自動化元件-05變壓器1

第三章變壓器

用途、工作原理及結(jié)構(gòu)

變壓器運行三相變壓器和特殊變壓器一、變壓器的用途變壓器是一種靜止電機，利用電磁感應(yīng)原理，將一種電壓等級的交流電能變換為同頻率的另一種電壓等級的交流電能。第一節(jié)用途、工作原理及結(jié)構(gòu)二、變壓器的工作原理

變壓器的主要部件是鐵心和套在鐵心上的兩個繞組。如果在一次繞組中施加交變電壓，在磁路中將產(chǎn)生交變磁通，該磁通交鏈一、二次繞組，分別在兩繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。

如果不計一、二次繞組的內(nèi)阻以及鐵耗，切不計漏磁通，則耦合系數(shù)kc=1（理想變壓器）。根據(jù)電磁定律，可寫出電動勢平衡方程式：變壓器變比，改變匝數(shù)比即可改變電壓。電爐變壓器整流變壓器電焊變壓器電壓互感器電流互感器降壓變壓器升壓變壓器電力變壓器特殊變壓器儀用互感器用途心式變壓器殼式變壓器單相變壓器三相變壓器鐵心結(jié)構(gòu)相數(shù)雙繞組變壓器三繞組變壓器繞組數(shù)目多繞組變壓器自耦變壓器油浸式變壓器干式變壓器冷卻方式充氣式變壓器三、變壓器的分類四、變壓器的基本結(jié)構(gòu)⒈鐵心

變壓器的主磁路，為了提高磁路導(dǎo)磁性能和減少鐵耗，通常用0.35mm或0.5mm厚、表面涂有絕緣漆的硅鋼片疊裝而成。

鐵心分為鐵心柱：鐵心柱上套裝有繞組。鐵軛：形成閉合磁路。

鐵心結(jié)構(gòu)的基本形式分為：心式和殼式兩種。單相心式變壓器心式：鐵軛靠著繞組的頂面和底面。而不包圍繞組側(cè)面，結(jié)構(gòu)簡單，裝配及絕緣容易，國產(chǎn)變壓器大多采用心式結(jié)構(gòu)。（電力變壓器常采用的結(jié)構(gòu)）

單相殼式變壓器殼式：鐵軛包圍繞組的頂面和底面，也包圍側(cè)面，這種結(jié)構(gòu)機械強度較好，但制造工藝復(fù)雜，用材料較多。⒊其他結(jié)構(gòu)部件油浸式變壓器還有油箱（包括散熱器或冷卻器）、絕緣套管、儲油柜、吸濕器、安全氣道、凈油器和氣體繼電器等。⒉繞組變壓器的電路部分，一般用漆包線或絕緣紙包的扁銅線繞制而成。可分為同心式和交疊式兩類。同心式：高低壓繞組同心的套在鐵心柱上。為便于絕緣，一般低壓繞組在里面高壓繞組在外面。交疊式：高低壓繞組互相交疊放置，為便于絕緣，上下兩組為低壓。中等容量油浸式電力變壓器的外形結(jié)構(gòu)1－鐵心2－高壓繞組3－低壓繞組4－散熱器5－油箱6－高壓套管7－低壓套管8－變壓器油

油浸式電力變壓器大容量電力變壓器五.變壓器的額定值⑴額定容量SN：指變壓器的視在功率。對三相變壓器指三相容量之和。以伏安（VA）千伏安（kVA）單位。⑵額定電壓UN：一次側(cè)額定端電壓為一次側(cè)額定電壓，二次側(cè)指一次側(cè)加額定電壓時二次側(cè)的空載電壓。三相變壓器指的是線電壓。以伏（V）千伏（kV）單位。⑶額定電流IN：以SN

和UN計算出來的線電流值，即為額定電流。

此外，額定值還有額定頻率、效率、溫升等。額定值通常標(biāo)注在銘牌上。一次側(cè)接額定電壓U1N，二次側(cè)開路的運行狀態(tài)稱為空載運行（i2=0）。第二節(jié)變壓器的空載運行N1N2φ1σ2e一、空載運行物理狀況一次側(cè)繞組中的電流為空載電流（激磁電流），磁勢為勵磁磁勢。主磁通：以鐵心為磁路（主磁路），同時與一次繞組和二次側(cè)繞組

交鏈，并在兩個繞組中產(chǎn)生電勢

和

，是傳遞能量的主要媒介，屬于工作磁通。漏磁通：僅與一次繞組匝鏈，通過油或空氣形成閉路，屬于非工作磁通。二、變壓器中各量正方向的規(guī)定變壓器的一次繞組相當(dāng)于用電電器，按用電慣例（發(fā)動機慣例）規(guī)定各量的正方向：

i0的正方向與產(chǎn)生它的電源電壓u1正方向相同；i0產(chǎn)生的磁通正方向Φ和Φσ1與i0符合右手螺旋定則；e和Φ正方向也符合右手螺旋定則，即

e1與i0同方向:一次繞組的電壓方程式:

變壓器二次繞組對外相當(dāng)于電源，按發(fā)電慣例（發(fā)電機慣例）規(guī)定各量的正方向：與符合右手螺旋定則；

正方向與

正方向一致；

輸出電壓

的正方向與

相同?？蛰d時:三、磁通及感應(yīng)電勢（1）磁通（

）假定磁通是正弦量：（2）原繞組感應(yīng)電勢：

幅值：有效值：（3）原繞組漏感電勢：由于漏磁通路徑由非鐵磁材料組成，導(dǎo)磁系數(shù)恒定，所以漏磁鏈與電流成正比。

為原繞組漏感系數(shù)，簡稱漏感。

有效值：幅值：假設(shè)則原繞組漏感電勢可表示為

為原繞組漏電抗，簡稱漏抗，常數(shù)。

有效值：（4）副繞組感應(yīng)電勢（5）向量表示：

有效值：幅值：一次繞組和二次繞組感應(yīng)電勢之比：空載時，和很小，，。二次繞組無電流，，，因此有：一次繞組和二次繞組電壓比等于匝數(shù)比。

（6）變壓器變比

三.電勢平衡方程式

原繞組：電壓瞬時值方程寫出相量形式：

為原繞組漏阻抗，為常數(shù)。

因、和都很小，分析中可忽略，因而有：

副繞組：

四.空載電流

空載電流I0由兩個分量組成：一個是建立磁場的無功分量，稱為磁化電流Iμ；一個是克服變壓器損耗的有功分量，包括鐵心鐵耗（磁滯和渦流）和原繞組銅耗（一般可忽略），將這部分分量稱為鐵耗電流IFe。

由于空載電流的無功分量遠(yuǎn)大于有功分量，所以空載電流主要是感性無功性質(zhì)——也稱勵磁電流Im。電力變壓器空載電流只占額定電流的（0.5～5）%，隨著容量增大，空載電流相對越小。空載電流中磁化電流一般比鐵耗電流約大10倍。

忽略鐵心損耗時空載電流空載電流i0為建立鐵芯主磁通的磁化電流iμ，由于反映鐵芯材料磁化性能的是平均磁化曲線為非線性，在一定電壓下,iμ大小取決于鐵芯飽和程度，變壓器實際工作時鐵芯一般處于飽和狀態(tài)。

當(dāng)磁通按正弦規(guī)律變化時，勵磁電流為尖頂波?；ǚ至颗c磁通同相位，無功電流

考慮鐵心損耗時空載電流空載電流i0為不對稱尖頂波，超前磁通為磁滯角。分解可得包含與主磁通同相位的磁化電流iμ，以及比主磁通超前90度的克服磁滯損耗電流ic,若考慮渦流損耗，有。因此：一般，將空載電流認(rèn)為是磁化電流五.等效電路和向量圖對主磁通在原繞組的感應(yīng)電勢引入阻抗，將的作用看作是電流流過阻抗的壓降。

勵磁阻抗，勵磁電抗，勵磁電阻

變壓器空載等效電路（1）

、為一次繞組阻抗和漏電抗，與匝數(shù)和幾何尺寸有關(guān)，為常數(shù)。（2）與表征鐵芯損耗和主磁路磁化性能，與鐵芯的發(fā)熱和飽和程度有關(guān)，隨電壓變化，為計算引入的虛擬量。（3）若電壓不變，可認(rèn)為不變。

變壓器空載向量圖

考慮鐵耗（磁滯、渦流），激磁電流超前主磁通一個磁滯角。

N1N2AXaxφ1σφ2σ一次側(cè)接在額定頻率、額定電壓的交流電源上，二次接上負(fù)載的運行狀態(tài)，稱為負(fù)載運行。第三節(jié)變壓器的負(fù)載運行

負(fù)載運行時，二次繞組有電流通過，將產(chǎn)生磁動勢F2=I2N2，使主磁通Φ發(fā)生變化，從而引起E1、E2的變化。E1的變化又使一次繞組從空載電流I0變化為負(fù)載電流I1，產(chǎn)生磁動勢F1=I1N1，它一方面建立主磁通Φ，另一方面抵消F2對主磁通的影響,主磁通由合成磁動勢產(chǎn)生。

一、負(fù)載運行時的物理狀況二、負(fù)載運行時的基本方程⒈磁動勢平衡方程式

變壓器負(fù)載運行時磁路上有兩個磁動勢,將一次側(cè)磁動勢分解為兩部分，一部分用于產(chǎn)生主磁通，另一部分用于抵消二次側(cè)產(chǎn)生的磁通，則有：一般認(rèn)為：當(dāng)電源電壓與頻率不變時，由于一次繞組漏阻抗壓降比較小，即電勢變化不大，可以不考慮主磁通Φ的變化，即Φ為常數(shù)，這樣，負(fù)載運行勵磁磁勢為空載時的磁勢。將磁動勢方程用電流表示：

變壓器負(fù)載后一次繞組電流有兩個分量，一個是勵磁分量，用來產(chǎn)生負(fù)載時主磁通。另一個為負(fù)載分量，借助電磁耦合提供給負(fù)載。二次繞組電流改變必將引起一次繞組電流變化。

由于負(fù)載運行時勵磁電流遠(yuǎn)比小，因此忽略I0有：⒉電動勢平衡方程式式中：

Z1、Z2——

一、二次繞組的漏阻抗；

r1、r2——

一、二次繞組的電阻；

x1、x1——

一、二次繞組的漏電抗。由于

Z1、Z2較小，漏阻抗壓降可以忽略，有：

三、繞組折算

變壓器負(fù)載運行方程式：

繞組折算是指將變壓器的二次（或一次）繞組的匝數(shù)用另一個繞組的匝數(shù)來代替，同時對該繞組的電磁量作相應(yīng)的變換，以保持兩側(cè)的電磁關(guān)系不變。

將二次繞組向一次繞組折算。即將變壓器的一次繞組匝數(shù)來代替二次繞組的匝數(shù)。折算原則：1）保持二次側(cè)磁動勢不變；2）保持二次側(cè)各種功率或損耗不變。

折算后一次側(cè)和二次側(cè)匝數(shù)相等：保持二次側(cè)磁動勢不變，即N2′I2′=N2I2可得保持二次側(cè)各種功率或損耗不變，即I2′2r2′=I22r2，I2′2x2′=I22x2，可以得出：折算后的方程式為：四、等效電路

根據(jù)折算后的方程，可以作出變壓器的等效電路。r1x1rmxm21EE￠=&&1U&1I&mI&2I￠&2r￠2x￠LZ￠2U￠&T型等效電路Γ型等