIEU2222ZIEU21EEmmZIE1機(jī)電系18二二 、等效電路、等效電路右圖中，二次繞右圖中，二次繞組各量均已經(jīng)歸組各量均已經(jīng)歸算到一次繞組，算到一次繞組，即即12NN 圖中圖中a、b和和c、d分別是等電位點(diǎn)，分別是等電位點(diǎn)，可連接起來(lái)而不改變運(yùn)行情況。可連接起來(lái)而不改變運(yùn)行情況。于是作出變壓器的于是作出變壓器的T形等效電路。形等效電路。（由前述的基本方程式也可得出（由前述的基本方程式也可得出該等效電路）該等效電路）12EE機(jī)電系19三三

15、 、相量圖、相量圖 根據(jù)根據(jù)T T形等效電形等效電路，可以畫出相應(yīng)路，可以畫出相應(yīng)的相量圖。的相量圖。四四 、近似等效電路圖、近似等效電路圖 Rk、Xk和和Zk分別稱為短路電阻、短路電抗和短路阻抗。分別稱為短路電阻、短路電抗和短路阻抗。機(jī)電系20第五節(jié)第五節(jié) 等效電路的參數(shù)測(cè)定等效電路的參數(shù)測(cè)定一、空載試驗(yàn)一、空載試驗(yàn)通過測(cè)量空載電流和一、二次電壓通過測(cè)量空載電流和一、二次電壓及空載功率來(lái)計(jì)算變比、空載電流及空載功率來(lái)計(jì)算變比、空載電流百分?jǐn)?shù)、鐵耗和勵(lì)磁阻抗。百分?jǐn)?shù)、鐵耗和勵(lì)磁阻抗。變壓器空載運(yùn)行時(shí)，可以認(rèn)為輸入功率變壓器空載運(yùn)行時(shí)，可以認(rèn)為輸入功率p0完全用來(lái)抵償鐵耗。完全用來(lái)抵償鐵耗。Fe

16、0pp 從空載運(yùn)行的等效電路得出從空載運(yùn)行的等效電路得出2210110()()mmUZRRXXImZZ 00mRR0mXX12UkU機(jī)電系21二、負(fù)載試驗(yàn)二、負(fù)載試驗(yàn) （又稱短路試驗(yàn)）（又稱短路試驗(yàn)）通過測(cè)量短路電流、短路電壓通過測(cè)量短路電流、短路電壓及短路功率來(lái)計(jì)算變壓器的短及短路功率來(lái)計(jì)算變壓器的短路電壓百分?jǐn)?shù)、銅損和短路阻路電壓百分?jǐn)?shù)、銅損和短路阻抗?？埂８邏簜?cè)加電壓，低壓側(cè)短路；由于外加電壓很小，主磁通很少，鐵高壓側(cè)加電壓，低壓側(cè)短路；由于外加電壓很小，主磁通很少，鐵損耗很少，忽略鐵損。損耗很少，忽略鐵損。kkkUZI2kkkpRI222Cu1122kkkpI RpI RI R22kk

17、kXZR折算到折算到75時(shí)的數(shù)值時(shí)的數(shù)值075 C075kkTRRT2275 C75 CkkkZRX機(jī)電系22標(biāo)么值標(biāo)么值, ,就是指某一物理量的實(shí)際值與選定的同一單位的基準(zhǔn)值的就是指某一物理量的實(shí)際值與選定的同一單位的基準(zhǔn)值的比值（通常以額定值為基準(zhǔn)值）比值（通常以額定值為基準(zhǔn)值）, ,即即基準(zhǔn)值實(shí)際值標(biāo)么值 阻抗電壓阻抗電壓 負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)繞組中電流達(dá)到額定值，加負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)繞組中電流達(dá)到額定值，加在一次繞組上的短路電壓。用一次側(cè)額定電壓的百分值表在一次繞組上的短路電壓。用一次側(cè)額定電壓的百分值表示。示。1N175 C1N1N%100%100%kkkI ZUuUU阻抗電壓阻抗電壓的標(biāo)么值

18、的標(biāo)么值1N*175 C75 C75 C1N1N1N1NN/kkkkkkI ZZZUuZUUUIZ*kZ其中其中,為短路阻抗的相對(duì)值為短路阻抗的相對(duì)值機(jī)電系23第六節(jié)第六節(jié) 三相變壓器三相變壓器一、三相變壓器的電路系統(tǒng)一、三相變壓器的電路系統(tǒng) 聯(lián)結(jié)組聯(lián)結(jié)組1 1、聯(lián)結(jié)法、聯(lián)結(jié)法a)星形聯(lián)結(jié)星形聯(lián)結(jié)b)三角形聯(lián)結(jié)三角形聯(lián)結(jié)2 2、聯(lián)結(jié)組、聯(lián)結(jié)組a)I/I-0聯(lián)結(jié)組聯(lián)結(jié)組b)I/I-6聯(lián)結(jié)組聯(lián)結(jié)組機(jī)電系24Y y0 聯(lián)結(jié)組聯(lián)結(jié)組Yd11 聯(lián)結(jié)組聯(lián)結(jié)組機(jī)電系25二、三相變壓器的磁路系統(tǒng)二、三相變壓器的磁路系統(tǒng) 鐵心的結(jié)構(gòu)形式鐵心的結(jié)構(gòu)形式a)單相芯式鐵心的合并單相芯式鐵心的合并 b)鐵心的演變鐵心的

19、演變 c)c)三相芯式鐵心三相芯式鐵心 機(jī)電系26 不考慮鐵耗時(shí)勵(lì)不考慮鐵耗時(shí)勵(lì)磁電流波形確定磁電流波形確定三、三相變壓器的電路系統(tǒng)和磁路系統(tǒng)對(duì)三、三相變壓器的電路系統(tǒng)和磁路系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)勢(shì)波形影響電動(dòng)勢(shì)波形影響勵(lì)磁電流中無(wú)三次勵(lì)磁電流中無(wú)三次諧波的主磁通波形諧波的主磁通波形機(jī)電系27 三相芯式變壓器三相芯式變壓器中三次諧波磁通中三次諧波磁通的路徑的路徑三相變壓器繞組三相變壓器繞組Y, d聯(lián)結(jié)時(shí)，電流聯(lián)結(jié)時(shí)，電流I23的作用的作用機(jī)電系28第七節(jié)第七節(jié) 變壓器的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行變壓器的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行1 1、變壓器的電壓調(diào)整率、變壓器的電壓調(diào)整率變壓器二次側(cè)的端電壓隨負(fù)變壓器二次側(cè)的端電壓隨負(fù)載變化的程度用電壓調(diào)

20、整率載變化的程度用電壓調(diào)整率u來(lái)表示。來(lái)表示。電壓調(diào)整率電壓調(diào)整率u規(guī)定為：一次規(guī)定為：一次側(cè)加額定負(fù)載電壓、負(fù)載功側(cè)加額定負(fù)載電壓、負(fù)載功率因數(shù)為一定值，空載與負(fù)率因數(shù)為一定值，空載與負(fù)載時(shí)二次側(cè)端電壓之差，用載時(shí)二次側(cè)端電壓之差，用二次側(cè)額定電壓的百分值表二次側(cè)額定電壓的百分值表示，即示，即%100%100%100N12N1N22N2N2220UUUUUUUUUu 變壓器的近似等變壓器的近似等效電路相量圖效電路相量圖機(jī)電系29電壓變化率是表征變壓器運(yùn)行性能的重要指標(biāo)之一電壓變化率是表征變壓器運(yùn)行性能的重要指標(biāo)之一, ,它大小反映了供電電壓的穩(wěn)定性。它大小反映了供電電壓的穩(wěn)定性。1N21N2

21、1Ncossin100%kkIRIXuU 式中式中 N11/ II為負(fù)載系數(shù)為負(fù)載系數(shù) 可見，電壓變化率的大小與負(fù)載大小、性質(zhì)及變壓器的本身可見，電壓變化率的大小與負(fù)載大小、性質(zhì)及變壓器的本身參數(shù)有關(guān)。參數(shù)有關(guān)。當(dāng)I2=I2N, =1時(shí))(2fu機(jī)電系302 2、變壓器的效率、變壓器的效率變壓器的損耗主要是鐵耗和銅耗兩種。變壓器的損耗主要是鐵耗和銅耗兩種。鐵耗包括基本鐵耗和附加鐵耗?；捐F耗為磁滯損耗和渦流損耗。鐵耗包括基本鐵耗和附加鐵耗?；捐F耗為磁滯損耗和渦流損耗。附加損耗包括由鐵心疊片間絕緣損傷引起的局部渦流損耗、主磁通附加損耗包括由鐵心疊片間絕緣損傷引起的局部渦流損耗、主磁通在結(jié)構(gòu)部件

22、中引起的渦流損耗等。鐵耗與外加電壓大小有關(guān)，而與在結(jié)構(gòu)部件中引起的渦流損耗等。鐵耗與外加電壓大小有關(guān)，而與負(fù)載大小基本無(wú)關(guān)，故也稱為不變損耗。負(fù)載大小基本無(wú)關(guān)，故也稱為不變損耗。 銅耗也分基本銅耗和附加銅耗?；俱~耗是在電流在一、二次銅耗也分基本銅耗和附加銅耗。基本銅耗是在電流在一、二次繞組直流電阻上的損耗；附加損耗包括因集膚效應(yīng)引起的損耗以及繞組直流電阻上的損耗；附加損耗包括因集膚效應(yīng)引起的損耗以及漏磁場(chǎng)在結(jié)構(gòu)部件中引起的渦流損耗等。漏磁場(chǎng)在結(jié)構(gòu)部件中引起的渦流損耗等。銅耗大小與負(fù)載電流平方銅耗大小與負(fù)載電流平方成正比，故也稱為可變損耗。成正比，故也稱為可變損耗。 變壓器的效率也是指其輸出的有功功率與輸入的有功功率之比，變壓器的效率也是指其輸出的有功功率與輸入的有功功率之比，用百分值表示用百分值表示。%10012PP機(jī)電系31式中式中%100)1 (%100)1 (%100%100211112pPpPpPpPPPCuFeppp機(jī)電系32第八節(jié)第八節(jié) 自耦變壓器與互感器自耦變壓器與互感器一、自耦變壓器一、自耦變壓器 自耦變壓器僅有一個(gè)繞組，其一次、自耦變壓器僅有一個(gè)繞組，其一次、二次繞組之間既有磁的耦合，又有電二次繞組之間既有磁的耦合