第11講 變壓器工作原理及空載運(yùn)行

1、 1、變壓器的基本原理和結(jié)構(gòu)、變壓器的基本原理和結(jié)構(gòu) 2、變壓器的空載運(yùn)行、變壓器的空載運(yùn)行第第10講講 變壓器工作原理及空變壓器工作原理及空載運(yùn)行載運(yùn)行 變壓器是一種靜止的電機(jī)變壓器是一種靜止的電機(jī)( (電磁裝置電磁裝置) )，它利用電磁，它利用電磁感應(yīng)原理將一種電壓、電流的交流電轉(zhuǎn)換成同頻率的另感應(yīng)原理將一種電壓、電流的交流電轉(zhuǎn)換成同頻率的另一種或兩種以上電壓、電流的交流電。換句話說，變壓一種或兩種以上電壓、電流的交流電。換句話說，變壓器就是一種實(shí)現(xiàn)電能在不同等級之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的裝置。器就是一種實(shí)現(xiàn)電能在不同等級之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的裝置。1、變壓器一般只用于交流電路，它的作用是傳遞電能，、變壓器一

2、般只用于交流電路，它的作用是傳遞電能，而不能產(chǎn)生電能。它只能改變交流電壓、電流的大小，而不能產(chǎn)生電能。它只能改變交流電壓、電流的大小，而不能改變頻率的大小。而不能改變頻率的大小。 2、控制系統(tǒng)中作整流、控制設(shè)備等。、控制系統(tǒng)中作整流、控制設(shè)備等。MM3M6KV0.38KV發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)10KV110KV35KV10KV220KV其他負(fù)載其他負(fù)載其他負(fù)載其他負(fù)載照明照明電動機(jī)電動機(jī)負(fù)載負(fù)載三繞組三繞組電力變壓器電力變壓器雙繞組雙繞組電力變壓器電力變壓器連接系統(tǒng)的連接系統(tǒng)的另一部分另一部分二、變壓器分類二、變壓器分類1 1、按、按用途用途分類：分類： 電力變壓器：電力變壓器：主要用在輸配

3、電系統(tǒng)中，分為升壓變壓器、主要用在輸配電系統(tǒng)中，分為升壓變壓器、降壓變壓器、聯(lián)絡(luò)變壓器和廠用變壓器；降壓變壓器、聯(lián)絡(luò)變壓器和廠用變壓器； 儀用互感器：儀用互感器：電壓互感器和電流互感器；電壓互感器和電流互感器； 特種變壓器：特種變壓器：調(diào)壓變壓器、試驗(yàn)變壓器、電爐變壓器、整調(diào)壓變壓器、試驗(yàn)變壓器、電爐變壓器、整流變壓器、電焊變壓器等。流變壓器、電焊變壓器等。2 2、按、按繞組數(shù)目繞組數(shù)目分類分類: : 雙繞組變壓器、三繞組變壓器、多繞組變壓器和自耦變壓器。雙繞組變壓器、三繞組變壓器、多繞組變壓器和自耦變壓器。3 3、按冷卻介質(zhì)和冷卻方式分類、按冷卻介質(zhì)和冷卻方式分類: : 干式干式變壓器、油浸

4、變壓器（包括油浸自冷、風(fēng)冷、強(qiáng)迫油循變壓器、油浸變壓器（包括油浸自冷、風(fēng)冷、強(qiáng)迫油循環(huán)等方式）、充氣式冷卻變壓器。環(huán)等方式）、充氣式冷卻變壓器。一、變壓器分類一、變壓器分類電源電源AXxa鐵心鐵心一一次次繞繞組組二二次次繞繞組組電源變壓器電源變壓器電力變壓器電力變壓器環(huán)形變壓器環(huán)形變壓器接觸變壓器接觸變壓器控制變壓器控制變壓器三相干式變壓器三相干式變壓器三、變壓器的基本結(jié)構(gòu)三、變壓器的基本結(jié)構(gòu)1一信號式溫度計(jì)；一信號式溫度計(jì)；2一吸濕器；一吸濕器；3一儲油柜；一儲油柜；4一油標(biāo)；一油標(biāo)；5一安全氣道；一安全氣道；6一氣體繼電器；一氣體繼電器；7一高壓套管；一高壓套管；8一低壓套管；一低壓套管；

5、9一分接開關(guān)；一分接開關(guān)；10一油箱；一油箱；11鐵心；鐵心；12線圈；線圈；13放油閥門放油閥門14銘牌銘牌15小車小車16接地板接地板 三相油浸式電力變壓器外形圖三相油浸式電力變壓器外形圖15151 14 41 16 6 變壓器中最主要的部件，他們構(gòu)成了變壓器的器身。變壓器中最主要的部件，他們構(gòu)成了變壓器的器身。1）鐵心：）鐵心：構(gòu)成了變壓器的磁路，同時(shí)又是套裝繞組的骨架。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。連接起來形成閉合磁路。 鐵心材料鐵心

6、材料：為了提高磁路的導(dǎo)磁性能，減少鐵心中的磁滯、渦流損耗，為了提高磁路的導(dǎo)磁性能，減少鐵心中的磁滯、渦流損耗，鐵心一般用高磁導(dǎo)率的磁性材料鐵心一般用高磁導(dǎo)率的磁性材料硅鋼片疊成。硅鋼片有熱軋和硅鋼片疊成。硅鋼片有熱軋和冷軋兩種，其厚度為冷軋兩種，其厚度為0.350.5mm，兩面涂以厚，兩面涂以厚0.020.23mm的絕緣的絕緣漆，使片與片之間絕緣。漆，使片與片之間絕緣。 鐵心結(jié)構(gòu)鐵心結(jié)構(gòu):變壓器鐵心的結(jié)構(gòu)有心式結(jié)構(gòu)和殼式結(jié)構(gòu)。變壓器鐵心的結(jié)構(gòu)有心式結(jié)構(gòu)和殼式結(jié)構(gòu)。 鐵心疊片形式鐵心疊片形式:變壓器的鐵心一般將硅鋼片裁成條狀，為了減少氣隙變壓器的鐵心一般將硅鋼片裁成條狀，為了減少氣隙 和磁阻，一

7、般采用交錯(cuò)式疊法，使相鄰層的接縫錯(cuò)開。和磁阻，一般采用交錯(cuò)式疊法，使相鄰層的接縫錯(cuò)開。 三、變壓器的基本結(jié)構(gòu)三、變壓器的基本結(jié)構(gòu)三鐵心柱式變壓器的鐵心與繞組三鐵心柱式變壓器的鐵心與繞組鐵心柱鐵心柱三、變壓器的基本結(jié)構(gòu)三、變壓器的基本結(jié)構(gòu)鐵軛鐵軛低壓繞組低壓繞組高壓繞組高壓繞組鐵心疊片鐵心疊片a)a)單相疊裝式單相疊裝式b)b)三相直縫疊裝式三相直縫疊裝式三、變壓器的基本結(jié)構(gòu)三、變壓器的基本結(jié)構(gòu) 2 2）繞組：）繞組：繞組是變壓器的電氣部分，一般用絕緣銅或鋁繞組是變壓器的電氣部分，一般用絕緣銅或鋁導(dǎo)線繞制而成。繞組的作用是作為電氣的載體，導(dǎo)線繞制而成。繞組的作用是作為電氣的載體，產(chǎn)生磁通產(chǎn)生磁通

8、和感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電動勢。 一次繞組（原繞組）：接電源側(cè)，輸入電能。一次繞組（原繞組）：接電源側(cè)，輸入電能。 二次繞組（副繞組）：接負(fù)載側(cè)，輸出電能。二次繞組（副繞組）：接負(fù)載側(cè)，輸出電能。 高壓繞組：高壓繞組：接高壓電網(wǎng)接高壓電網(wǎng) 低壓繞組：低壓繞組：接低壓電網(wǎng)接低壓電網(wǎng) 從高、低壓繞組的相對位置來看，變壓器的繞組又可從高、低壓繞組的相對位置來看，變壓器的繞組又可分為分為同心式、交疊式。同心式、交疊式。 同心式繞組：同心式繞組：將高、低壓繞組套在鐵心柱上，通常低壓繞將高、低壓繞組套在鐵心柱上，通常低壓繞組靠近鐵心，高壓繞組套裝在低壓繞組外面。組靠近鐵心，高壓繞組套裝在低壓繞組外面。 交疊式繞

9、組：交疊式繞組：將高低壓繞組分成若干線餅，沿著鐵心柱的將高低壓繞組分成若干線餅，沿著鐵心柱的高度方向交替排列。高度方向交替排列。三、變壓器的基本結(jié)構(gòu)三、變壓器的基本結(jié)構(gòu) 1 1鐵心鐵心 2 2鐵軛鐵軛 3 3高壓繞組高壓繞組 4 4低壓繞組低壓繞組 圖圖4-5 同心式繞組同心式繞組三、變壓器的基本結(jié)構(gòu)三、變壓器的基本結(jié)構(gòu)：安放器身，絕緣、散熱；安放器身，絕緣、散熱；2 2、減少油與空氣的接觸；減少油與空氣的接觸；絕緣和冷卻。絕緣和冷卻。保證繞組引線與油箱之間的絕緣，電保證繞組引線與油箱之間的絕緣，電壓越高，絕緣套管級數(shù)越多。壓越高，絕緣套管級數(shù)越多。三、變壓器的基本結(jié)構(gòu)三、變壓器的基本結(jié)構(gòu)由字

10、母和數(shù)字組成。表示一臺變壓器的結(jié)構(gòu)、額由字母和數(shù)字組成。表示一臺變壓器的結(jié)構(gòu)、額定容量、電壓等級等內(nèi)容。定容量、電壓等級等內(nèi)容。 表示方法為：表示方法為：例如：例如：SL-800/10 S 三相；三相；L 鋁線；鋁線；800 額定容量額定容量800kV.A； 10 高壓邊額定電壓為高壓邊額定電壓為10kV/ /相數(shù)冷卻方式繞組導(dǎo)線材質(zhì)額定容量高壓側(cè)額定電壓等級額定電壓額定電壓U1NU2N ：U1N變壓器額定運(yùn)行狀態(tài)下，根據(jù)絕緣變壓器額定運(yùn)行狀態(tài)下，根據(jù)絕緣等級和允許溫升所規(guī)定的一次繞組線電壓值；等級和允許溫升所規(guī)定的一次繞組線電壓值；U2N是指變壓是指變壓器空載時(shí)，二次繞組的電壓值。對三相變壓

11、器指的是線電壓，器空載時(shí)，二次繞組的電壓值。對三相變壓器指的是線電壓，單位是單位是V和和kV。額定電流額定電流I1NI2N：指在額定容量下，允許長期通過的電流。指在額定容量下，允許長期通過的電流。 在三相變壓器中指的是線電流。在三相變壓器中指的是線電流。額定容量額定容量SN：指在額定使用條件下所能輸出的視在功率。指在額定使用條件下所能輸出的視在功率。 額定頻率額定頻率f：我國規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)用交流電的額定頻率為我國規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)用交流電的額定頻率為50Hz。此外，額定值還有效率、溫升等。此外，額定值還有效率、溫升等。三者關(guān)系三者關(guān)系：1122112233NNNNNNNNNNSU IU ISU IU

12、I單相：單相：三相：三相：如圖為單相雙繞組變壓器原理圖如圖為單相雙繞組變壓器原理圖:與電源相連的繞組為初級繞組或原繞組，匝數(shù)為與電源相連的繞組為初級繞組或原繞組，匝數(shù)為N1；與負(fù)載相連的繞組為次級繞組或副繞組，匝數(shù)為與負(fù)載相連的繞組為次級繞組或副繞組，匝數(shù)為N2。2U按發(fā)電機(jī)慣例，發(fā)出電功率；按發(fā)電機(jī)慣例，發(fā)出電功率；2I和和5、均由同名端流入。均由同名端流入。1I2I和和6、4、 和和 符合右手螺旋定則；符合右手螺旋定則；2Im 1、 和和 按電動機(jī)慣例，吸收電功率；按電動機(jī)慣例，吸收電功率；1I1U1E2Em3、 、 和和 符合右手螺旋定則；符合右手螺旋定則；2、 和和 符合右手螺旋定則；

13、符合右手螺旋定則；m1I1212;ddeNeNdtdt 一次繞組加一次繞組加U1I1 （交變磁通）（交變磁通）e1 e2 六、變壓器的空載運(yùn)行六、變壓器的空載運(yùn)行空載運(yùn)行：空載運(yùn)行：變壓器一次繞組接額定電壓，二次繞組開路時(shí)變壓器一次繞組接額定電壓，二次繞組開路時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，叫空載運(yùn)行?？蛰d運(yùn)行時(shí)，通過一次繞組的的運(yùn)行狀態(tài)，叫空載運(yùn)行?？蛰d運(yùn)行時(shí)，通過一次繞組的電流叫空載電流電流叫空載電流i0，也叫勵磁電流。，也叫勵磁電流。六、變壓器的空載運(yùn)行六、變壓器的空載運(yùn)行 當(dāng)變壓器的一次繞組加上交流電壓當(dāng)變壓器的一次繞組加上交流電壓u1時(shí)，一次繞組內(nèi)便時(shí)，一次繞組內(nèi)便有一個(gè)交變電流有一個(gè)交變電流 i0（

14、即空載電流）流過，并建立交變磁場。（即空載電流）流過，并建立交變磁場?？蛰d電流空載電流i0乘以一次繞組匝數(shù)乘以一次繞組匝數(shù)N1為為空載磁動勢空載磁動勢，也稱勵磁，也稱勵磁磁動勢，用磁動勢，用f0表示，表示，f0=N1i0。從而產(chǎn)生主磁通。從而產(chǎn)生主磁通 和一二次和一二次繞組的漏磁通繞組的漏磁通 。 根據(jù)電磁感應(yīng)原理，分別在一、二次繞組產(chǎn)生電動勢根據(jù)電磁感應(yīng)原理，分別在一、二次繞組產(chǎn)生電動勢e1、es1和和e2。m s1s2, 主磁通流徑閉合鐵心，磁阻小，同時(shí)匝鏈了原邊主磁通流徑閉合鐵心，磁阻小，同時(shí)匝鏈了原邊和副邊繞組和副邊繞組, ,并感應(yīng)出電勢并感應(yīng)出電勢 與與 和和 。是變壓器傳。是變壓器

15、傳遞能量的主要媒介；遞能量的主要媒介； 原邊繞組漏磁通，僅與原邊繞組匝鏈，通過變壓原邊繞組漏磁通，僅與原邊繞組匝鏈，通過變壓器油或空氣形成閉路，磁阻大，不傳遞功率器油或空氣形成閉路，磁阻大，不傳遞功率。1s 1、主磁通和漏磁、主磁通和漏磁通通 變壓器鐵心由高導(dǎo)磁材料硅鋼片制成（導(dǎo)磁系數(shù)變壓器鐵心由高導(dǎo)磁材料硅鋼片制成（導(dǎo)磁系數(shù)r2000)，大部分磁通都在鐵心中流動，大部分磁通都在鐵心中流動，主磁通主磁通約占總磁通約占總磁通的的99強(qiáng)強(qiáng)，漏磁通漏磁通占總磁通的占總磁通的0.10.2%。寫成瞬時(shí)值為：寫成瞬時(shí)值為： 1E2E1sE六、變壓器的空載運(yùn)行六、變壓器的空載運(yùn)行1ms1sinsins 主磁

16、能與漏磁通的區(qū)別主磁能與漏磁通的區(qū)別：在性質(zhì)上在性質(zhì)上磁路不同，因而磁阻不同。磁路不同，因而磁阻不同。同時(shí)交鏈一、二次繞組，路徑為沿鐵芯而閉合的磁同時(shí)交鏈一、二次繞組，路徑為沿鐵芯而閉合的磁路，磁阻較小，具有飽和特性，路，磁阻較小，具有飽和特性，與與 i0 呈非線性關(guān)系。呈非線性關(guān)系。s1只交鏈一次繞組，它所經(jīng)的路徑大部分為非磁性物只交鏈一次繞組，它所經(jīng)的路徑大部分為非磁性物質(zhì)，磁阻較大，質(zhì)，磁阻較大， 1s 與與 i0 呈線性關(guān)系，不具飽和特性。呈線性關(guān)系，不具飽和特性。在作用上在作用上功能不同功能不同。主磁通通過互感作用傳遞功率，主磁通通過互感作用傳遞功率，漏磁通不傳遞功率，僅起漏抗壓降的

17、作用。漏磁通不傳遞功率，僅起漏抗壓降的作用。在數(shù)量上在數(shù)量上 99% 總磁通，總磁通， s1 1%總磁通總磁通六、變壓器的空載運(yùn)行六、變壓器的空載運(yùn)行（2）主磁通感應(yīng)電動勢）主磁通感應(yīng)電動勢1111122cossin()sin()mmmdeNNtdtNtEt 2222msin()deNEtdt 111124 442221mmmmjjj .ENfENfN 22214 44222mmmjj .EENfN 設(shè)主磁通瞬時(shí)值：設(shè)主磁通瞬時(shí)值：主磁通在一、主磁通在一、二次繞組感應(yīng)二次繞組感應(yīng)電動勢的瞬時(shí)值：電動勢的瞬時(shí)值：用相量形式用相量形式表示電動勢表示電動勢有效值：有效值：msin t六、變壓器的空載

18、運(yùn)行六、變壓器的空載運(yùn)行（3）漏磁通感應(yīng)電動勢）漏磁通感應(yīng)電動勢1122s1s1s1ms1sin()sin()deNNtEtdt 112s1s10s1NLIXL 11124 44222ms1s1s1s1s1jjj .ENfENfN 1122s1s10s1s1000jjjENIEL IX II 一次繞組漏磁通感應(yīng)電動勢的瞬時(shí)值：一次繞組漏磁通感應(yīng)電動勢的瞬時(shí)值：用相量形式表示電動勢有效值：用相量形式表示電動勢有效值：從而改寫為：從而改寫為： 稱為一次繞組漏自感稱為一次繞組漏自感 稱為一次繞組漏電抗稱為一次繞組漏電抗六、變壓器的空載運(yùn)行六、變壓器的空載運(yùn)行2110111222s1s1s100()N

19、NI NXNII s1一次繞組漏電抗還可以改寫為：一次繞組漏電抗還可以改寫為： 為漏磁路的磁導(dǎo)。為漏磁路的磁導(dǎo)。 為了提高變壓器的運(yùn)行性能，在設(shè)計(jì)時(shí)希望漏電抗數(shù)為了提高變壓器的運(yùn)行性能，在設(shè)計(jì)時(shí)希望漏電抗數(shù)值較小。從漏電抗公式可以看出，漏電抗與角頻率、匝數(shù)值較小。從漏電抗公式可以看出，漏電抗與角頻率、匝數(shù)和漏磁路磁導(dǎo)有關(guān)。由于角頻率和匝數(shù)為定值，因此只有和漏磁路磁導(dǎo)有關(guān)。由于角頻率和匝數(shù)為定值，因此只有減小漏磁導(dǎo)，它與磁路的材料、一二次繞組的相對位置以減小漏磁導(dǎo)，它與磁路的材料、一二次繞組的相對位置以及磁路的幾何尺寸有關(guān)。從而綜合考慮和設(shè)計(jì)就可以較小及磁路的幾何尺寸有關(guān)。從而綜合考慮和設(shè)計(jì)就可

20、以較小漏電抗，且為常數(shù)。漏電抗，且為常數(shù)。六、變壓器的空載運(yùn)行六、變壓器的空載運(yùn)行（4）空載運(yùn)行電壓方程式）空載運(yùn)行電壓方程式1110101101s10jUEEI REI RI XEI Z 202UE11UE 1114 44m.UEfN根據(jù)基爾霍夫電壓定律，變壓器空載時(shí)一次繞組回路電壓根據(jù)基爾霍夫電壓定律，變壓器空載時(shí)一次繞組回路電壓方程為：方程為：空載時(shí)，二次繞組開路電壓為：空載時(shí)，二次繞組開路電壓為：變壓器一次繞組加額定電壓運(yùn)行時(shí)，空載電流很小，漏阻變壓器一次繞組加額定電壓運(yùn)行時(shí)，空載電流很小，漏阻抗也很小，所以一次繞組的電壓可以近似為：抗也很小，所以一次繞組的電壓可以近似為：其幅值為：其

21、幅值為：可見，當(dāng)頻率和匝數(shù)一定時(shí)，主磁通的大小幾乎決定于所可見，當(dāng)頻率和匝數(shù)一定時(shí)，主磁通的大小幾乎決定于所加電壓的大小。加電壓的大小。六、變壓器的空載運(yùn)行六、變壓器的空載運(yùn)行1112224 444 44mm.EfNNkEfNN11220EUkEU變壓器變比：變壓器變比：用一次側(cè)電動勢和二次側(cè)電動勢之比來表用一次側(cè)電動勢和二次側(cè)電動勢之比來表示：示：可見，變壓器變比也等于一、二側(cè)匝數(shù)之比，所以也可以可見，變壓器變比也等于一、二側(cè)匝數(shù)之比，所以也可以表示為：表示為：因此，只要一二次側(cè)匝數(shù)不相等，變比就不相等，當(dāng)因此，只要一二次側(cè)匝數(shù)不相等，變比就不相等，當(dāng)k1時(shí)時(shí)降壓變壓器；降壓變壓器；k1為升

22、壓變壓器。為升壓變壓器。六、變壓器的空載運(yùn)行六、變壓器的空載運(yùn)行6、勵磁電流、勵磁電流變壓器空載運(yùn)行時(shí)，一次繞組中變壓器空載運(yùn)行時(shí)，一次繞組中的空載電流的空載電流 由兩部分組成：由兩部分組成： 勵磁分量，與勵磁分量，與m同相位，滯后同相位，滯后 900，屬于無功分量；，屬于無功分量； 有功分量，產(chǎn)生鐵心損耗，超前有功分量，產(chǎn)生鐵心損耗，超前 同相位。同相位。因此：因此： I0=（0.020.1）%I1N0IIoror1EI0a0a1E000IIIr ra a變壓器空載運(yùn)行時(shí)勵磁電流、主變壓器空載運(yùn)行時(shí)勵磁電流、主磁通以及感應(yīng)電動勢磁通以及感應(yīng)電動勢六、變壓器的空載運(yùn)行六、變壓器的空載運(yùn)行由于鐵

23、磁材料的非線性，電源電壓正弦波由于鐵磁材料的非線性，電源電壓正弦波感應(yīng)電動勢正感應(yīng)電動勢正弦波弦波磁通正弦波磁通正弦波勵磁電流尖頂波勵磁電流尖頂波。磁滯損耗：磁滯損耗：鐵磁材料的磁滯現(xiàn)象會引起損耗；鐵磁材料的磁滯現(xiàn)象會引起損耗；渦流損耗：渦流損耗：交變的磁通在鐵心中產(chǎn)生渦流，引起渦流損耗交變的磁通在鐵心中產(chǎn)生渦流，引起渦流損耗空載損耗空載損耗20010FeFeCu1FeCu1FeCu1FeCu1FeFeFepI Rppppppp六、變壓器的空載運(yùn)行六、變壓器的空載運(yùn)行7、空載運(yùn)行相量圖、空載運(yùn)行相量圖以以 為參考相量，空載電流為參考相量，空載電流與與 相位角為空載功率因數(shù)相位角為空載功率因數(shù)角，并且角，并且 ，由于，由于 因此，變壓器空載運(yùn)行時(shí)的功率因此，變壓器空載運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)很低，即變壓器從電源吸收很大因數(shù)很低，即變壓器從電源吸收很大的滯后性無功功率。的滯后性無功功率。勵磁電流勵磁電流 領(lǐng)先領(lǐng)先 的角的角 稱為鐵損角。稱為鐵損角。0I1U090 0cos0.1 0.2六、變壓器的空載運(yùn)行六、變壓