1、會計(jì)學(xué)1變壓器工作原理變壓器工作原理 變壓器是一種靜止電器,它通過線圈間的電磁感應(yīng),將一種電壓等級的交流電能轉(zhuǎn)換成同頻率的另一種電壓等級的交流電能。確切地說，它具有變壓、變流、變換阻抗和隔離電路的作用。 例如，在電力系統(tǒng)中用電力變壓器把發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓升高后進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸電，到達(dá)目的地以后再用變壓器把電壓降低供用戶使用； 在實(shí)驗(yàn)室用自耦變壓器改變電源電壓； 在測量上利用儀用變壓器擴(kuò)大對交流電壓、電流的測量范圍； 在電子設(shè)備和儀器中用小功率電源變壓器提供多種電壓，用耦合變壓器傳遞信號并隔離電路上的聯(lián)系等等。 變壓器雖然大小懸殊，用途各異，但其基本結(jié)構(gòu)和工作原理是相同的。第1頁/共60頁第一節(jié) 變壓

2、器的工作原理、分類及結(jié)構(gòu)第2頁/共60頁一、變壓器的基本結(jié)構(gòu) 鐵心由鐵心柱和鐵軛兩部分組成。變壓器的主磁路，為了提高導(dǎo)磁性能和減少鐵損，用厚為、表面涂有絕緣漆的熱軋或冷軋硅鋼片疊成。 變壓器的基本結(jié)構(gòu)分為四個部分：鐵心變壓器的磁路；繞組變壓器的電路；絕緣結(jié)構(gòu)；油箱等其它部分。（一）鐵心 變壓器的鐵心中，每片硅鋼片為拼接片。在疊片時，采用疊接式，即將上下兩層疊片的接縫錯開，可縮小接縫間隙，以減小勵磁電流。如下圖所示。鐵軛鐵心柱第3頁/共60頁第4頁/共60頁 鐵心柱的截面在小型變壓器中采用方形。在容量較大的變壓器中，采用階梯形截面，如圖3-6所示。 繞組是變壓器的電路，一般用絕緣銅線或鋁線（扁線

3、或圓線）繞制而成。（二）繞組 鐵軛的截面有矩形及階梯形的，如圖3-7所示，其截面一般比鐵心柱截面大（510）%，以減小空載電流和空載損耗。 疊裝好的鐵心其鐵軛用槽鋼（或焊接夾件）及螺桿固定。鐵心柱則用環(huán)氧無緯玻璃絲粘帶綁扎。 當(dāng)采用冷軋硅鋼片時，應(yīng)用斜切鋼片的疊裝方法，可提高導(dǎo)磁系數(shù)，降低損耗，如圖3-5所示。第5頁/共60頁1U2U1u2u一次側(cè)接電源二次側(cè)接負(fù)載 如下圖所示有兩組：一個繞組與電源相連，稱為一次繞組（或原繞組），這一側(cè)稱為一次側(cè)（或原邊）；另一個繞組與負(fù)載相連，稱為二次繞組（或副繞組），這一側(cè)稱為二次側(cè)（或副邊）。第6頁/共60頁同心式繞組交迭式繞組 對于三相變壓器，根據(jù)兩組

4、繞組的相對位置，繞組可分為同心式和交疊式兩種，如以下兩圖所示。第7頁/共60頁 根據(jù)繞組和鐵心的相對位置，變壓器有殼式結(jié)構(gòu)和心式結(jié)構(gòu)兩種，如以下兩圖所示。（三）其它結(jié)構(gòu)部件 如下圖所示，油浸式電力變壓器的結(jié)構(gòu)中還包括油箱、絕緣套管、儲油柜、安全氣道等。第8頁/共60頁第9頁/共60頁二、變壓器的分類 按用途分：電力變壓器和特種變壓器。 按繞組數(shù)目分：單繞組（自耦）變壓器、雙繞組變壓器、三繞組變壓器和多繞組變壓器。 按相數(shù)分：單相變壓器、三相變壓器和多相變壓器。 按鐵心結(jié)構(gòu)分：心式變壓器和殼式變壓器。 按調(diào)壓方式分：無勵磁調(diào)壓變壓器和有載調(diào)壓變壓器。 按冷卻介質(zhì)和冷卻方式分：干式變壓器、油浸式變

5、壓器和充氣式變壓器。 我國變壓器的主要系列：SJL1（三相油浸鋁線電力變壓器）、SEL1（三相強(qiáng)油風(fēng)冷鋁線電力變壓器）、SFPSL1（三相強(qiáng)油風(fēng)冷三線圈鋁線電力變壓器）、SWPO（三相強(qiáng)油水冷自耦電力變壓器）等。 按容量分：小型、中型、大型和特大型變壓器。第10頁/共60頁連接發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的升壓變壓器連接發(fā)電機(jī)的封閉母線 與電網(wǎng)相連的高壓出線端第11頁/共60頁三相干式變壓器接觸調(diào)壓器第12頁/共60頁電源變壓器環(huán)形變壓器控制變壓器第13頁/共60頁三、變壓器的工作原理 變壓器的主要部件是一個鐵心和套在鐵心上的兩個繞組。兩繞組只有磁耦合沒電聯(lián)系。在一次繞組中加上交變電壓，產(chǎn)生交鏈一、二次繞組的

6、交變磁通，在兩繞組中分別感應(yīng)電動勢e1、e2。根據(jù)電磁感應(yīng)定律可寫出電動勢的瞬時方程式：1212de= - Ndtde= - Ndt1U2U1u2uLZ1u1i1e2e2u2i 只要：(1)磁通有變化量;(2)一、二次繞組的匝數(shù)不同，就能達(dá)到改變電壓的目的。第14頁/共60頁四、變壓器的額定值指銘牌規(guī)定的額定使用條件下所能輸出的視在功率。是輸出能力保證值。額定容量NS (kVA)指長期運(yùn)行時所能承受的工作電壓，單位：V、KV。額定電壓12NNU/ U(kV )指在額定容量下，變壓器在連續(xù)運(yùn)行時允許通過的最大電流有效值。在三相變壓器中指的是線電流。額定電流12NNI/ I( A )單位：VA、K

7、VA、MVA其實(shí)際輸出功率取決于負(fù)載的大小和性質(zhì)，即P=Scos。 U1N是指根據(jù)絕緣強(qiáng)度和允許發(fā)熱所規(guī)定的應(yīng)加在一次繞組上的正常電壓有效值。 U2N是指一次側(cè)加額定電壓時二次側(cè)的開路電壓。 在三相變壓器中額定電壓為線電壓。單位：A第15頁/共60頁 此外，額定值還有效率、溫升等。除額定值外，銘牌上還標(biāo)有變壓器的相數(shù)、聯(lián)結(jié)組和接線圖、短路電壓（或短路阻抗）的標(biāo)么值、變壓器的運(yùn)行方式及冷卻方式等。三者關(guān)系：1122112233NNNNNNNNNNSUIUISUIUI單相：三相：額定頻率fN指電源頻率，我國規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)工頻為50Hz。 為考慮運(yùn)輸，有時銘牌上還標(biāo)有變壓器的總重、油重、器身重量和外形尺寸

8、等附屬數(shù)據(jù)。第16頁/共60頁第二節(jié) 變壓器的空載運(yùn)行第17頁/共60頁一、空載運(yùn)行時的物理情況 變壓器的空載運(yùn)行是指變壓器一次繞組接在額定電壓的交流電源上，而二次繞組開路時的工作情況。1U2U1u2uu1i0主磁通 當(dāng)變壓器的一次繞組加上交流電壓u1時，一次繞組內(nèi)便有一個交變電流i0（即空載電流）流過,并建立交變磁場。N1N21漏磁通 根據(jù)電磁感應(yīng)原理，分別在一、二次繞組產(chǎn)生電動勢e1、e1和e2。e1e1e2i2=0u02第18頁/共60頁可得出：E1/E2=N1/N2U1/U2=k定義112112022NNUUENkENUU 式中k為變壓器的電壓比，即變比。根據(jù)主電動勢e1的分析方法，同

9、樣有1114.44mEjfN 1114.44EfN 漏電動勢也可以用漏抗壓降來表示，即11001EjL IjI X 由于漏磁通主要經(jīng)過非鐵磁路徑,磁路不飽和,故磁阻很大且為常數(shù),所以漏電抗 很小且為常數(shù),它不隨電源電壓負(fù)載情況而變.1XK1變壓器為降壓變壓器；K1變壓器為升壓變壓器。第19頁/共60頁（1）一次側(cè)電動勢平衡方程變壓器空載運(yùn)行時電動勢平衡方程：1114.44mUEfN 220EU忽略很小的漏阻抗壓降，并寫成有效值形式，有11114.444.44mEUfNfN則重要公式 可見，影響主磁通大小的因素有電源電壓和頻率，以及一次線圈的匝數(shù)。（2）二次側(cè)電動勢平衡方程10111RIEEU1

10、01111001ZIxjREEIIU第20頁/共60頁二、空載電流和空載損耗1. 作用與組成（一）空載電流空載電流i0包含兩個分量：2、性質(zhì)和大小性質(zhì)：空載電流主要是感性無功性質(zhì)也稱勵磁電流。 另一個是鐵損耗分量iFe,稱為鐵耗電流，主要作用是供鐵損耗（磁滯損耗和渦流損耗），超前于主磁通90度，即與E1反相。 一個是勵磁分量(無功分量) i，稱為磁化電流，作用是建立磁場，與主磁通同相；大小：與電源電壓和頻率、線圈匝數(shù)、磁路材質(zhì)及幾何尺寸有關(guān)，用空載電流百分?jǐn)?shù)I0%來表示：00N100II %I與兩個分量的相量關(guān)系：I0=I+IFE 通常IFE10%I0，故I0I第21頁/共60頁（二）空載損耗

11、 空載損耗約占額定容量的0.2%1%，而且隨變壓器容量的增大而下降。為減少空載損耗，改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的方向是采用優(yōu)質(zhì)鐵磁材料：優(yōu)質(zhì)硅鋼片、激光化硅鋼片或應(yīng)用非晶態(tài)合金。 變壓器空載運(yùn)行時，一次繞組從電源中吸取了少量的電功率P0，主要用來補(bǔ)償鐵心中的鐵耗以及少量的繞組銅耗，可認(rèn)為P0 pFe。第22頁/共60頁空載運(yùn)行小結(jié)（1）感應(yīng)電動勢E的大小與電源頻率f、繞組匝數(shù)N及鐵心中主磁通的最大值m 成正比，在相位上滯后產(chǎn)生它的主磁通90度。而主磁通的大小由電源電壓、電源頻率和一次線圈匝數(shù)決定，與磁路所用材料的性質(zhì)及幾何尺寸基本無關(guān)。（2）空載電流大小與主磁通、線圈匝數(shù)及磁路的磁阻有關(guān)。鐵心的飽和程度越高

12、，則磁導(dǎo)率越低，勵磁電抗越小，空載電流越大。因此要合理選擇鐵心截面，使磁通密度Bm為最大。（3）鐵心所用材料的導(dǎo)磁性能越好，則勵磁電抗越大，空載電流越小。因此變壓器的鐵心均用高導(dǎo)磁的材料硅鋼片疊成。（4）氣隙對空載電流影響很大，氣隙越大，空載電流越大。因此要嚴(yán)格控制鐵心疊片接縫之間的氣隙。第23頁/共60頁第三節(jié) 變壓器的負(fù)載運(yùn)行第24頁/共60頁一、負(fù)載運(yùn)行時的物理情況 變壓器一次側(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(yùn)行狀態(tài)，稱為負(fù)載運(yùn)行。AXaxLZ1U1Im11E1E2E2U2I22E第25頁/共60頁負(fù)載運(yùn)行時,忽略空載電流有:1221211或NNkIIkII表明，一、

13、二次電流比近似與匝數(shù)成反比。可見，匝數(shù)不同，不僅能改變電壓，同時也能改變電流。第26頁/共60頁第六節(jié) 變壓器的運(yùn)行特性第27頁/共60頁一、變壓器的電壓調(diào)整率和外特性1)電壓調(diào)整率 是指當(dāng)一次側(cè)接在額定電壓的電網(wǎng)上，負(fù)載的功率因數(shù)為常數(shù)時，空載與負(fù)載時二次側(cè)端電壓變化的相對值，用U*表示。即：UUUNNU121*%100)sin*cos*(*221kkXRIU 電壓調(diào)整率是表征變壓器運(yùn)行性能的重要指標(biāo)之一,它大小反映了供電電壓的穩(wěn)定性。 由表達(dá)式可知，電壓調(diào)整率的大小與負(fù)載大小、性質(zhì)及變壓器的本身參數(shù)有關(guān)。用相量圖可以推導(dǎo)出電壓變化率的表達(dá)式：第28頁/共60頁2)變壓器的外特性.),(,2

14、2特性稱為變壓器的外即規(guī)律變化的二次端電壓隨負(fù)載電流定時因數(shù)一當(dāng)電源電壓和負(fù)載功率IfU 變壓器在負(fù)載運(yùn)行中，隨著負(fù)載的增加，負(fù)載電流隨之增加，一、二次繞組上的電阻壓降及漏磁電動勢都隨之增加，二次繞組的端電壓U2將會降低。*2U)(*2I1.001.01cos28 . 0cos28 . 0)cos(2.,UcosRsinX.,U,)(;,U,)()(*s*s次次電電壓壓比比空空載載時時高高說說明明二二為為負(fù)負(fù)值值時時當(dāng)當(dāng)也也可可能能為為負(fù)負(fù)值值能能為為正正可可時時帶帶阻阻容容性性負(fù)負(fù)載載時時低低這這時時二二次次端端電電壓壓比比空空載載正正值值為為時時和和阻阻感感性性負(fù)負(fù)載載當(dāng)當(dāng)變變壓壓器器帶帶

15、阻阻性性負(fù)負(fù)載載22222000 第29頁/共60頁3)電壓調(diào)整 為了保證二次端電壓在允許范圍之內(nèi),通常在變壓器的高壓側(cè)設(shè)置抽頭,并裝設(shè)分接開關(guān),調(diào)節(jié)變壓器高壓繞組的工作匝數(shù),來調(diào)節(jié)變壓器的二次電壓。 中、小型電力變壓器一般有三個分接頭，記作UN 5%。大型電力變壓器采用五個或多個分接頭,例UN 2x2.5%或UN 8x1.5%。 分接開關(guān)有兩種形式：一種只能在斷電情況下進(jìn)行調(diào)節(jié)，稱為無載分接開關(guān)-這種調(diào)壓方式稱為無勵磁調(diào)壓；另一種可以在帶負(fù)荷的情況下進(jìn)行調(diào)節(jié)，稱為有載分接開關(guān)-這種調(diào)壓方式稱為有載調(diào)壓。第30頁/共60頁二、變壓器的損耗與效率1)變壓器的損耗變壓器的損耗主要是鐵損耗和銅損耗兩

16、種。 鐵損耗包括基本鐵損耗和附加鐵損耗。基本鐵損耗為磁滯損耗和渦流損耗。附加損耗包括由鐵心疊片間絕緣損傷引起的局部渦流損耗、主磁通在結(jié)構(gòu)部件中引起的渦流損耗等。 鐵損耗與外加電壓大小有關(guān)，而與負(fù)載大小基本無關(guān)，故也稱為不變損耗。 銅損耗分基本銅損耗和附加銅損耗。基本銅損耗是在電流在一、二次繞組直流電阻上的損耗；附加損耗包括因集膚效應(yīng)引起的損耗以及漏磁場在結(jié)構(gòu)部件中引起的渦流損耗等。 銅損耗大小與負(fù)載電流平方成正比，故也稱為可變損耗。第31頁/共60頁2)變壓器的效率效率是指變壓器的輸出功率與輸入功率的比值。21100P=%P 效率大小反映變壓器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性能的好壞，是表征變壓器運(yùn)行性能的重要指

17、標(biāo)之一。%100)21 (%100)11(%10012CuFeCuFepppppPpppp 根據(jù)上式，可通過空載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)，求出變壓器的鐵心損耗和銅損，然后計(jì)算效率。第32頁/共60頁對上式采用以下幾個假設(shè)：1)以額定電壓下的空載損耗p0作為鐵心損耗pFe，并認(rèn)為鐵耗不隨負(fù)載發(fā)生變化。2222cosImUP 2) 以額定電流時的短路損耗PKN作為銅損耗PCu，并認(rèn)為銅耗與負(fù)載電流的平方成正比。3)由于變壓器的電壓調(diào)整率很小，負(fù)載時U2的變化可以不考慮。因此：功率公式可以寫成:%100)*0cos*1 (2222220KNNKNpIpSIpIp變壓器效率與負(fù)載的大小及功率因數(shù)有關(guān)。第33頁/

18、共60頁效率特性：在功率因數(shù)一定時，變壓器的效率與負(fù)載電流之間的關(guān)系=f(I2),稱為變壓器的效率特性。0maxppkN0 為了提高變壓器的運(yùn)行效益，設(shè)計(jì)時應(yīng)使變壓器的鐵損耗小些。第34頁/共60頁第七節(jié) 三相變壓器第35頁/共60頁一、三相變壓器的磁路系統(tǒng)（一）三相變壓器組特點(diǎn)是：三相磁路彼此無關(guān)。1U2Uu1V2Vv1W2Ww（二）三相心式變壓器1U2U1u2uu1V2V1v2vv1W2W1w2ww特點(diǎn)是：三相磁路彼此有關(guān)聯(lián)。第36頁/共60頁二、三相變壓器的電路系統(tǒng)聯(lián)結(jié)組（一）變壓器的端頭標(biāo)號繞組繞組名稱名稱單相變壓器三相變壓器中性點(diǎn)首端首端末端末端首端首端末端末端高壓高壓繞組繞組U1U

19、2U1、V2、W1U2、V2、W2N低壓低壓繞組繞組u1u2u1、v1、w1u2、v2、w2n中壓中壓繞組繞組U1mU2mU1m、V1m、W1mU2m、V2m、W2mNm第37頁/共60頁（二）單相變壓器的極性*1U2U1u2u*1U2U1u2u一、二次繞組的首端的極性相同時，一、二次繞組的電動勢同相位。*1U2U1u2u1U2U1u2u一、二次繞組的首端的極性不同時，一、二次繞組的電動勢反相位。繞組的極性只取決于繞組的繞向,與繞組的首、末端的標(biāo)示無關(guān)第38頁/共60頁（三）三相變壓器的連接組別1、聯(lián)結(jié)組的定義定義：按一、二次側(cè)線電勢的相位關(guān)系,把變壓器繞組的連接分成各種不同的組合,稱為繞組的

20、聯(lián)結(jié)組。2、聯(lián)結(jié)組的表達(dá)形式在三相變壓器中，對于一次繞組或二次繞組，主要采用星型和三角形兩種聯(lián)結(jié)形式。我國生產(chǎn)的三相電力變壓器常用Y,yn、Y,d、YN,d等三種聯(lián)結(jié)。為了制造和并聯(lián)運(yùn)行時的方便，我國規(guī)定Y,yn0;Y,d11;YN,d11;YN,y0;Y,y0等五種作為三相電力變壓器的標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)結(jié)組。第39頁/共60頁繞組的連接形式UVWUVW各相繞組末端連接在一起，首端引出為星型連接（Y連接）。各相繞組首、末端依次連接在一起形成回路，首端引出為三角形型連接（D連接）。第40頁/共60頁UV Wvuw連接組別為Y,d7連接組別為D,d4第41頁/共60頁四、變壓器的并聯(lián)運(yùn)行并聯(lián)運(yùn)行的理想情況：并

21、聯(lián)運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)： 并聯(lián)運(yùn)行是指將幾臺變壓器的一、二次繞組分別接在一、二次側(cè)的公共母線上，共同向負(fù)載供電的運(yùn)行方式。1、空載時各變壓器繞組之間無環(huán)流；2、負(fù)載時，各變壓器的負(fù)載系數(shù)相等；3、負(fù)載后，各變壓器的負(fù)載電流與總的負(fù)載電流同相位。1、提高供電的可靠性；3、提高供電的經(jīng)濟(jì)性。2、可以根據(jù)負(fù)載的大小調(diào)整投入并聯(lián)運(yùn)行變壓器的臺數(shù)，以提高運(yùn)行效率。第42頁/共60頁 為了達(dá)到上述理想運(yùn)行情況，并聯(lián)運(yùn)行的變壓器需滿足以下條件：1、各臺變壓器一、二次側(cè)的額定電壓應(yīng)分別相等，并且各臺變壓器的變比應(yīng)相等；2、各臺變壓器的聯(lián)結(jié)組別必須相同；3、各臺變壓器的短路阻抗（或短路電壓）的標(biāo)么值要相等。其中，第二條必

22、須絕對滿足。第43頁/共60頁（一）變比不等時變壓器的并聯(lián)運(yùn)行II Ik k 當(dāng)變壓器的變比不等時，在空載時，環(huán)流 就存在。變比差越大，環(huán)流越大。由于變壓器的短路阻抗很小，即使變比差很小，也會產(chǎn)生很大的環(huán)流。環(huán)流的存在，既占用了變壓器的容量，又增加了變壓器的損耗，這是很不利的。CI 為了保證空載時環(huán)流不超過額定電流的10%，通常規(guī)定并聯(lián)運(yùn)行的變壓器的變比差不大于1%。第44頁/共60頁（二）聯(lián)結(jié)組別不同時變壓器的并聯(lián)運(yùn)行 連接組別不同時，二次側(cè)線電壓之間至少相差300，則二次線電壓差為線電壓的51.8%，由于變壓器的短路阻抗很小,這么大的電壓差將產(chǎn)生幾倍于額定電流的空載環(huán)流，會燒毀繞組，所以聯(lián)結(jié)組別不同絕不允許并聯(lián)。第45頁/共60頁（三）短路阻抗標(biāo)么值不等時變壓器的并聯(lián)運(yùn)行 各臺變壓器所分擔(dān)的負(fù)載大小與其短路阻抗標(biāo)么值成反比。 為了充分變壓器的容量，理想的負(fù)載分配，應(yīng)使各臺變壓器的負(fù)載系數(shù)相等，而且短路阻抗標(biāo)值相等。第46頁/共60頁 變壓器運(yùn)行規(guī)程規(guī)定：在任何一臺變壓器不過負(fù)荷