電機(jī)學(xué)—變壓器結(jié)構(gòu)、空載及負(fù)載運(yùn)行

1、變壓器結(jié)構(gòu)、空載及負(fù)載運(yùn)行變壓器結(jié)構(gòu)、空載及負(fù)載運(yùn)行23.1 3.1 概述概述一、變壓器的分類一、變壓器的分類 變壓器可以按用途、繞組數(shù)目、相數(shù)、冷卻方式分別進(jìn)行分類。 按用途分類：電力變壓器、互感器、特殊用途變壓器按繞組數(shù)目分類：雙繞組變壓器、三繞組變壓器、自耦變壓器；按相數(shù)分類：?jiǎn)蜗嘧儔浩?、三相變壓器；按冷卻方式分類：以空氣為冷卻介質(zhì)的干式變壓器、以油為冷卻介質(zhì)的油浸變壓器。3二、變壓器的基本結(jié)構(gòu)二、變壓器的基本結(jié)構(gòu)變壓器的基本結(jié)構(gòu)可分為：鐵心、繞組、油箱、套管。鐵心是變壓器的磁路，為了減少交變磁通在鐵心中產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗，變壓器鐵心由厚度為0.27mm、0.3mm、0.35mm的冷

2、軋高硅鋼片疊裝而成。45心柱截面是內(nèi)接于圓的多級(jí)矩形，鐵軛與心柱截面相等。6繞組是變壓器的電路部分，由包有絕緣材料的銅(或鋁)導(dǎo)線繞制而成。裝配時(shí)低壓繞組靠著鐵心，高壓繞組套在低壓繞組外面，高低壓繞組間設(shè)置有油道(或氣道)，以加強(qiáng)絕緣和散熱。將繞組裝配到鐵心上成為器身。7除了干式變壓器以外，電力變壓器的器身都放在油箱中，箱內(nèi)充滿變壓器油，其目的是提高絕緣強(qiáng)度(因變壓器油絕緣性能比空氣好)、加強(qiáng)散熱。8變壓器的引線從油箱內(nèi)穿過油箱蓋時(shí)，必須經(jīng)過絕緣套管，以使高壓引線和接地的油箱絕緣。絕緣套管一般是瓷質(zhì)的，為了增加爬電距離，套管外形做成多級(jí)傘形，10kV35kV套管采用充油結(jié)構(gòu)，如圖所示。9三、變

3、壓器的額定值三、變壓器的額定值 額定值是選用變壓器的依據(jù)，主要有： (1)額定容量SN：是變壓器的視在功率。由于變壓器效率高，設(shè)計(jì)規(guī)定一次側(cè)、二次側(cè)額定容量相等。 (2)一次側(cè)、二次側(cè)額定電壓U1N、U2N。二次側(cè)額定電壓U2N是當(dāng)變壓器一次側(cè)外加額定電壓U1N時(shí)二次側(cè)的空載電壓。對(duì)于三相變壓器，額定電壓指線電壓。 (3)一次側(cè)、二次側(cè)額定額定電流I1N、I2N。對(duì)于三相變壓器，額定電流指線電流。一、空載運(yùn)行時(shí)的磁通、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)一、空載運(yùn)行時(shí)的磁通、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變壓器的一次側(cè)繞組AX接在電源上、二次側(cè)繞組ax開路，此運(yùn)行狀態(tài)稱為空載運(yùn)行。11主磁通：其磁力線沿鐵心閉合，同時(shí)與一次側(cè)繞組、二次側(cè)繞

4、組相交鏈的磁通。12一次側(cè)繞組的漏磁通1：其磁力線主要沿非鐵磁材料(油、空氣)閉合，僅為一次側(cè)繞組相交鏈的磁通。13所經(jīng)磁路的磁阻不同：主磁通沿鐵心閉合，磁阻為非常數(shù)，存在飽和現(xiàn)象，與i0呈非線性關(guān)系；漏磁通主要沿非鐵磁材料(油、空氣)閉合，磁阻為常數(shù)，1與i0呈線性關(guān)系。所起的作用不同：主磁通同時(shí)與一次側(cè)繞組、二次側(cè)繞組相交鏈，起能量傳遞媒介的作用；漏磁通1僅與一次側(cè)繞組相交鏈，不能傳遞能量，僅起電壓降的作用。大小不同：主磁通占總磁通的絕大部分；漏磁通只占很小的一部分。14假定正向：與i呈右手螺旋關(guān)系； e與i同方向。 主磁通在一次繞組（匝數(shù)N1）,二次繞組（匝數(shù)N2）中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值為

5、：e1= -N1ddte2= -N2ddt15設(shè)空載電流i0的頻率為f，=msint，m表示主磁通的最大值，則正弦穩(wěn)態(tài)下感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值復(fù)量為： 正弦穩(wěn)態(tài)下感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值為：E1=4.44fN1mE2=4.44fN2m11122224.4424.44mmmmEjN fjN fEjN fjN f 16一次繞組漏磁通漏磁通1在一次側(cè)繞組中感應(yīng)漏電動(dòng)勢(shì)為在正弦穩(wěn)態(tài)下：111XI jLI jE10111ddieNLdtdt L1= N121 其中，1為漏磁通1所經(jīng)路徑的磁導(dǎo)17二、電壓方程式和變比二、電壓方程式和變比 在假定正向下，根據(jù)基爾霍夫第二定律可得一、二次側(cè)電壓平衡方程式 u1= -e1-e

6、1+i0R1 u2= e2 在正弦穩(wěn)態(tài)下，寫成復(fù)數(shù)形式式中，Z1=R1+jX1 為一次繞組漏阻抗。1110 1110 110122UEEI REjIXI REI ZUE18一次繞組的電動(dòng)勢(shì)E1與二次繞組的電動(dòng)勢(shì)E2之比，用k表示： k = E1E21) 變比 k = E1E2 U1U20 ，U20為二次繞組的空載電壓。2) 在三相變壓器中，k指相電動(dòng)勢(shì)之比；3) 變比k常用下式計(jì)算：?jiǎn)蜗嘧儔浩鳎簁 = U1NU2N三相變壓器：k = U1NU2N19三、空載電流三、空載電流電網(wǎng)電壓為正弦波，鐵心中主磁通亦為正弦波。若鐵心不飽和（Bm1.3T），空載電流i0也是正弦波。而對(duì)于電力變壓器，Bm=1

7、.4T1.73T，鐵心都是飽和的。由圖可知，勵(lì)磁電流呈尖頂波，除基波外，還有較強(qiáng)的三次諧波和其它高次諧波。20如果鐵心中沒有損耗， 與主磁通 同相位。但由于主磁通在鐵心中交變，在其中產(chǎn)生渦流損耗和磁滯損耗，合稱為鐵耗pFe。此時(shí) 將領(lǐng)先 一個(gè)角度 ， 、 、 相位關(guān)系如圖所示。2E1E1Em0I0Imm0I0Im1E21Rm和Xm都不是常數(shù)，隨鐵心飽和程度變化。當(dāng)電壓升高時(shí)，鐵心更加飽和。因此Rm和Xm都隨外施電壓的增加而減小。實(shí)際上，當(dāng)變壓器接入的電網(wǎng)電壓在額定值附近變化不大時(shí)，可以認(rèn)為Zm不變。 電壓平衡方程式為 1001mUI ZI Z可以得到與上式對(duì)應(yīng)的等效電路圖。等效電路表明，變壓器

8、空載運(yùn)行時(shí)，它就是一個(gè)電感線圈，它的電抗值等于X1Xm它的電阻值等于R1 Rm。223.3 變壓器的負(fù)載運(yùn)行變壓器的負(fù)載運(yùn)行e、i 同方向, i的方向與 的方向符合右手螺旋定則。二次側(cè)采用如圖假定方向。23二、磁動(dòng)勢(shì)平衡方程式二、磁動(dòng)勢(shì)平衡方程式 其一次繞組漏阻抗壓降I1Z1很小，負(fù)載時(shí)仍有U1E1=4.44fN1m，故鐵心中與E1相對(duì)應(yīng)的主磁通m近似等于空載時(shí)的主磁通，從而產(chǎn)生m的合成磁動(dòng)勢(shì)Fm與空載磁動(dòng)勢(shì)F0近似相等，負(fù)載時(shí)的勵(lì)磁電流與空載電流I0也近似相等。120FFF1 1221 0N IN IN I24 將上一頁(yè)的第二個(gè)式子同除以N1 ,得2120121001()()LNIIINII

9、IIIk 變壓器一次側(cè)電流 有兩個(gè)分量： ， 。 是勵(lì)磁電流用于建立變壓器鐵心中的主磁通 ， 是負(fù)載分量用于建立磁動(dòng)勢(shì) 去抵消二次側(cè)磁動(dòng)勢(shì) ，即1I0I1LI0Im1LI1 1LN I22N I1 1220LN IN I25三、電壓平衡方程式三、電壓平衡方程式 類似于 ， 也可以看成一個(gè)漏抗壓降，即1E22222EjI XjI X 則二次側(cè)繞組的漏阻抗Z2=R2+jX2 。聯(lián)合列出一次側(cè)二次側(cè)電壓電流方程式。 但對(duì)一般電力變壓器，變比k值較大，使得一次側(cè)、二次側(cè)的電壓、電流數(shù)值的數(shù)量級(jí)很大，計(jì)算不方便，畫相量圖更是困難，因此下面將介紹分析變壓器的一個(gè)重要方法等效電路。1111222212210

10、1022mLUEI ZUEI ZEkEIIIkEI ZUI Z 2E26四、繞組折算四、繞組折算 所謂把二次側(cè)折算到一次側(cè)，就是用一個(gè)匝數(shù)為N1 的等效繞組，去替代變壓器匝數(shù)為N2二次側(cè)繞組，折算后的變壓器變比N1/ N1=1 。 折算前后變壓器內(nèi)部的電磁過程、能量傳遞完全等效，也就是說從一次側(cè)看進(jìn)去，各物理量不變，因?yàn)樽儔浩鞫蝹?cè)繞組是通過F2來影響一次側(cè)的，只要保證二次側(cè)繞組磁動(dòng)勢(shì)F2不變，則鐵心中合成磁動(dòng)勢(shì)F0不變，主磁通m 不變，m 在一次側(cè)繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)E1 不變，一次側(cè)從電網(wǎng)吸收的電流、有功功率、無功功率不變，對(duì)電網(wǎng)等效。折算的條件就是折算前后磁動(dòng)勢(shì)F2不變。27根據(jù)折算前后二

11、次側(cè)繞組磁動(dòng)勢(shì)F2 不變的原則，有1 222222211N IN INIIINk 由于折算前后F2 ，從而鐵心中主磁通m 不變，于是折算后的二次側(cè)繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)22221122221NIIINkNEEkEN 282222222222()1LLEkEEZZkkZZIIIk為了保證折算前后F2不變，折算后的二次側(cè)阻抗必需等于折算前阻抗的 倍。因?yàn)橐笤谌魏呜?fù)載和功率因素下都等效，則等效折算條件可表示為：2k22222222LLLLRk RXk XRk RXk X29 根據(jù)上述折算條件，二次側(cè)端電壓折算值22222222()UEI Zk EI ZkU 折算前后二次側(cè)阻抗功率因素不變，例如22222

12、22222tantanXk XXRk RR 折算前后二次側(cè)的銅耗不變，即22222222221() ()I RIk RI Rk 輸出功率也不變，即2222222221cos()()coscosU IkUIU Ik 30 折算后的方程式組為：11112222012121022mLUEI ZUEIZIIIEEEI ZUIZ 31五、負(fù)載時(shí)的等效電路和相量圖五、負(fù)載時(shí)的等效電路和相量圖已知U2、I2、 ，變壓器參數(shù)k、R1、X1、R2、X2、Rm、Xm 。繪出相量圖2cos2U2I222R I 22jI X2Em0I2I1I11I R1E11jI X1U11E 32T型等效電路的形成過程，見下圖。1U1I1R1X1E2E2R2X2I2ULZ2E 1E2E 0ImRmX33對(duì)于電力變壓器，一般I1NZ10.08U1N，且I1NZ1與-E1是相量相加，因此可將勵(lì)磁支路前移與電源并聯(lián)，得到型等效電路。34對(duì)于電力變壓器，由于I00.03I1N，故在分析變壓器滿載及負(fù)載電流較大時(shí)，可以近似地認(rèn)為I00，將勵(lì)磁支路斷開,等效