1、第三章第三章 變壓器變壓器v 用途、工作原理及結構用途、工作原理及結構v 變壓器運行變壓器運行v 三相變壓器和特殊變壓器三相變壓器和特殊變壓器一、變壓器的用途一、變壓器的用途 變壓器是一種靜止電機，利用電磁感應原變壓器是一種靜止電機，利用電磁感應原理，將一種電壓等級的交流電能變換為理，將一種電壓等級的交流電能變換為同頻率同頻率的另一種電壓等級的交流電能。的另一種電壓等級的交流電能。第一節第一節 用途、工作原理及結構用途、工作原理及結構二、變壓器的工作原理二、變壓器的工作原理 變壓器的主要部件是變壓器的主要部件是鐵心鐵心和套在鐵心上的和套在鐵心上的兩個繞組兩個繞組。如果在一次繞組中施加如果在一次

2、繞組中施加交變電壓交變電壓，在磁路中將產生交變，在磁路中將產生交變磁通磁通 ，該磁通交鏈一、二次繞組，分別在兩繞組中產，該磁通交鏈一、二次繞組，分別在兩繞組中產生感應電動勢。生感應電動勢。dtdNedtdNe2211 如果不計一、二次繞組的內阻以及鐵耗，切不計漏如果不計一、二次繞組的內阻以及鐵耗，切不計漏磁通，則耦合系數磁通，則耦合系數kc=1（理想變壓器）。理想變壓器）。根據電磁定律，根據電磁定律，可寫出電動勢平衡方程式：可寫出電動勢平衡方程式：1112221112221221dueNdtdueNdtUENUENUIUI 變壓器變比，改變壓器變比，改變匝數比即可改變匝數比即可改變電壓。變電壓

3、。kNN 21電爐變壓器電爐變壓器整流變壓器整流變壓器電焊變壓器電焊變壓器電壓互感器電壓互感器電流互感器電流互感器降壓變壓器降壓變壓器升壓變壓器升壓變壓器電力變壓器電力變壓器特殊變壓器特殊變壓器儀用互感器儀用互感器用途用途心式變壓器心式變壓器殼式變壓器殼式變壓器單相變壓器單相變壓器三相變壓器三相變壓器鐵心結構鐵心結構相數相數雙繞組變壓器雙繞組變壓器三繞組變壓器三繞組變壓器繞組數目繞組數目多繞組變壓器多繞組變壓器自耦變壓器自耦變壓器油浸式變壓器油浸式變壓器干式變壓器干式變壓器冷卻方式冷卻方式充氣式變壓器充氣式變壓器三、變壓器的分類三、變壓器的分類四、變壓器的基本結構四、變壓器的基本結構鐵心鐵心

4、變壓器的主磁路，變壓器的主磁路，為了提高磁路導磁性能和為了提高磁路導磁性能和減少鐵耗，通常用減少鐵耗，通常用0.350.35mm或或0.50.5mm厚、表面涂厚、表面涂有絕緣漆的硅鋼片疊裝而成。有絕緣漆的硅鋼片疊裝而成。 鐵心分為鐵心分為鐵心柱鐵心柱：鐵心柱上套裝有繞組。：鐵心柱上套裝有繞組。鐵鐵軛：軛：形成閉合磁路。形成閉合磁路。 鐵心結構的基本形式分為：鐵心結構的基本形式分為：心式心式和和殼式殼式兩種。兩種。單相心式變壓器單相心式變壓器心式：心式：鐵軛靠著繞組的頂面和底面。而不包圍繞組側面，鐵軛靠著繞組的頂面和底面。而不包圍繞組側面，結構簡單，裝配及絕緣容易，國產變壓器大多采用心式結結構簡

5、單，裝配及絕緣容易，國產變壓器大多采用心式結構。（電力變壓器常采用的結構）構。（電力變壓器常采用的結構） 單相殼式變壓器單相殼式變壓器殼式：殼式：鐵軛包圍繞組的頂面和底面，也包圍側面，這種結鐵軛包圍繞組的頂面和底面，也包圍側面，這種結構機械強度較好，但制造工藝復雜，用材料較多。構機械強度較好，但制造工藝復雜，用材料較多。其他結構部件其他結構部件 油浸式變壓器還有油箱（包括散熱器或冷卻器）、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、凈油器和氣體絕緣套管、儲油柜、吸濕器、安全氣道、凈油器和氣體繼電器等。繼電器等。繞組繞組 變壓器的電路部分，變壓器的電路部分，一

6、般用漆包線或絕緣紙包的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。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。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，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。上下兩組為低壓。中等容量油浸式電力變壓器的外形結構中等容量油浸式電力變壓器的外形結構1 1鐵心鐵心2 2高壓繞組高壓繞組3 3低壓繞組低壓繞組4 4散熱器散熱器5 5油箱油箱6 6高壓套管高壓套

7、管7 7低壓套管低壓套管8 8變壓器油變壓器油 油浸式電力變壓器油浸式電力變壓器大容量電力變壓器五五. . 變壓器的額定值變壓器的額定值額定容量額定容量SN：指變壓器的視在功率。對三相變壓器指三：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（相容量之和。以伏安（VA）千伏安（）千伏安（kVA）單位。）單位。額定電壓額定電壓UN：一次側額定端電壓為一次側額定電壓，：一次側額定端電壓為一次側額定電壓，二次側指一次側加額定電壓時二次側的空載電壓。三相變二次側指一次側加額定電壓時二次側的空載電壓。三相變壓器指的是線電壓。以伏（壓器指的是線電壓。以伏（V）千伏（）千伏（kV）單位。）單位。額定

8、電流額定電流IN：以：以SN 和和UN計算出來的線電流值，即為額計算出來的線電流值，即為額定電流。定電流。NNNNNNNNNNIUIUS:IUIUS:2211221133三相單相 此外，額定值還有額定頻率、效率、溫升等。此外，額定值還有額定頻率、效率、溫升等。 額定值通常標注在銘牌上。額定值通常標注在銘牌上。一次側接額定電壓一次側接額定電壓U1N，二次側開路的運行狀，二次側開路的運行狀態稱為空載運行（態稱為空載運行（i2=0）。）。第二節第二節 變壓器的空載運行變壓器的空載運行N1N211u0i 1e1e2u02i2e一、空載運行物理狀況一、空載運行物理狀況v一次側繞組中的電流一次側繞組中的電

9、流 為空載電流（激磁電為空載電流（激磁電流），磁勢流），磁勢 為勵磁磁勢。為勵磁磁勢。 v主磁通主磁通 ：以鐵心為磁路（主磁路），同時：以鐵心為磁路（主磁路），同時與一次繞組與一次繞組 和二次側繞組和二次側繞組 交鏈，并在交鏈，并在兩個繞組中產生電勢兩個繞組中產生電勢 和和 ，是傳遞能量的是傳遞能量的主要媒介，屬于工作磁通。主要媒介，屬于工作磁通。 v漏磁通漏磁通 ：僅與一次繞組匝鏈，通過油或：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。空氣形成閉路，屬于非工作磁通。 01 0FN i 1 0i1N2N1e2e二、變壓器中各量正方向的規定二、變壓器中各量正方向的規定 變壓器的一次繞

10、組相當于用電電器，按用電變壓器的一次繞組相當于用電電器，按用電慣例（發動機慣例）規定各量的正方向：慣例（發動機慣例）規定各量的正方向： i0的正方向與產生它的電源電壓的正方向與產生它的電源電壓u1正方向相同；正方向相同；i0產產生的磁通正方向生的磁通正方向和和1與與i0符合右手符合右手 螺旋定則；螺旋定則；e和和正方向也符合右手螺旋定則，即正方向也符合右手螺旋定則，即 e1與與i0同方向同方向: 一次繞組的電壓方程式一次繞組的電壓方程式:10111rieeu dtdNe 11dtdNe 22dtdNe111 變壓器二次繞組對外相當于電源，按發電慣變壓器二次繞組對外相當于電源，按發電慣例（發電機

11、慣例）規定各量的正方向：例（發電機慣例）規定各量的正方向： 與與 符合右手螺旋定則；符合右手螺旋定則； 正方向與正方向與 正方向一致；正方向一致； 輸出電壓輸出電壓 的正方向與的正方向與 相同。相同。 空載時空載時: 2202, 0eui 2e 2u2e2U2i三、磁通及感應電勢三、磁通及感應電勢（1）磁通）磁通（ ）假定磁通是正弦量）假定磁通是正弦量：（2）原繞組感應電勢：）原繞組感應電勢： tm sin )90sin(cos)sin(011111 tEtNdttdNdtdNemmm mmmNfNE 11112 幅值：幅值：mmNfEE 111144. 42/有效值：有效值：10111rie

12、eu （3）原繞組漏感電勢：）原繞組漏感電勢：由于漏磁通路徑由非鐵磁材料組成，導磁系數由于漏磁通路徑由非鐵磁材料組成，導磁系數恒定，所以漏磁鏈與電流成正比。恒定，所以漏磁鏈與電流成正比。 為原繞組漏感系數為原繞組漏感系數，簡稱漏感。，簡稱漏感。 )90sin(011 tEem mmmNfNE1111212 mmNfEE1111144. 42/ 有效值：有效值：幅值：幅值：01001111iLiiNNmmL 1L 假設假設則原繞組漏感電勢可表示為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。為原繞組漏電抗，簡稱漏抗，常數。 00sinmiIt 011101sin(90 )sin(90

13、 )mmdideLwL ItdtdtEt 11010110102222mmEL ILIEL Ix I 有效值：有效值：11xL （4）副繞組感應電勢）副繞組感應電勢（5）向量表示：）向量表示： )90sin(022 tEem mmmNfNE 21222 mmNfEE 212244. 42/mNfjE 21244. 4mNfjE 11144. 4有效值：有效值：幅值：幅值：101xI jE 一次繞組和二次繞組感應電勢之比：一次繞組和二次繞組感應電勢之比：空載時，空載時， 和和 很小，很小， ， 。二。二次繞組無電流，次繞組無電流， ， ，因此有：，因此有：一次繞組和二次繞組電壓比等于匝數比一次繞

14、組和二次繞組電壓比等于匝數比 。 111121224.444.44mmf NENkEf NN kNNEEUU 2121211 e10ri11eu 11EU 220eu 220EU k（6）變壓器變比）變壓器變比 三三. 電勢平衡方程式電勢平衡方程式 原繞組：原繞組：電壓瞬時值方程寫出相量形式：電壓瞬時值方程寫出相量形式： 為原繞組漏阻抗，為常數。為原繞組漏阻抗，為常數。 因因 、 和和 都很小，都很小， 分析中可忽略，因分析中可忽略，因而有：而有： 副繞組：副繞組： 10111rIEEU 101101011ZIErIxI jEU 111jxrZ 1r1x0I0I Z11114.44UEjf N

15、 22UE 四四. .空載電流空載電流 空載電流空載電流I0由兩個分量組成：一個是建立磁場由兩個分量組成：一個是建立磁場的無功分量，稱為的無功分量，稱為磁化電流磁化電流I；一個是克服變壓器；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）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），將這部分分量稱和原繞組銅耗（一般可忽略），將這部分分量稱為為鐵耗電流鐵耗電流IFe。 由于空載電流的無功分量遠大于有功分量，所以空載由于空載電流的無功分量遠大于有功分量，所以空載電流主要是感性無功性質電流主要是感性無功性質也稱勵磁電流也稱勵磁電流Im。 電力變壓器空載電流只占額定電

16、流的電力變壓器空載電流只占額定電流的（0.50.55 5）%，隨著容量增大，空載電流相對越小。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空載電流中磁化電流一般比鐵耗電流約大1010倍。倍。 忽略鐵心損耗時空載電流忽略鐵心損耗時空載電流 空載電流空載電流i i0 0為建立鐵芯主磁通的磁化電流為建立鐵芯主磁通的磁化電流i ，由于反映鐵芯材料磁化性能的是平均磁化曲線為由于反映鐵芯材料磁化性能的是平均磁化曲線為非線性，在一定電壓下非線性，在一定電壓下, ,i大小取決于鐵芯飽和程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。度，變壓器實際工作時鐵芯一般處于飽和

17、狀態。 當磁通按正弦規律變當磁通按正弦規律變化時，勵磁電流為尖化時，勵磁電流為尖頂波。基波分量與磁頂波。基波分量與磁通同相位，無功電流通同相位，無功電流 考慮鐵心損耗時空載電流考慮鐵心損耗時空載電流 空載電流空載電流i0為不對稱尖頂波，為不對稱尖頂波，超前磁通超前磁通 為為 磁滯角磁滯角。分解可得包含與主磁通同相位的磁化。分解可得包含與主磁通同相位的磁化電流電流i ，以及比主磁通超前，以及比主磁通超前9090度的克服磁滯損耗度的克服磁滯損耗電流電流ic, ,若考慮渦流損耗，有若考慮渦流損耗，有 。因此：因此： wcFeiii Feuiii 0FeIII 0一般一般 ，將空載電流認為是磁化電流，

18、將空載電流認為是磁化電流00.01FeII 五五. 等效電路和向量圖等效電路和向量圖 對主磁通在原繞組的感應電勢對主磁通在原繞組的感應電勢 引入阻抗，引入阻抗，將將 的作用看作是電流流過阻抗的壓降。的作用看作是電流流過阻抗的壓降。 勵磁阻抗勵磁阻抗， 勵磁電抗勵磁電抗， 勵磁電阻勵磁電阻 100()mmmEI ZI rjx 1100mEUZII 1E1EmZmxmr02200FempprII22mmmxZr 110100101()mmUEI ZI ZI ZIZZ 變壓器空載等效電路變壓器空載等效電路（1） 、 為一次繞組阻抗和漏電抗，與匝數和幾為一次繞組阻抗和漏電抗，與匝數和幾何尺寸有關，為常

19、數。何尺寸有關，為常數。（2） 與與 表征鐵芯損耗和主磁路磁化性能，與表征鐵芯損耗和主磁路磁化性能，與鐵芯的發熱和鐵芯的發熱和 飽和程度有關，隨電壓變化，為飽和程度有關，隨電壓變化，為計算引入的虛擬量。計算引入的虛擬量。（3）若電壓不變，可認為）若電壓不變，可認為 不變。不變。 1r1xmrmzmZ變壓器空載向量圖變壓器空載向量圖 1xmzmFerIp20 考慮鐵耗（磁滯、渦流考慮鐵耗（磁滯、渦流），激磁電流超前主磁），激磁電流超前主磁通一個磁滯角。通一個磁滯角。 101011rIxI jEU 202UE N1N2AXax11U1I 1E1E2E2U2ILZ22E 一次側接在額定頻率、額定電壓

20、的交流電源上，一次側接在額定頻率、額定電壓的交流電源上，二次接上負載的運行狀態，稱為負載運行。二次接上負載的運行狀態，稱為負載運行。第三節第三節 變壓器的負載運行變壓器的負載運行 負載運行時，二次繞組有電流通過，將產生磁動勢負載運行時，二次繞組有電流通過，將產生磁動勢F2=I2N2，使主磁通，使主磁通發生變化，從而引起發生變化，從而引起E1、E2的變化。的變化。E1的變化又使一次繞組從空載電流的變化又使一次繞組從空載電流I0變化為負載電流變化為負載電流I1，產生磁動勢產生磁動勢F1=I1N1，它一方面建立主磁通，它一方面建立主磁通，另一方面，另一方面抵消抵消F2對主磁通的影響對主磁通的影響,

21、,主磁通由合成磁動勢產生。主磁通由合成磁動勢產生。 一、一、負載運行時的物理狀況負載運行時的物理狀況二、二、負載運行時的負載運行時的基本方程基本方程磁動勢平衡方程式磁動勢平衡方程式 變壓器負載運行時磁路上有兩個磁動勢變壓器負載運行時磁路上有兩個磁動勢, ,將一次側磁將一次側磁動勢分解為兩部分，一部分用于產生主磁通，另一部分用動勢分解為兩部分，一部分用于產生主磁通，另一部分用于抵消二次側產生的磁通，則有：于抵消二次側產生的磁通，則有：011122()NINNII 一般認為：一般認為：當電源電壓與頻率不變時，由于一次繞組漏阻抗壓降比較當電源電壓與頻率不變時，由于一次繞組漏阻抗壓降比較小，即電勢小，

22、即電勢 變化不大，可以不考慮主磁通變化不大，可以不考慮主磁通的變化，的變化，即即為常數，這樣，負載運行勵磁磁勢為空載時的磁勢。為常數，這樣，負載運行勵磁磁勢為空載時的磁勢。112210NININI 1E將磁動勢方程用電流表示：將磁動勢方程用電流表示：LIIkIIINNII102021201)()( 變壓器負載后一次繞組電流有兩個分量，一個是勵變壓器負載后一次繞組電流有兩個分量，一個是勵磁分量，用來產生負載時主磁通。另一個為負載分量，磁分量，用來產生負載時主磁通。另一個為負載分量，借助電磁耦合提供給負載。二次繞組電流改變必將引起借助電磁耦合提供給負載。二次繞組電流改變必將引起一次繞組電流變化。一

23、次繞組電流變化。 由于負載運行時勵磁電流遠比由于負載運行時勵磁電流遠比 小，因此忽略小，因此忽略I I0 0有：有：212211NIIINk 1I電動勢平衡方程式電動勢平衡方程式111 111111UEI rjI xEI Z 222 222222UEI rjI xEI Z 式中：式中： Z1、Z2 一、二次繞組的漏阻抗；一、二次繞組的漏阻抗； r1、r2 一、二次繞組的電阻；一、二次繞組的電阻； x1、x1 一、二次繞組的漏電抗。一、二次繞組的漏電抗。 由于由于 Z1、Z2較小，漏阻抗壓降可以忽略，有：較小，漏阻抗壓降可以忽略，有： 11UE 22UE 1122UEkUE 三、繞組折算三、繞組

24、折算 變壓器負載運行方程式：變壓器負載運行方程式：1111UEI Z 2222UEI Z 1021()IIIk 12/EEk 10mEI Z 22LUI Z 112ZZZZmLUk、120122IIIEEU、 、 、 繞組折算是指將變壓器的二次（或一次）繞組的匝繞組折算是指將變壓器的二次（或一次）繞組的匝數用另一個繞組的匝數來代替，同時對該繞組的電磁量數用另一個繞組的匝數來代替，同時對該繞組的電磁量作相應的變換，以保持兩側的電磁關系不變。作相應的變換，以保持兩側的電磁關系不變。 將二次繞組向一次繞組折算。即將二次繞組向一次繞組折算。即將變壓器的一次繞將變壓器的一次繞組匝數來代替二次繞組的匝數。組匝數來代替二次繞組的匝數。折算原則：折算原則：1 1）保持二保持二次側磁動勢不變；次側磁動勢不變；2 2）保持二次側各種功率或損耗不變。）保持二次側各種功率或損耗不變。 1R1X2R2X1E1ImImRmX2I2U2E1U 折算后一次側和二次側匝數相等：折算后一次側和二次側匝數相等：保持二次側磁動勢不變，即保持二次側磁動勢不變，即 N2I2= N2I2 可得可得21222EEkEUkU 22221N