第二講變壓器結(jié)構(gòu)及空載運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(jì)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，在電力系統(tǒng)中變壓器是容量最

2、多最大的電氣設(shè)備。我們知道電能在傳輸過程中會(huì)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(gè)供電容量的59，這是一個(gè)相當(dāng)可觀的數(shù)字。例如我國2000年發(fā)電設(shè)備的總裝機(jī)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(dāng)于目前我國10到20個(gè)裝機(jī)容量最大的火力發(fā)電廠的總和。在這個(gè)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(gè)突出的問題，我國從20世紀(jì)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(shí)要求逐步淘汰正在使用中的舊型號(hào)變壓器，據(jù)初

3、步估算采用低損耗變壓器所需的投資費(fèi)用可在4 5年時(shí)間內(nèi)從節(jié)約的電費(fèi)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(shí)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(jìn)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(jí)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，如作為焊接電源的電焊變壓器；專供大功率電爐

4、使用的電爐變壓器；將交流電整流成直流電時(shí)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(dòng)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(yàn)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(hào)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、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

5、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(qiáng)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(jī)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(duì)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(jì)6

6、070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

7、（一）、銘牌（一）、銘牌 為了使變壓器安全、經(jīng)濟(jì)、合理地運(yùn)行，同時(shí)讓用戶對(duì)變壓器的性能有所了解，制造廠家 對(duì)每一臺(tái)變壓器都安裝了一塊銘牌，上面標(biāo)明了變壓器型號(hào)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(hào) S7-50010 標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)XXXX額定容量 500kVA 產(chǎn)品代號(hào)XXXX額定電壓 10kV 出廠序號(hào)XXXX額定頻率 50Hz 3相聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào) 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 10500 275 10000 289 4007217 9500 304 XX變壓器廠 XX年XX月

8、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(fù)載使用。銘牌中的主要參數(shù)說明如下： 1型號(hào)型號(hào) 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(qiáng)度和允許發(fā)熱等條件規(guī)定的。高壓側(cè)標(biāo)出的三個(gè)電壓值，可以根據(jù)高壓側(cè)供電電壓的實(shí)際況額定值的5范圍內(nèi)加以選擇，當(dāng)供電電壓偏高時(shí)可調(diào)至10500V，偏低時(shí)則調(diào)至9500V，以保證低壓側(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(shí)，高壓側(cè)加上額

9、定電壓后，二次繞組兩端的感應(yīng)的電壓值。變壓器接上負(fù)載后，二次繞組的輸出電壓U2將隨負(fù)載電流的增加而下降，為保證在額定負(fù)載時(shí)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(shí)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。10002N2NNIUS100032N2NNIUS3 3額定電流額定電流I I1N1N和和I I2N2N 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

10、容量為 kVA kVA 5 5聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào) 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(shí)的中性線）、n（低壓繞組作 星形聯(lián)結(jié)時(shí)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(biāo)么值或短路阻抗標(biāo)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繞組。兩個(gè)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(fù)載的繞組稱為二次繞組

11、。電動(dòng)勢e1和e2分別為： 由上式可知，一、二次繞組感應(yīng)電動(dòng)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(dá)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(yùn)行單相變壓器的空載運(yùn)行一、空載運(yùn)行時(shí)各物理量正方向的規(guī)定一、空載運(yùn)行時(shí)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2I=0 的工作方式稱變壓器的空載運(yùn)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

12、流的參考方向之間符合右手螺旋定則。 （3）感應(yīng)電動(dòng)勢的參考方向：由交變磁通 產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)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(dòng)勢 。 單相變壓器空載運(yùn)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(dòng)勢和變比二、感應(yīng)電動(dòng)勢和變比1U1E2E空載時(shí)，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。在電流i0的作用下，（稱為主磁通），主磁通同時(shí)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(dòng)勢dtdNedtdNedtdNe1112211e1：主磁通在原繞組內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢的

13、瞬時(shí)值e2：主磁通在副繞組內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢的瞬時(shí)值；e1：漏磁通 1在原繞組內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢的瞬時(shí)值主磁通按正弦規(guī)律，tm sin)90 sin()90 sin( cos ) sin(01011111tEtNtNtdtdNdtdNemmmmm：主磁通的幅值；E1m：原繞組感應(yīng)電動(dòng)勢的幅值。)90 sin(011tEem當(dāng)主磁通按正弦規(guī)律變化時(shí)，原繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢也按正弦規(guī)律變化， 但相位比主磁通落后900。mmNE 11原邊電動(dòng)勢幅值：mmNfEE11m111144.42/Nf 22/有效值：mNfjE11144.4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

14、動(dòng)勢幅值：mmNE 22mmNfEE212244.42/有效值：相量表示：mNfjE1244.4原邊漏電勢由原邊繞組鏈接漏磁鏈得到， mNfjEdtdNe110m111111144. 4)90- tsin(N 相量表示：漏電勢分析：漏電勢分析：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：dtdiLdtddtdNe011111若勵(lì)磁電流i0按正弦規(guī)律變化， 即 tsin200Ii10101L 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(duì)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(dòng)勢

15、與電流同頻率，相位上落后I0 900。mNfjEU111144. 4（3）空載時(shí)，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、變壓器的空載電流和空載損耗 0I0I 變壓器空載運(yùn)行時(shí)，空載電流一方面用來產(chǎn)生主磁通，另一方面用來補(bǔ)償變壓器空載時(shí)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(lì)磁電流。變壓器空載時(shí)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(rèn)為變壓器的空載損

16、耗就是變壓器的鐵心損耗。0Iiu 建立空載運(yùn)行時(shí)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、波形取決于飽和度。 忽略空載損耗：（1）當(dāng)主磁通為正弦波時(shí)， 磁路越飽和， 電流波形畸變嚴(yán)重。（2）空載電流與主磁通同相位。 不考慮空載損耗時(shí)空載電流的波形：不考慮空載損耗時(shí)空載電流的波形：I0IFeIm0I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(shí)：（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(gè)分量：（1）與同相的磁化電流iu；（2）導(dǎo)前900有功分量iFeIIIFe0m（2）激磁電流不

17、再與主磁通同相， 而是導(dǎo)前一個(gè)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(dòng)勢E1和E2之比稱為變壓器的變比k.21m12m1121 44. 4 44. 4NNfNfNEEk由于. 2211EUEU212121NNUUEEkNN對(duì)于三相變壓器，變比指相電勢之比?？紤]漏磁通， 變壓器空載運(yùn)行時(shí)相量形式表示的電壓平衡方程式：22011011101101011101)()()( )()()(EUEZIEjxrIExI jrIEErIUr1：原繞組電阻；Z1r1jx1為原繞組漏阻抗五、空載運(yùn)行的等效電路和相量圖五、空載運(yùn)行的等效電路和相量圖根據(jù)相量形式的電壓平衡式，)(1101EZIU把 和 之間的關(guān)系直接用參數(shù)形式反映， 可把 寫成 流過一個(gè)阻抗引起的阻抗壓降。1E0I1E0I)(001mmmjxrIZIErm：變壓器的勵(lì)磁電阻，反映鐵耗；xm:變壓器的勵(lì)磁電抗，反映勵(lì)磁過程；Zm：變壓器的勵(lì)磁阻抗。222001;/;/mmmFemmrZxIprIEZ等效電路：等效電路：0I0I1U1Emrmxmrmx1x1r1E等值電路綜合了空載時(shí)變壓器內(nèi)部的物理情況， 在等值電路中r1、x1是常量；rm、xm是變量， 它們隨鐵心磁路飽和程度的增加而減少。)(1101EZIU（3）根據(jù)電壓方程， 得到電壓相量。 小結(jié):（1）一次側(cè)