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1、第二章 变压器,主要内容： 变压器的工作原理、运行特性、基本方程式、相量图、 等效电路、并联运行及三相变压器特有问题的研究,2-1变压器的基本结构和额定值,一、变压器的工作原理,变压器是通过电磁感应关系，或者说利用互感作用从一个电路向另一个电路传递电能的一种电器。两个互相绝缘的绕组套在同一铁芯上，它们之间有磁的耦合，没有电路的直接联系,当原方接到交流电源时，在外施电压作用下，原绕组中有交流电流过，并在铁心中产生交变磁通，且这一磁通同时交链原、副方绕组，根据电磁感应定律，原、副方绕组分别感应电势,副方有了电势便向负载供电，实现了能量传递。 上图中如不计原、副绕组电阻，不考虑漏磁通，则变压器为理想

2、变压器， 可写出原、副方电压、电势方程式,K：匝比或称变比。 调节变比K达到变压的目的,二、基本结构,变压器的主要部件是铁心和绕组，它们构成了变压器的器身。除此之外，还有放置器身的盛有变压器油的油箱、绝缘套管、分接开关、安全气道等部件。主要介绍铁心和绕组的结构,1、铁心,变压器的铁心既是磁路，也是套装绕组的骨架,铁心 心柱：心柱上套装有绕组。 铁轭：形成闭合磁路,为了减少铁心损耗，通常采用含硅量较高， 厚度为0.33mm表面涂有绝缘漆的硅钢片叠装而成。 铁心结构的基本形式分心式和壳式两种,心式：铁轭靠着绕组的顶面和底面。而不包围绕组侧面，绕组的装配及绝缘也较为容易，所以国产变压器大多采用心式结

3、构。（电力变压器常采用的结构,壳式：铁轭不仅包围顶面和底面，也包围绕组的侧面。见图2-3，这种结构 机械强度较好，但制造工艺复杂，用材料较多,铁心的叠装分为对接和叠接两种 对接：将心柱和铁轭分别叠装和夹紧，然后再把它们拼 在一起。工艺简单。 叠接：把心柱和铁轭一层一层的交错重叠,由于叠接式铁心使叠片接缝错开，减小了接缝处的气隙，从而减小了励磁电流，同时这种结构夹紧装置简单经济可靠性高，多采用叠接式。缺点：工艺上费时,2、绕组,绕组是变压器的电路部分，用纸包或纱包的绝缘扁线或圆线绕成。 接入电能的一端称为原绕组（或一次绕组） 输出电能的一端称为付绕组（或二次绕组,一、二次绕组中电压高的一端称高电

4、压绕组，低的一端称低电压绕组。高压绕组匝数多，导线细；低压绕组匝数少，导线粗,因为不计铁心的损耗，根据能量的守恒原理 （s:原、付绕组的视在功率,电压高的一端电流小所以导线细 从高低压绕组的相对位置来看，变压器绕组可以分为同心式和交叠式两类,同心式：高低压绕组同心的套在铁心柱上。为便于绝缘，一般低压绕组 在 里面高压绕组在外面。 交叠式：高低压绕组互相交叠放置，为便于绝缘，最上、最下两组为低压绕组,油浸式变压器,干式变压器,三、变压器的额定值,额定值是正确使用变压器的依据，在额定状态下运行，可保证变压器 长期安全有效的工作,四、变压器的分类,变压器种类很多，可按其用途、结构、相数等进行分类 1

5、、按用途分 （1）电力变压器： 主要用于输配电系统中，分升压、降压、配电、联络、厂用变压器。 （2）调压变压器： 用来调节电网中的电压。多用于实验室中。 （3）仪用变压器：用于测量，如电压互感器、电流互感器 2、按结构分 （1）自耦变压器：高低压共用一个绕组 （2） 双绕组变压器：每相有高、低压两个绕组 （3）三绕组变压器：每相有高、中、低压三个绕组 （4）多绕组变压器： 3、按相数分 （1）单相变压器 （2）三相变压器 （3）多相变压器 4、按冷却方式分 （1） 油浸式 （2）干式 （3）充气式,变压器,干 式 变 压 器,2-2 变压器的空载运行,变压器一次绕组接电源，二次绕组开路，负载电

6、流 i2 为零，这种情况即为变压器的空载运行,i10很小（为什么,变压器空载运行时正方向规定,i10的正方向与磁动势N1i10的正方向成右手螺旋关系,磁通的正方向与磁动势的正方向相同,感应电势e1、e2的正方向与磁通的正方向成右手螺旋关系,一、空载运行时电动势和电压比,若不计漏磁通，按上图所规定个量的正方向，由基尔霍夫第二定律可列出一、二次绕组的 电压平衡方程式,式中R1为一次绕组的电阻，U20为二次侧空载电压，即开路电压，一般i10R1很小，忽略不计时,由此可见要使一、二次测具有不同的电压，只要一、二次测具有不同的匝数即可，这就是变压器的原理,二、主磁通和激磁电流,通过铁心并与一、二绕组交链

7、的磁通叫主磁通 用 表示,由: 得,空载时 则 也是正弦波,滞后,时间相量 随时间正弦变化的量可用时间相量来表示； 时间轴 相量的旋转； 相量在时间轴上的分量即为变量的瞬时值； 时间相量的表示,产生主磁通所需的电流叫激磁电流，用 表示，空载时i10全部用以产生主磁通即,若不计铁心损耗，电源向磁激线圈输入的平均功率为零。此时激磁电流是一个纯无功电流用 表示，与 同相位,如果磁路不饱和（工作于线形磁化曲线段），则电流 iu与磁通F波形相同,如果磁路饱和（工作于非线形磁化曲线段），则电流 iu与磁通F波形不相同,当磁路饱和时,由于磁路的饱和关系 当 为正弦 时, 为尖顶波。 当 为正弦 时， 为平顶

8、波,插入动态图2-7(2,由于磁路的饱和关系 当 为正弦 时, 为尖顶波。 当 为正弦 时， 为平顶波,插入动态图2-33,与i不同时为正弦 的原因是由于铁磁材料的饱和，即B-H曲线为非线性引起的，导致了电流、磁通和电动势波形的畸变，这是交流磁路的特点之一,尽管电流i与磁通波形不同，但相位一致 原因没有考虑磁滞,a) 磁化曲线 b) 磁通和磁化曲线 图 不计铁耗时磁化电流的确定,如考虑磁滞因素，磁化曲线为磁滞回线,此时 变为 ，且 与 不同相位， 超前 角度，即前一章所述的磁通要滞后电流,此时 中除无功分量 外，还有有功分量,为实线所示， 为虚线所示,此时产生磁通的电流不但包括纯无功电流i，还

9、包括有功电流,电动势滞后磁通90，磁通与电流不同相位，因此电流与电动势相位差不是90,与U1同相位,用复数表示时有,此时输入的有功功率为磁滞和涡流损耗,2-3变压器的负载运行,一次侧接交流电源，二次侧接负载 ，二次侧中便有负载电流流过，这种情况称为负载运行,正方向规定,1）一次绕组内电流的正方向与电源电压的正方向一致,一次侧,2）按右手螺旋关系，正方向的电流产生正方向的磁通,3）感应电势的正方向与产生该电动势的磁通的正方向之间符合右手螺旋关系，所以感应电动势的正方向与电流的正方向一致,二次侧,1）二次绕组感应电动势的正方向与产生该电动势的磁通的正方向符合右手螺旋关系,2）二次绕组内电流的正方向

10、与二次绕组电动势的正方向一致,3）二次绕组端电压的正方向与电流正方向一致,插入图2-9,一次侧,一、磁动势平衡和能量传递,当接入 也将作用于主磁路上。F2的出现，使 趋于改变,相应的 为常数,因此要达到新的平衡条件是：一次侧绕组中电流增加一个分量 ， 与二次侧绕组中由 产生的磁势相抵消。以维持 不变，即,这一关系式称为磁势平衡关系，当负载电流增加时，原绕阻的电流也随之增加，从而使变压器的功率从原方传递到副方,说明二次侧所需功率 （ ）由一次侧提供（ ）正号表示输出功率，负号表示输入功率,即产生这一磁通的磁动势不变，仍为imN1,二、主磁通和激磁阻抗,希望得到电势e与电流i10之间的直接数学关系

11、,电势应该是电流与电抗的乘积,主磁通的磁导,用相量表示为,用相量表示为,式中: 铁心线圈磁化电感 铁心线圈磁化电抗,结论： 不仅是E与 的比值，本质上是磁场对电路响应的一种表征。任何交变磁场对电路的响应总可以用一个电抗来表征,电抗与磁导率的关系,另外，考虑铁心损耗，激磁电流Im由I和IFe组成，且IFe与（-E1）同相，于是,铁耗电阻,Rm：激磁电阻，表征铁心损耗的一个等效参数(注：不同于前述的铁心磁阻) Xm：激磁电抗，表征铁心磁化性能的一个等效参数 Zm：激磁阻抗，表征铁心损耗和磁化性能的一个等效参数,是等效阻抗,式中,注：以上三值随饱和度变化而变化，都不是常数，但当外加电压变化不大时，铁