變壓器設計基礎知識

-.z.變壓器根底知識變壓器的概述變壓器的用途在各種電氣設備中，往往需要不同的電壓電源。如我們日常生活的照明用電，家用電器的電壓一般都為220V，而各種動力的電壓是380V，而線路的電壓一般為：6、10、35、110、220、500KV的電壓。這些稱為供電系統(tǒng)。3KV以上的稱為高壓系統(tǒng)?，F代化的工業(yè)，廣泛采用了電力為能源。電能是由水電站、發(fā)電廠的發(fā)電機轉化來的，發(fā)電機所發(fā)送來的電力根據輸電距離將按照不同的電壓等級傳輸出去，這種傳輸需一種特殊的專門設備。這種設備就是我們熟悉的電力變壓器。變壓器在輸配電系統(tǒng)中有著很重要的地位，要求它能平安可靠的運行。當變壓器出現故障或損壞，將造成大面積的停電。隨著技術的開展，工農業(yè)生產需要，變壓器在很多的領域也廣泛的應用。如，根據需要配套的冶煉用的電爐變壓器、電解化工用的整流電壓器、鐵路電力機車用的牽引變壓器……等很多。變壓器的分類按用途分類：2.1電力變壓器：這是目前工農業(yè)生產上廣泛使用的變壓器，它主要用途是為了輸配電系統(tǒng)上使用的變壓器。目前電力變壓器形成了系列，已經大批量生產。按容量和電壓等級分成以下類別：Ⅰ、Ⅱ類10~630KVAⅢ類800~6300KVAⅣ類8000~63000KVAⅤ類63000KVA以上按電壓所用和發(fā)電廠的用途不同可分為：降壓變壓器；升壓變壓器；其中低壓為400伏的降壓變壓器稱為配電變壓器。電能的輸配電過程首先發(fā)電廠發(fā)電機發(fā)出電能，電壓一般是6.3或10.5KV，這樣低的電壓要輸送幾百公里以外的地區(qū)是不可能的。所以要將電壓升高到38.5、121、242、500KV以后再輸出去。這樣高的電壓到供電區(qū)域后還要經過一次變電所，〔把電壓降為38.5或110KV〕和二次變電所〔降為10.5或6.3KV〕變壓，再把電能直接送到用戶區(qū)，經過附近的配電變壓器降壓為〔一般為400V〕以供工廠或住戶使用。2.2電爐變壓器：工業(yè)生產中使用的金屬材料和化工材料都是用電爐冶煉出來的，而電爐使用的電源就是電爐變壓器二次供應的。電爐變壓器的特點是二次電壓很低〔一般是幾十伏~幾百伏〕，但是電流卻很大，有的可到達幾萬安。電爐變壓器的一次側電壓一般為10KV，35KV級有個別特大容量的為110KV。2.3整流變壓器：在工業(yè)生產中由于生產的工藝要求，需要直流供電，如，軋鋼廠的軋機電機，及電解化學工業(yè)等使用的直流電源。把交流電變成直流電需要經過整流器進展。供整流使用的變壓器稱為整流變壓器。整流變壓器與電爐變壓器的共同之處是二次電壓很低，電流較大；不同之處是整流變壓器的二次側有6相、12相、36相、48相等，以提高整流效率。2.4工頻實驗變壓器：在進展高電壓設備的耐壓試驗時需要一種電壓很高的〔一般10-25萬V〕變壓器，這種變壓器叫做試驗變壓器。一般情況下二次電壓都很高。而電流一般為1A。試驗電纜使用的為4A以上的電纜，運行時間一般小于1小時。2.5調壓器有的用電設備使用的電流要能夠經常改變電壓的電源，這就需要使用調壓器來實現。調壓器的特點：二次電壓變化的圍很大，一般可以從0調整到額定電壓。調壓器因構造形式不同可分為：自耦式調壓器、移卷式調壓器、感應調壓器、磁飽和調壓器。大容量的調壓器一般同試驗變壓器、整流變壓器配套使用。2.6礦用變壓器：專為礦坑下變電所使用的變壓器稱為礦用變壓器，其特點為：〔1〕能防止礦石打碎的套管〔2〕防潮密封式構造。另一種式伸入到礦井深處工作面的變壓器稱為防爆變壓器，這種變壓器一般為干式，箱體機械強度很高，能防止氣體爆炸，進出線為電纜式構造。其他的變壓器種類還很多，如沖擊變壓器、隔離變壓器、電焊變壓器、*光變壓器、換相器、電抗器、互感器……等。變壓器按構造形式分類時，又可以分為單相和三相變壓器。按冷卻介質方式又分為：干式、油浸式、充氣式變壓器等。按冷卻方式又分為：自然冷卻式、風冷、水冷、強迫油循環(huán)水冷式、強迫油循環(huán)風冷式……等。按線圈構造分為：自耦變壓器、雙圈變壓器、三線圈變壓器。按中性點絕緣水平分為：全絕緣變壓器〔中性點的絕緣水平與起始頭的絕緣水平一樣〕和半絕緣變壓器〔中性點的絕緣水平比起始頭的絕緣水平低〕；按鐵芯構造形式分為：心式、殼式。變壓器的額定技術數據：由于變壓器的使用環(huán)境和條件不一樣，用途也不一致。因此必須用一些事先規(guī)定的數值來衡量，這些數值就是額定技術數據〔參數〕額定容量——在額定工作條件下，變壓輸出能力的保證值。即額定電壓與額定電流的乘積，單位為KVA表示。額定電壓——變壓器在空載時額定分接頭下，端電壓的保證值。按標準規(guī)定，為了適應電網變化的需要，高壓側一般都有抽頭〔即分接電壓〕。抽頭的電壓值一般用額定電壓的百分數表示。如，高壓為10KV的變壓器應當具有±5%的抽頭，就可以說該變壓器可以在三種電壓下運行，即10.5KV〔+5%〕、10KV〔額定〕、9.5KV〔-5%〕。有載調壓變壓器的抽頭較多，有7分接〔±3×2.5%〕和9分接〔±4×2.5%〕以及17分接〔±8×1.25%〕……等。阻抗電壓——也成為短路電壓，即當變壓器一側短路，在變壓器的另一側施加額定電流時所施加的電壓稱為阻抗電壓。一般均以額定電壓的百分數來表示，變壓器阻抗值的大小在變壓器的運行中有這重要的意義，它時考慮短路電流和繼電保護特性的依據?？蛰d損耗——也稱為鐵損。就是載變壓器空載狀態(tài)〔一次加額定電壓，二次側開路〕時產生的損耗。空載損耗的單位時W或KW表示?？蛰d電流——當變壓器空載狀態(tài)時，一次側線圈中流過的電流，這個電流稱為空載電流。一般以額定電流的百分數表示。連接組——連接組是決定上下壓線圈之間的電壓相位關系的。將360°角共分為12等份，即每相差30°為一種，一般以聯(lián)結組標號表示。如，Dyn11,Yyn4……等12種組別。負載損耗——一側線圈過額定電流，而另一側短路時所產生的損耗。單位為W或KW表示。短路損耗主要是由線圈的電阻產生時的，電阻越大損耗越大，除此之處還包括附加損耗〔也叫雜散損耗〕，為了計算方便都并入短路損耗。變壓器的各項額定數據是由國家標準規(guī)定的，不能隨意改動。各變壓器廠生產的變壓器都應符合國家規(guī)定的標準要求。變壓器的調壓方式：輸電線路的電壓由于受用戶負荷的影響，有時高、有時低，即電壓有一定波動。線路電壓的波動〔即過高或過低〕直接影響到用電設備的使用，甚至無法工作。為此，對變壓器提出了能夠調整電壓的要求以滿足用戶的需要。變壓器的調壓原理是在變壓器額定電壓的根底上允許有一個變動圍，一般無載調壓的電力變壓器調整圍在±5%或±2×2.5%，特種變壓器的調整圍一般很大。變壓器的調壓方式根本上有兩種：無勵磁調壓和有載調壓。無勵磁調壓是在變壓器高壓線圈上引出一些分接頭，通過調整分接頭的連結〔即改變線圈的匝數〕以到達調整二次輸出電壓的目的，改變分接頭的連結時通過專用的分接開關來實現的。有載調壓也是通過改變變壓器線圈的分接頭或者調壓線圈的分接頭來實現調壓的目的。有載調壓變壓器時載保證變壓器載運行種不斷負載的情況可以改變分接頭，以適應電壓波動的需求。有載調壓的實現是使用專用的構造非常復雜的帶有自動控制的有載開關來實現的。在*些特殊的使用條件，要求變壓器電壓調整的圍很大，而且還必須是無級調壓，這樣就使用有載分接開關和飽和電抗器同時進展調壓。有載開關作分級調壓，利用飽和電抗器作均勻調壓。電工根底知識電磁感應：人們很早就發(fā)現了磁鐵，后來又制造出了磁鐵，磁鐵的兩端稱為磁極，一個是南極〔S極〕，另一個是北極〔N級〕，在磁鐵的周圍產生磁場。當在磁鐵的中間放置一個線圈，當線圈以一定的速度旋轉時，就會在線圈的兩端產生電勢。如果在線圈的兩端接上負載，線圈就會又電流流過?！沧⒁饩€圈轉動的瞬時切割磁力線數時變化的，所以線圈才又電流的變化?！炒艌鲈綇?，轉動速度越快，則線圈兩端的電壓越高，即在線圈種的感應電勢與切割線圈磁力線的增長速度成正比。這就是電磁感應定律。感應電勢的大小可用下式來表示，e=式中e——感應電勢〔伏〕——磁場的變化〔T〕 t——時間〔s〕N——線圈的匝數磁通和磁感應為了說明磁力線通過多少，就要又一個衡量單位。在磁場種通過*一個垂直面積的總磁力線數叫做磁通。為了衡量磁力線的強弱又引入了一個物理量名詞——磁感應強度〔也叫磁通密度〕，一般用字母B表示，單位以高斯表示。B=式中——馬克斯威爾S——面積B——磁感應強度〔高斯〕在油浸式電力變壓器中的磁感應強度一般威15-17.5K高斯之間。磁路與安匝磁力線所通過的路徑稱磁路。線圈交流電流通過，這個電流在線圈的空間產生交變的磁場。如果在這個線圈附近再放一個線圈，與交變磁場穿過另一個線圈后則另一個線圈產生感應電勢。由于空氣等不導磁物質對磁場的阻力很大，一般都選用導磁物質〔如硅鋼片〕來作為磁力線的通路。變壓器的鐵芯是磁路的一種構造形式。在空心線圈中的磁通和線圈中的電流有一定的關系；如果線圈中的電流一定時，則有磁通量與線圈的匝數成正比，假設線圈的匝數一定時，則磁通與電流成正比。線圈中的電流與匝數的乘積稱作安匝〔即安培匝數〕，也叫做磁勢。φNφ如果采用此圖的鐵芯時，將有以下關系式：φNH=N式中H——磁場強度〔安匝/cm〕LIN——磁勢〔安匝〕LI——電流〔A〕N——線圈的匝數L——磁路的長度〔cm〕當磁場強度增加時，鐵芯中的磁通密度B也相應增加。一開場，H與B近似正比關系，但當H增大到*一定數值時，B的增加變的緩慢，這種現象叫做磁飽和。表示B與H關系的曲線叫磁化曲線。不同的導磁物質有不同的磁化曲線。B〔高斯〕2520硅鋼片15鋼鐵105鑄鐵H〔安匝/cm〕4.交流電工業(yè)和生活及照明用的電源一般都是交流電。交流電的電壓、電流幅值和方向都是隨著時間作周期性變化?！踩缫韵聢D〕當電壓或電流〔U或I〕從零值增加到U〔最大值〕時停頓增加，然后隨時間〔t〕增加逐漸下降到零；當時間〔t〕再繼續(xù)增加，則U或I的幅值開場向反方向增加，然后又回到零，再開場下一個循環(huán)。這樣循環(huán)一次為一個周期。每秒電壓或電流循環(huán)的周期次數叫做頻率。通常用f表示。我國的交流電電源國標規(guī)定為50周/秒，也叫工頻。uu表示最大值tT/2u表示最小值T周期和頻率互為倒數，T=1/f。T為周期〔秒〕f為頻率，赫茲〔周/秒〕。為了計算的方便，將一個周期分為360°角，交流電壓u的變化曲線是按正弦函數的規(guī)律變化時的，所以電壓的波形又稱為正弦波。在研究正弦波變化時，就要選定一個起點，用電壓零上升或下降與縱坐標相交的角度表示，這個角度稱為初相角。在一般電工計算中，均按有效值進展計算，而有效值的定義是指當交流電流通過*一純電阻元件時所產生的熱量與該電阻直流通過時產生的熱量相等時，這時交流電流叫做有效值。交流電的有效值等于最大值的〔即0.707〕倍，則最大值為有效值的√2〔即1.414〕倍。我們一般習慣上所說的電壓值均為有效值。交流電的瞬時值時隨時間變化的，不同的時刻對應不同的值，需要用一個公式來表示它的變化規(guī)律。由于發(fā)電機構造的原因，交流電的電壓值變化曲線是按照正弦波規(guī)律變化的，可用下述公式表達：u=usin……式中是相角，由時間決定，一個周期變化是360°，在時間t秒的角度等于=由此可以推出u=usin()，u=usin(),由=f，所以u=usin2ft.一般情況下2f常用表示，所以u=usint。以上的公式是描述單相交流電的，而在實際應用中我們所用的都是三相交流電。三相交流電是由三個單交流電組成的，它們僅在時間上每相相差120°。u由圖可以看出，三個電壓e、e、e作周期性按正弦規(guī)律變化，e比e滯后120°或，e120°120°又比e滯后120°或。120°uu5.向量圖與相位在交流電路里，表示電流和電壓數值的大小與他們之間在相位的差，一般都用向量圖表示。集體表示方法如下。以一定比例長度的線段代表u的幅值。u在相位上比u滯后120°，在圖上作u滯后于u120°。一樣的方法畫出u。向量圖可以表示出電壓數值的大小及相位關系。交流電路要比直流電路復雜的多，在交流電路里，三相電壓之間，或同一相電壓和電流在同一時刻，幅值的大小并不一致。如電壓的幅值在最大時，而電流可能不在最大值，也就是說電壓和電流之間可能存在相位差。相位表示了2個以上向量〔電壓、電流等〕，彼此之間在相對時間上的差異。向量幅值變化的大小在時間上是一致的，稱為同相位。不一致時稱相位不同。正弦波的電壓可按向量疊加原理進展計算。如以下圖：圖中表示兩個向量相減。其中向量的相減時用加法代替的。反向延伸E就等于-E，即旋轉180°后再與E相加，得出新的向量E-E。-EE-EEE6.具有電阻、電感、電容的交流電路〔我們變壓器線圈就是屬于這種電路〕。在一個交流電路里同時出現有電阻、電感和電容同時出現得情況，為了計算和研究的方便，一般先以純電路開場〔即再電路忽略其它因素〕，只選一種進展分析，再分析其它，最后綜合分析和疊加得出結論。純電阻交流電路在一個純電阻得兩端施加交流電壓u，當電阻得阻值一定時，在電阻的兩端電壓與電流的變化是一致的。即當電壓為零，電流也為零；當電壓為最大值u時，電流也為最大值I。在任何瞬間電壓與電流的相位總是一致的，即所謂的同相位。在這樣的交流電路中，電壓與電流的關系可以用歐姆電率來計算，I=U/R。以下圖為純電阻電路電壓、電流及功率曲線uiuPP(u與I的相位一樣)PP有功功率Ptiu可以看出在任何瞬間功率等于電壓U乘以電流I。其功率P也是按正弦變化的一條曲線。當U和I最大時，功率P也最大。功率曲線沒有負值。功率P=UI/2,因為U=U，I=I，所以有P=UI。所以在純電阻的單相交流電路里平均率等于電壓與電流有效值的乘積。同樣可以推出P=UI=IRI=IR，P=UI=UU/R=U/R純電感電路：當把電壓U加到電感線圈的兩端，線圈中就又電流流過，同時在線圈中將產生一個自感電動勢，自感電動勢的電流與電流方向相反，阻止著電流的流過，所以當電壓增加到最大值時，電流I還沒有來得及增加，還處在零狀態(tài)。而當電壓下降時，電流才開場增大，當電壓下降到零時，電流才到達最大值，因此說，在電感電路中電流滯后電壓90°。線圈的電感量常用字母L表示。單位是亨利〔簡稱亨〕，1亨利電感是指在*一空心線圈〔或未經飽和的有鐵芯線圈〕中流過1A所產生的磁鏈數為1韋伯是的電感系數為1亨利。L=亨式中L——線圈的電感〔亨利〕N——線圈的匝數I——線圈中的電流Aφ——磁通量〔韋伯〕epP功率曲線在一個周期內的和等于0i曲線P功率曲線在一個周期內的和等于0i曲線E曲線U–外施電壓E曲線i-電流滯后90°te-電感應電勢U曲線e向量圖U曲線純電感電路、電壓、電流和功率曲線圖在圖中的坐標上表示電感線圈在儲存能量為正值。坐標線下方為釋放能量，為負值。當線圈的電流變化速度一時，線圈的L值將決定自感電勢的大小，自感電動勢的平均值〔不是有效值；其中有效值=1.1×平均值〕等于電感乘以線圈中的電流變化的速率。即e===……式中e——自感應電勢的平均值〔伏〕L——線圈的電感量〔亨〕△I——電流變動的速度〔安〕t——電流變動的時間〔秒〕在交流電路中，由電感產生阻止電流通過的能力叫感抗，單位是歐姆，常用符號*表示。線圈電抗的大小與電感和頻率成正比關系，即*=2fL.電感電路功率瞬間值等于電壓電流瞬間值的乘積P=iu=Uisin2t，從上圖u、I變化曲線可以清楚的看出，P值有正有負，以2倍的電源頻率在變化。功率曲線所包圍的面積大小相等，方向相反，在每個周期的平均功率為零。所以在純電感電路里并不消耗能量，而是電源和線路在互相交換能量。電容電路：當在直流電路中接電容時，直流電流就不能流通，但在交流電路中情形就發(fā)生了改變；當交流電壓加在電容器的兩個極板上，可使電容器不斷的充電、放電，則線路中就有電流流過。在電容電路中，電荷、電壓和電容的關系為：C=Q/U，式中C——電容器的電容量〔法拉〕Q——電容器儲存的電荷〔庫倫〕U——外施電壓〔伏〕在時間計算中，常用微法或微微法來計算。1法拉=10微法=10微微法。在純電容電路中的電壓、電流變化過程如下：當加到電容器兩端的電壓逐漸升高時，電容器板兩端電荷也響應的增加。而電流則隨著交變電壓變化而變化。當電壓從零增加到最大值時，電流則以最大值減少到零，即電流超前電壓90°相位角。iu——電流i超前電壓u90°角電流的大小與電容器的容量有關，常用容抗來表示，即：*=U/I，*的單位為歐姆，它與電容C和頻率f有關，及計算公式如下*=1/2fC，在純電容電路中，電功的變化和純電感電路相似，把電感的I與U相調換就可以了，功率曲線一樣，結論也是電容電路只作能量轉化，不消耗功率。以上我們討論了純電阻、純電感、純電容三種電路的電壓、電流和功率的關系。而實際的電路都是有電阻、電容和電感串聯(lián)或并聯(lián)組成的。這種電路很多，計算很復雜，有興趣的同志可以參閱有關的書籍。這里只對簡單的電阻與電感串聯(lián)電路說明一下。EAB該圖為電阻與電感的串聯(lián)電路。當在電UU路的A、B兩端施加電壓U，因電路中U有電感L和電阻R的存在，則有電流I滯后于電壓U一個相位角。電感越大，滯后角越大。U是平衡自感電勢E的一局部線路電壓，U與E的大小相等方向相反。U超前電流I90°。UUiUUtU-E在串聯(lián)電路中，電流I的值決定于電路中電阻R和電感L。從向量圖中可以看出如下關系：，式中Z稱為阻抗，是限制電路中流過電流總值。Z、R和*之間的關系常用直角三角形來表示，稱為阻抗三角形。在電阻與電感串聯(lián)的電路中，因有電阻的存在，所有就要消耗功率。電阻消耗的功率P=U·I，U=Ucos,得P=U·Icos。所以P稱為有功功率，以W表示。線圈L得消耗功為：P。P稱為無功功率，單位為乏〔var〕，無功功率與有功功率的向量和成為視在功率，單位為伏安〔VA〕。按下式計算P=U·I。在交流電路中，用電壓與電流相位角的余弦cos表示有功功率與視在功率的比值，稱為功率因數。。功率因數的最大值為1，這時負載中的電流和電壓相位一致，即=0，cos=1；功率因數的最小值為0，這時負載中的電流和電壓相位差為90°，即cos=0。單相變壓器的空載運行1.變壓器由于單相變壓器比擬簡單，易分析，因此首先從單相變壓器運行開場。變壓器是根據電磁感應原理制造出來的。它的根本組成局部為一個鐵芯和兩個繞在鐵芯上的獨立線圈。其原理圖如下nnAIaUEEφN*φN*當*個固定頻率f的交流電壓U加到初級線圈A-*上，在該線圈中就會有交流電流I存在，鐵芯中會產生相應的磁通φ，且I與φ是同相位的。由于磁通與施加的電壓是變化的，為了區(qū)分磁通與磁通變化率，將磁通的變化率用表示，即。該初級線圈的匝數為n，次級線圈的匝數為n。由電磁感應原理又知次級線圈的感應電壓E與和n成正比。即E=K··n，K為比例系數。E是交變磁通穿過次級線圈時感應出來的電動勢。同時φ磁通不但穿過次級線圈，也穿過初級線圈，在初級線圈中也要感應初一個電動勢E，即E=K··n。根據在閉合回路中的電動勢之和為零的原理，在初級線圈中的感應電動勢與外施電壓U的關系為大小相等、方向相反，所以有U=-〔E+E+E〕，式中E——初級線圈的自感應電動勢，E——漏抗電動勢，E——電阻兩端的電動勢。在理想的變壓器〔即沒有電阻，沒有漏抗也沒有鐵損〕的情況下，U與E的大小相等方向相反，即有U=-E，因為U=K··n，所以，從式中可以看出，初級線圈和次級線圈的匝數比等于電壓之比。n與n的比值叫變壓器的變比，常用K表示。感應電動勢的大小與磁通的變化率成正比。感應電動勢E在時間上要滯后磁通90，由于變壓器初級線圈式一個自感電路，所以外施電壓要超前I磁化電流90，即超前φ磁通90，向量圖如下：UIφEE變壓器初、次級感應電動勢的計算：電磁感應的公式，，所以每匝電動勢為，當t等于周期時，磁通增加到最大值φ，它的時間與頻率有關，計算時，t=周期=秒，在這個時間，每匝線圈的自感應電動勢的平均值為由于正弦波自感應電動勢的最大值是平均值的，所以有伏特。在實際工程計算中，常用的式有效值，即最大值的1/倍，所以自感應電動勢的有效值為：伏特。所以。當f=50時，為B×S時，則有4.44×50=222，=B×S，S的單位是米=10000cm，經過換算，即可得到，為我們常用的計算公式。如果當B為千高斯時，有E=，即每匝電壓值。在我們的設計計算時，如果電源的頻率不是50HZ時這個公式一定要再計算，不能夠用，請大家注意。二、磁化電流當變壓器空載運行時，空載電流I可分為勵磁電流和鐵損電流兩局部組成。由于鐵損的比例很小，所以常把空載電流I稱作勵磁安匝或磁化電流。產生建立磁場所需的勵磁電流與線圈匝數的乘積稱為勵磁安匝。安匝與磁場強度的關系式可以寫稱：〔空氣中〕，載具有一定幾何形狀的鐵芯中，式中μ——磁導率；真空中的磁導率μ=4S——鐵芯有效截面積L——鐵芯的磁路長度在計算單位上，K=0.4則有。由于鐵芯的磁導率是隨磁通的密度變化而變化的〔是一個變量〕，是非線形的，現將上式化為：，通常稱為磁場強度H，單位是安匝/厘米，為安匝，L為厘米。把磁感應強度與磁場強度H之間的關系稱為B-H曲線，所以每一片硅鋼片都有它對應的B-H曲線，通過B-H曲線上的電可以計算出在不同B、H數值下的磁導率。如D-330硅鋼片的曲線在B=10千高斯時，對應的磁場強度=0.6伏安/公斤，此時的磁導率u=,(9363).當磁通密度為15K高斯時，則H對應的時2.82，則磁導率u=3000.通常情況下：磁場強度、磁通密度與勵磁容量之間的關系：可以將單位重量的勵磁容量化成：伏安/公斤=0.000294〔可以從該硅鋼片的性能曲線查得，為計算時選取〕三、磁滯回線：在討論變壓器空載磁化得過程中，一般是以磁通和磁化電流同相位為假想狀態(tài)來討論得。〔即當增加到最大值時，磁通也到達最大值〕實際上，高導磁性能的硅鋼片在磁化和去磁的過程中，電流總是要延遲電磁以下時間，其過程見以下圖。從圖中可以看出，當勵磁電流從零升到時，磁通密度相應得升到。在圖中為0~m的曲線，這條線叫起始曲線，〔即在硅鋼片沒有剩磁得情況下，初次施加電流得磁化曲線〕當電流逐漸減小時，磁通密度B也開場減小，此時得B不再沿0-S-m〔即起始曲線〕來減小，而且沿m--A`的這條曲線來減小，當電流下降到零時，還有剩磁0-的存在。這種現象叫磁滯現象。當電流沿負得方向增加到-時，此時的B才回到0，即完全去磁狀態(tài)。當電流進一步沿負方向增加到，此時的B也向負方向增加到-。當電流在負得方向減小，再到+〔E〕的方向增加到，這樣得過程在磁通得變化過程中就形成了m`-(-)-A-M--A`所圍成得曲線，這些曲線叫做磁滯回線，由磁滯回線所包圍的面積為每個周期得磁滯鐵損。當電源得頻率越高，周期損耗也相應的增加；當硅鋼片的性能越好時，磁滯回線所包圍的面積越小，一般情況是回線變得越窄，所以面積越小。當細心觀察該圖時，應該發(fā)現當電流I接近最大值時，磁通密度B得變化很小，這種現象稱作磁飽和〔或說到了非線行段〕。由于磁性材料由磁飽和特性，所以磁通與勵磁電流的相位就由了相位差。在討論變壓器的勵磁時，一般都假設電流與磁通時同相位。但實際上因為導磁材料硅鋼片有磁滯和磁飽和現象，勵磁電流與磁通步同相位，因此必須對討論得結果給予修正。當B或是正弦波時，由于磁滯現象的存在，而且波形也有畸變，其向量圖如下：由于一次外施電壓u超前90°同時也超前一個角，這樣就產生了損耗。為了計算方便，一般把空載電流分為，有，其中為磁化電流叫做無功電流，為將引起鐵芯產生損耗，所以叫做有功電流。四、空載電流由于鐵芯在磁化過程中有磁滯現象，并有損耗。這局部損耗稱磁滯損耗。硅鋼片磁滯損耗的大小，決定于硅鋼片的質量、鐵芯中磁通密度的大小和電源的頻率f，它們成正比關系：當鐵芯中有交變磁通存在時，線圈將產生感應電動勢，而鐵芯本身也是導體，因此就有電流產生和損耗。這個損耗稱渦流損耗。為了減少渦流損耗，用具有絕緣膜的硅鋼片作鐵芯。為了便于操作，一般變壓器用硅鋼片的厚度為0.3-0.35毫米。經測定渦流損耗得大小于電流頻率成正比，與磁密成正比。即有。鐵芯損耗一般包括磁滯損耗和渦流損耗兩局部，一般情況下磁滯損耗占鐵損中的絕大局部〔60-70%〕。五、等值電路和向量圖變壓器空載時，載初級線圈中有空載電流流過。線圈都有一定的電阻，因此在初級線圈上將產生一個電阻壓降和漏抗壓降。漏抗是指沒有穿過鐵芯的磁通而通過空氣或絕緣在鐵芯以外的構造中構成回路的感抗，所以空載時的漏抗為。在初級線圈中除了漏阻抗以外得自感電抗稱為勵磁電抗，用代表，當鐵芯勵磁時，我們用代表鐵芯損耗的等值電阻，則有勵磁阻抗應為在作變壓器的空載等值電路時，可以把變壓器看作兩個電抗線圈串聯(lián)的電路，其中一個是沒有鐵芯的線圈，阻抗是和一個有鐵芯得線圈組成?！踩缫韵聢D〕：〔單相變壓器空載運行時的等值電路〕由于變壓器空載時次級〔二級〕是開路，沒有電流流過，所以就沒有損耗的存在，只存在感應電動勢?！策@是理想得情況，是為了便于分析向量圖得繪制〕其中①//，⊥；②E=線圈得感應電動勢，—電阻壓降，—漏阻抗電壓，它們得向量和等于u.單相變壓器的負載運行一、變壓器負載運行的過程變壓器的空載運行時沒有任何意義的，只有變壓器載二次線圈接上負載，才能起到能量轉換得作用。當二次線圈接上負載后，二次線圈與負載組成的回路叫做二次回路，當一次側接電源后在二次回路中就有二次電流流過，二次電流的大小隨負載的大小變化而變化。由于的出現，變壓器與空載時有著顯著的不同?！矄蜗嘧儔浩髫撦d運行原理圖〕當A-*接入電源后在原線圈中就有流過，在鐵芯中建立起主磁通。穿過匝數為的副線圈時，在副線圈中就感應出電動勢〔的上下與的匝數有關〕。如果在副線圈的兩端a、*上連接負載Z，在副線圈就有電流流過。在鐵芯中又產生磁通，將與疊加起來。穿過原線圈后在原線圈中有電流，而又產生與反相得磁通。顯然有=-。這樣在磁路中與相互抵消，最后在磁路中只剩下由建立起來的磁通。當負載Z接在副線圈a-*線端之后，原線圈的電流則由增加到，變壓器負載運行時，勵磁電流幾乎無變化，而又與成正比的變化。原、副線圈所產生的磁通絕大局部都在鐵芯過，但是總又小局部的磁通不經過鐵芯而經過空氣〔或變壓器油等非導磁物質〕構成回路，這局部磁通稱為漏磁通。漏磁通將感應出漏磁電動勢。變壓器在負載運行時，將有以下參數產生。①在副線圈中感應電動勢由電流與電阻產生得電阻壓降漏磁產生的漏磁電動勢線圈兩端的電壓線圈中的負載電流②在原線圈中電源電壓感應電動勢〔方向與電源電壓方向相位差為180°〕電阻引起的電阻壓降漏磁通產生的漏磁電動勢線圈中得電流〔包括勵磁電流〕③磁路中主磁通漏磁通、以上這些參數都是可以計算出來的。二、電流、電壓變壓器空載運行時僅在原線圈中有一個很小的勵磁電流。當在副線圈的端子接上負載Z時，在副線圈中將有出現，同時在原線圈中的電流也將由增加到?？蛰d時的主磁通=，當二次線圈有負載時，負載電流所產生的磁通=，而原線圈中電流所建立得磁通=，由于=+，由此可以得到=+。由于在方向上相反，所以可以寫成=-，變換后=+〔電流與匝數的乘積稱為磁動勢〕。以上就稱為變壓器的磁勢平衡方程，在行業(yè)中俗稱安匝平衡。在一般情況下，由于很小，可以忽略不計，所以一般+=0，即，從這個公式可以看出在變壓器運行中，原、副線圈的電流和匝數成反比關系，這個比值就稱為變比。從上面的公式，可以看出原線圈的電流包括和副線圈接負載而增加的電流，這局部的電流占的絕大局部，用表示，稱為原線圈得負載分量。即有以下公式=，所以原線圈的磁動勢為：=+為向量相加。原線圈的感應電動勢和端電壓之間的關系：在原線圈中有四個電動勢主磁通所產生得感應電動勢漏磁通產生的感應電動勢原線圈得電阻壓降空載電流引起的感應電動勢在副線圈中同樣也是所有的電動勢相互平衡。在副線圈中有3個電動勢主磁通產生的感應電動勢漏磁通產生的感應電動勢副線圈電阻產生的壓降主磁通在原、副線圈上分別感應出和，它們在時間是同相位的。其比值等于原、副線圈的匝數比〔即稱變比〕。電流、分別在原、副線圈的電阻中產生損耗〔以熱的形式散發(fā)出去〕在原線圈中電流產生的漏磁通只穿過原線圈不能穿過副線圈。其所產生的偏磁電動勢為虛部。在副線圈中電流產生的磁勢被原線圈中的有功分量產生得磁勢所平衡。即有+=0。可以這樣認為，和所產生的磁通通過鐵芯的那局部〔絕大局部〕互相抵消，只一小局部漏磁通。將在原副線圈中分別感應出漏磁電動勢和。因為漏磁通大局部在非導磁材料過，所以磁阻可以認為是一個常數，磁導率為真空中的磁導率特斯拉·米/安培。原副線圈電流所產生的漏磁通的分布與線圈和鐵芯的構造形狀有關。當*個構造一定時，漏磁通空間分布形狀也就固定不變，而漏磁通大小與產生它的電流、成正比關系。一般情況下，漏磁通所感應的漏磁電動勢和用電抗壓降來表示，即有下式：=-j,=-j,式中、為原副線圈的漏電抗，、的大小與線圈的幾何形狀和彼此得位置有關，當線圈得構造確定以后就是一個常數，與電流大小無關。所以在原線圈中的4個電動勢，應被電抗電壓所平衡，即有下式由于不等于，但的數值小小于其它數值。用=+，所以有：，其中=+j稱為原線圈的漏阻抗。同理可以推出副線圈=+j稱為副線圈的漏阻抗。由于變壓器的原、副線圈電流電壓數值相差都很多〔如10000/400〕所以常用折合法來計算，如其折合系數K=25，即將副線圈的電壓增大25倍的變比，這樣在繪制向量圖時就比擬方便了。三、變壓器的阻抗電壓〔變壓器的一個重要技術參數〕正常運行變壓器得負載電流為限制在額定電流之下。如果因*種原因使變壓器的二次線圈短路，此時二次線圈側得端電壓=0，此刻在原副線圈的電流比額定電流增加很多倍，甚至可以把線圈燒壞，為了防止這樣的事故發(fā)生，就必須把短路電流限制在*一個圍之。變壓器的阻抗電壓是指當變壓器的一側短路時，在變壓器的另一側線圈上施加電壓，并使其電流到達額定值時的電壓。這個電壓被稱為該變壓器的阻抗電壓，一般情況下，用百分比表示，即=/u×100%。阻抗電壓的大小決定于變壓器的構造，從正常運行的角度看，希望變壓器的阻抗越小越好，這樣線圈的端電壓波動受負載的影響小。但從變壓器承受短路電流能力的方面來考慮，則希望阻抗電壓大一些好。因此，變壓器的阻抗應規(guī)定在一定的圍，才能解決運行和事故的矛盾。電力變壓器的阻抗電壓在標準都有一定的規(guī)定，其有關容詳見變壓器標準。四、變壓器的負載損耗當變壓器運行時，在原、副線圈中都有電流流過。當變壓器運行到額定的電流時，在變壓器線圈所產生的損耗稱為負載損耗。負載損耗分為兩局部：一局部為導線電阻產生的損耗，稱為根本損耗；另一局部為附加損耗〔即導線的渦流損耗，漏磁通在鐵芯外表、夾件、油箱等構造件中產生的損耗〕。其中導線電阻產生的損耗使可以通過計算的方法直接算出。但是附加損耗則是通過實驗和總結得出，用經歷公式近似的計算它的百分數，具體準確的數值還要靠試驗來確定。關于阻抗電壓、負載損耗的計算將在變壓器設計種進展講解。五、電壓變化率當變壓器原線圈的端電壓恒定時，副邊電壓隨著負載電流的大小及負載性質cos的變化而變化。在通常的感性負載條件下，`〔折合到的值〕總是小于。但在容性負載時，`可以等于，當容性負載很大時，`可以大于。為了計算方便，通?！硎究蛰d時的二次端電壓—表示接負載時的二次端電壓—變化率，用百分數表示。通常計算時為以下計算方法令β=/即負載系數，負載電流與額定電流的比值α=/即空載電壓系數，即空載電壓與額定電壓之比。%=近似公式如一臺變壓器額定電壓為6300/380V，=6.32%(其=2%，=6%)，試計算在高壓側電壓為額定值1.05倍，負載電流為額定電流的0.9倍，在cos〔〕=0.8的情況下的運行時，二次電壓的變化率。=tg=71.57°,=cos0.8=36.87°,sin()=,%=為感性負載。當cos〔〕為-0.8時，%=，為容性負載。六、變壓器的效率變壓器輸出的有功功率相對于電源輸入的有功功率的百分比值叫做變壓器的效率，一般用η表示，所以有η=，式中P=-。P為變壓器總損耗，包括鐵損、銅損及雜散損耗。如果變壓器的額定容量為，在額定電壓下的空載損耗為，在額定電流下的負載損耗為，則變壓器在額定電壓下運行，且負載系數為β時，效率η=，式中β=I/,為負載的功率因數用求極值方法對上式η和β進展計算，得β=?？梢钥闯霎?時，變壓器的效率最大，而一般的電力變壓器=0.25~0.33