1、第三章變壓器1. 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，將某一等級的交流電壓轉(zhuǎn)換為同頻率的另一等級的交流電壓2. 變壓器的用途：3. 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)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。材料：035mn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：交迭式迭裝第2頁2。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

2、（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)簡單，制造方便，所以，國產(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、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：單相變壓器和三相變壓器;3、線圈數(shù)：雙線圈變壓

3、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、變壓器的型號和額定值1、型號：表示一臺(tái)變壓器的結(jié)構(gòu)、額定容量、電壓等級、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10k V級的電力變壓器。2、額定值：額定值是制造廠對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：Sn :銘牌規(guī)定在額定使用條件下所輸出的視在功率Un :指變壓器長時(shí)間運(yùn)行

4、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 :次側(cè)加額定電壓，二次側(cè)空載時(shí)的端電壓I N :變壓器額定容量下允許長期通過的電流有I1N和I 2N （三相為線電流）。fN :我國工頻：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 Un I N三相變壓器的關(guān)系式：SN . 3U N I N對于雙線圈變壓器一、二次側(cè)的額定容量相等。（由于其效率高）四、基本工作原理基本原理：Uiiio('eie2 i2其中：e1Ni0 ；e.d 0N20dtdteiUiNie2U2N2可見，U1注只要改變線圈的匝數(shù),就能達(dá)到改變電壓的目的2.2 單相

5、變壓器的空載運(yùn)行1. 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;2. 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稱運(yùn)行。、一次和二次繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢1。空載定義:I 202。物理過程：0XU20第7頁第#頁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) 縱當(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，不能傳遞能量，僅起

6、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。?Ui?I 0Fo?Io N1i Eij4.44 fN1 m?j4.44fN2 m?jloXi3。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，電流的正方第#頁向與電動(dòng)勢的正方向一致；2) 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3) 感應(yīng)電動(dòng)勢的正方向與產(chǎn)生它的磁通

7、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 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)勢設(shè) 0mSi nt，則eiNi d 02 fNi msin( t 90 )dtEi j4.44 fNi同理可得:結(jié)論：Ei(E2)5。一次漏感電動(dòng)勢又可得:式中：xi6。電動(dòng)勢平衡方程一次側(cè)：U i?E2?j4.44 fN

8、2 mNiZJ?m，在相位上滯后Ei :，則eid iNi2 fNidt?Eij 4.44 fNi i m。Eij I 0 Xi=常數(shù),為一次繞組的漏電抗。Ei I orij 1 0 xEi I 0 Zii m sin( t 90 )i msin t2Rmm90°第9頁忽略I 0乙，則有：u, E,4.44 fN,E,U,4.44fN,4.44fN,結(jié)論：影響主磁通大小的因素是：電源電壓U、電源頻率f和一次側(cè)線圈匝數(shù)Ni, 與鐵心材質(zhì)及幾何尺寸基本無關(guān)。二次側(cè)：U 20 E27.變壓器的變比k和電壓比K仆)變比k:指變壓器一、二次繞組的電勢之比k=E,/E 2=(4 o 44fN,

9、m) / (4.44fN 2 m)=N/N變比k等于匝數(shù)比。次繞組的匝數(shù)必須符合一定條件：4.44fN 勺 仆 4.44fN ,BmANi U/4 o 44fBmABm的取值與變壓器性能有密切相關(guān)。Bn熱軋硅鋼片,.H s仁5T;冷軋硅鋼片5 s,.7T(2)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= ( UAb/u ab + U/U bc+UC/U ca)/3三相變壓器：丫，d接線：KU1NV3U 2nD, y接線:KU2NY, y和D,d接線:KU ,N2N二、主磁通與勵(lì)磁電流1、主磁通與漏磁通在性質(zhì)上：0與I 0非線性關(guān)系；1。與I 0線性關(guān)

10、系；在數(shù)量上：0占99%以上；1。占1%族下；在作用上：0傳遞能量的媒介；1。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空載損耗P021.3p0 p Fe Pcu p Fe Bm ? f空載損耗約占（0.21）%隨容量的增大而減小。變壓器空載運(yùn)行時(shí)，cos o很低，一般在0。10.2之間、變壓器空載時(shí)的相量圖:瓦A3。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

11、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)勢也從空載磁動(dòng)勢F0變?yōu)镕1=I1N10負(fù)載時(shí)的主磁通 m就是由原、畐寸繞組的合成磁動(dòng)勢產(chǎn)生的，即：F1+ F 2= F m。于是變壓器在負(fù)載時(shí)的電磁關(guān)系重新達(dá)到平衡。第13頁I第io頁第io頁Ii?E2單相變壓器負(fù)載運(yùn)行示意圖I i r1Ii Fi?FU 1?E2? ? ?I 2 F2 I 2?N22?E2?I 2 r2二、磁動(dòng)勢平衡磁動(dòng)勢平衡方程式：(1)?磁動(dòng)勢形式：Fi F2Fo(2)?I2電流形式 ：I i I 0 ()ko? ?I o N1 o若忽略Io,則有：“

12、-也注意大小和相位I2 K Ni、電動(dòng)勢平衡方程第io頁第i2頁U i Ei 11 r1j 11 x1 Ei I i Z1U 2 E2 12 r2j 12x2E2 I 2Z2I i N1 I2 N2 I o N1EiNi/E2N2Ei IoZmU 2 I 2Zl三、漏磁通和激磁阻抗1。分析：(以© ia為例)© i=Fi/Rm= NAmii2 .-ei a =-Ni d © ia/dt=- N i A mdi i/dt漏電感 Li a = Ni2 A mei a=Liadi i/dtii 2 I isin t貝U: eia =Eamsin( 31-90 )Ei a

13、 =-j 3 Lii2。漏磁電動(dòng)勢的表達(dá)式El a= jX i a I iE a= jXia I2因?yàn)殡妱?dòng)勢與電壓方向相即漏磁電動(dòng)勢可以表示成電流流過漏電抗產(chǎn)生的壓降, 反，故上式中取負(fù)號。四、主磁通和勵(lì)磁電抗i.分析(i)不考慮鐵耗時(shí)：E =-jX m m(2)考慮鐵耗時(shí)：Ei =-(jX m+R)l m=jZ ml m2。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變壓器的基本方程1.磁動(dòng)勢方程? ?:Fi F2?Fo2.電流方程:li3.電壓方程:UiEiI i rij I i xiEiI i ZiU 2 E2 I 2 r2 j I 2 x2 E2 I 2 Z2二、變壓器

14、的T型等效電路i. 繞組折算由于原、副繞組的匝數(shù)N 1 N2,原、副繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢E iE2,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=l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 的量在原來的符號上加一個(gè)上標(biāo)號"以示區(qū)別。折算方法：M' =N?折算原則：F 2 折算的物理量：?F2和二次側(cè)的各功率保持不變二次側(cè)電流：丨2 =12氷 二次側(cè)電動(dòng)勢的折算:E2'=kE2E2J =kE2U2' =kU2 二次側(cè)阻抗的

15、折算：R 2' =k2RbX2. '=k2 X2.第i2頁R.'Xl'=kR=k2X2、折算后的方程:? ?UiEi Ii乙1 ?1 1 ? ?U 2E2 I 2乙?1 ?EiE2?' ?IiI 2 I 0?EiI0ZmU2 I 2 ZL三、等效電路和相量圖1. “ T"形等效電路和相量圖“ T"形等效電路第17頁第#頁Rm?Ui第#頁 相量圖2.近似等效電路（一般 I inZi<0.08Uin 時(shí)采用）3.簡化等效電路和相量圖電壓方程式：U i|1仏 jXk） U2第18頁第#頁ri其中：Xk XiX2Z krkjX k第#頁

16、 簡化相量圖:U2rK 11*說明：ABC為阻抗三角形；對于一臺(tái)已制成的變壓器，其形狀是固定的。*短路阻抗大小的意義：從正常運(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)的測定通過空載和短路試驗(yàn)測取變壓器的參數(shù)。一、空載實(shí)驗(yàn)（開路實(shí)驗(yàn)）1。目的：通過測量Io, U,U20及Pb來計(jì)算K, I 0 （%） , PFe,Zm=rm+jx m以及判斷鐵心質(zhì)量和線圈質(zhì)量.2. 接線：一般低壓側(cè)加壓，高壓側(cè)開路（如下圖）3. 步驟：低壓側(cè)加電壓，高壓側(cè)開路；電源電壓由01。2UN （或1.2 Un0），測Ui、C2o、I o和P0值;可得 I 0=f(U 1)及 PD=f

17、 (Ui)第20頁4. 計(jì)算:變比:20Ui第#頁第#頁 |0(%)上 1001 1N PFePo 由空載簡化等效電路，得：Zm W ； Rm烏；Xm JZ； R；1 01 05。注意：rm和Xm是隨電壓的大小而變化的,故取對應(yīng)額定電壓時(shí)的值。 空載試驗(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 0 0.2，很低，為減小誤差，利用低功率因數(shù)表、短路實(shí)驗(yàn)1。目的：測 Ik、Ik 及 Pk,計(jì)算 Uk (%)，pcu, Z K=R+jXK2。接線：通常高壓側(cè)加壓，低壓側(cè)短路(如下圖)3. 步驟：高壓側(cè)接電源，低壓側(cè)短接；電壓由0T,使lk=o1。21 N,分

18、別測Ik、UK及Pk;可得lK=f（UK），線性；PK=f （U）,拋物線。4. 計(jì)算： p Cu PK=Pk（ PK=pCu+pFe PCu,：電源電壓很低 PFe 0） 由簡化等效電路，得Zk匹；Rk冬；XkzkRk1 k1 k般認(rèn)為：R1 R2 1rk；Xi X2 2Xk 溫度折算：線圈電阻與溫度有關(guān)，國標(biāo)規(guī)定向75°C換算;對銅線：c235 75 cRk 75 C一Rk235對鋁線：_228 75 _Rk75 CRk228第22頁第#頁說明：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5. 短路電壓（阻抗電壓）短路試驗(yàn)時(shí)，使短路電流為額定電

19、流時(shí)一次側(cè)所加的電壓，稱為短路電壓Uk即UkN=I 1NZK75C額定電流在短路阻抗上的壓降，亦稱作阻抗電壓短路電壓白分值：心）U：100% 吆5C100%Uk對變壓器運(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)小； 限制短路電流時(shí)，希望大些。（12。517.5） %。中、小型變壓器:（410。5） %;大型變壓器: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； 原邊外施三相對稱電壓三相對稱磁通由于磁路對稱，產(chǎn)生三相對稱的空載電流.pA

20、 徐為 9C 如2。心式變壓器：各相磁路彼此相關(guān)，有電和磁的聯(lián)系；原邊外施三相對稱電壓三相對稱磁通但由于磁路不對稱，產(chǎn)生的三相空載電流不對稱，且中間電流小（6）（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、咼壓線圈AXA BCX YZO低壓線圈axa bcx y zo中壓線圈AmXmAm B mCmXm YmZmGm極性：指瞬時(shí)極性同名端由線圈的繞向和首末端

21、標(biāo)志決定2. 單相變壓器的連接組別：I ,10 ; I ,163。三相變壓器線圈的連接組別1. ）連接方式：丫或D； （y,d ）2. ）定義：反映三相變壓器對稱運(yùn)行時(shí)，高、低壓側(cè)對應(yīng)線電動(dòng)勢（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).3。）時(shí)鐘表示法：（相量圖）例：A逗A,a位形圖Y,y0作圖步驟：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* *凡Y，y或D,d連接均為偶數(shù)；凡Y,d

22、或D,y連接均為奇數(shù).*本節(jié)課將原理講完后，主要讓學(xué)生自己練習(xí)。3。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)際值與選定值之比基準(zhǔn)值實(shí)際值與基準(zhǔn)值必須具有相同的單位、基值的選取1. 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U1n,Iin,Z1nUin11 n變壓器二次側(cè)選U2N,l2N,Z2NU 2N1 2N第27頁第#頁”表示;由于變壓器一、二次側(cè)容量相等，均選 Sn* *額定值的標(biāo)么值為1;標(biāo)么值的表示為在原符號右上角加“ 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 ；Ui .*l 1Il1 ；*乙Uin1 INZ1N*U

23、2*l 2*Z2z2U 271 2U 2N*1 2N*Z2N*ZmU 1N . R*J11'm*2?*Xm.zm2 Rm21 0lo2.實(shí)際值、標(biāo)么值和百分值的關(guān)系 實(shí)際值=標(biāo)么值X基準(zhǔn)值 百分值二標(biāo)么值x 100%三、優(yōu)缺點(diǎn)1. 優(yōu)點(diǎn)：便于分析比較； 直觀反映變壓器運(yùn)行情況，如：U； 0.9,1； 1.05（過載） 物理意義不同的物理量，具有相同的數(shù)值；* * * * * *ZK Uk , Rk UKa , X k UKr 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)：沒有單位；物理概念比較模糊.3.8變壓器的運(yùn)行性能一、電壓

24、調(diào)整率和外特性參數(shù)表達(dá)式：由簡化相量圖，可得:（推導(dǎo)過程略）1. 電壓調(diào)整率 uU=Un, cos書；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：uU20U2U2NU2U1NU21U2U 2NU 2NU 1 N2.* *u(Rk cos 2 Xk sin 2)式中：2*稱為負(fù)載系數(shù)，直接反應(yīng)負(fù)載的大小,I 2 N如0,表示空載;1，表示滿載;* *影響 U的因素：負(fù)載大小；短路阻抗標(biāo)么值；負(fù)載性質(zhì)2 效率和效率特性1.變壓器的損耗：流電阻的損耗的損耗間引起的基本銅損：原副線圈直 銅損附加銅損：漏磁場引起 損耗基本鐵損：磁滯和渦流 鐵損附加鐵損：鐵心、迭片* 鐵損一 不變損耗； 銅損 -可變損耗2. 效率：P2 100%Pi*變壓器的效率比較高，一般在(9598)沱間，大型可達(dá)99%以上。(1P) 100% (1PFe pCu ) 100%RP2 PFe Pcu令：PFe R0(嚴(yán))2 Pkn1 2NPKNP2U 2N I 2 COS 2U 2N I 2N COS 2Sn COS 2(1Sn COS 2P°PKN)100%第31頁第#頁*結(jié)論：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)。第#頁第32頁最大效率：a d 令：d0得|旦m . Fkn即2PknP。（或銅損=鐵損）時(shí)，有”2Fomax1