变压器的工作原理、损耗、铭牌和实验

项 目 二：变压器的工作原理、损耗、铭牌和实验

变压器的工作原理、损耗、铭牌和实验（知识点部分） 课题引入：为什么要高压输电？

电能从发电厂输送到用户，输电线路电阻RX的损耗ΔpX取决于通过输电线上的电流l的大小令输送到用户的功率P=UIcosф 输出电线上的功率损耗：

222

ΔpX=IRX=（P /Ucosφ）ρL/S=C*1/US

ρ-输电线材料的电阻系数 S-输电线的截面积

22

U-输电线路负载端电压 C= PρL/cosф为常数

说明：若S一定.U升高，损耗ΔPX减少，若ΔPX一定. U 升高，S 减小，故可节省材料，则提高送电电压U ，可达到减少投资和降低运行费用的目的。 变压器的概念：

变压器是一种静止的电气设备。它利用电磁感应原理，把输入的交流电压升高或降低为同频率的交流输出电压，满足高压送电、低压配电及其他用途的需要。 变压器的用途：

变压器具有变换电压、变换电流和变换阻抗的作用，具有隔离高电压或电流的作用，特殊结构的变压器，还可以具有稳压特性、陡降特性等。 一、变压器的分类 1、按用途不同分类：

分为电力变压器（又可分为升压变压器、降压变压器、配电变压器、厂用变压器等）;特种变压器（电炉变压器、整流变压器、电焊变压器等);仪用互感器（电压互感器、电流互感器、电流互感器）;试验用的高压变压器和调压器等。

2、按绕组结构不同：

分为双绕组、三绕组、多绕组变压器和自耦变压器。 3、按铁心结构不同：

分为心式变压器和壳式变压器。 4、按相数不同：

分为单相、三相、多相（如整流用的六相）变压器。 5、按调压方式不同：

分为无励磁调压变压器、有载调压变压器。 6、按冷却方式不同：

分为干式变压器、油浸自冷变压器、油浸风冷变压器、强迫油循环冷却变压器、强迫油循环导向冷却变压器、充气式变压器等。

7、按容量不同：

分为小型变压器容量为630kVA及以下;中型变压器容量为800kVA～6300kVA;大型变压器容量8000kVA～63000kVA;特大型变压器容量为900000kVA及以上。 二、变压器的工作原理

原绕组匝数为N1，副绕组匝数为N2。

当变压器原绕组通以交流电流时，在铁心中产生交变磁通，根据电磁感应原理，原、副绕组都产生感应电动势，副绕组的感应电动势相当于新的电源，这就是变压器的基本工作原理。如图2－1。

理想变压器：（不计电阻、铁耗和漏磁）

一次与二次绕组完全耦合，且两绕组电阻为零，铁芯中损耗为零，铁芯的导磁率为无穷大，即磁阻为零。

理想变压器的运行：

原绕组加电压，产生电流，建立磁通，沿铁心闭合分别在原副绕组中感应电动势。

图2－1 变压器的工作原理

变压器的变电压作用：

由于线圈电阻为零，且一次、二次侧绕组完全耦合，故按照图中的假定正方向下：

结论：只要改变原、副绕组的匝数比,就能按要求改变电压。 变压器的变电流作用：

d?U1?E1?N1?ku2??e2?N2dtU2E2N2

U1I1?U2I2I1?U2II2?2U1k

结论：变压器在改变电压的同时,亦能改变电流。

变压器的变阻抗作用

图中，二次侧绕组电路负载阻抗为：

U2I2

如果从一次侧绕组电路来看ZL，则其大小为：

ZL?

N2U12?N2?U1UN1??ZL?2?1????ZL?N?IN1I2k21?1?I1N2

结论：变压器在改变电压的同时,亦能实现对阻抗的变换。 本次小结：

1、变压器是按电磁感应原理工作的静止电气设备，它在电力系统中用来传递电能、变换电压和电流，以满足输电及用电的要求。在工业生产中，变压器还用于整流、电炉、电焊、调压、测量与控制等很多方面。

2、变压器的原绕组从交流电源吸收电能传递到副绕组供给负载，铁心中的磁通是能量传递的中介桥梁。变压器只能传递交流电能，而不能产生电能；只能改变交流电压或电流的大小，不改变频率；在传递过程中几乎不改变电流与电压大小的乘积。

3、变压器由铁心、绕组两个主要部分组成。铁心是变压器的磁路部分。电力变压器的铁心一般采用0.35毫米厚的硅钢片叠装而成。绕组是变压器的电路部分，它是用电磁线绕制而成的。电力变压器还有其他附件，如油箱、油枕、气体继电器、防爆管、分接头开关、绝缘套管等。附件对绕组与铁心起散热、保护、绝缘等作用，它能保证变压器安全可靠地运行。

三、变压器的损耗

变压器运行时将产生损耗，变压器的损耗分两大类 铜耗 1、基本铜耗2、杂散铜耗 铁耗 1、基本铁耗2、杂散铁耗

基本铜耗：一、二次绕组内电流所引起时的直流电阻损耗。

杂散铜耗：主要是由漏磁通所引起的肌肤效应，使绕组的有效电阻增大而增加的铜耗。以及漏磁场在结构部件中引起的涡流损耗等。

铜耗与负载电流的平方成正比。因此也称为可变损耗。 铜耗与绕组的温度有关，一般用77度时的电阻值来计算。 基本铁耗：变压器铁心中的磁滞与涡流损耗。 杂散铁耗：主要是铁心接连处由于磁通密度分布不均匀所引起的损耗，和主磁通在铁轭

22BUm夹件，油箱等结构部件中所引起的涡流损耗。铁耗可近似认为与或1成正比。由于变

压器一侧电压保持不变。故铁耗可视为不变损耗。（F不变的前提下）

?N2??r1?222?PCu?r1I12?r2I2?r1?I?rI??r??I222222?N??K? ?1?I??2I2N ∵

2?r1?22PCuN?r1I12N?r2I2??r?N2?I2N2K??

?I2PCu???I?2N ∴

?2?P??PCuNCuN??

P1??PP2P2?P???1?P1P2??PP1P1

2四、变压器的效率

P2?P1??P???1、因变压器无转动部分，一般效率都很高，大多数在95%以上。大型变压器可达99%。

测量变压器的效率一般不采用直接测P1、P2的方法，因P1与P2相差很小。测量仪器本身的误差就可能超出次范围，一般用间接法测量变压器的效率。即测出各种损耗，再计算效率。 考虑到：

P2?mU2I2cos?2

2???PCU?PFe?mI2RK

PmU2I2cos?2??2?2?? PmI2U2cos?2?PFe?mI2RK1d??02???PFe mIRKdI22令 可得:

Fe?p?P在计算效率时作以下假设：1.额定电压下空载损耗

变化。

2、额定电流时的

*2PCU?PKNI2

PO?PFe，且PFe不随负载的变化而

PKN?PCUN，因铜耗与负载电流平方成正比，所以任一负载下的铜耗

3、计算P2时忽略了负载时U2的变化，即

*P2?mu2I2cos?2?I2SNcos?2

???1??P?1?P1PFe?PCUmU2I2cos?2?PFe?PCU

*2P0?I2PKN?1?**2SNI2cos?2?PO?PKNI2

P?IPKN因产生最大效率时 0*22P0PKN?1~1/34

对应最大效率时负载电流的标幺值为：

*I2?P0*2PKNI2?0.5~0.6

通过变压器空载和短路实验测取变压器的励磁参数和短路参数。 变压器中的参数

Zm,Zk对变压器的运行性能有直接影响,知道了变压器的参数,就可

Zm可通过空载试验

绘出等效电路,然后绘出等效电路,然后可以运用等效电路分析计算,

来确定. k可以通过试验确定,这两个试验是变压器的主要试验项目.

五、空载实验

注:用大写字母表示高压端,小字母表示低压端.空载试验可在任一边作.但考虑到空载试验所加电压较高,其电流较小,为试验的安全和仪器仪表选择方便,一般在低压侧作.如图2－2。

Z

图2－2 变压器开了路试验的接线图

测定方法:在低压方加U1.高压侧开路.都取Im,Po,U2o 由空载试验等效电路可知:

U1?Z0?Z1??ZmIm

?Zm??Z1? 可近似认为Zo=Zm ?Zm?U1NImZo?Zm

Rm?P0U1K?2U20 Im222xm?Zm?Rm注:1、此时测得的值为归算到低压侧的值,如需归算到高压侧时参数应乘K.

2、Zm与饱和程度有关, 电压越高, 磁路越饱和，Zm越小, 所以应以额定电压下测读的数据计算励磁参数. 六、短路试验

图2－3 变压器短路试验的接线图

1、因短路试验电流大, 电压低, 一般在高压侧作，如图2－3.从等效电路可见. ZL=0,外加电压仅用来克服变压器本身的漏阻抗压降,所以当Uk很低时,电流即到达额定,该电压为(5-10%)Un.

????Zm??Z1?,且电压很低,所以?很小,Zm大.绝大部分电流流经Z2,可忽略激磁支路不

计。

此时由电源输入的功率Pk完全消耗在一、二次绕组铜耗上，即:

2?2R2??IKPK?I12R1?I2RK

ZK?UKPRK?K222XK?ZK?RKIKIK

可按

??R1?R2RKX???KX1??X222

N,读取Pk,Uk计算短路参数。 注意：1. K2、由于绕组的电阻随温度而高.而短路试验一般在室温下进行,所以计算的电阻必须换

I?I算到额定工作时的数据,按国际规定换算到

750c的数据.