变压器2

一次绕组（原绕组）：输入电能
二次绕组（副绕组）：输出电能
他们通常套装在同一个心柱上，一次和二次绕组具有不同 的匝数，通过电磁感应作用，一次绕组的电能就可传递到 二次绕组，且使一、二次绕组具有不同的电压和电流。
其中，两个绕组中，电压较高的我们称为高压绕组，相应 的电压较低的称为低压绕组。从高、低压绕组的相对位置 来看，变压器的绕组又可分为同心式、交叠式。同心式指 高低压绕组同心地套在同一铁心柱上。它结构简单，制造 方便，所以，国产的均采用这种结构，交叠式指将高低压 绕组分成若干个线饼，沿铁心柱交替排列。它主要用于特 种变压器中。
铁心形式 ：变压器铁心的结构有心式、壳式两类。壳式 结构的特点是铁心包围绕组的顶面、底面和侧面，如图a 所示。机械强度较好，铁芯易散热。用于电子线路中。
心式结构的特点是铁心柱被绕组包围，如图b所示。结构 简单，绕组套装和绝缘较易处理。电力变压器广泛采用。
2）绕组：绕组是变压器的电路部分，它由铜线或铝线绕 制而成 。
式中：e1为主磁通Φ在一次绕组内感应电动势的瞬时值；e2为主 磁通Φ在二次绕组内感应的电动势的瞬时值；N1为一次绕组的 匝数；N2为二次绕组的匝数。
一、 二次绕组感应电动势的有效值E1、E2分别为
E1 N1m 4.44 fN1 m
2
（4-4）
E2
N 2 m
2
4.44 fN 2 m
用下向负载输出电功率。因此，主磁通起着传递能量的媒介作
用，而漏磁通仅在一次绕组内感应电动势，只起电压降的作用，
不能传递能量。 ③ 在数量上，Φ占总磁通的99%以上，Φ1s只占 1%以下，约为总磁通的0.1％~0.2％，这是因为铁心的磁导率远 大于空气（或变压器油），铁心磁阻小，所以磁通的绝大部分
通过铁心而闭合。
与此相应的等效电路如图4.16所示。从图可见，空载运行的变 压器可以看成是由两个阻抗不同的线圈串联而成的电路：用一 个阻抗rm+jxm表示主磁通Φ对铁心线圈的作用；用另一个阻抗 r1+jx1s表示一次侧绕组电阻r1和漏抗x1s的作用。
图4.16 变压器空载时的等效电路
变压器正常工作时，由于电源电压变化范围小，铁心中主
这表明，影响变压器铁心主磁通大小的因素主要取决于电 源电压U1、电源频率f和一次侧线圈匝数N1，与铁心材质及几何 尺寸基本无关。这是分析变压器空载运行的一个极为重要的概 念。
2）
由于空载时二次侧绕组内没有电流， 因而其端电压就等 于其感应电动势， 即
U 20 E 2
（4-12）
3） 变压器的变比
4） 储油柜（油枕）：保证油箱内油始终是充满的。 安全气道（防爆管）：当变压器发生故障，内压超过一定限度 时，油和气体将玻璃片冲破排出。 气体继电器：当变压器发生故障，断开油箱与储油柜。 高、低压套管：将变压器绕组引出线从油箱内引到油箱外。 调压装置：调节高压绕组匝数，用以调节副边输出电压。
1一温度计 2一吸湿器； 3一储油柜； 4一油表； 5一防爆管； 6一气体继电器； 7一高压套管； 8一低压套管； 9一分接开关； 10一油箱； 11—铁心； 12—线圈； 13—放油阀门
图4.14 单相变压器的空载运行
虽然主磁通Φ和漏磁通Φ1s都是由空载电流I0产. 生的，但由 于路径不同，两者差异很大：① 在性质上， 由于铁磁材料存在
. 饱和现象，因而主磁通Φ与建立它的电流I0之间的关系是非线性 的；漏磁通Φ1s沿非铁磁材料构成的路径闭合，其磁阻基本上是 常数，它与电流I0是线性关系。 ② 在作用上，Φ是传递能量的 媒介，Φ1s仅起漏抗压降的作用。主磁通在一次、 二次绕组内感 应电动势， 如果二次绕组接上负载，则在二次绕组电动势的作
1）铁心：构成了变压器的磁路，同时又是机械骨架。铁 心由铁心柱和铁轭两部分构成。铁心柱上套绕组，铁轭将 铁心柱连接起来形成闭合磁路。 铁心材料：为了提高磁路的导磁性能，减少铁心中的磁滞、 涡流损耗，铁心一般用高磁导率的磁性材料——硅钢片叠 成。硅钢片有热轧和冷轧两种，其厚度为0.35～0.5mm， 两面涂以厚0.02～0.23mm的漆膜，使片与片之间绝缘。
额定容量、 电压、
单相变压器
SN UNIN
三相变压器的关系式 S N 3U N I N
4.2 单相变压器的空载运行
1. 当二次绕组开路，一次绕组接到电压为U1的交
流电网上时， 一次绕组中便有电流I0流过，该电流称 为变压器的空载电流。 由于二次绕组开路，因而 I2=0。空载电流产生交变的磁势F0=N1I0，并建立交变 磁通。一般把该磁场等效为两部分磁通：一部分磁 通沿铁心闭合，同时与一次、 二次绕组相交链，称 为主磁通，用Φ表示；另一部分磁通主要沿非铁磁材 料(变压器油或空气)闭合，它仅与一次绕组相交链， 称为一次绕组的漏磁通，用Φ1s表示。
2） 漏磁通感应的电动势 漏磁通感应的电动势的有效值相量表示为
E1


j
N1
2
1sm

j4.44
fN1 1sm
由于漏磁通所经过的非铁磁路径的磁阻很大，因而漏电抗 是一个很小的常数，不随电流的大小而改变。将上式用电抗压 降的形式表示， 可得
E1s jI0L1s jI0 x1s （4-8）
磁通的变化不大，故作定量计算时，可以认为Zm基本保持不变。 需要指出的是，铁心存在饱和现象，Zm、xm和rm随磁路饱和程 度的增加而减小。
1）
设
Φ=Φmsinωt
根据电磁感应定律和假定正方向规定， 一、 二次绕组中
感应电动势e1、 e2的瞬时值为
d e1 N1 dt
N1m cost
2E1m sin(t 900 )
d e2 N2 dt
N2m cost
2E2m sin(t 900 )
I0 I0Q I0P
I0
I
2 0Q

I
2 0P
（4-14）
4.2.4 变压器空载时的等效电路与相量图
变压器空载时，以相量形式表示的电动势平衡方程式为
U1 E1 I0r1 jI0 x1S E1 I0Z1
(4-10)
式中：Z1=r1+jx1σ为一次绕组的漏阻抗。据此可画出变压器空 载时的相量图， 如图4.15所示。
对于外施电压U. 1来说，电动势E. 1S的作用可看作是电流I.0流 过漏电抗x1S时所引起的电压降，即
E1S jI0L1S jI0 x1S
同样，对主磁通感应电动势E.1的作用也可类似地用一个参数来 处理。但考虑到主磁通在铁心中引起的铁损耗，故不能仅单纯 地作用引看入成一电个流电I抗.0流，过而Z应m所引产入生一的个阻阻抗抗压Zm降，，这即时可将电动势E.1的
3）
变压器器身装在油箱内，油箱内充满变压器油。变压器油 是一种矿物油，具有很好的绝缘性能，起两个作用：一是在变 压器绕组与绕组、绕组与铁心及油箱之间起绝缘作用；二是变 压器油受热后产生对流，对变压器铁心和绕组起散热作用。
油箱有许多散热油管，以增大散热面积。为了加快散热， 有的大型变压器采用内部油泵强迫油循环，外部用变压器风扇 吹风或用自来水冲淋变压器油箱等，这些都是变压器的冷却方 式。
式绕中组：的L1漏s 电抗N。1I01sm 称为一次绕组的电感； x1s=ω L1s称为一次
3. 电势平衡方程式 根据规定的一各物理量的正方向，利用基尔霍夫定律，可 列出变压器空载时一、二次绕组的电动势平衡方程式。 1） 一次侧的电动势平衡方程式为
U1 E1 I0r1 jI0 x1 E1 I0Z1
（1） 在同一支路中电流的正方向与电压的正方向一致； （2） 主磁通与产生它的电流的正方向符合右手螺旋定则， 因此，在假定磁通的正方向时必须注意绕组的绕法。
（3） 感应电动势的正方向与产生它的磁通的正方向符合右 手螺旋定则。
（2） 感应电势
根据电磁感应定律，当主磁通Φ 和漏磁通Φ 1s交变时， 会 分别在它们所交链的线圈内感应出电动势。
E1 I0Zm (rm jxm )I0 (4-15)
式中：Zm=rm+jxm称为变压器激磁阻抗；rm是反映铁心中损耗的 一个等效电阻；xm为激磁电抗，对应于主磁通的电抗。rm>>r1， I20rm反映铁耗的大小。根据电动势平衡方程式可以求得
U1 E1 I0Z1 I0 (Zm Z1)
（3） 额定电流IN(A)：变压器额定容量下允许长期通过的电 流，分为一次侧额定电流I1N和二次侧额定电流I2N。
（4） 额定频率fN（Hz）：我国的工频为50 Hz。 此外，变压器还有额定效率、温升等额定值，铭牌上还会
给出阻抗电压、连接组别、空载损耗、短路损耗、运行方式、 冷却方式、重量等参数。
2.
（1）、变压器各电磁量正方向的规定
变压器中各电压、电流、磁通和感应电动势的大小和方向 都是随时间而变化的。为了分析、计算电路，必须规定出各个 电磁量的假定正方向。
从理论上讲，正方向可以任意选择，因为各物理量的变化 规律是一定的，并不因正方向的选择不同而改变，但假定的正 方向不同，描述变压器电磁关系的方程式和相量图也就不同， 因此描述电磁规律必须与选定的正方向相配合。为了用同一方 程式表示同一电磁现象，在电机学科中通常按习惯方式假定正 方向，称为惯例。具体原则如下：
一次侧绕组电动势E1与二次侧绕组电动势E2之比称为变压 器的变比，用符号K表示，即
K E1 N1 U1 E2 N2 U 20
（4-13）
此式表明，变比k等于一次、二次绕组的匝数比，变压器之所
以具有改变电压的性能就在于其匝数比不同。当单相变压器空
载运行时，可近似地用一次、二次绕组电压之比来表示变压器
如果用相量表示， 则有
E1 j4.44 fN1 m （4-5）
E2 j4.44 fN 2 m
从上面的表达式中可以看出，当主磁通按正弦规律变化时， 一、二次绕组中的感应电动势也按正弦规律变化，其大小与电 源频率、绕组匝数及主磁通最大值成正比，且在相位上滞后于 主磁通90°。