第一篇變壓器

1、第一篇變壓器第一篇變壓器 第一篇變壓器第一篇變壓器 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型變壓器的基本工作原理和類型 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 第一篇變壓器第一篇變壓器 1.11.1變壓器的基本工作原理和類型變壓器的基本工作原理和類型 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。 第一篇變壓器第一篇變壓器 一、變壓器的工作原理 1、原理圖 一個鐵心：提供磁通的閉合路徑。 兩個繞組：一次

2、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 A X a x 1 u 2 u 2 i 1 N 2 N 1 i e1 e2 第一篇變壓器第一篇變壓器 2. 工作原理 當(dāng)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)生一個交變的主 磁通。 在兩個繞組中分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢e1和e2。 1122 dd eNeN dtdt 第一篇變壓器第一篇變壓器 若略去繞組電阻和漏抗壓降，則兩側(cè)電壓之 比為： 111 222 =k ueN ueN 定義為變壓器的變比。 從此式可以看出，若固定 u1，只要改變匝數(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

3、 N2N1，則為降壓變壓 器。 第一篇變壓器第一篇變壓器 二、變壓器的分類 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。 原動機(jī)原動機(jī) 用電戶用電戶 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器配電變壓器升壓變壓器升壓變壓器 ？問題： 遠(yuǎn)距離輸電為什么必須采用高壓輸電？ 第一篇變壓器第一篇變壓器 （2）專用變壓器：如電爐變壓器(專用)，給電 爐(如煉鋼爐)供電。 整流變壓器(專用)：給直流電力機(jī)車供電。 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 第一篇變壓

4、器第一篇變壓器 （3）儀用變壓器：用在測量設(shè)備中。 （4）電子變壓器： 用在電子線路中。 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：單相、三相、多相變壓器等 4、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 第一篇變壓器第一篇變壓器 單相心式 三相心式 單相殼式 三相殼式 第一篇變壓器第一篇變壓器 例1-1 低壓照明變壓器一次繞組匝數(shù)N1=1210 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 . 6 198 1210 1981210 220 3

5、6 2 1 1 1 2 2 N N K N U U N匝 第一篇變壓器第一篇變壓器 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。 第一篇變壓器第一篇變壓器 圖1-1 油浸式電力變壓器的外形結(jié)構(gòu)圖 第一篇變壓器第一篇變壓器 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形成閉合磁路，對鐵心的 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1-2 變壓器鐵心 第一

6、篇變壓器第一篇變壓器 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疊放，將接 縫錯開。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。容量大則級數(shù)多。 疊片間留有間隙作為油道(縱向或橫向)。 第一篇變壓器第一篇變壓器 二、繞組 材料：一般用絕緣扁銅線或圓銅線在繞線模上繞 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。 第一篇變壓器第一篇變壓器 三、油、油箱、冷卻及安全裝置 器身

7、裝在油箱內(nèi)，油箱內(nèi)充滿變壓器油。 油箱有許多散熱油管，以增大散熱面積。 變壓器油是一種礦物油，具有很好的絕緣性能。 變壓器油起兩個作用：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)生對流，對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)或用自來水 沖淋變壓器油箱。這些都是變壓器的冷卻裝置。 第一篇變壓器第一篇變壓器 變壓器運(yùn)行時產(chǎn)生熱量，使 變壓器油膨脹，并流進(jìn)儲 油柜中。 儲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,熱量會使變壓器油 汽

8、化，觸動氣體繼電器發(fā) 出報警信號或切斷電源。 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。 第一篇變壓器第一篇變壓器 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，在每臺變壓 器上都安裝有一塊銘牌，上面標(biāo)明了變壓器的型號及各種 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)說明如下。 第一篇變壓器第一篇變壓器 X X 變壓器廠 第一篇變壓器第一篇變壓器 1. 型號 S 9 80 / 10 其中：S為三相變壓器（D為單相

9、變壓器） 9為設(shè)計序號 80為變壓器的容量(kVA) 10為變壓器高壓側(cè)電壓等級（kV） 第一篇變壓器第一篇變壓器 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I2N的乘積。 2N 2N1N 1N N UIU I SkVA=kVA 10001000 三相變壓器的額定容量為 2N 2N1N 1N N 3UI3U I SkVAkVA 10001000 第一篇變壓器第一篇變壓器 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)

10、變壓 器絕緣等級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，二次繞組空載時的電壓值。 對于三相變壓器，額定電壓指的是額定線電壓 第一篇變壓器第一篇變壓器 4 額定電流I1N和I2N 額定電流是指變壓器允許長期通過的電流，它 是根據(jù)變壓器發(fā)熱的條件而規(guī)定的滿載電流值。 對于三相變壓器，額定電流指的是額定線電流。 5額定頻率fN 單位為Hz， fN=50Hz 此外，銘牌上還會給出三相聯(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)。 第一篇變壓器第一篇變壓器 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

11、 2.3變壓器等效電路 2.4變壓器的參數(shù)測定 第一篇變壓器第一篇變壓器 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 路的運(yùn)行狀態(tài)稱 為空載運(yùn)行 （i2=0）。 A X 1 u 0 i 1 e 1 e 1 2 e 2 u a x 1 N 2 N 變壓器的空載運(yùn)行變壓器的空載運(yùn)行 空載時一次側(cè)繞組中的電流i0為空載(或叫激磁)電 流，磁勢F0=I0N1叫勵磁磁勢。 第一篇變壓器第一篇變壓器 F0產(chǎn)生的磁通分為兩部分，大部分以鐵心為磁路（主磁 路），同時與一次繞組N1和二次繞組N2匝鏈，并在兩 個繞組中產(chǎn)生電勢e1和e2，是傳遞能量的主要媒介， 屬于工作磁通，稱為主

12、磁通。 另一部分磁通僅與一次繞組匝鏈，通過油或空氣形成閉 路，屬于非工作磁通，稱為一次側(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， 主磁通約占總磁通的99以上，而漏磁通占總磁通的 1以下。 第一篇變壓器第一篇變壓器 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 d eN dt 1 11 d eN dt 22 d eN dt 第一篇變壓器第一篇變壓器 二、電勢公式及電勢平衡方程式推導(dǎo) 空載時，主磁通在一次側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)

13、電勢E1，在二次側(cè)產(chǎn) 生感應(yīng)電勢E2，一次側(cè)的漏磁通1在一次側(cè)漏抗電勢 E1。 假設(shè)磁通為正弦波=msint 則 1111 11 (sin) cos sin(90 )sin(90 ) m m mm dtd eNNNt dtdt NtEt 其有效值其有效值 11 111 2 4.44 222 mm mm ENf ENfN 第一篇變壓器第一篇變壓器 同樣可以推出e2和e1的公式： 22 4.44 m EfN 111 4.44 EfN 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。 第一篇變壓器第一篇變壓器 考慮到一次側(cè)

14、繞組的電阻壓降后，根據(jù)基爾霍夫電壓定 律得其電勢平衡方程為： 11111101 0 111011 0 () () r UEEEEjXIR I ERjXIEZ I （） 二次側(cè)無電流，故： 22 EU 對于一次側(cè)來說，電阻壓降和漏抗壓降都很小。所以 U1-E1=4.44 f N1m，可見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 時，若電壓U1和頻率f給定，則變壓器磁通由匝數(shù)N1決 定。對于制成運(yùn)行的變壓器，其磁通可以由電壓U1 和頻率f控制。 第一篇變壓器第一篇變壓器 三、變壓器的變比k和電壓比K 1、變比k: 指變壓器1、2次繞組的電勢之比 111 222

15、4.44 4.44 m m fNEN k EfNN 一次繞組的匝數(shù)必須符合一定條件： 11 1111 4.44 4.444.44 m mm UU UEfNN ffB S Bm的取值與變壓器性能有密切相關(guān)；熱軋硅鋼片 Bm1.111.5T；冷軋硅鋼片1.51.7T 第一篇變壓器第一篇變壓器 2、電壓比K：指三相變壓器的線電壓之比 在做三相變壓器聯(lián)結(jié)繞組試驗時用到電壓比K進(jìn)行計 算。 1 3 BCCAAB abbcca UUU K uuu （+ + +） 第一篇變壓器第一篇變壓器 四、空載運(yùn)行時的等效電路和相量圖 1、 勵磁電流、鐵耗電阻、勵磁阻抗 空載運(yùn)行時，電流i0分為兩部分，一部分i0w純粹

16、用來產(chǎn) 生磁通，稱為磁化電流，與電勢E1之間的相位差是 90，是一個純粹的無功電流。另一部分i0y用來供給 損耗，是一個有功電流。 000 yw III 1000 mmm ER IjX II Z I0是勵磁過程必須的電流(包括磁化電流/ 有功電流)，稱為勵磁電流。 第一篇變壓器第一篇變壓器 Xm的物理意義是：勵磁電抗Xm是對應(yīng)于主磁通的電抗， 反映了變壓器鐵心的導(dǎo)磁性能，代表了主磁通對電路 的電磁效應(yīng)。 Rm是用來代表鐵耗的等效（虛擬的）電阻，稱為勵磁電 阻。Rm+jXm= Zm則稱為勵磁阻抗。 ow I oy I m I mm R I mm jX I 1 E 考慮鐵耗時變壓器的空載相量圖考慮

17、鐵耗時變壓器的空載相量圖 第一篇變壓器第一篇變壓器 2、空載時的等效電路 用阻抗(R m+ j X m)表示主磁通對變壓器的作用，用另 一個阻抗(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，由于電源電壓變化范圍小，鐵心中 主磁通的變化不大，勵磁阻抗Z m也基本不變。 1 U m I 1 E 1 R 1 X m R m X 變壓器的空載等效電路變壓器的空載等效電路 第一篇變壓器第一篇變壓器 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

18、，二次側(cè)接負(fù)載ZL，此時二次側(cè)流過電流 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F2=N2I2，該磁勢將力圖改變 磁通，而磁通是由電源電壓決定的，也就是說基本 不變。 要維持不變，一次繞組的電流將由原來的I0變?yōu)镮1。I1 產(chǎn)生磁勢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F0，也即激磁磁勢Fm。 第一篇變壓器第一篇變壓器 A X 1 U 1 I 1 E 1 E 1 2 E 2 U a x 2 I 2 2 EL Z 變壓器的負(fù)載運(yùn)行變壓器的負(fù)載運(yùn)行 第一篇變壓器第一篇變壓器 二.磁勢平衡方程式 120 1

19、122101 2 1001 m m L FFFF I NI NI NI N I IIII k 負(fù)載后，一次側(cè)繞組中的電流由兩個分量組成，一 個是其負(fù)載分量I1L，另一個是產(chǎn)生磁通的勵磁 分量I0，I1L產(chǎn)生的磁勢與二次側(cè)電流產(chǎn)生的磁 勢大小相等,方向相反,互相抵消。 第一篇變壓器第一篇變壓器 在滿載時，I0只占I1L的（28），有時可將I0 忽略，即： 21 1 2 1 0 L II I kIk 這就是變壓器的變流作用，只有在較大負(fù)載時才基本成 立，用此原理可以設(shè)計出電流互感器。 第一篇變壓器第一篇變壓器 三、電勢平衡方程式 負(fù)載后變壓器電路中的各種電勢及壓降： 1 I 1 1 R I 1 1

20、 N I 1 111 EjXI 11 4.44 EN f 22 4.44 EN f 22 R I 222 EjXI 2 2 I22 N I 根據(jù)規(guī)定的正方向可以寫出電壓平衡方程 ： 111 1 UEZ I 2222 UEZ I 第一篇變壓器第一篇變壓器 四、變壓器的等效電路 根據(jù)電勢平衡方程可以畫出變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)等 效電路： 1 U 1 I 1 E 1 R 1 X m R m X 2 E 2 R 2 X 2 I 2 U 由于一、二次側(cè)繞組匝數(shù)不同，其電勢E1和E2也不同， 難以將兩側(cè)的等效電路合并成一個完整的等效電路。 第一篇變壓器第一篇變壓器 通過折算法，我們可以將二次側(cè)等繞為用一個

21、與一次 側(cè)匝數(shù)N1相同的繞組來等效替代。折算以后，兩側(cè) 匝數(shù)相等，E1=E2，k=1,原來的磁勢平衡方程 I1N1+I2N2=ImN1變成了I1+I2=I m，兩側(cè)的等效電路就 可以合并了。 第一篇變壓器第一篇變壓器 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)，就是用一個與一 次側(cè)繞組匝數(shù)N1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。也就是說折算前后，二次側(cè)的磁 勢、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

22、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 第一篇變壓器第一篇變壓器 (1)電勢、電壓折算 2112222 4.444.44 EN fEEN fEkE 22 UkU (2)電流折算： 1 22 222 /N IN IIIk (3)阻抗折算： 222 222222 I RI RRk R 222 222222 IXIXXk X 2 LL Zk Z 第一篇變壓器第一篇變壓器 3.變壓器的等效電路 (1) 折算后的方程 (2) T型等效電路 11111 UERjXI 22222 UERjXI 12 m III 12

23、 mmm EERjXI 1 I 1 E 1 R 1 X m R m X 2 E 2 R 2 X 2 I 2 U L Z T形等效電路 第一篇變壓器第一篇變壓器 (3)簡化等效電路 K X 2 U L Z K R 1 U 12 II 1 I 1 R 1 X 2 R 2 X 2 I 2 U L Z 1 U 簡化等效電路 第一篇變壓器第一篇變壓器 簡化等效電路中,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。 用簡化等效電路計算的結(jié)果也能夠滿足工程精度要求。 當(dāng)需要在二次側(cè)基礎(chǔ)上分析

24、問題時，可將一次側(cè)折算到 二次側(cè)，當(dāng)用歐姆數(shù)說明阻抗大小時，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。 第一篇變壓器第一篇變壓器 五、變壓器負(fù)載運(yùn)行時的相量圖 根據(jù)方程式或者等效電路，可以畫出相量圖，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研究分析變壓器的三 種基本手段，是對一個問題的三種表述，相量圖對各 物理量的相位更直觀顯現(xiàn)出來。定性分析時，用相量 圖較為清楚；定量計算時，則用等效電路。 第一篇變壓器第一篇變壓器 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 12 EE v滯后滯后E2 做出做出 2 I v超前超前 某一角度某一角度