變壓器的基本結(jié)構(gòu)和額定值

第三章變壓器變壓器的定義: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.變壓器的用途: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)和額定值變壓器的基本結(jié)構(gòu)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。①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S1畫

畫[raal|WISB2。 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（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(jiǎn)單，制造方便,所以，國(guó)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：?jiǎn)蜗嘧儔浩骱腿嘧儔浩鳎?、 線圈數(shù)：雙線圈變壓器、三線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、 容量大小:小型變壓器、中型變壓器、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：S.:銘牌規(guī)定在額定使用條件下所輸出的視在功率。Un:指變壓器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行所承受的工作電壓。（三相為線電壓）U1n:規(guī)定加在一次側(cè)的電壓；u2n:一次側(cè)加額定電壓，二次側(cè)空載時(shí)的端電壓。In:變壓器額定容量下允許長(zhǎng)期通過的電流有11N和12n（三相為線電流）.fN：我國(guó)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：Sn=UnIn三相變壓器的關(guān)系式：Sn=3u『n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①基本原理："—i①基本原理："—i—中—d①其中：e=—NJo；e=_q2 2dt可見，匕=K只要改變線圈的匝數(shù)，就能達(dá)到改變電壓的目的。u2N22.2單相變壓器的空載運(yùn)行從空載和負(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;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。一、一次和二次繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)1.空載定義：12=02.物理過程:①0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(shì)，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(shì)，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。FEi=-j4.44叫由皿U1T10-戶0=10N0E2=-j4.44"em虬一E1疽-〃0X13。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(shì)的正方向一致；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感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(shì)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(shì)設(shè)中=中sinot，貝Qe=—N^o=2^fN①sin(①t-90。)TOC\o"1-5"\h\z0m 1 1dt 1mE=-j4.44fN(t>1 im同理可得： E=—j4.44fN由\o"CurrentDocument"2 2m結(jié)論：E(E)mf-N(N)?中，在相位上滯后擊90°.1 2 1 2m m5。 一次漏感電動(dòng)勢(shì)E:1b設(shè)中]=%sinot，貝Qe1=—?dú)鈄^=2研？1sin(ot—90°)E、=—j4.44fN?1b 11bm又可得： Eb=-j10氣,, N2式中：氣=2兀fR^二常數(shù)，為一次繞組的漏電抗。mb6。 電動(dòng)勢(shì)平衡方程：①一次側(cè):U]=—E]+10r+jI0氣=—E]+10Z忽略I0Z1,則有：U1牝E1=4.44fN"4.44fN4.44fN14.44fN1大結(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)。②二次側(cè)：U20=E27。變壓器的變比k和電壓比K變比k:指變壓器一、二次繞組的電勢(shì)之比k=E/E=(4.44fN①m)/(4.44fN①m)=N/N1 2 1 2 1 2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：Ue4。44fNC>m^4044fNBmA1 1 1N產(chǎn)U1/4.44fBmABm的取值與變壓器性能有密切相關(guān)。Bm^熱軋硅鋼片1.11S1.5T；冷軋硅鋼片1。5s1。7T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=(U/u+U/u+U/u)/3ABabBCbcCAca三相變壓器:Y,d接線：K=直」3U2ND,y接線：K=^3UinU2NY,y和D,d接線：K=—in-U2N二、主磁通與勵(lì)磁電流1、主磁通與漏磁通在性質(zhì)上：中。與10非線性關(guān)系；氣。與I0線性關(guān)系;在數(shù)量上：中。占99%以上；氣。占1%以下；在作用上：中。傳遞能量的媒介：中患漏抗壓降.2。激磁電流Im:作用：一是用來激磁，產(chǎn)生主磁通；二是供空載損耗.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?？蛰d損耗pop=p+p禪p泛B2?f1.3空載損耗約占（0。2~1）%，隨容量的增大而減小.變壓器空載運(yùn)行時(shí)，cos中0很低，一般在0.1~0。2之間。三、變壓器空載時(shí)的相量圖:JEjj;*亳/金03.3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(shì)也從空載磁動(dòng)勢(shì)F0變?yōu)镕1=I1N1。負(fù)載時(shí)的主磁通中m就是由原、副繞組的合成磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的，即：F1+F2=Fm。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2222。2222。2 2 2。磁動(dòng)勢(shì)平衡磁動(dòng)勢(shì)平衡磁動(dòng)勢(shì)平衡方程式：（1）磁動(dòng)勢(shì)形式：F1+F2=F0（2）電流形式:11=10+（-牛）I1N若忽略I0則有：廣牝-=N 注意大小和相位.2 1二、電動(dòng)勢(shì)平衡方程

U1=-E[+11r1+jl1氣=-E1+11Z]U2=E2-12r2-jl2x2=ET-Z?__ ?_ _ ?_ __11N1+12N2=10N1E1=-0ZmU2=12乞乙三、漏磁通和激磁阻抗1。分析：（以6為例）1aN12Adi1/dt61N12Adi1/dtei=一N1d61/dt=一???漏電感、=N]Ame=Ldi/dt1。 1O1ifI}sinwt則：e1=E1sin（?t一90。）2。漏磁電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式E1o=—jX1oI1E2o=-jX1oI2即漏磁電動(dòng)勢(shì)可以表示成電流流過漏電抗產(chǎn)生的壓降，因?yàn)殡妱?dòng)勢(shì)與電壓方向相反，故上式中取負(fù)號(hào)。四、主磁通和勵(lì)磁電抗1-分析(1)不考慮鐵耗時(shí):E1=-jXmIm(2)考慮鐵耗時(shí)：E=-(jX+R)I=—jZI1 mmm mm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、 變壓器的基本方程磁動(dòng)勢(shì)方程：F1+F2=F0電流方程：11=10+(-牛)電壓方程:U1=-E1+11r1+jI1x1=-E1+11Z1L=E2,2^2-jI2X2=E2+I2Z二、 變壓器的T型等效電路繞組折算由于原、副繞組的匝數(shù)N]N2,原、副繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1E2,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=1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(jiǎn)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：F2=F2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(shì)的折算：E2'=kE2E2。'=kE2U「=kU2二次側(cè)阻抗的折算：R2’=k2R2%。，=k2X2oRl，*rlX「二k2X2、折算后的方程:三、等效電路和相量圖1?！癟"形等效電路和相量圖“T”形等效電路相量圖（一般I1N（一般I1NZ1〈0。08U1N時(shí)采用）3。簡(jiǎn)化等效電路和相量圖3。簡(jiǎn)化等效電路和相量圖簡(jiǎn)化等效電路:忽略I00②電壓方程式：U1=I*k+jXk)-U2r=r+r'其中：「+x2。z廣JX③簡(jiǎn)化相量圖:-③簡(jiǎn)化相量圖:-U2中大說明：AABC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:①?gòu)恼＿\(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(cè)定通過空載和短路試驗(yàn)測(cè)取變壓器的參數(shù)。一、空載實(shí)驗(yàn)（開路實(shí)驗(yàn)）目的:通過測(cè)量I0,U1,U20及P0來計(jì)算K,I0（%），PFe，Zm="jXm以及判斷U emmm鐵心質(zhì)量和線圈質(zhì)量。接線：一般低壓側(cè)加壓，高壓側(cè)開路（如下圖）步驟：①低壓側(cè)加電壓,高壓側(cè)開路；電源電壓由0~1。2Un（或1.2UN?0），測(cè)U］、U20、I0和P0值;可得I0=f（U］）及P0=f（U］）計(jì)算：變比：K=￡U110（%）=二X1001NpFe=P0由空載簡(jiǎn)化等效電路，得：Z廣U；Rm=P；X=^lZ2-R20 05。 注意:①rm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?？蛰d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.cos中0〈0.2，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(cè)IK、UK及PK，計(jì)算UK（%）,pCu，ZK=RK+jXK。接線：通常高壓側(cè)加壓，低壓側(cè)短路（如下圖）3.步驟:①高壓側(cè)接電源,低壓側(cè)短接;電壓由0\，使IK=0~1。2In，分別測(cè)IK、UK及PK;③可得IK=f（UK），線性；PK=f（UK），拋物線.計(jì)算：PCu^PK=PK（PK=PCu+PFe^Pcu，V電源電壓很低PFe^0）由簡(jiǎn)化等效電路，得Zk=牛；rk=p；Xk=4zT^rKTOC\o"1-5"\h\zK K一般認(rèn)為：R-R=1R;X"X'=-X1 2 2K1 2 2K溫度折算：線圈電阻與溫度有關(guān)，國(guó)標(biāo)規(guī)定向75°C換算；235+75\o"CurrentDocument"對(duì)銅線：R= Rec235+0k對(duì)鋁線：R =228+75RK75OC228+0KIZK75°C=說明：①三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。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=I1NzK75C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：U（%）=UKNX100%—'1n'K75°CX100%K U1N U1NuK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)??；限制短路電流時(shí)，希望大些。中、小型變壓器：（4~10。5）%；大型變壓器：（12.5~17。5）%。

3。6三相變壓器一、三相變壓器的磁路系統(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)稱電壓一三相對(duì)稱磁通一由于磁路對(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)稱電壓一三相對(duì)稱磁通一但由于磁路不對(duì)稱，產(chǎn)生的三相空載電流不對(duì)稱，且中間電流小.(b)(c)(b)(c)*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(jiǎn)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)志線圈名稱單相變壓器三相變壓器首端末端首端末端中占1 八、、高壓線圈AXABCXYZO低壓線圈axabcxyzo中壓線圈AmXmAmBmCmXmYmZmOm極性：指瞬時(shí)極性一一同名端由線圈的繞向和首末端標(biāo)志決定

單相變壓器的連接組別:I,I0;I,I6三相變壓器線圈的連接組別）連接方式：Y或D；（y，d））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(shì)（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)。）時(shí)鐘表示法：（相量圖）例：A,a位形圖Y,y0作圖步驟：①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)；畫出低壓側(cè)的相量圖；將AB，ab連線，得出結(jié)論.4。國(guó)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。*大①凡Y，y或D,d連接均為偶數(shù)；②凡Y，d或D，y連接均為奇數(shù).*大本節(jié)課將原理講完后，主要讓學(xué)生自己練習(xí).

33。7標(biāo)么值―、標(biāo)么值的定義標(biāo)么值=實(shí)際值即某一物理量實(shí)際值與選定值之比?；鶞?zhǔn)值大實(shí)際值與基準(zhǔn)值必須具有相同的單位。二、基值的選取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U,I,Z='；

1N1N1NI1N變壓器二次側(cè)選U,I,Z=M；2N2N 2N I2N由于變壓器一、二次側(cè)容量相等’均選%大大①額定值的標(biāo)么值為1；②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)際值時(shí)的方程式在形式上一致。舉例：U*};I1NI—；ZI1N舉例：U*};I1NI—；ZI1NZ

—1-

Z

1NU——2-U2NI—2I2NZ 2Z2NU*Z*=—1N；

m I*0P*R*=-o-mI*20=q'Z*2-R*22.實(shí)際值、標(biāo)么值和百分值的關(guān)系①實(shí)際值二標(biāo)么值x基準(zhǔn)值②百分值二標(biāo)么值X100%三、優(yōu)缺點(diǎn)1。優(yōu)點(diǎn)：①便于分析比較；直觀反映變壓器運(yùn)行情況，如：U;=0.9,/;=1.05（過載）物理意義不同的物理量，具有相同的數(shù)值；Z*=u*,R*=u*,X*=u*KKKKaKKr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)：①?zèng)]有單位；②物理概念比較模糊。3.8變壓器的運(yùn)行性能—、電壓調(diào)整率和外特性電壓調(diào)整率△u-Ui=Uin，cos^2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：Au=U20—U2=U2廣U2=U1N-U2=1-U*U2N U2N U1N 22.參數(shù)表達(dá)式：由簡(jiǎn)化相量圖，可得：（推導(dǎo)過程略）Au=P（R*cos。+X*sin。）K2K2式中：八卜=1*稱為負(fù)載系數(shù),直接反應(yīng)負(fù)載的大小，2N

如p=0,表示空載;6=1,表示滿載;**影響罰的因素:①負(fù)載大小p；②短路阻抗標(biāo)么值；③負(fù)載性質(zhì)中2三、效率和效率特性1.變壓器的損耗：損耗J基本銅損:銅損損耗J基本銅損:銅損〈［附加銅損:鐵損/基本鐵損:失損I附加鐵損:漏磁場(chǎng)引起的磁滯和渦流損耗鐵心、迭片間引起的大火鐵損 不變損耗;銅損 可變損耗.2。效率：門=Px100%P1*變壓器的效率比較高，一般在(95?98)%之間，大型可達(dá)99%以上。n=(1-—^)x100%=(1— —)x100%P P+p+p令:PF=P0P=(史)2PKN=62PKN2NP=UIcos甲=6UIcos甲=PScos甲?，?n=(1— 0 kN )X100%pScos甲+P+p2P大大結(jié)論：①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)。②效率特性:n=f(P)③最大效率:血八 :p令:dp=。 得P=\[p0 即P2PKN=P （或銅損==鐵損）時(shí)，有KNn=1-—2P—maxPScos