第二講變壓器結(jié)構(gòu)及空載運行

1、第二章 變壓器的基本工作原理 學(xué)習(xí)目的：學(xué)習(xí)目的： l熟悉變壓器的作用、基本結(jié)構(gòu)及工作原理。 l掌握變壓器的運行原理、等效電路及平衡方程式。 l熟悉變壓器參數(shù)確定方法。 l變壓器的運行性能 第一節(jié)第一節(jié) 電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)和額定值電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)和額定值 一、 概述： 變壓器是一種常見的靜止電氣設(shè)備，它利用電磁感應(yīng)原理，將某一數(shù)值的交變電壓變換為同 頻率的另一數(shù)值的交變電壓。變壓器不但用在輸配電系統(tǒng)中，而且還廣泛應(yīng)用于電氣控制領(lǐng)域、 電子技術(shù)領(lǐng)域、測試技術(shù)領(lǐng)域以及焊接技術(shù)領(lǐng)域等等。根據(jù)統(tǒng)計資料顯示，在輸配電系統(tǒng)中， 1kW的發(fā)電設(shè)備需88.5 kVA變壓器容量與之配套，由此可見，在電力系

2、統(tǒng)中變壓器是容量最 多最大的電氣設(shè)備。我們知道電能在傳輸過程中會有能量的損耗，主要是輸電線路的損耗及變壓 器的損耗，它占整個供電容量的59，這是一個相當可觀的數(shù)字。例如我國2000年發(fā)電設(shè)備 的總裝機容量約為3.16億千瓦，則輸電線路及變壓器損耗的部分約為16002800萬千瓦，它相當 于目前我國10到20個裝機容量最大的火力發(fā)電廠的總和。在這個能量損耗中，變壓器的損耗最大， 約占60左右，因此變壓器效率的高低成為輸、配電系統(tǒng)中一個突出的問題，我國從20世紀70年 代末期開始研制高效節(jié)能變壓器，其換代過程為SJS5S7S9SCBSHll。目前大批量生產(chǎn) 的是S9低損耗節(jié)能變壓器，同時要求逐步淘

3、汰正在使用中的舊型號變壓器，據(jù)初步估算采用低損 耗變壓器所需的投資費用可在4 5年時間內(nèi)從節(jié)約的電費中收回。變壓器可用于改變電壓、電 流、阻抗和相位等。 電力系統(tǒng)組實體示意圖 二、變壓器的分類二、變壓器的分類 變壓器種類很多，通?？砂雌溆猛尽⒗@組結(jié)構(gòu)、鐵心結(jié)構(gòu)、相數(shù)、冷卻方式等進行分類。 1 1按用途分類按用途分類 （1）電力變壓器。用作電能的輸送與分配，上面介紹的即屬于電力變壓器，這是生產(chǎn)數(shù)量最多、 使用最廣泛的變壓器。按其功能不同又可分為升壓變壓器、降壓變壓器、配電變壓器等。電力變壓 器的容量從幾十千伏安到幾十萬千伏安，電壓等級從幾百伏到幾百千伏。 （2）特種變壓器。在特殊場合使用的變壓器

4、，如作為焊接電源的電焊變壓器；專供大功率電爐 使用的電爐變壓器；將交流電整流成直流電時使用的整流變壓器等。 （3）儀用互感器。用于電工測量中，如電流互感器、電壓互感器等。 （4）控制變壓器。容量一般比較小，用于小功率電源系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)。如電源變壓器、輸 入變壓器、輸出變壓器等。 （5）其他變壓器。如試驗用的高壓變壓器；輸出電壓可調(diào)的調(diào)壓變壓器；產(chǎn)生脈沖信號的脈沖 變壓器等。 2按繞組構(gòu)成分類按繞組構(gòu)成分類 有雙繞組變壓器、三繞組變壓器、多繞組變壓器和自耦變壓器等。 3按鐵心結(jié)構(gòu)分類按鐵心結(jié)構(gòu)分類 有疊片式鐵心、卷制式鐵心、非晶合金鐵心。 2 2按相數(shù)分類按相數(shù)分類 有單相變壓器、三相變壓器

5、、多相變壓器。 3 3按鐵心結(jié)構(gòu)分類按鐵心結(jié)構(gòu)分類 有疊片式鐵心、卷制式鐵心、非晶合金鐵心。 4 4按相數(shù)分類按相數(shù)分類 有單相變壓器、三相變壓器、多相變壓器。 5 5按冷卻方式分類按冷卻方式分類 有干式變壓器、油浸自冷變壓器、油浸風(fēng)冷變壓器、強迫油循環(huán)變壓器、充氣式變壓器等。 三、單相變壓器的基本結(jié)構(gòu)三、單相變壓器的基本結(jié)構(gòu) （一）鐵心（一）鐵心 鐵心構(gòu)成變壓器磁路系統(tǒng)，并作為變壓器的機械骨架。鐵心由鐵心柱和鐵軛兩部分組成，鐵心 柱上套裝變壓器繞組，鐵軛起連接鐵心柱使磁路閉合的作用。對鐵心的要求是導(dǎo)磁性能要好，磁滯 損耗及渦流損耗要盡量小，因此均采用0.35 mm厚的硅鋼片制作。目前國產(chǎn)硅鋼

6、片有熱軋硅鋼片、冷 軋無取向硅鋼片、冷軋晶粒取向硅鋼片。20世紀6070年代我國生產(chǎn)的電力變壓器主要用熱軋硅鋼 片，由于其鐵損耗較大，導(dǎo)磁性能相應(yīng)地比較差，且鐵心疊裝系數(shù)低（因硅鋼片兩面均涂有絕緣 漆），現(xiàn)已不用。目前國產(chǎn)低損耗節(jié)能變壓器均用冷軋晶粒取向硅鋼片，其鐵損耗低，且鐵心疊裝 系數(shù)高（因硅鋼片表面有氧化膜絕緣，不必再涂絕緣漆）。 根據(jù)變壓器鐵心的結(jié)構(gòu)形式可分為心式變壓器和殼式變壓器兩大類。心式變壓器是在兩側(cè)的鐵 心柱上放置繞組，形成繞組包圍鐵心的形式。殼式變壓器則是在中間的鐵心柱上放置繞組，形成鐵 心包圍繞組的形狀。 單相小容量變壓器鐵心形式 （二）繞組（二）繞組 1同心式繞組同心式繞

7、組 2交疊式繞組交疊式繞組 四、變壓器的銘牌和額定值四、變壓器的銘牌和額定值 （一）、銘牌（一）、銘牌 為了使變壓器安全、經(jīng)濟、合理地運行，同時讓用戶對變壓器的性能有所了解，制造廠家 對每一臺變壓器都安裝了一塊銘牌，上面標明了變壓器型號及各種額定數(shù)據(jù)，只有理解銘牌上 各種數(shù)據(jù)的含義，才能正確地使用變壓器。 電力變壓器 產(chǎn)品型號 S7-50010 標準代號XXXX 額定容量 500kVA 產(chǎn)品代號XXXX 額定電壓 10kV 出廠序號XXXX 額定頻率 50Hz 3相 聯(lián)結(jié)組標號 Y，yn0 阻抗電壓 4 冷卻方式 油冷 使用條件 戶外 開關(guān) 位置 高壓 低壓 電壓V電流A電壓V電流/A 105

8、00 275 10000 289 4007217 9500 304 XX變壓器廠 XX年XX月 電力變壓器銘牌 （二）、額定值（二）、額定值 下圖所示的變壓器是配電站用的降壓變壓器，將10kV的高壓降為400V的低壓，供 三相負載使用。銘牌中的主要參數(shù)說明如下： 1型號型號 2 2額定電壓額定電壓U U1N1N和和U U2N 2N 高壓側(cè)（一次繞組）額定電壓U1N是指加在一次繞組上的正常工作電壓值。它是根據(jù)變壓器的絕 緣強度和允許發(fā)熱等條件規(guī)定的。高壓側(cè)標出的三個電壓值，可以根據(jù)高壓側(cè)供電電壓的實際況額 定值的5范圍內(nèi)加以選擇，當供電電壓偏高時可調(diào)至10500V，偏低時則調(diào)至9500V，以保證

9、低壓 側(cè)的額定電壓為400 V左右。 低壓側(cè)（二次繞組）額定電壓U2N是指變壓器在空載時，高壓側(cè)加上額定電壓后，二次繞組兩端 的感應(yīng)的電壓值。變壓器接上負載后，二次繞組的輸出電壓U2將隨負載電流的增加而下降，為保證 在額定負載時能輸出380V的電壓，考慮到電壓調(diào)整率為5，故該變壓器空載時二次繞組的額定電壓 U2N為400 V。在三相變壓器中，額定電壓均指線電壓。 1000 2N2N N IU S 1000 3 2N2N N IU S 3 3額定電流額定電流I I1N 1N和 和I I2N 2N 額定電流是指根據(jù)變壓器允許發(fā)熱的條件而規(guī)定的滿載電流值。在三相變壓器中額定電流 是指線電流。 4 4

10、額定容量額定容量S SN N 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。單相變壓 器的額定容量為 三相變壓器的額定容量為 kVA kVA 5 5聯(lián)結(jié)組標號聯(lián)結(jié)組標號 指三相變壓器一、二次繞組的連接方式。 Y（高壓繞組作星形聯(lián)結(jié)）、y（低壓繞組作星形聯(lián)結(jié)）；D（高壓繞組作三角形聯(lián)結(jié)）、d （低壓繞組作三角形聯(lián)結(jié)）；N（高壓繞組作星形聯(lián)結(jié)時的中性線）、n（低壓繞組作 星形聯(lián)結(jié)時的中性線）。 6 6阻抗電壓阻抗電壓 阻抗電壓又稱為短路電壓標么值或短路阻抗標么值。 五、五、 變壓器的基本工作原理變壓器的基本工作原理 變壓器是利用電磁感應(yīng)原理工作的，變壓器的主要部件是鐵心和

11、繞組。兩個互相絕緣且匝 數(shù)不同的繞組分別套裝在鐵心上，兩繞組間只有磁的耦合而沒有電的聯(lián)系，其中接電源u1的繞 組稱為一次繞組，用于接負載的繞組稱為二次繞組。 電動勢e1和e2分別為： 由上式可知，一、二次繞組感應(yīng)電動勢的大?。ń朴诟髯缘碾妷簎l及u2）與繞組匝數(shù)成 正比，故只要改變一、二次繞組的匝數(shù)，就可達到改變電壓的目的，這就是變壓器的基本工作 原理。 變壓器基本工作原理圖 第二節(jié)第二節(jié) 單相變壓器的空載運行單相變壓器的空載運行 一、空載運行時各物理量正方向的規(guī)定一、空載運行時各物理量正方向的規(guī)定 變壓器一次繞組接在額定頻率和額定電壓的電網(wǎng)上，而二次繞組開路，即2 I=0 的工作方式稱 變

12、壓器的空載運行。 按照“電工慣例”來規(guī)定參考方向： （1）電壓的參考方向：在同一支路中，電壓的參考方向與電流的參考方向一致。 （2）磁通的參考方向：磁通的參考方向與電流的參考方向之間符合右手螺旋定則。 （3）感應(yīng)電動勢的參考方向：由交變磁通 產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢 E，其參考方向與產(chǎn)生該磁 E 與產(chǎn)生它的磁通之間符合右手螺旋定則），通的電流參考方向一致（即感應(yīng)電動勢 。 單相變壓器空載運行圖 按此參考方向列出的電磁感應(yīng)定律方程為按此參考方向列出的電磁感應(yīng)定律方程為 二、感應(yīng)電動勢和變比二、感應(yīng)電動勢和變比 1 U 1 E2 E 空載時，在外加交流電壓 作用下，一次繞組中通過的電流稱為空載電流i0。在

13、電流i0的作用下， （稱為主磁通），主磁通同時穿過一、二次繞組，分別在其中產(chǎn)生感 和 鐵心中產(chǎn)生交變磁通 應(yīng)電動勢 dt d Ne dt d Ne dt d Ne 1 11 22 11 e1：主磁通在原繞組內(nèi)感應(yīng)電動勢的瞬時值 e2：主磁通在副繞組內(nèi)感應(yīng)電動勢的瞬時值； e1：漏磁通 1在原繞組內(nèi)感應(yīng)電動勢的瞬時值 主磁通按正弦規(guī)律，t m sin )90 sin()90 sin( cos ) sin( 0 1 0 1 1111 tEtN tNt dt d N dt d Ne mm mm m：主磁通的幅值；E1m：原繞組感應(yīng)電動勢的幅值。 )90 sin( 0 11 tEe m 當主磁通按正弦

14、規(guī)律變化時，原繞組中感應(yīng)電動勢也按正弦規(guī)律變 化， 但相位比主磁通落后900。 mm NE 11 原邊電動勢幅值： mm NfEE 11m1111 44.42/Nf 22/ 有效值： m NfjE 111 44.4 相量表示： 原邊電勢分析原邊電勢分析 副邊電勢分析副邊電勢分析 副邊繞組鏈接同一磁鏈，副邊電動勢幅值： mm NE 22 mm NfEE 2122 44.42/有效值： 相量表示：m NfjE 12 44.4 原邊漏電勢由原邊繞組鏈接漏磁鏈得到， m NfjE dt d Ne 11 0 m11 1 11 1144. 4 )90- tsin(N 相量表示： 漏電勢分析：漏電勢分析：

15、漏磁通1通過的磁路是線性的，漏磁鏈1 與產(chǎn)生漏磁鏈的電流 i0呈線性關(guān)系，漏電勢可表示為： dt di L dt d dt d Ne 0 1 11 11 若勵磁電流i0按正弦規(guī)律變化， 即 tsin2 00 Ii 10101 L XI jI jE 結(jié)論：結(jié)論： （1）L1為原繞組的漏感系數(shù)；X1是原繞組的漏電抗。表征漏磁通對電 流的電磁效應(yīng)。兩者與匝數(shù)和幾何尺寸有關(guān)，均為常數(shù)。 （2）漏電感電動勢與電流同頻率，相位上落后I0 900。 m NfjEU 1111 44. 4（3）空載時，漏阻抗壓降小， （4）主磁通大小， 取決于電網(wǎng)電壓、頻率和匝數(shù)。 三、變壓器的空載電流和空載損耗三、變壓器的空

16、載電流和空載損耗 0 I 0 I 變壓器空載運行時，空載電流一方面用來產(chǎn)生主磁通，另一方面用來補償變壓器空載時的 分解成兩部分，損耗。為此，將 空載電流空載電流 主要用來建立主磁通，故近似稱作勵磁電流。變壓器空載時沒有輸 出功率，它從電源獲取的全部功率都消耗在其內(nèi)部，稱為空載損耗?？蛰d損耗絕大部分 是鐵心損耗P0，即磁滯損耗與流損耗，只有極少部分是一次繞組電阻上的銅損耗I02R， 它只占空載損耗的2，故可認為變壓器的空載損耗就是變壓器的鐵心損耗。 0 I iu 建立空載運行時的磁場 空載電流 iFe 引起損耗 變壓器中磁性材料的磁化曲線為非線性， 在一定電壓下， 空載電流大小、波形 取決于飽和

17、度。 忽略空載損耗： （1）當主磁通為正弦波時， 磁路越飽和， 電流波形畸變嚴重。 （2）空載電流與主磁通同相位。 不考慮空載損耗時空載電流的波形：不考慮空載損耗時空載電流的波形： I 0 I Fe I m 0 I 空載電流（考慮空載損耗）空載電流（考慮空載損耗） 考慮空載損耗時： （1）考慮鐵耗（包含磁滯、渦流）， 將磁化曲線改為磁滯回線。 因此， 將激磁電流分解為兩個分量： （1）與同相的磁化電流iu； （2）導(dǎo)前900有功分量iFe III Fe 0 m （2）激磁電流不再與主磁通同相， 而是導(dǎo)前一個磁滯角 四、電壓平衡式四、電壓平衡式 變壓器中，原、副繞組電動勢E1和E2之比稱為變壓器

18、的變比k. 2 1 m12 m11 2 1 44. 4 44. 4 N N fN fN E E k 由于. 22 11 EU EU 2 1 2 1 2 1 N N U U E E k N N 對于三相變壓器，變比指相電勢之比。 考慮漏磁通， 變壓器空載運行時相量形式表示的電壓平衡方程式： 220 1101110 1101011101 )()()( )()()( EU EZIEjxrI ExI jrIEErIU r1：原繞組電阻；Z1r1jx1為原繞組漏阻抗 五、空載運行的等效電路和相量圖五、空載運行的等效電路和相量圖 根據(jù)相量形式的電壓平衡式， )( 1101 EZIU 把 和 之間的關(guān)系直接用參數(shù)形式反映