第二章 變壓器

1、電機(jī)學(xué)1第二章第二章 變壓器變壓器 變壓器是一種靜止電器,它通過線圈間的電磁感應(yīng),主要用于改變交流電壓等級，也可以用于改變電流和阻抗。在輸電方面應(yīng)用廣泛，通過變壓器可產(chǎn)生高壓，高壓輸電既節(jié)省材料，又節(jié)省功率損耗。電機(jī)學(xué)2特點(diǎn)：輸入輸出間無電的聯(lián)系；能量的傳輸經(jīng)過電磁電的變換；改變輸入輸出線圈匝數(shù)比滿足要求；電機(jī)學(xué)3電機(jī)學(xué)42.1 變壓器的結(jié)構(gòu)和基本工作原理2.3 三相變壓器及特種變壓器2.4 變壓器使用中的問題電機(jī)學(xué)52.1.1 基本結(jié)構(gòu)和分類一、鐵心 變壓器的主磁路，為了提高導(dǎo)磁性能和減少鐵損，用0.35mm或0.5mm厚、表面涂有絕緣漆的硅鋼片疊成。鐵心帶有絕緣的繞組、變壓器油、油箱、絕緣

2、套管等部件，分為心式和殼式兩種。2.1 變壓器的結(jié)構(gòu)和基本工作原理電機(jī)學(xué)6殼式變壓器心式變壓器電機(jī)學(xué)7電機(jī)學(xué)8電機(jī)學(xué)二、繞組9 變壓器的繞組一般用絕緣銅線或鋁線繞制而成。 鐵芯式和鐵殼式，電力系統(tǒng)用鐵芯式 單相：高低壓繞組分成兩部分分別套在兩邊的鐵 芯柱上 三相：每個(gè)柱上有一相高低壓繞組 低壓繞組靠近鐵芯，高壓繞組套在低壓外面電機(jī)學(xué)10電機(jī)學(xué)11 小容量，自然冷卻，大容量一般采用油浸式，變壓器的器身浸在變壓器油的油箱中。油是冷卻介質(zhì)，又是絕緣介質(zhì)，油箱常為橢圓形，底部有沉淀器，用于排污物，油有熱脹冷縮作用，油箱上裝有通氣管道。三、油箱 增強(qiáng)絕緣：介電常數(shù)大 散熱：比空氣導(dǎo)熱系數(shù)大 防潮：水分的

3、存在使絕緣性能降低 排氣管：保護(hù)變壓器油箱 氣體繼電器：故障是報(bào)警或自動(dòng)切斷變壓 器電源 形狀：容量很小平滑 容量很大狀散熱器電機(jī)學(xué)12電機(jī)學(xué)13 將線圈的高、低壓引線引到箱外，擔(dān)負(fù)著絕緣、固定的作用。四、絕緣套管中心導(dǎo)電桿+瓷套低電壓等級瓷質(zhì)套管較高電壓充油瓷套高電壓導(dǎo)電桿上包表面附有鋁箔的絕緣紙筒此外，還有吸濕器、安全氣道、凈油器等。電機(jī)學(xué)14分類 按用途分：電力變壓器和特種變壓器。其中電力 變壓器頻率為50HZ，容量可達(dá)幾十萬 KVA，電壓可達(dá)幾十萬V。 按電壓分：升壓變壓器和降壓變壓器 按繞組分： 雙繞組變壓器一個(gè)初級繞組，一個(gè) 次級繞組； 三繞組變壓器容量較大，三種不同的電壓； 自耦

4、變壓器初次級繞組合二為一。電機(jī)學(xué)15 按相數(shù)分： 單相變壓器、三相變壓器和多相變壓器。 按鐵心結(jié)構(gòu)分：心式變壓器和殼式變壓器。 按冷卻介質(zhì)和冷卻方式分： 干式變壓器、油浸式變壓器和充氣式變壓器。 干式變壓器：在不允許用油處使用，容量相對較小。 油浸式變壓器：采用變壓器油加強(qiáng)絕緣和散熱。 電機(jī)學(xué)162.1.2 變壓器的工作原理基本工作原理 變壓器的主要部件是鐵心和套在鐵心上的兩個(gè)繞組。兩繞組只有磁耦合沒電聯(lián)系。在原邊繞組中加上交變電壓，產(chǎn)生交鏈原、副邊繞組的交變磁通，在兩繞組中分別感應(yīng)電動(dòng)勢。dtdNedtdNe2211 只要原、副邊繞組的匝數(shù)不同，就能達(dá)到改變電壓的目的。1u1ee2u1i2i

5、N1Ze12N22e電機(jī)學(xué)171、變壓器的空載運(yùn)行10RI1U0I100NIF 10E01001E02E1u10e02u0i2i0N10e10N202e電機(jī)學(xué)18主磁通與漏磁通的區(qū)別 磁通與產(chǎn)生它的電流之間符合右手螺旋定則；電動(dòng)勢與感應(yīng)它的磁通之間符合右手螺旋定則。000I0I1001）性質(zhì)上： 與 成非線性關(guān)系； 與 成線性關(guān)系；2）數(shù)量上： 占99%以上， 僅占1%以下；3）作用上： 起傳遞能量的作用， 起漏抗壓降作用。1010電機(jī)學(xué)19a、主磁通感應(yīng)的電動(dòng)勢主電動(dòng)勢tmsin00設(shè))90sin()90sin(20010010101tEtfNdtdNemm則mfNE022044.4有效值同

6、理，副邊主電動(dòng)勢也有同樣的結(jié)論。 可見，當(dāng)主磁通按正弦規(guī)律變化時(shí)，所產(chǎn)生的原邊主電動(dòng)勢也按正弦規(guī)律變化，時(shí)間相位上滯后主磁通 。主電動(dòng)勢的大小與電源頻率、繞組匝數(shù)及主磁通的最大值成正比。090)90sin()90sin(20200020220tEtfNdtdNemm則mfNE010144.4有效值根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律電機(jī)學(xué)20b、漏磁通感應(yīng)的電動(dòng)勢漏電動(dòng)勢tsinIi0m010010110ddieLdtdtN 0101 0m11010eL I sin( t-90 ),L =/N i漏磁電感若為漏磁電抗的電抗壓降，作為1101001102fLXIXjIILjE1010101Rieeu2020m

7、0110110101101010101EU4.44fNEU-E)(-E)jX(RI)(-E)(-ERIUC、原繞組回路的電壓方程：d、副繞組回路的電壓方程：電機(jī)學(xué)e、電壓變換 空載時(shí)：KNNEEUU212010201m022020m011014.44fNEU4.44fNEU21 K稱為變壓器的變比，它等于原副繞組的匝數(shù)比，也等于原副繞組的額定電壓之比，如果銘牌上寫著“6000/400（K=15）”表明原繞組的額定電壓為6000v時(shí)副繞組的空載電壓是400v。 當(dāng)電源電壓不變時(shí)，改變變比即改變匝數(shù)比，就可以得到不同的輸出電壓。 K1, 副邊電壓小于原邊電壓，降壓變壓器 K1, 副邊電壓大于原邊電

8、壓，升壓變壓器電機(jī)學(xué)321321NN760N36V,U127VU380VU2.2.1，求匝，：例112222113333NU380760N254NU127NNU380760 N72NU36N解：匝匝22u1N1u2u3N3N2電機(jī)學(xué)232 單相變壓器的負(fù)載運(yùn)行 變壓器原邊接在額定頻率、額定電壓的交流電源上，副邊接上負(fù)載的運(yùn)行狀態(tài)，稱為負(fù)載運(yùn)行。電機(jī)學(xué)22222uRiee241u1ee2u1i2iN1Ze12N22e11111Rieeu原邊的電壓方程：副邊的電壓方程：tmsin設(shè))90sin()90sin(2010111tEtfNdtdNemm則mfNE1144.4有效值)90sin()90si

9、n(2020222tEtfNdtdNemmmfNE2244.4有效值電機(jī)學(xué)111XjIE222XjIE2522222222222222222222m1111111111111UjxRIEudtdiLRiue-RieuRiee4.44fNEU-E)(-E)jX(RI)(-E)(-ERIU原邊的電壓方程：副邊的電壓方程：電機(jī)學(xué)3、磁動(dòng)勢的平衡關(guān)系、磁動(dòng)勢的平衡關(guān)系m01101011014.44fN-E)(-E)jX(RIUK1NNIIN-ININiNiNi RNiNiRNi4.44fN4.44fN4.44fN-E)(-E)jX(RIU12212211221110m22110m10m0mm10m1m

10、111111126電機(jī)學(xué)例2.2.2：已知U1=380V，N1=760，N2=254，N3=72，I2=2.14，I3=3，求I1，P1，P2，P3。27u1N1u2u3N3N2電機(jī)學(xué)22331122331111 11222 2211333 331I NI NI NI NI N0I1ANPU I380 1380WU N1PU II =1272.14272WNU N2PU II =36 3108WN 解：略去空載磁動(dòng)勢。原邊功率：副邊功率 ：副邊功率 ：28電機(jī)學(xué)2.2 變壓器的功能及外特性ZKZNNZ2212K1NNII122129KNNEEUU212010201電機(jī)學(xué)ZKZNNINNUNNI

11、UZIUZIUZ2221212221112211;30Zu2u1i1i2Zu1i1電機(jī)學(xué)31電機(jī)學(xué)32例：有一交流電源例：有一交流電源Es=8.5v，內(nèi)阻，內(nèi)阻RS=72歐姆，阻抗歐姆，阻抗R=8歐姆的歐姆的揚(yáng)聲器揚(yáng)聲器，先采用兩種接法把，先采用兩種接法把R作負(fù)載，一直接接作負(fù)載，一直接接入，二經(jīng)過變比入，二經(jīng)過變比k=3的變壓器接入，忽略變壓器的漏阻的變壓器接入，忽略變壓器的漏阻抗和勵(lì)磁電流，求抗和勵(lì)磁電流，求（1）兩種接法時(shí)揚(yáng)聲器獲得的功率；）兩種接法時(shí)揚(yáng)聲器獲得的功率；（2）要使信號(hào)源輸出功率最大，變壓器變比應(yīng)為多少？）要使信號(hào)源輸出功率最大，變壓器變比應(yīng)為多少？（3）變壓器在電路中的作

12、用是什么？）變壓器在電路中的作用是什么？ESSR1ISESR2IRR電機(jī)學(xué)33S1SE8.5 I0.10625ARR728解 ： (1) a.直 接 接 入 ：（）)W( 0903. 08*10625. 0RIPR2211獲得的功率：SS222SSEE8.5 I0.059027ARRRk R7238 b.通過變壓器接入：2SS2RR72 RRk Rk3R8（ ）要使 獲得最大功率，要求電源外阻等于其內(nèi)阻。0.25W720.059027RIPR2222的功率：用是變阻抗。）變壓器在電路中的作（3電機(jī)學(xué)342.2.4 變壓器的外特性電壓變化率 隨著副邊電流的增加原副繞組的阻抗壓降增加導(dǎo)致輸出電壓發(fā)

13、生一定的變化。定義：是指原邊加額定電壓、副邊空載電壓與額定負(fù)載電壓的變化率，用下式表示： 電壓變化率是表征變壓器運(yùn)行性能的重要指標(biāo)之一,它大小反映了供電電壓的穩(wěn)定性。%100*02220UUUU電壓變化率的大小與負(fù)載大小、性質(zhì)及變壓器的本身參數(shù)有關(guān)。 一般變壓器當(dāng)中，由于電阻和漏磁感抗均較小，電壓變化率在5%左右。電機(jī)學(xué)35222(0)(0),(0),UU當(dāng)變壓器帶阻性負(fù)載和阻感性負(fù)載時(shí)為正值 這時(shí)副邊電壓比空載時(shí)低 帶阻容性負(fù)載時(shí)可能為正 也可能為負(fù)值.稱為為變壓器的外特),f(IU即,變化流隨副,定時(shí)電壓和負(fù)載功率因數(shù)一當(dāng)22性關(guān)系曲線的負(fù)載電邊電壓原邊2U)(*2II2N0U201cos

14、28 .0cos28 . 0)cos(2電機(jī)學(xué)362.2.5 變壓器的損耗和效率 鐵損耗與外加電壓大小有關(guān)，而與負(fù)載大小基本無關(guān)，故也稱為不變損耗。一、變壓器的損耗 銅損耗也分基本銅損耗和附加銅損耗?；俱~損耗是在電流在原、副邊繞組直流電阻上的損耗；附加銅損耗是漏磁場在結(jié)構(gòu)部件中引起的渦流損耗等。變壓器的損耗主要是鐵損耗和銅損耗兩種。 鐵損耗包括基本鐵損耗和附加鐵損耗?；捐F損耗為磁滯損耗和渦流損耗。附加損耗包括由鐵心疊片間絕緣損傷引起的局部渦流損耗、主磁通在結(jié)構(gòu)部件中引起的渦流損耗等。 銅損耗大小與負(fù)載電流平方成正比，故也稱為可變損耗。電機(jī)學(xué)37二、效率及效率特性效率是指變壓器的輸出功率與輸

15、入功率的比值。%10012PP 效率大小反映變壓器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性能的好壞，是表征變壓器運(yùn)行性能的重要指標(biāo)之一。CuFeCuFeppPppPp2111 變壓器的效率很高，一般為95%以上，負(fù)載為額定負(fù)載的50%75%時(shí)效率最大。電機(jī)學(xué)38說明：（1）原邊主電動(dòng)勢與漏電動(dòng)勢總是與外施電壓平衡,若忽略漏電動(dòng)勢，則原邊主電勢的大小由外施電壓決定.（2）主磁通大小由電源電壓、電源頻率和原邊線圈匝數(shù)決定。（3）空載電流大小與主磁通、線圈匝數(shù)及磁路的磁阻有關(guān)，鐵心所用材料的導(dǎo)磁性能越好，空載電流越小。m11111114.44fN-E)(-E)jX(RIU0m10RNi電機(jī)學(xué)392.3 三相變壓器及特種變壓器A

16、XaxBYbyCZczuvw2. 3. 1 三相變壓器一、磁路系統(tǒng)電機(jī)學(xué)40一、變壓器的端頭標(biāo)號(hào)二、電路系統(tǒng)電機(jī)學(xué)4131U1UABC31U1UABCabcKU31KUU12abcKUU312電機(jī)學(xué)KNNUUUUUU3131Y21212l1l21則壓分別為原副繞組的線電，壓，分別為原副繞組的相電，令壓比為繞組匝數(shù)比。不管何種聯(lián)接兩者相電。的相等，相電流為線電流聯(lián)接時(shí)相電壓與線電壓當(dāng)；的聯(lián)接時(shí)相電壓為線電壓當(dāng)42電機(jī)學(xué)3KU3UUUY/K3UU3UU/YKUUU3U3UU/212l1l212l1l21212l1l0：YY43電機(jī)學(xué)例2.3.1 三相變壓器每相的K=N1/N2，問：Y/Y0，Y/，

17、/Y連接時(shí)高壓側(cè)線電壓和低壓側(cè)線電壓之比為多少？當(dāng)變比為25時(shí)又為多少？45.143253KU3UUUY/25.43253K3UU3UU/Y25KU3U3UU/212l1l212l1l212l1l0：解：YY44電機(jī)學(xué)451、電壓互感器、電壓互感器作用：把高壓變成100伏以內(nèi)的低壓，以適應(yīng)測量儀表與繼電器的電壓定額。（p36，圖2.3.3）2121NNUU特點(diǎn)：1原繞組匝數(shù)較多，副繞組匝數(shù)較少，起降壓作用。2、與電壓表配用時(shí)，電壓表刻度可直接根據(jù)高壓端來分，可直接讀出高壓電壓。3、額定電流較小，不允許短路，以防止燒壞電壓互感器。4、副邊接地，保證安全。電機(jī)學(xué)1221NNII46作用：將大電流變

18、換成小電流，以適應(yīng)電流表、功率表、電度表等儀表的電流使用，可用小量程的電流表來測大電流。1、原邊匝數(shù)較少，導(dǎo)線粗，副邊匝數(shù)多，導(dǎo)線細(xì)，這樣才能將大電流變成小電流。2、原繞組由被測線路組成，副繞組與電流表串聯(lián)，與電流表配用時(shí)電流表刻度可直接根據(jù)原邊電流分度，可直接讀出原邊電流大小。3、副邊接地，保證安全。4、副邊不允許開路，否則有可能造成副邊電壓急劇升高。特點(diǎn)：電機(jī)學(xué)47 用來均勻地調(diào)節(jié)電壓，實(shí)驗(yàn)室常用。原繞組和副繞組共用，靠滑動(dòng)抽頭分開。注意：1、單相自耦變壓器有220V和110V兩個(gè)電壓輸入，輸出 0250V2、由于高壓和低壓共用線圈，為防止電流過高燒壞線圈， 一般取K不超過2.5。3、副邊

19、電壓雖可調(diào)低，但與原邊線圈共用，所以電位有可 能高，注意安全使用。電機(jī)學(xué)48作用：用來傳輸脈沖信號(hào)的變壓器。 脈沖信號(hào)一般頻率較高，用普通的變壓器容易導(dǎo)致波形畸變。 脈沖變壓器采用：高導(dǎo)磁材料做鐵心，鐵心一般為環(huán)形封閉的；盡可能減少線圈電阻和漏電感和分布電容，故一般波形畸變很小。電機(jī)學(xué)492.4變壓器使用中的問題一、變壓器的銘牌：主要記載變壓器的型號(hào)，額定容量，變壓器的銘牌：主要記載變壓器的型號(hào)，額定容量，額額定定電流，電流，額定額定電壓，電壓，額定額定頻率，相數(shù)，接線方式，阻抗電壓頻率，相數(shù)，接線方式，阻抗電壓和冷卻方式。和冷卻方式。 說明了變壓器的系列型式和產(chǎn)品規(guī)格，其組成由國家技術(shù)文件規(guī)定。如OSFPSZ-250000/220表明自耦三相強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷三繞組銅線有載調(diào)壓，額定容量250000kVA，高壓額定電壓220kV電力變壓器。（1）變壓器的型號(hào)）變壓器的型號(hào)電機(jī)學(xué)50（2）額定值均指線電壓，線電流NNNNIUIU2,21,1,此外，額定值還有額定頻率、效率、溫升等。)kVA(SN額定容量指銘牌規(guī)定的副邊額定電壓和額定電流的乘