變壓器的基本結(jié)構(gòu)和額定值

1、 第三章 變壓器 1.變壓器的定義：它是一種靜止的電機(jī)，通過線圈間的電磁感應(yīng)關(guān)系，將某一等級(jí)的交流電壓轉(zhuǎn)換為同頻率的另一等級(jí)的交流電壓。2.變壓器的用途：3.電力變壓器：用于電力系統(tǒng)升、降電壓的變壓器。3.1 變壓器的基本結(jié)構(gòu)和額定值一、 變壓器的基本結(jié)構(gòu)1.鐵心：構(gòu)成了變壓器的磁路，同時(shí)又是套裝繞組的骨架。鐵心由鐵心柱和鐵軛兩部分構(gòu)成。鐵心柱上套繞組，鐵軛將鐵心柱連接起來形成閉合磁路。材料：0.35mm厚涂有絕緣漆膜的硅鋼片，導(dǎo)磁性能好，可減少鐵損；鐵心結(jié)構(gòu)：心式和殼式；迭片方式：交迭式迭裝2. 繞組： 繞組是變壓器的電路部分，它由銅或鋁絕緣導(dǎo)線繞制而成。一次繞組（原繞組）：輸入電能二次繞組

2、（副繞組）：輸出電能它們通常套裝在同一個(gè)心柱上，一次和二次繞組具有不同的匝數(shù)，通過電磁感應(yīng)作用，一次繞組的電能就可傳遞到二次繞組，且使一、二次繞組具有不同的電壓和電流。其中，兩個(gè)繞組中，電壓較高的稱為高壓繞組，相應(yīng)的電壓較低的稱為低壓繞組。從高、低壓繞組的相對(duì)位置來看，變壓器的繞組又可分為同心式、交迭式。由于同心式繞組結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，所以，國產(chǎn)的均采用這種結(jié)構(gòu)，交迭式主要用于特種變壓器中。3.油箱和冷卻裝置：變壓器油的作用：絕緣和冷卻4.絕緣套管：用于引線5.保護(hù)裝置和其他二、變壓器的分類1、用途分：升壓變壓器、降壓變壓器；2、相數(shù)分：單相變壓器和三相變壓器；3、線圈數(shù)：雙線圈變壓器、三線

3、圈變壓器和自耦變壓器；4、鐵心結(jié)構(gòu)：心式變壓器和組式變壓器；5、冷卻介質(zhì)和冷卻方式：油浸式變壓器和干式變壓器等；6、容量大?。盒⌒妥儔浩鳌⒅行妥儔浩?、大型變壓器和特大型變壓器。三、變壓器的型號(hào)和額定值1、型號(hào)：表示一臺(tái)變壓器的結(jié)構(gòu)、額定容量、電壓等級(jí)、冷卻方式等內(nèi)容。例如：SL-500/10：表示三相油浸自冷雙線圈鋁線，額定容量為500kVA，高壓側(cè)額定電壓為10kV級(jí)的電力變壓器。2、額定值：額定值是制造廠對(duì)變壓器在指定工作條件下運(yùn)行時(shí)所規(guī)定的一些量值。額定值通常標(biāo)注在變壓器的銘牌上。變壓器的額定值主要有：銘牌規(guī)定在額定使用條件下所輸出的視在功率。：指變壓器長時(shí)間運(yùn)行所承受的工作電壓。（三相

4、為線電壓）：規(guī)定加在一次側(cè)的電壓；：一次側(cè)加額定電壓，二次側(cè)空載時(shí)的端電壓。：變壓器額定容量下允許長期通過的電流有和（三相為線電流）。：我國工頻：50Hz；此外，還有額定效率、溫升等額定值。3、單相變壓器的關(guān)系式：三相變壓器的關(guān)系式：對(duì)于雙線圈變壓器一、二次側(cè)的額定容量相等。（由于其效率高）四、基本工作原理AXu1 i1 0e1axe2i2u2基本原理：其中：； 可見，只要改變線圈的匝數(shù)，就能達(dá)到改變電壓的目的。2.2 單相變壓器的空載運(yùn)行1. 從空載和負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電磁關(guān)系出發(fā)，導(dǎo)出基本方程式、等效電路和相量圖；2. 分析穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能（電壓變化率、損耗和效率）該方法適用于三相變壓器的對(duì)稱運(yùn)行。

5、一、一次和二次繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢1. 空載定義：02. 物理過程：AXu1 i0 e1axe21u20由于鐵磁材料有飽和現(xiàn)象，所以主磁路的磁阻不是常數(shù)，主磁通與建立它的電流之間呈非線性關(guān)系。而漏磁通的磁路大部分是非鐵磁材料組成，所以漏磁路的磁阻基本上是常數(shù)，漏磁通與產(chǎn)生它的電流呈線性關(guān)系。主磁通在原、副繞組中均感應(yīng)電動(dòng)勢，當(dāng)副方接上負(fù)載時(shí)便有電功率向負(fù)載輸出，故主磁通起傳遞能量的作用。而漏磁通僅在原繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢，不能傳遞能量，僅起壓降作用。因此，在分析變壓器和交流電機(jī)時(shí)常將主磁通和漏磁通分開處理。3.正方向的確定：從理論上講，正方向可以任意選擇，因各物理量的變化規(guī)律是一定的，并不依正方向的選

6、擇不同而改變。但正方向規(guī)定不同，列出的電磁方程式和繪制的相量圖也不同。在電機(jī)方向的學(xué)科中通常按習(xí)慣方式規(guī)定正方向，稱為慣例。具體原則如下：1）在負(fù)載支路，電流的正方向與電壓降的正方向一致，而在電源支路，電流的正方向與電動(dòng)勢的正方向一致；2）磁通的正方向與產(chǎn)生它的電流的正方向符合右手螺旋定則3）感應(yīng)電動(dòng)勢的正方向與產(chǎn)生它的磁通的正方向符合右手螺旋定則電壓u1,u2的正方向表示電位降低，電動(dòng)勢e1,e2的正方向表示電位升高。在原方，u1由首端指向末端，1從首端流入。當(dāng)u1與1同時(shí)為正或同時(shí)為負(fù)時(shí)，表示電功率從原方輸入，稱為電動(dòng)機(jī)慣例。在副方，u2和2的正方向是由e2的正方向決定的，即2沿e2的正方

7、向流出。當(dāng)u2和2同時(shí)為正或同時(shí)為負(fù)時(shí)，電功率從副方輸出，稱為發(fā)電機(jī)慣例。 4.主磁通感應(yīng)的電動(dòng)勢設(shè)，則 同理可得： 結(jié)論：，在相位上滯后90°。5.一次漏感電動(dòng)勢：設(shè)，則 又可得： 式中：=常數(shù)， 為一次繞組的漏電抗。6.電動(dòng)勢平衡方程：一次側(cè)：忽略I0Z1，則有： 即 * 結(jié)論：影響主磁通大小的因素是: 電源電壓U1、電源頻率f和一次側(cè)線圈匝數(shù)N1，與鐵心材質(zhì)及幾何尺寸基本無關(guān)。二次側(cè)：7. 變壓器的變比k和電壓比K (1) 變比k:指變壓器一、二次繞組的電勢之比k=E1/E2=(4.44fN1m)/(4.44fN2m)=N1/N2變比k等于匝數(shù)比。1次繞組的匝數(shù)必須符合一定條件

8、： U14.44fN1m4.44fN1BmA N1U1/4.44fBmABm的取值與變壓器性能有密切相關(guān)。Bm熱軋硅鋼片1.111.5T；冷軋硅鋼片1.51.7T(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(yàn)時(shí)用到電壓比K進(jìn)行計(jì)算。 K=(UAB/uab+UBC/ubc+UCA/uca)/3三相變壓器：Y，d接線： D，y接線： Y，y和D，d接線：二、主磁通與勵(lì)磁電流1、 主磁通與漏磁通在性質(zhì)上：0與I0非線性關(guān)系；1與I0線性關(guān)系；在數(shù)量上：0占99%以上；1占1%以下；在作用上：0傳遞能量的媒介；1漏抗壓降。2.激磁電流：作用：一是用來激磁，產(chǎn)生主磁通；二是供空載損耗

9、。波形：磁路飽和：尖頂波；磁路不飽和：正弦波。實(shí)際需要：將尖頂波的空載電流等效為正弦波。空載損耗 空載損耗約占（0.21）%，隨容量的增大而減小。變壓器空載運(yùn)行時(shí)，很低，一般在0.10.2之間。三、變壓器空載時(shí)的相量圖:3.3 單相變壓器的負(fù)載運(yùn)行一、正方向的規(guī)定（同空載運(yùn)行）二、負(fù)載運(yùn)行時(shí)的物理情況1、負(fù)載運(yùn)行定義：在前面我們通過分析了解了變壓器的空載運(yùn)行情況，當(dāng)變壓器原方接入交流電源，副方接上負(fù)載時(shí)的運(yùn)行方式稱為變壓器的負(fù)載運(yùn)行。2、負(fù)載時(shí)的電磁過程從空載電流變?yōu)樨?fù)載時(shí)的電流。原、繞組的磁動(dòng)勢也從空載磁動(dòng)勢F0變?yōu)?F1=I1N1。負(fù)載時(shí)的主磁通m就是由原、副繞組的合成磁動(dòng)勢產(chǎn)生的，即:F

10、1+ F 2= F m。于是變壓器在負(fù)載時(shí)的電磁關(guān)系重新達(dá)到平衡。單相變壓器負(fù)載運(yùn)行示意圖 二、 磁動(dòng)勢平衡磁動(dòng)勢平衡方程式：（1）磁動(dòng)勢形式： （2）電流形式 ：若忽略I0，則有： 注意大小和相位。二、電動(dòng)勢平衡方程三、 漏磁通和激磁阻抗1.分析：（以1a為例）1=F1/Rm=N1mi1e1=-N1 d1a/dt=- N12mdi1/dt漏電感L1= N12me1=L1di1/dt則：e1=E1msin(t-90。) E1=-jL1I12.漏磁電動(dòng)勢的表達(dá)式E1=-jX1I1E2=-jX1I2 即漏磁電動(dòng)勢可以表示成電流流過漏電抗產(chǎn)生的壓降，因?yàn)殡妱?dòng)勢與電壓方向相反，故上式中取負(fù)號(hào)。四、 主

11、磁通和勵(lì)磁電抗1.分析（1）不考慮鐵耗時(shí)：E1 =-jXmIm（2）考慮鐵耗時(shí)：E1 =-(jXm+Rm)Im= -jZmIm2.鐵心線圈的等效電路3.4 變壓器的基本方程、等效電路圖和相量圖一、 變壓器的基本方程1. 磁動(dòng)勢方程：2. 電流方程：3. 電壓方程：二、 變壓器的T型等效電路1. 繞組折算由于原、副繞組的匝數(shù) ，原、副繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢1 2，這就給分析變壓器的工作特性和繪制相量圖增加了困難。為了克服這個(gè)困難，常用一假想的繞組來代替其中一個(gè)繞組，使之成為變比k=的變壓器，這樣就可以把原、副繞組聯(lián)成一個(gè)等效電路，從而大大簡化變壓器的分析計(jì)算。這種方法稱為繞組折算。折算后的量在原來的符

12、號(hào)上加一個(gè)上標(biāo)號(hào)“”以示區(qū)別。折算方法：N2=N1 折算原則：和二次側(cè)的各功率保持不變折算的物理量：二次側(cè)電流：I2=I2/k二次側(cè)電動(dòng)勢的折算：E2=kE2 E2=kE2 U2=kU2二次側(cè)阻抗的折算： R2=k2R2 X2=k2 X2 RL=k2RL XL=k2XL 2、折算后的方程：三、等效電路和相量圖1.“T”形等效電路和相量圖“T”形等效電路 R1 X1 R2 X2 Rm Xm ZL 相量圖2.近似等效電路（一般I1NZ1<0.08U1N 時(shí)采用） R1 X1 R2 X2 Rm ZL Xm3.簡化等效電路和相量圖簡化等效電路：忽略I0 R1 X1 R2 X2 ZL電壓方程式：

13、其中： 簡化相量圖： C B A *說明：ABC為阻抗三角形；對(duì)于一臺(tái)已制成的變壓器，其形狀是固定的。*短路阻抗大小的意義：從正常運(yùn)行角度看，希望小些； 從短路角度看，希望大些，可限制短路電流。3.5 變壓器參數(shù)的測定通過空載和短路試驗(yàn)測取變壓器的參數(shù)。一、空載實(shí)驗(yàn)（開路實(shí)驗(yàn)）1.目的：通過測量I0，U1，U20及P0來計(jì)算K, I0（），PFe，Zm=rm+jxm 以及判斷鐵心質(zhì)量和線圈質(zhì)量。2.接線：一般低壓側(cè)加壓，高壓側(cè)開路（如下圖）3.步驟：低壓側(cè)加電壓，高壓側(cè)開路； 電源電壓由01.2UN（或1.2 UN0），測U1、U20、I0和P0值； 可得I0=f(U1)及P0=f(U1)4.

14、計(jì)算：變比：由空載簡化等效電路，得：；5.注意：rm和Xm是隨電壓的大小而變化的，故取對(duì)應(yīng)額定電壓時(shí)的值。 空載試驗(yàn)在任何一側(cè)做均可，高壓側(cè)參數(shù)是低壓側(cè)的k2倍。三相變壓器必須使用一相的值。，很低，為減小誤差，利用低功率因數(shù)表。二、短路實(shí)驗(yàn)1.目的：測IK、UK及PK，計(jì)算UK（）,pCu, ZK=RK+jXK 。2.接線：通常高壓側(cè)加壓，低壓側(cè)短路（如下圖）3.步驟：高壓側(cè)接電源，低壓側(cè)短接； 電壓由0，使IK=01.2IN，分別測IK、UK及PK； 可得IK=f(UK)，線性；PK=f(UK)，拋物線。4.計(jì)算： pCupK=PK (PK=pCu+pFepCu，電源電壓很低pFe0) 由簡

15、化等效電路，得 ； ；一般認(rèn)為：； 溫度折算：線圈電阻與溫度有關(guān)，國標(biāo)規(guī)定向75換算； 對(duì)銅線： 對(duì)鋁線： 說明：三相變壓器必須使用一相的值。短路試驗(yàn)在任何一方做均可，高壓側(cè)參數(shù)是低壓側(cè)的k2倍。5.短路電壓（阻抗電壓）短路試驗(yàn)時(shí)，使短路電流為額定電流時(shí)一次側(cè)所加的電壓，稱為短路電壓UK即UKN=I1NzK75 額定電流在短路阻抗上的壓降，亦稱作阻抗電壓。短路電壓百分值：uK對(duì)變壓器運(yùn)行性能的影響：短路電壓大小反映短路阻抗大小 正常運(yùn)行時(shí)希望小些 ，電壓波動(dòng)小 ； 限制短路電流時(shí)，希望大些。中、小型變壓器：（410.5）%； 大型變壓器： （12.517.5）%。3.6 三相變壓器一、三相變壓

16、器的磁路系統(tǒng)1.組式變壓器：將三臺(tái)相同的單相變壓器一次、二次側(cè)繞組，按對(duì)稱式做三相聯(lián)結(jié)，可組成三相變壓器組，各相磁路彼此無關(guān)，即三相磁路是獨(dú)立的； 原邊外施三相對(duì)稱電壓三相對(duì)稱磁通由于磁路對(duì)稱，產(chǎn)生三相對(duì)稱的空載電流。2.心式變壓器：各相磁路彼此相關(guān)，有電和磁的聯(lián)系； 原邊外施三相對(duì)稱電壓三相對(duì)稱磁通但由于磁路不對(duì)稱，產(chǎn)生的三相空載電流不對(duì)稱，且中間電流小。*組式和心式變壓器的比較： 組式變壓器：受運(yùn)輸條件或備用容量限制采用 心式變壓器：省材料，效率高，占地少，成本低，運(yùn)行維護(hù)簡單，廣泛應(yīng) 用。二、 三相變壓器的聯(lián)結(jié)（一）、高、低壓繞組相電壓的相位關(guān)系1.變壓器線圈的首、末端標(biāo)志線圈名稱單相變

17、壓器三 相 變 壓 器首端末端首端末端中點(diǎn)高壓線圈AXA B CX Y ZO低壓線圈axa b cx y zo中壓線圈AmXmAm Bm CmXm Ym ZmOm極性：指瞬時(shí)極性同名端由線圈的繞向和首末端標(biāo)志決定2.單相變壓器的連接組別：I,I0；I,I63.三相變壓器線圈的連接組別1.)連接方式：Y或D；（y,d）2.)定義：反映三相變壓器對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，高、低壓側(cè)對(duì)應(yīng)線電動(dòng)勢（或線電壓）之間的相位關(guān)系，它與線圈的繞向和首、末端標(biāo)記及高、低壓線圈的連接方式有關(guān)。3.)時(shí)鐘表示法：（相量圖）例： B CbcA,a位形圖 Y,y0 作圖步驟：先畫出高壓線圈的相量圖； 便于比較，將A,a連成等電位點(diǎn)；

18、 畫出低壓側(cè)的相量圖； 將AB,ab連線，得出結(jié)論。4.國標(biāo)規(guī)定了五種標(biāo)準(zhǔn)連接組：Y,yn0；Y，d11；YN，d11；YN，y0；Y，y0。* 凡Y,y或D,d連接均為偶數(shù)；凡Y,d或D,y連接均為奇數(shù)。*本節(jié)課將原理講完后，主要讓學(xué)生自己練習(xí)。3.7 標(biāo)么值一、標(biāo)么值的定義 即某一物理量實(shí)際值與選定值之比。 *實(shí)際值與基準(zhǔn)值必須具有相同的單位。二、基值的選取1.通常以額定值為基準(zhǔn)值，各側(cè)的物理量以各自側(cè)的額定值為基準(zhǔn)例如：變壓器一次側(cè)選； 變壓器二次側(cè)選； 由于變壓器一、二次側(cè)容量相等，均選*額定值的標(biāo)么值為1；標(biāo)么值的表示為在原符號(hào)右上角加“*”表示；使用標(biāo)么值表示的基本方程式與采用實(shí)際

19、值時(shí)的方程式在形式上一致。舉例：； ；2.實(shí)際值、標(biāo)么值和百分值的關(guān)系 實(shí)際值=標(biāo)么值×基準(zhǔn)值 百分值=標(biāo)么值×100%三、優(yōu)缺點(diǎn)1.優(yōu)點(diǎn)：便于分析比較； 直觀反映變壓器運(yùn)行情況，如： 物理意義不同的物理量，具有相同的數(shù)值； 采用標(biāo)么值后，不必折算了； 采用標(biāo)么值后，三相變壓器的計(jì)算公式與單相變壓器的計(jì)算公式完全相同。2、缺點(diǎn):沒有單位；物理概念比較模糊。3.8 變壓器的運(yùn)行性能一、電壓調(diào)整率和外特性1. 電壓調(diào)整率uU1=U1N，cos2等于常數(shù)時(shí)，從空載到負(fù)載，二次側(cè)電壓變化的百分值。定義式：2. 參數(shù)表達(dá)式：由簡化相量圖，可得：（推導(dǎo)過程略） 式中： 稱為負(fù)載系數(shù)，直接反應(yīng)負(fù)載的大小，如，表示空載； ，表示滿載；*影響u的因素：負(fù)載大?。欢搪纷杩箻?biāo)么值；負(fù)載性質(zhì)三、 效率和效率特性1變壓器的損耗：損耗*鐵損-不變損耗；銅損-可變損耗。2.效率：*變壓器的效率比較高，一般在（9598）%之間，大型可達(dá)99%以上。 令： *結(jié)論：效率大小與負(fù)載大小、性質(zhì)及空載損耗和短路損耗有關(guān)。 效率特性： 最大效率