8.2变压器的工作原理及特性

湖南三一工业职业技术学院1知识目标：掌握变压器的工作原理以及运行特性技能目标：能计算变压器的电压、电流、电阻的变换教学目标8.2变压器的工作原理及特性湖南三一工业职业技术学院2教学内容8.2.1变压器的原理8.2.2变压器的结构8.2.3变压器的种类8.2.4变压器的额定值8.2.5变压器的运行特性湖南三一工业职业技术学院3磁路的欧姆定律？磁路的基本物理量有哪些？课前复习提问湖南三一工业职业技术学院4新课讲解电动机变压器湖南三一工业职业技术学院5什么叫变压器？什么用途？变压器是一种静止电器,它通过线圈间的电磁感应,将一种电压等级的交流电能转换成同频率的另一种电压等级的交流电能.变压器符号湖南三一工业职业技术学院6变压器是在一个闭合的铁心磁路中安装了原边绕组(称一次绕组)和副边绕组(称二次绕组)1U2U1I2I当变压器的一次则绕组加上交流电压，该绕组中就会有交流电流流过，于是在铁心磁路中就产生了交变磁通，根据法拉第电磁感应定律可知，一次侧和二次侧绕组中都将产生感应电动势，其大小分别为：8.2.1变压器的工作原理湖南三一工业职业技术学院7一、单相变压器基本工作原理变压器是在一个闭合的铁心磁路中安装了原边绕组(称一次绕组)和副边绕组(称二次绕组)1U2U1I2IdtdNe11dtdNe22KNNeeUU212121湖南三一工业职业技术学院8变压器基本工作原理变压器是在一个闭合的铁心磁路中安装了原边绕组(称一次绕组)和副边绕组(称二次绕组)1U2U1I2I即变压器一次侧与二次侧电压之比等于绕组的匝数比。因此，只要适当地调节变压器一次侧、二次侧绕组的匝数比，就可以输出各种不同等的电压，达到变压的目的。湖南三一工业职业技术学院9变压器基本工作原理变压器是在一个闭合的铁心磁路中安装了原边绕组(称一次绕组)和副边绕组(称二次绕组)1U2U1I2I于是将变压器一次侧交流电能，经电磁转换关系，传送到了变压器的二次侧。应注意的是，变压器可以通过改变变比达到变压的目的，但传送的功率是不能变化的，即不能变功率。湖南三一工业职业技术学院10u20AXaxS|ZL|u1i10ΦN1N21、变压器的空载运行与变换电压原理显然，改变线圈绕组的匝数即可实现电压的变换。且k1时为降压变压器；k1时为升压变压器。变压比，简称变比11m1202m24.444.44UfNNkUfNNF?=F湖南三一工业职业技术学院11AX|ZL|axN2SN1u2u1i1Φ变压器的有载运行与变换电流原理i2能量传递过程中，变压器在变换电压的同时也变换了电流。21121ININk换湖南三一工业职业技术学院122、变压器的阻抗变换作用AX|ZL|axN2SN1u2u1i1Φi2221221L212UkUUZkkZIIIk====湖南三一工业职业技术学院13变压器输出电压u2随负载电流i2变化的关系称为它的外特性，即：u2U2Ni2I2N0cos(-φ2)=0.8超前cosφ2=1cosφ2=0.8滞后3.变压器的外特性u2＝f（i2）外特性可用右图所示曲线描述。(1)负载为纯电阻性质时，cosφ=1，输出电压u2随负载电流i2的增加略有下降；结论负载的功率因数对变压器的外特性影响很大。(2)负载为感性时，u2随i2的增加下降的程度加大；(3)负载为容性时，输出特性曲线呈上翘状态，说明u2随i2的增加反而加大。湖南三一工业职业技术学院14变压器外特性变化的程度，可以用电压调整率ΔU%来表示。电压调整率定义为：变压器由空载到额定I2N满载时，副边输出电压u2的变化程度。4.电压调整率电压调整率反映了变压器运行时输出电压的稳定性，是变压器的主要性能指标之一。202N20%100%UUUU-D=?湖南三一工业职业技术学院15为减少涡流损耗，铁心一般由导磁钢片叠成。变压器的损耗包括两部分：铜损(PCu)：绕组导线电阻的损耗。涡流损耗：交变磁通在铁心中产生的感应电流(涡流)造成的损耗。磁滞损耗：磁滞现象引起铁心发热，造成的损耗。铁损(PFe)：变压器的效率为一般95%,负载为额定负载的(50~75)%时，最大。输出功率输入功率5.变压器的损耗和效率2212CUFePPPPPPh==+D+D湖南三一工业职业技术学院16[某单相变压器的额定容量SN=100KVA，额定电压为10/0.23KV，当满载运行时，U2=220V，求Ku、I1N、I2N。[解]312101043.5230NuNUKU´===32210010435()230NNNSIAU´===12/435/43.510()NNuIIKA===湖南三一工业职业技术学院17磁路系统1、组式磁路变压器2、心式磁路变压器特点是：三相磁路彼此无关联。特点是：三相磁路彼此有关联。1W2Ww1V2Vv1U2Uu1U2U1u2u1V2V1v2v1W2W1w2wuvw二、三相变压器基本工作原理湖南三一工业职业技术学院183、变压器的端头标号绕组名称单相变压器三相变压器中性点首端末端首端末端高压绕组AXA、B、C1X、Y、ZN低压绕组axa、b、cx、y、zn中压绕组AmXmAm、Bm、AmXm、Ym、ZmNm湖南三一工业职业技术学院19三、三相变压器的连接组别连接组别：反映三相变压器连接方式及一、二次线电动势（或线电压）的相位关系。三相变压器的连接组别不仅与绕组的绕向和首末端标志有关，而且还与三相绕组的连接方式有关。理论和实践证明，无论采用怎样的连接方式，一、二次侧线电动势（可电压）的相位差总是300的整数倍。因此可以采用时钟表示法——作为时钟的分针，指向12点，作为时钟的时针，其指向的数字就是三相变压器的组别号。组别号的数字乘以300，就是二次绕组的线电动势滞后于一次侧电动势的相位角。UVEuvE湖南三一工业职业技术学院20连接组别可以用相量图来判断：若高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，可以得到Y,y4、Y,y8连接组别。1、Y，y连接UVEuvE同名端在对应端，对应的相电动势同相位，线电动势和也同相位，连接组别为Y，y0。同理，若异名端在对应端，可得到Y，y6、Y,y10和Y,y2连接组别。湖南三一工业职业技术学院21若高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，可以得到Y,d3、Y,d7连接组别。2、Y，d连接-11UVEuvE同名端在对应端，对应的相电动势同相位，线电动势和相差3300，连接组别为Y，d11。同理，若异名端在对应端，可得到Y，d5、Y,d9和Y,d1连接组别。湖南三一工业职业技术学院22若高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，可以得到Y,d5、Y,d9连接组别。3、Y，d连接-1UVEuvE同名端在对应端，对应的相电动势同相位，线电动势和相差300，连接组别为Y，d1。同理，若异名端在对应端，可得到Y，d7、Y,d11和Y,d3连接组别。湖南三一工业职业技术学院23总之，对于Y，y（或D，d）连接，可以得到0、2、4、6、8、10等六个偶数组别；而Y，d（或D，y）连接，可以得到1、3、5、7、9、11等六个奇数组别。变压器的连接组别很多，为了便于制造和并联运行，国家标准规定，Y，yn0、Y，d11、YN，d11、YN，y0和Y，y0连接组为三相双绕组电力变压器的标准连接组别。其中前三种最为常用：Y,yn0连接的二次绕组可以引出中线，成为三相四线制，用作配电变压器时可兼供动力和照明负载。Y,d11连接用于低压侧电压超过400V的线路中。YN,d11连接主要用于高压输电线路中，使电力系统的高压侧可以接地。湖南三一工业职业技术学院24磁路系统和绕组连接方式对电动势波形的影响i0中有无i03,看电路连接中有无i03通路，Y连接中，无i03通路,i0为正弦波;YN或D连接,i03可以在绕组中流过，i0为尖顶波。单相变压器，当磁路饱和时，u1为正弦波，Φ和e1也是正弦波，而i0为尖顶波——分解为基波i01和三次谐波i03（忽略其它高效次谐波）。对三相变压器，由于绕组的连接方式不同，i0中可能i03，使Φ和e1为非正弦波——同样可分解为基波和三次谐波（忽略其它高效次谐波）。Φ中有无Φ3，看磁路结构，三相组式变压器，Φ3可以在铁心中流过，Φ为平顶波；三相心式变压器，Φ3不能在铁心中流过，只能借助油和油箱壁等形成回路，磁路磁阻很大，Φ3很小，Φ基本为正弦波。湖南三一工业职业技术学院25一、Y，y连接的三相变压器一次侧Y接线，i03=0，i0为正弦波，磁通Φ应为平顶波。（2）对三相心式变压器，Φ3不能在铁心中流过，只能借助油和油箱壁等形成回路，磁路磁阻很大，Φ3很小，Φ基本为正弦波，感应电动势e也基本为正弦波。但通过油箱壁时将产生涡流损耗，造成局部过热，降低变压器的效率，因此，容量大于1800kVA时，不宜采用心式Y，y连接。（1）对三相组式变压器，Φ3可以在铁心中存在，所以Φ为平顶波，感应电动势e为尖顶波，其中的三次谐波幅值可达基波幅值的45%~60%，使相电动势的最大值升高很多，可能击穿绕组绝缘，因此，三相组式变压器不采用Y，y连接。湖南三一工业职业技术学院26二、YN，y连接的三相变压器一次侧YN接线，i03可以流过，i0为尖顶波，磁通Φ应为正弦波，感应电动势e也为正弦波。一次绕组Y连接，i03=0，i0为正弦波，Φ应为平顶波，其中的Φ3在二次绕组中感应电动势e23，并在D内产生i23。i23建立的磁通Φ23大大削弱Φ3的作用，因此合成磁通和电动势均接近正弦波。三、D，y连接的三相变压器一次侧D接线，i03可以流过，i0为尖顶波，磁通Φ应为正弦波，感应电动势e也为正弦波。四、Y，d连接的三相变压器湖南三一工业职业技术学院27五、Y，yn连接的三相变压器二次侧yn接线，负载时可以为三次谐波提供通路，使相电动势波形得到改善。但是由于负载的影响，产生i23不能很大，所以相电动势波形不能得到很好改善，这种情况基本与Y，y连接一样，只适用于容量较小的三相心式变压器，而组式变压器仍然不采用。结论：（1）变压器一次侧是YN连接时，电动势波为正弦。（2）变压器有一侧是D连接时，电动势波为正弦。（3）无论相电动势是否为正弦波，但线电动势一定是正弦波。（4）若一定需要Y，y连接，则可以增加第三绕组，采用D接线湖南三一工业职业技术学院288.2.2.变压器的基本结构u1i10AXΦN1N2u20axS用硅钢片叠压制成的变压器铁芯。与电源相接的一次侧绕组。|ZL|与负载相接的二次侧绕组。变压器的主体结构是由铁芯和绕组两大部分构成的。变压器的绕组与绕组之间、绕组与铁芯之间均相互绝缘。湖南三一工业职业技术学院291油阀；2；绕组3，铁心；4，油箱；5，分接开关；6低压导管；7，高压导管；8，瓦斯继电器；9防爆筒；10，油位器；11油枕；12，吸湿器；13，铭牌；14。温度计15小车湖南三一工业职业技术学院30根据变压器原理可知，变压器主要由两大部分组成：变压器磁路部分——铁心；变压器电路部分——一、二次绕组。在大型电力变压器中还有其它辅助部件。湖南三一工业职业技术学院31变压器的基本结构变压器磁路部分——铁心；铁心材料铁心结构铁心叠片形式•变压器铁心一般都采用高导率的电工材料迭成。•选用高导磁材料，是为了提高磁效率；采用硅钢片选装则是为了减小铁心损耗，简称铁损（涡流损耗）。•硅钢片可分热轧硅钢片与冷轧硅钢片两类，冷轧硅钢片的磁性能较好，损耗较小，为目前制作变压器铁心的主要材料。湖南三一工业职业技术学院32变压器的基本结构变压器磁路部分——铁心；铁心材料铁心结构铁心叠片形式•按照绕组套入铁心的形式，铁心可分为心式结构和壳式结构两种。•心式结构，变压器铁心被线圈包围；•壳式结构，变压器铁心的最外层包围着线圈。•心式铁心的结构简单、省料，因此为大多电力变压器采用。铁心铁心柱线圈心式结构壳式结构湖南三一工业职业技术学院33变压器的基本结构变压器磁路部分——铁心；铁心材料铁心结构铁心叠片形式大中型变压器一般采用硅钢片交错叠装方式，如图所示，各