第六章變壓器

1、第 六 章 變變 壓壓 器器 本章難點(diǎn)本章難點(diǎn) 變壓器的構(gòu)造 變壓器的工作原理 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 變壓器的運(yùn)行性能 變壓器的分類、基本結(jié)構(gòu)、額定值變壓器的分類、基本結(jié)構(gòu)、額定值 變壓器的工作原理變壓器的工作原理 變壓器的外特性及效率變壓器的外特性及效率 三相變壓器三相變壓器 特殊變壓器特殊變壓器 定義定義 ：利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行能量：利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行能量 轉(zhuǎn)換的一種裝置。轉(zhuǎn)換的一種裝置。 用途用途 ： 1 1、在電力系統(tǒng)中用來傳輸和分配電、在電力系統(tǒng)中用來傳輸和分配電 能。能。 2 2、在電子線路中用作電源變壓器，、在電子線路中用作電源變壓器， 實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。 3 3、在儀表測(cè)量電路

2、中廣泛使用電流、在儀表測(cè)量電路中廣泛使用電流、 電壓互感器。電壓互感器。 分類分類 ： 1 1、按相數(shù)分可以分為單相變壓器、按相數(shù)分可以分為單相變壓器 和三相變壓器。和三相變壓器。 2 2、按繞組數(shù)分可以分為雙繞組變、按繞組數(shù)分可以分為雙繞組變 壓器和三繞組變壓器。壓器和三繞組變壓器。 圖 6-2 殼式變壓器 （a）單相殼式變壓器 （b）三相殼式變壓器 圖 6-1 心式變壓器 （a） 單相心式變壓器 （b）三相心式變壓器 變壓器的種類很多，但各種變壓器變壓器的種類很多，但各種變壓器 的工作原理大體上都是一樣的，以單相的工作原理大體上都是一樣的，以單相 變壓器為例來研究變壓器的結(jié)構(gòu)及工作變壓器為

3、例來研究變壓器的結(jié)構(gòu)及工作 原理，然后講三相變壓器、特殊變壓器原理，然后講三相變壓器、特殊變壓器 的特點(diǎn)。的特點(diǎn)。 主要由主要由、及其他一些元部件及其他一些元部件 構(gòu)成。構(gòu)成。 ：鐵心都是由厚度為：鐵心都是由厚度為0.350.5mm0.350.5mm的硅的硅 鋼片迭裝而成，硅鋼片上涂有絕緣漆。（美國(guó)的鋼片迭裝而成，硅鋼片上涂有絕緣漆。（美國(guó)的 部分電力變壓器已采用部分電力變壓器已采用0.2mm0.2mm以下的冷軋鋼片。以下的冷軋鋼片。 俄羅斯在中高頻電機(jī)中采用俄羅斯在中高頻電機(jī)中采用0.1mm0.1mm的硅鋼片。的硅鋼片。 ：繞組用導(dǎo)電性能好的漆包圓銅線繞制：繞組用導(dǎo)電性能好的漆包圓銅線繞制

4、而成，為絕緣方便，低壓繞組緊靠鐵心，高壓繞而成，為絕緣方便，低壓繞組緊靠鐵心，高壓繞 組則套在低壓繞組的外邊，兩個(gè)繞組之間留有油組則套在低壓繞組的外邊，兩個(gè)繞組之間留有油 道，一方面作為繞組間絕緣，另一方面冷卻繞組。道，一方面作為繞組間絕緣，另一方面冷卻繞組。 圖圖 6-4 變壓器的空載運(yùn)行變壓器的空載運(yùn)行 222 00 22 111 0 2 0 11 1 d(sin)d cos dd 2sin(90 d(sin)d cos dd 2sin(90 ) )sin(90 ) sin(90 ) m m mm m m mm e e t NNNt tt fNtE t NNNt tt t fNtEt si

5、n m t 根據(jù)電磁感應(yīng)定律可得，設(shè)根據(jù)電磁感應(yīng)定律可得，設(shè) 有效值為有效值為 1 111 2 222 2 4.44 22 2 4.44 22 m mm m mm E EfNfN E EfNfN e e1 1和和e e2 2均比主磁通滯后均比主磁通滯后90900 0，它們的最大值為：，它們的最大值為： 11 22 2 2 mm mm EfN EfN 如果電流隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化則：如果電流隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化則： 式中式中 稱為原繞組的漏磁感抗。稱為原繞組的漏磁感抗。 10 111 11 1 0 ddi eNL dtdt N L i . 10 1 ( 67 )E jIX 11 2XfL . 1

6、101 1 . 100 11 . 10 11 . 1 01 () (6 8 ) UE E I R E jI XI R E I R jX E I Z . 11UE . 220UE 1111 20222 4.44 4.44 m m N fUEN EN fN K U （二）負(fù)載運(yùn)行（二）負(fù)載運(yùn)行 1 1、定義：、定義： 變壓器一次繞組加額定電壓，二次繞組接 負(fù)載的運(yùn)行方式。 2 2、負(fù)載運(yùn)行的物理過程：、負(fù)載運(yùn)行的物理過程： 原理如圖所示： 從能量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)看，副邊有能量輸出，必然使 原繞組從電源多吸取負(fù)載所需要的能量，通過主磁通傳 遞給副繞組。當(dāng)電源電壓 U1 保持不變，要使輸入能量 增加，原邊電

7、流必然增大，即從空載時(shí)的 i0增加到負(fù)載 時(shí)的 i1 。由U1E1=4.44fN1m 可見，當(dāng)電源電壓U1和 頻率 f 不變時(shí)，E1和m也都近于常數(shù)。就是說，鐵心中 的主磁通的最大值在變壓器空載或負(fù)載時(shí)基本上是恒定 的。因此，有負(fù)載時(shí)產(chǎn)生主磁通的原、副繞組的合成磁 動(dòng)勢(shì)（i1N1+i2N2）應(yīng)該和空載時(shí)產(chǎn)生主磁通的原繞組的 磁動(dòng)勢(shì) i0N1 近似相等，即 i1N1+i2N2 i0N1 如用相量表 示，則為. 1 12 20 1 (61 0 )IN IN IN 3 3、磁勢(shì)平衡方程式：、磁勢(shì)平衡方程式： 這就是變壓器中的磁勢(shì)平衡方程式。 變壓器的空載電流i0是勵(lì)磁用的。由于鐵 心的磁導(dǎo)率高，空載

8、電流是很小的。它的 有效值在原繞組額定電流的10%以內(nèi),因此 i0N1 與i1N1相比，?？珊雎?。于是 . 12 12 (61 1 )IN IN 12 21 1 (61 2 ) I N I N K 2 2 222 . 2222 2 EEUI R . 222 2 . 222 22 . . 2 . 2 22 . 22 22 () UI RE UI Rj I X UIRj I Z X E U . 222 2 (61 3 )U E IZ 22 22 2 2 5 5、阻抗變換：、阻抗變換： 以使負(fù)載獲得較 大的功率。但是， 一般情況下負(fù)載 阻抗很難達(dá)到匹 配要求，所以在 電子線路中常利 用變壓器進(jìn)行阻

9、抗變換。 在電子線路中常常對(duì)負(fù)載阻抗的大小有要求 表明，變壓器副邊阻抗為Z時(shí)，原邊 等效阻抗為K2Z，只要改變變壓器的變比， 就可以使負(fù)載與電源進(jìn)行匹配獲得較高的功 率輸出。這種做法通常稱為阻抗匹配。 2 12 12 (6 14) UK U ZK Z II K （一）變壓器的外特性和電壓調(diào)整率（一）變壓器的外特性和電壓調(diào)整率 交流供電系統(tǒng)中的用電設(shè)備通常要通過變壓器接入電源。在變壓器原邊接入交流供電系統(tǒng)中的用電設(shè)備通常要通過變壓器接入電源。在變壓器原邊接入 額定電壓額定電壓U1，副邊開路時(shí)的開路電壓為，副邊開路時(shí)的開路電壓為U20。變壓器副邊接入負(fù)載后，有電流。變壓器副邊接入負(fù)載后，有電流I2

10、 輸出，副邊繞組中產(chǎn)生電抗壓降，根據(jù)式（輸出，副邊繞組中產(chǎn)生電抗壓降，根據(jù)式（613）可知，輸出電壓）可知，輸出電壓U2隨輸出電隨輸出電 流流I2的變化而變化，即的變化而變化，即U2=f(I2)關(guān)系稱為變壓器的外特性，如圖所示。對(duì)電阻性和關(guān)系稱為變壓器的外特性，如圖所示。對(duì)電阻性和 電感性負(fù)載而言，電壓電感性負(fù)載而言，電壓U2隨電流隨電流I2的增加而下降。外特性的下降程度與負(fù)載的功的增加而下降。外特性的下降程度與負(fù)載的功 率因數(shù)有關(guān)，功率因數(shù)愈低，下降愈劇烈。率因數(shù)有關(guān)，功率因數(shù)愈低，下降愈劇烈。 副邊電壓副邊電壓U2隨隨I2的變化情況，除了用外特性表示外，還可以用電壓調(diào)整率的變化情況，除了用

11、外特性表示外，還可以用電壓調(diào)整率 來表示。如副邊的空載電壓為來表示。如副邊的空載電壓為U20，當(dāng)，當(dāng)I2增加到額定值增加到額定值I2N時(shí)的端電壓為時(shí)的端電壓為U2， 則電壓調(diào)整率則電壓調(diào)整率可用下式表示：可用下式表示： 電力變壓器的電壓調(diào) 整率約為5%左右。 202 00 00 20 100(6 15) U U U U （二）變壓器的損耗與效率（二）變壓器的損耗與效率 變壓器工作時(shí)是有損耗的，變壓器的損耗包括鐵損e和銅損。 鐵損又包括渦流損耗和磁滯損耗。鐵損耗的大小主要取決于電源的頻率及鐵心的磁通量， 由于變壓器在運(yùn)行時(shí)，電源的頻率及磁通量不變，故鐵損基本不變。銅耗是在變壓器負(fù)載運(yùn)行 時(shí)，電流

12、在原、副繞組電阻上產(chǎn)生的損耗。變壓器中銅損耗的大小與繞組中通過的電流大小有 關(guān)。 變壓器的效率是指變壓器輸出的有功功率P2與輸入的有功功率P1的比值。用表示。 即 由于變壓器的損耗很小，故效率很高。例如電力變壓器滿載時(shí)效率在95%以上，大型變壓 器效率可達(dá)99%。 2 00 1 100(6 16) P P 2 0 0 2 100 CuFe P PPP 四、三相變壓器四、三相變壓器 現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)通常采用三相交流電，三相變壓器就是用來升高和降低三相交流電壓的設(shè)備。 （一）三相變壓器的結(jié)構(gòu)（一）三相變壓器的結(jié)構(gòu) 由三個(gè)單相變壓器構(gòu)成的三相變壓器稱為三相變壓器組，如圖69所示。 三相變壓器組的特點(diǎn)是

13、三個(gè)磁路單獨(dú)分開，互不關(guān)聯(lián)。因此三相之間只有電的聯(lián)系而無磁的耦合。 稱為不相關(guān)磁路系統(tǒng)。 圖310所示是三相心式變壓器，三相心式變壓器的特點(diǎn)是三相中任何一個(gè)鐵心柱中的磁通都經(jīng) 過其它兩個(gè)鐵心柱形成閉合磁回路，三相之間不僅有電的聯(lián)系而且有磁的關(guān)聯(lián)，因此稱為相關(guān)磁路系 統(tǒng)。和同容量的三相變壓器組相比較，三相心式變壓器的優(yōu)點(diǎn)是，所用材料少、重量輕、價(jià)格便宜。 一般中、小容量的電力變壓器，都采用三相心式變壓器，以節(jié)省材料。只有大容量的巨型變壓器 ，為了制造及運(yùn)輸上的方便和減少電站備用器材的投資，才選用三相變壓器組。 圖 6-9 三相變壓器組 (Y/Y0連接) 圖 6-10 三相心式變壓器(Y/Y0)

14、（二）三相變壓器中原、副邊線電壓與相電壓之間的變換關(guān)系（二）三相變壓器中原、副邊線電壓與相電壓之間的變換關(guān)系 如圖611所示，其中圖（a）為Y/Yo連接 ，圖（b）為Y/連接。圖中說明，不論三相變壓器作 何種連接，其原、副邊相電壓的比值仍等于原、副繞組的匝數(shù)比，（變壓器的變比）。 當(dāng)三相繞組接法不同時(shí)，原、副邊線電壓的比值是不同的,即 當(dāng)作Y/Yo連接時(shí) 當(dāng)作Y/連接時(shí) 當(dāng)作/Y連接時(shí) 11 22 P P UN K UN 1 2 L L U K U 1 2 3 L L U K U 1 2 1 3 L L U K U 五、特殊變壓器五、特殊變壓器 （一）自耦變壓器（一）自耦變壓器 . 1 . E

15、Eab . 1 U 11 4.44 abm EfNE 22 4.44 cbm EfNE . 2cb EE 111 2022 UEN K UEN 12 21 1IN INK 互感器是一種測(cè)量用的設(shè)備，分電流互感器和電壓互感器兩種。它們的工作原理和變壓器相同。 互感器有兩個(gè)主要用途：一是將測(cè)量或控制回路與高電壓和大電流電網(wǎng)隔離，以保證工作人員的安全； 二是用來擴(kuò)大交流電表的量程。通常，電流互感器的副邊電流為5安或1安，電壓互感器的副邊電壓為 100伏。 （二）互感器（二）互感器 1、電壓互感器、電壓互感器 圖314是電壓互感器的原理圖。電壓互感器的原繞組匝數(shù)較多，與被測(cè)電路并聯(lián)，副繞組的匝 數(shù)較少

16、，副邊接入的是電壓表（或功率表的電壓線圈），由于它們的阻抗很高，因此電壓互感器正常 工作時(shí)相當(dāng)于副邊開路時(shí)的變壓器。 根據(jù)變壓器的工作原理可知 或 。適當(dāng)?shù)剡x擇變比，就能從副邊的電壓 表上間接地讀出高壓邊的電壓。如果配以專用的電壓互感器，電壓表的刻度可以按高壓側(cè)的電壓值標(biāo) 出，這樣可以直接從電壓表讀出高壓側(cè)的電壓值。 在使用電壓互感器時(shí)應(yīng)該：，電壓互感器的鐵 心及副邊繞組必須可靠接地，以防止高壓繞組的絕緣損壞時(shí) ，在低壓邊出現(xiàn)高電壓，危及量測(cè)人員的安全；，副邊 繞組不允許短路，否則會(huì)產(chǎn)生很大的短路電流。 圖6-14 電壓互感器 11 22 UN K UN 12 UKU 2、電流互感器、電流互感

17、器 圖是電流互感器的原理圖。電流互感器原邊繞組的匝數(shù)少（只有一、兩匝），導(dǎo)線粗，工作時(shí)串 接在待測(cè)量電流的電路中；電流互感器副邊的圈數(shù)比原邊圈數(shù)多，導(dǎo)線細(xì)，與電流表（或其它儀表及 繼電器的電流線圈）相連接。根據(jù)變壓器的工作原理可知 由式（617）可見，利用電流互感器可將大電流變換為小電流。在使用電流互感器時(shí)應(yīng)注 意：，副繞組絕對(duì)不允許開路。因?yàn)楦崩@組開路時(shí)，互感器為空載運(yùn)行，原繞組中被測(cè)線路 電流I1全部成為激磁電流，使鐵心中的磁通增加許多倍，這一方面使鐵損大大增加，鐵心嚴(yán)重發(fā) 熱，燒壞互感器；另一方面使副繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增高到危險(xiǎn)的程度，可能擊穿絕緣，或發(fā)生事 故；，為使用安全，電流互感器的

18、副繞組必須可靠接地。 圖 6-15 電流互感器 式中K1是電流互感器的變換系數(shù)。 12 21 12 1 (6-17) i i IN K INK IKI 或 圖 6-16 鉗形電流表 六、變壓器的額定值六、變壓器的額定值 為了使變壓器能安全連續(xù)地運(yùn)行，制造廠將它的額定值標(biāo)明在銘牌上，在使用時(shí)必須了解這些數(shù) 據(jù)的意義，以便正確地使用變壓器。 （一）額定電壓（一）額定電壓 原繞組的額定電壓U1N是變壓器正常運(yùn)行時(shí)加在原繞組的電壓，副繞組的額定電壓U2N是當(dāng)變壓器 的原繞組加額定電壓時(shí)副繞組的空載電壓。三相變壓器的額定電壓都是指線電壓。 （二）（二） 額定電流額定電流 變壓器的額定電流是指按規(guī)定工作方式（長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作或短時(shí)工作或間歇工作）正常運(yùn)行時(shí)， 原、副繞組允許通過的最大電