第一篇___變壓器

1、第一章第一章 變壓器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理變壓器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 1.1 1.1 變壓器的基本工作原理和類(lèi)型變壓器的基本工作原理和類(lèi)型 1.2 1.2 變壓器的基本結(jié)構(gòu)及用途變壓器的基本結(jié)構(gòu)及用途 1.3 1.3 變壓器的額定值變壓器的額定值1.11.1變壓器的基本工作原理和類(lèi)型變壓器的基本工作原理和類(lèi)型 變壓器是一種靜止電機(jī)，它可以將一種電壓形式的交流電能轉(zhuǎn)換為同頻率的另一種電壓形式的交流電能。一、變壓器的工作原理1、原理圖一個(gè)鐵心：提供磁通的閉合路徑。兩個(gè)繞組：一次側(cè)繞組(原邊)N1,二次側(cè)繞組 (副邊)N2。變壓器的工作原理圖 AXax1u2u2i1N2N1ie1e22. 工作原理 當(dāng)

2、一次繞組接交流電壓后，就有激磁電流 i0存在，該電流在鐵心中可產(chǎn)生一個(gè)交變的主磁通。 在兩個(gè)繞組中分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)e1和e2。 1122 ddeNeNdtdt若略去繞組電阻和漏抗壓降，則兩側(cè)電壓之比為：111222=kueNueN定義為變壓器的變比。 從此式可以看出，若固定 u1，只要改變?cè)褦?shù)比即可達(dá)到改變電壓的目的了，即若使 N2N1，則為升壓變壓器；若使 N2N1，則為降壓變壓器。二、變壓器的分類(lèi)1、按用途分（1）電力變壓器：電力系統(tǒng)傳輸電能的升、降壓變壓器和配電變壓器等。變壓器在電力系統(tǒng)中具有極其重要的地位。原動(dòng)機(jī)原動(dòng)機(jī)用電戶(hù)用電戶(hù)發(fā)電站發(fā)電站發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)組降壓變壓器降壓變壓器配電變壓

3、器配電變壓器升壓變壓器升壓變壓器？問(wèn)題： 遠(yuǎn)距離輸電為什么必須采用高壓輸電？（2）專(zhuān)用變壓器：如電爐變壓器(專(zhuān)用)，給電爐(如煉鋼爐)供電。整流變壓器(專(zhuān)用)：給直流電力機(jī)車(chē)供電。HSSP-7200/6HSSP-7200/6電爐變壓器電爐變壓器整流變壓器整流變壓器（3）儀用變壓器：用在測(cè)量設(shè)備中。（4）電子變壓器： 用在電子線(xiàn)路中。 2、按繞組分：雙繞組、自耦、三繞組、多繞組變壓器 3、按相數(shù)分：?jiǎn)蜗?、三相、多相變壓器?、鐵心形式：心式、殼式變壓器5、冷卻方式：干式、油浸式變壓器等單相變壓器三相變壓器干式變壓器單相心式三相心式單相殼式三相殼式例1-1 低壓照明變壓器一次繞組匝數(shù)N1=1210

4、匝，一次繞組電壓U1=220V，現(xiàn)要求二次繞組輸出電壓U2=36V，求二次繞組匝數(shù)N2及變比k。 解：1 . 61981210198121022036211122NNKNUUN匝1.2 變壓器的基本結(jié)構(gòu) 變壓器的主要組成部分是鐵心和繞組，這是變壓器電磁部分，也是核心。除了電磁部分，還有油箱、冷卻裝置、絕緣套管、調(diào)壓和保護(hù)裝置等部件。 圖1-1 油浸式電力變壓器的外形結(jié)構(gòu)圖 一、鐵心 鐵心由鐵心柱和鐵軛兩部分組成，鐵心柱上套繞組，鐵軛將鐵心柱連接起來(lái)形成閉合磁路，對(duì)鐵心的要求是導(dǎo)磁性能好，磁滯損耗和渦流損耗要盡量小，一般由0.35mm或0.5mm冷軋(也用熱軋)硅鋼片疊成。1-鐵軛，2-鐵心柱圖

5、1-2 變壓器鐵心單相四片式鐵心交疊方法單相四片式鐵心交疊方法三相六片式鐵心交疊方法三相六片式鐵心交疊方法鐵心交疊：相鄰層按不同方式交錯(cuò)疊放，將接縫錯(cuò)開(kāi)。偶數(shù)層剛好壓著奇數(shù)層的接縫，從而減少了磁阻，便于磁通流通。 鐵心柱截面形狀：小型變壓器做成方形或者矩形；大型變壓器做成階梯形。容量大則級(jí)數(shù)多。疊片間留有間隙作為油道(縱向或橫向)。二、繞組材料：一般用絕緣扁銅線(xiàn)或圓銅線(xiàn)在繞線(xiàn)模上繞制而成。繞組套裝在變壓器鐵心柱上，一般低壓繞組在內(nèi)層，高壓繞組套裝在低壓繞組外層，以便于提高絕緣性能。 三、油、油箱、冷卻及安全裝置 器身裝在油箱內(nèi)，油箱內(nèi)充滿(mǎn)變壓器油。油箱有許多散熱油管，以增大散熱面積。變壓器油是

6、一種礦物油，具有很好的絕緣性能。變壓器油起兩個(gè)作用：在變壓器繞組與繞組、繞組與鐵心及油箱之間起絕緣作用。變壓器油受熱后產(chǎn)生對(duì)流，對(duì)變壓器鐵心和繞組起散熱作用。為了加快散熱，有的大型變壓器采用內(nèi)部油泵強(qiáng)迫油循環(huán)，外部用變壓器風(fēng)扇吹風(fēng)或用自來(lái)水沖淋變壓器油箱。這些都是變壓器的冷卻裝置。變壓器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生熱量，使變壓器油膨脹，并流進(jìn)儲(chǔ)油柜中。儲(chǔ)油柜使變壓器油與空氣接觸面變小，減緩了變壓器油的氧化和吸收空氣水分的速度。從而減緩了油的變質(zhì)。 故障時(shí),熱量會(huì)使變壓器油汽化，觸動(dòng)氣體繼電器發(fā)出報(bào)警信號(hào)或切斷電源。如果是嚴(yán)重事故，變壓器油大量汽化，油氣沖破安全氣道管口的密封玻璃，沖出變壓器油箱，避免油箱爆裂。

7、1.3 變壓器的銘牌 為了使變壓器安全、經(jīng)濟(jì)、合理地運(yùn)行，在每臺(tái)變壓器上都安裝有一塊銘牌，上面標(biāo)明了變壓器的型號(hào)及各種額定數(shù)據(jù)， 作為正確使用變壓器的依據(jù)。下圖所示的變壓器是配電站用的降壓變壓器，將10 kV的高壓降為400 V的低壓， 供三相負(fù)載使用， 銘牌中參數(shù)說(shuō)明如下。X X 變壓器廠(chǎng)1. 型號(hào)S 9 80 / 10其中：S為三相變壓器（D為單相變壓器） 9為設(shè)計(jì)序號(hào) 80為變壓器的容量(kVA) 10為變壓器高壓側(cè)電壓等級(jí)（kV） 2 額定容量SN 額定容量是指變壓器在額定工作狀態(tài)下，二次繞組的視在功率，其單位為kVA。 對(duì)于單相變壓器而言，即變壓器二次繞組的額定電壓U2N與額定電流I

8、2N的乘積。 2N 2N1N 1NNUIU ISkVA=kVA10001000三相變壓器的額定容量為 2N 2N1N 1NN3UI3U ISkVAkVA10001000 3 額定電壓U1N和U2N額定電壓U1N是指變壓器在額定運(yùn)行情況下,加在一次繞組上的正常工作電壓。它是根據(jù)變壓器絕緣等級(jí)和允許溫升等條件規(guī)定的。 額定電壓U2N是指在一次繞組上加額定電壓后，二次繞組空載時(shí)的電壓值。 對(duì)于三相變壓器，額定電壓指的是額定線(xiàn)電壓4 額定電流I1N和I2N額定電流是指變壓器允許長(zhǎng)期通過(guò)的電流，它是根據(jù)變壓器發(fā)熱的條件而規(guī)定的滿(mǎn)載電流值。對(duì)于三相變壓器，額定電流指的是額定線(xiàn)電流。5額定頻率fN 單位為H

9、z， fN=50Hz此外，銘牌上還會(huì)給出三相聯(lián)接組以及相數(shù)m、阻抗電壓Uk、運(yùn)行方式、冷卻方式和重量等數(shù)據(jù)。第二章第二章 變壓器的運(yùn)行原理變壓器的運(yùn)行原理2.1 變壓器的空載運(yùn)行2.2變壓器的負(fù)載運(yùn)行2.3變壓器等效電路2.4變壓器的參數(shù)測(cè)定2.1 變壓器的空載運(yùn)行一.空載運(yùn)行一次側(cè)接額定電壓u1N，二次側(cè)開(kāi)路的運(yùn)行狀態(tài)稱(chēng)為空載運(yùn)行（i2=0）。 AX1u0i1e1e12e2uax1N2N變壓器的空載運(yùn)行變壓器的空載運(yùn)行 空載時(shí)一次側(cè)繞組中的電流i0為空載(或叫激磁)電流，磁勢(shì)F0=I0N1叫勵(lì)磁磁勢(shì)。F0產(chǎn)生的磁通分為兩部分，大部分以鐵心為磁路（主磁路），同時(shí)與一次繞組N1和二次繞組N2匝鏈

10、，并在兩個(gè)繞組中產(chǎn)生電勢(shì)e1和e2，是傳遞能量的主要媒介，屬于工作磁通，稱(chēng)為主磁通。另一部分磁通僅與一次繞組匝鏈，通過(guò)油或空氣形成閉路，屬于非工作磁通，稱(chēng)為一次側(cè)的漏磁通1。 鐵心由高導(dǎo)磁硅鋼片制成，導(dǎo)磁系數(shù)為空氣的導(dǎo)磁系數(shù)的2000倍以上，所以大部分磁通都在鐵心中流動(dòng)，主磁通約占總磁通的99以上，而漏磁通占總磁通的1以下。 規(guī)定正方向：電壓U1與電流i0同方向，磁通正方向與電流i0正方向符合右手螺旋定則。電勢(shì)e與i0電流的正方向相同。由于磁通在交變，根據(jù)電磁感應(yīng)定律：11 deNdt111 deNdt22 deNdt二、電勢(shì)公式及電勢(shì)平衡方程式推導(dǎo)空載時(shí)，主磁通在一次側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E1，在二

11、次側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E2，一次側(cè)的漏磁通1在一次側(cè)漏抗電勢(shì)E1。假設(shè)磁通為正弦波=msint 則 111111(sin)cossin(90 )sin(90 ) mmmmdtdeNNNtdtdtNtEt其有效值其有效值 1111124.44222mmmmENfENfN同樣可以推出e2和e1的公式： 224.44mEfN1114.44EfN由于漏磁路的磁導(dǎo)率o為常數(shù)，1m =L1II0，故E1=4.44fN12L1I0=X1I0，即E1可用漏抗壓降的形式表示?？紤]到一次側(cè)繞組的電阻壓降后，根據(jù)基爾霍夫電壓定律得其電勢(shì)平衡方程為： 11111101 0111011 0()() rUEEEEjXIR IE

12、RjXIEZ I（）二次側(cè)無(wú)電流，故：22EU對(duì)于一次側(cè)來(lái)說(shuō)，電阻壓降和漏抗壓降都很小。所以U1-E1=4.44 f N1m，可見(jiàn)變壓器的磁通主要由電源電壓U1、頻率f 和一次側(cè)繞組的匝數(shù)N1決定。在設(shè)計(jì)時(shí)，若電壓U1和頻率f給定，則變壓器磁通由匝數(shù)N1決定。對(duì)于制成運(yùn)行的變壓器，其磁通可以由電壓U1和頻率f控制。三、變壓器的變比k和電壓比K1、變比k: 指變壓器1、2次繞組的電勢(shì)之比 1112224.444.44mmfNENkEfNN一次繞組的匝數(shù)必須符合一定條件：1111114.444.444.44 mmmUUUEfNNffB SBm的取值與變壓器性能有密切相關(guān)；熱軋硅鋼片Bm1.111.

13、5T；冷軋硅鋼片1.51.7T 2、電壓比K：指三相變壓器的線(xiàn)電壓之比在做三相變壓器聯(lián)結(jié)繞組試驗(yàn)時(shí)用到電壓比K進(jìn)行計(jì)算。 13BCCAABabbccaUUUKuuu（+）+）四、空載運(yùn)行時(shí)的等效電路和相量圖 1、 勵(lì)磁電流、鐵耗電阻、勵(lì)磁阻抗 空載運(yùn)行時(shí)，電流i0分為兩部分，一部分i0w純粹用來(lái)產(chǎn)生磁通，稱(chēng)為磁化電流，與電勢(shì)E1之間的相位差是90，是一個(gè)純粹的無(wú)功電流。另一部分i0y用來(lái)供給損耗，是一個(gè)有功電流。000ywIII1000mmmER IjX II ZI0是勵(lì)磁過(guò)程必須的電流(包括磁化電流/有功電流)，稱(chēng)為勵(lì)磁電流。Xm的物理意義是：勵(lì)磁電抗Xm是對(duì)應(yīng)于主磁通的電抗，反映了變壓器鐵

14、心的導(dǎo)磁性能，代表了主磁通對(duì)電路的電磁效應(yīng)。 Rm是用來(lái)代表鐵耗的等效（虛擬的）電阻，稱(chēng)為勵(lì)磁電阻。Rm+jXm= Zm則稱(chēng)為勵(lì)磁阻抗。owIoyImImmR ImmjX I1E考慮鐵耗時(shí)變壓器的空載相量圖考慮鐵耗時(shí)變壓器的空載相量圖2、空載時(shí)的等效電路 用阻抗(R m+ j X m)表示主磁通對(duì)變壓器的作用，用另一個(gè)阻抗(R1+jX1)表示一次側(cè)電阻R1和漏抗X1的作用，即可得到空載時(shí)變壓器的等效電路。 R1和X1受飽和程度的影響很小，基本上保持不變。 R m和X m隨著飽和程度的增大而減小，變壓器正常工作時(shí)，由于電源電壓變化范圍小，鐵心中主磁通的變化不大，勵(lì)磁阻抗Z m也基本不變。1UmI

15、1E1R1XmRmX變壓器的空載等效電路變壓器的空載等效電路2.2 變壓器的負(fù)載運(yùn)行一、負(fù)載運(yùn)行一次側(cè)接電源U1，二次側(cè)接負(fù)載ZL，此時(shí)二次側(cè)流過(guò)電流I2。一次側(cè)電流不再是I0，而是變?yōu)镮1，這就是變壓器的負(fù)載運(yùn)行情況。 負(fù)載后，二次側(cè)電流產(chǎn)生磁勢(shì)F2=N2I2，該磁勢(shì)將力圖改變磁通，而磁通是由電源電壓決定的，也就是說(shuō)基本不變。要維持不變，一次繞組的電流將由原來(lái)的I0變?yōu)镮1。I1產(chǎn)生磁勢(shì)F1=I1N1，F(xiàn)1與F2共同作用產(chǎn)生，F(xiàn)1+F2的作用相當(dāng)于空載磁勢(shì)F0，也即激磁磁勢(shì)Fm。AX1U1I1E1E12E2Uax2I22ELZ變壓器的負(fù)載運(yùn)行變壓器的負(fù)載運(yùn)行 二.磁勢(shì)平衡方程式1201122

16、10121001 mmLFFFFI NI NI NI NIIIIIk負(fù)載后，一次側(cè)繞組中的電流由兩個(gè)分量組成，一個(gè)是其負(fù)載分量I1L，另一個(gè)是產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁分量I0，I1L產(chǎn)生的磁勢(shì)與二次側(cè)電流產(chǎn)生的磁勢(shì)大小相等,方向相反,互相抵消。 在滿(mǎn)載時(shí)，I0只占I1L的（28），有時(shí)可將I0忽略，即： 211210LIIIkIk這就是變壓器的變流作用，只有在較大負(fù)載時(shí)才基本成立，用此原理可以設(shè)計(jì)出電流互感器。 三、電勢(shì)平衡方程式 負(fù)載后變壓器電路中的各種電勢(shì)及壓降： 1I1 1R I1 1N I1111 EjXI114.44EN f224.44EN f22R I222 EjXI22I22N I根據(jù)規(guī)定

17、的正方向可以寫(xiě)出電壓平衡方程 ：111 1 UEZ I2222UEZ I四、變壓器的等效電路根據(jù)電勢(shì)平衡方程可以畫(huà)出變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)等效電路：1U1I1E1R1XmRmX2E2R2X2I2U由于一、二次側(cè)繞組匝數(shù)不同，其電勢(shì)E1和E2也不同，難以將兩側(cè)的等效電路合并成一個(gè)完整的等效電路。 通過(guò)折算法，我們可以將二次側(cè)等繞為用一個(gè)與一次側(cè)匝數(shù)N1相同的繞組來(lái)等效替代。折算以后，兩側(cè)匝數(shù)相等，E1=E2，k=1,原來(lái)的磁勢(shì)平衡方程I1N1+I2N2=ImN1變成了I1+I2=I m，兩側(cè)的等效電路就可以合并了。1、變壓器的折算法 將變壓器的二次側(cè)繞組折算到一次側(cè)，就是用一個(gè)與一次側(cè)繞組匝數(shù)N

18、1相同的繞組，去代替匝數(shù)為N2的二次側(cè)繞組，在代替的過(guò)程中，保持二次側(cè)繞組的電磁關(guān)系及功率關(guān)系不變。也就是說(shuō)折算前后，二次側(cè)的磁勢(shì)、功率和損耗應(yīng)保持不變。2、參數(shù)折算 折算前 一次側(cè) N1、U1、I1、E1、R1、X1 二次側(cè) N2、U2、I2、E2、R2、X2、RL、XL 為實(shí)際值 折算后 一次側(cè)N1、U1、I1、E1、 R1、X1 （同折算前） 二次側(cè) N2、U2、I2、E2、R2、X2、RL、 XL 為折算值 (1)電勢(shì)、電壓折算21122224.444.44 EN fEEN fEkE22 UkU(2)電流折算：1 22222/N IN IIIk(3)阻抗折算：222222222I RI

19、 RRk R222222222I XI XXk X2 LLZk Z3.變壓器的等效電路 (1) 折算后的方程(2) T型等效電路 11111 UERjXI22222UERjXI12mIII12 mmmEERjXI1I1E1R1XmRmX2E2R2X2I2ULZT形等效電路(3)簡(jiǎn)化等效電路KX2ULZKR1U12 II1I1R1X2R2X2I2ULZ1U簡(jiǎn)化等效電路簡(jiǎn)化等效電路中,Zk=Rk+jXk，Rk與Xk構(gòu)成變壓器的漏阻抗，也叫短路阻抗，即變壓器的副邊短路時(shí)呈現(xiàn)的阻抗。Rk為短路電阻，Xk為短路電抗。ZL為折算到一次側(cè)的負(fù)載阻抗。 用簡(jiǎn)化等效電路計(jì)算的結(jié)果也能夠滿(mǎn)足工程精度要求。當(dāng)需要在

20、二次側(cè)基礎(chǔ)上分析問(wèn)題時(shí)，可將一次側(cè)折算到二次側(cè)，當(dāng)用歐姆數(shù)說(shuō)明阻抗大小時(shí)，必須指明是從哪邊看進(jìn)去的阻抗。從一次側(cè)看進(jìn)去的阻抗是從二次側(cè)看進(jìn)去的阻抗的k2倍。 五、變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)的相量圖根據(jù)方程式或者等效電路，可以畫(huà)出相量圖，從而了解變壓器中電壓、電流、磁通等量之間的相位和大小關(guān)系。等效電路，方程式和相量圖是用來(lái)研究分析變壓器的三種基本手段，是對(duì)一個(gè)問(wèn)題的三種表述，相量圖對(duì)各物理量的相位更直觀(guān)顯現(xiàn)出來(lái)。定性分析時(shí)，用相量圖較為清楚；定量計(jì)算時(shí)，則用等效電路。 相量圖作法v在水平方向做出在水平方向做出v滯后滯后 90做出做出12EEv滯后滯后E2 做出做出2Iv超前超前 某一角度某一角度做出做出

21、0Iv依據(jù)方程式做出依據(jù)方程式做出1Iv依據(jù)方程式做出依據(jù)方程式做出1U12EE2I0I1I2I1E1 1R I11jXI1U變壓器相量圖變壓器相量圖2.42.4 變壓器的參數(shù)測(cè)量變壓器的參數(shù)測(cè)量等效電路中的各種R1、R2、X1、X2、Rm、Xm等，對(duì)變壓器運(yùn)行性能有重大影響。這些參數(shù)通常通過(guò)空載試驗(yàn)和穩(wěn)態(tài)短路試驗(yàn)來(lái)求得。一、變壓器空載試驗(yàn)一次側(cè)加額定電壓UN，二次側(cè)開(kāi)路, 讀出U1、U20、I0、p0I0/很小，由I0在繞組中引起的銅耗忽略不計(jì)，p0全部為鐵耗p0=pFe=RmI02Zm與飽和程度有關(guān)，應(yīng)取額定電壓時(shí)的數(shù)據(jù)?？蛰d試驗(yàn)也可以在二次側(cè)做，但應(yīng)注意折算到一次側(cè)，即結(jié)果要乘以k200mUZI020mPRI22mmmXZRAWVV*單相