自動化元件_05變壓器1

1、第三章第三章 變壓器變壓器 v 用途、工作原理及結(jié)構(gòu)用途、工作原理及結(jié)構(gòu) 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(yīng)原變壓器是一種靜止電機，利用電磁感應(yīng)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(jié)第一節(jié) 用途、工作原理及結(jié)構(gòu)用途、工作原理及結(jié)構(gòu) 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

2、組中施加如果在一次繞組中施加交變電壓交變電壓，在磁路中將產(chǎn)生交變，在磁路中將產(chǎn)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(chǎn)，該磁通交鏈一、二次繞組，分別在兩繞組中產(chǎn) 生感應(yīng)電動勢。生感應(yīng)電動勢。 dt d Ne dt d Ne 22 11 如果不計一、二次繞組的內(nèi)阻以及鐵耗，切不計漏如果不計一、二次繞組的內(nèi)阻以及鐵耗，切不計漏 磁通，則耦合系數(shù)磁通，則耦合系數(shù)kc=1（理想變壓器）。理想變壓器）。根據(jù)電磁定律，根據(jù)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： 111 222 111 222 12 21 d ueN dt d ueN dt UEN UEN UI U

3、I 變壓器變比，改變壓器變比，改 變匝數(shù)比即可改變匝數(shù)比即可改 變電壓。變電壓。 k N N 2 1 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(jié)構(gòu)鐵心結(jié)構(gòu)相數(shù)相數(shù) 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(shù)目繞組數(shù)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

4、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(jié)構(gòu)四、變壓器的基本結(jié)構(gòu) 鐵心鐵心 變壓器的主磁路，變壓器的主磁路，為了提高磁路導(dǎo)磁性能和為了提高磁路導(dǎo)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(jié)構(gòu)的基本形式分為：鐵心結(jié)構(gòu)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：

5、心式：鐵軛靠著繞組的頂面和底面。而不包圍繞組側(cè)面，鐵軛靠著繞組的頂面和底面。而不包圍繞組側(cè)面， 結(jié)構(gòu)簡單，裝配及絕緣容易，國產(chǎn)變壓器大多采用心式結(jié)結(jié)構(gòu)簡單，裝配及絕緣容易，國產(chǎn)變壓器大多采用心式結(jié) 構(gòu)。（電力變壓器常采用的結(jié)構(gòu)）構(gòu)。（電力變壓器常采用的結(jié)構(gòu)） 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(cè)面，這種結(jié)鐵軛包圍繞組的頂面和底面，也包圍側(cè)面，這種結(jié) 構(gòu)機械強度較好，但制造工藝復(fù)雜，用材料較多。構(gòu)機械強度較好，但制造工藝復(fù)雜，用材料較多。 其他結(jié)構(gòu)部件其他結(jié)構(gòu)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

6、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?？煞譃橥氖胶徒化B式兩類。扁銅線繞制而成?？煞譃橥氖胶徒化B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

7、容量油浸式電力變壓器的外形結(jié)構(gòu)中等容量油浸式電力變壓器的外形結(jié)構(gòu) 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(cè)額定端電壓為一次側(cè)額定電壓，：一次側(cè)額定端電壓為一次側(cè)

8、額定電壓， 二次側(cè)指一次側(cè)加額定電壓時二次側(cè)的空載電壓。三相變二次側(cè)指一次側(cè)加額定電壓時二次側(cè)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。 NNNNN NNNNN IUIUS: IUIUS: 2211 2211 33 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(biāo)注在銘牌上。額定值通常標(biāo)注在銘牌上。 一次側(cè)接額定電壓一次側(cè)接額定電壓U1N，二次側(cè)開路的運行狀，二

9、次側(cè)開路的運行狀 態(tài)稱為空載運行（態(tài)稱為空載運行（i2=0）。）。 第二節(jié)第二節(jié) 變壓器的空載運行變壓器的空載運行 N1N2 1 1 u 0 i 1 e 1 e 2 u 0 2 i 2 e 一、空載運行物理狀況一、空載運行物理狀況 v一次側(cè)繞組中的電流一次側(cè)繞組中的電流 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(cè)繞組和二次側(cè)繞組 交鏈，并在交鏈，并在 兩個繞組中產(chǎn)生電勢兩個繞組中產(chǎn)生電勢 和和 ， ，是傳遞能量的 是傳遞能量的 主要媒介，屬于工

10、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?？諝庑纬砷]路，屬于非工作磁通。 01 0 FN i 1 0 i 1 N 2 N 1 e 2 e 二、變壓器中各量正方向的規(guī)定二、變壓器中各量正方向的規(guī)定 變壓器的一次繞組相當(dāng)于用電電器，按用電變壓器的一次繞組相當(dāng)于用電電器，按用電 慣例（發(fā)動機慣例）規(guī)定各量的正方向：慣例（發(fā)動機慣例）規(guī)定各量的正方向： i0的正方向與產(chǎn)生它的電源電壓的正方向與產(chǎn)生它的電源電壓u1正方向相同；正方向相同；i0產(chǎn)產(chǎn) 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

11、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: 10111 rieeu dt d Ne 11 dt d Ne 22 dt d Ne 1 11 變壓器二次繞組對外相當(dāng)于電源，按發(fā)電慣變壓器二次繞組對外相當(dāng)于電源，按發(fā)電慣 例（發(fā)電機慣例）規(guī)定各量的正方向：例（發(fā)電機慣例）規(guī)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 2 e 2 u 2

12、e 2 U 2 i 三、磁通及感應(yīng)電勢三、磁通及感應(yīng)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(yīng)電勢：）原繞組感應(yīng)電勢： t m sin )90sin(cos )sin( 0 11 111 tEtN dt td N dt d Ne mm m mmm NfNE 1111 2 幅值：幅值： mm NfEE 1111 44. 42/有效值：有效值： 10111 rieeu （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(dǎo)磁系數(shù)由于漏磁通路徑由非鐵磁材料組成，導(dǎo)磁系數(shù) 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

13、繞組漏感系數(shù)為原繞組漏感系數(shù)，簡稱漏感。，簡稱漏感。 )90sin( 0 11 tEe m mmm NfNE 111121 2 mm NfEE 11111 44. 42/ 有效值：有效值： 幅值：幅值： 010 0 1 111 iLi i NN m mL 1 L 假設(shè)假設(shè) 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(shù)。為原繞組漏電抗，簡稱漏抗，常數(shù)。 00 sin m iIt 0 1110 1 sin(90 ) sin(90 ) m m did eLwL It dtdt Et 11010 11010 2 222 mm EL ILI EL Ix I 有效值：有

14、效值： 11 xL （4）副繞組感應(yīng)電勢）副繞組感應(yīng)電勢 （5）向量表示：）向量表示： )90sin( 0 22 tEe m mmm NfNE 2122 2 mm NfEE 2122 44. 42/ m NfjE 21 244. 4 m NfjE 11 144. 4 有效值：有效值： 幅值：幅值： 10 1xI jE 一次繞組和二次繞組感應(yīng)電勢之比：一次繞組和二次繞組感應(yīng)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(shù)比一次繞組和二次繞組電壓比等于匝數(shù)比 。 1111 2122 4.44 4

15、.44 m m f NEN k Ef NN k N N E E U U 2 1 2 1 2 1 1 e 10r i 11 eu 11 EU 220 eu 220 EU 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(shù)。為原繞組漏阻抗，為常數(shù)。 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： 10111 rIEEU 101101011 ZIErIxI jEU 111 jxrZ 1 r 1 x 0 I 0 I Z 1111 4.

16、44UEjf N 22 UE 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(yuǎn)大于有功分量，所以空載由于空載電流的無功分量遠(yuǎn)大于有功分量，所以空載 電流主要是感性無功性質(zhì)電流主要是感性無功性質(zhì)也稱勵磁電流也稱勵磁電流Im。

17、電力變壓器空載電流只占額定電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(tài)。

18、度，變壓器實際工作時鐵芯一般處于飽和狀態(tài)。 當(dāng)磁通按正弦規(guī)律變當(dāng)磁通按正弦規(guī)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： wcFe iii Feu iii 0

19、 Fe III 0 一般一般 ，將空載電流認(rèn)為是磁化電流，將空載電流認(rèn)為是磁化電流 0 0.01 Fe II 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(yīng)電勢對主磁通在原繞組的感應(yīng)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( ) mmm EI ZI rjx 11 00 m EU Z II 1 E 1 E m Z m x m r 0 22 00 Fe m pp r II 22 mmm xZr 110100101 () mm UEI ZI ZI ZIZZ 變

20、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(shù)和幾為一次繞組阻抗和漏電抗，與匝數(shù)和幾 何尺寸有關(guān)，為常數(shù)。何尺寸有關(guān)，為常數(shù)。 （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(fā)熱和鐵芯的發(fā)熱和 飽和程度有關(guān)，隨電壓變化，為飽和程度有關(guān)，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(rèn)為）若電壓不變，可認(rèn)為 不變。不變。 1 r 1 x m r m z m Z 變壓器空載向量圖變壓器空載向量圖 1 x m z mFe rIp 2 0 考慮鐵耗（磁滯、渦流考慮鐵耗（磁滯、渦流 ），激磁電流超前主磁）

21、，激磁電流超前主磁 通一個磁滯角。通一個磁滯角。 101011 rIxI jEU 202 UE N1N2 A X a x 1 1 U 1 I 1 E 1 E 2 E 2 U 2 I L Z 2 2 E 一次側(cè)接在額定頻率、額定電壓的交流電源上，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)載的運行狀態(tài)，稱為負(fù)載運行。二次接上負(fù)載的運行狀態(tài)，稱為負(fù)載運行。 第三節(jié)第三節(jié) 變壓器的負(fù)載運行變壓器的負(fù)載運行 負(fù)載運行時，二次繞組有電流通過，將產(chǎn)生磁動勢負(fù)載運行時，二次繞組有電流通過，將產(chǎn)生磁動勢 F2=I2N2，使主磁通，使主磁通發(fā)生變化，從而引起發(fā)生變化，從而引起E1、E2的變化。的變化。

22、 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(fù)載電流變化為負(fù)載電流I1， 產(chǎn)生磁動勢產(chǎn)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, ,主磁通由合成磁動勢產(chǎn)生。主磁通由合成磁動勢產(chǎn)生。 一、一、負(fù)載運行時的物理狀況負(fù)載運行時的物理狀況 二、二、負(fù)載運行時的負(fù)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(fù)載運行時磁路上有兩個磁動勢變壓器負(fù)載運行時磁路上有兩個磁動勢, ,將一次側(cè)磁將一次側(cè)磁 動勢分解為兩部分，一部分用于產(chǎn)生主磁通，另一部分用動勢分解為兩部分，一部分用

23、于產(chǎn)生主磁通，另一部分用 于抵消二次側(cè)產(chǎn)生的磁通，則有：于抵消二次側(cè)產(chǎn)生的磁通，則有： 011122 ()NINNII 一般認(rèn)為：一般認(rèn)為： 當(dāng)電源電壓與頻率不變時，由于一次繞組漏阻抗壓降比較當(dāng)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，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(shù)，這樣，負(fù)載運行勵磁磁勢為空載時的磁勢。為常數(shù)，這樣，負(fù)載運行勵磁磁勢為空載時的磁勢。 112210 NININI 1 E 將磁動勢方程用電流表示：將磁動勢方程用電流表示： L II k I II N N II 10 2 02 1 2 01 )()( 變

24、壓器負(fù)載后一次繞組電流有兩個分量，一個是勵變壓器負(fù)載后一次繞組電流有兩個分量，一個是勵 磁分量，用來產(chǎn)生負(fù)載時主磁通。另一個為負(fù)載分量，磁分量，用來產(chǎn)生負(fù)載時主磁通。另一個為負(fù)載分量， 借助電磁耦合提供給負(fù)載。二次繞組電流改變必將引起借助電磁耦合提供給負(fù)載。二次繞組電流改變必將引起 一次繞組電流變化。一次繞組電流變化。 由于負(fù)載運行時勵磁電流遠(yuǎn)比由于負(fù)載運行時勵磁電流遠(yuǎn)比 小，因此忽略小，因此忽略I I0 0有：有： 2 122 1 1N III Nk 1 I 電動勢平衡方程式電動勢平衡方程式 111 111111 UEI rjI xEI Z 222 222222 UEI rjI xEI Z

25、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： 11 UE 22 UE 11 22 UE k UE 三、繞組折算三、繞組折算 變壓器負(fù)載運行方程式：變壓器負(fù)載運行方程式： 1111 UEI Z 2222 UEI Z 102 1 ()III k 12 /EEk 10m EI Z 22L UI Z 112 ZZZZ mL Uk 、 120122 IIIEEU 、 、 、 繞組折算是指

26、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(shù)用另一個繞組的匝數(shù)來代替，同時對該繞組的電磁量數(shù)用另一個繞組的匝數(shù)來代替，同時對該繞組的電磁量 作相應(yīng)的變換，以保持兩側(cè)的電磁關(guān)系不變。作相應(yīng)的變換，以保持兩側(cè)的電磁關(guān)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(shù)來代替二次繞組的匝數(shù)。組匝數(shù)來代替二次繞組的匝數(shù)。折算原則：折算原則：1 1）保持二保持二 次側(cè)磁動勢不變；次側(cè)磁動勢不變；2 2）保持二次側(cè)各種功率或損耗不變。）保持二次側(cè)各種功率或損耗不變。 1 R 1 X 2 R 2 X 1 E 1 I mI m R m X 2 I 2 U 2 E 1 U 折算后一次側(cè)和二次側(cè)匝數(shù)相等：折算后一次側(cè)和二次側(cè)匝數(shù)相等： 保持二次側(cè)磁動勢不變，即保持二次側(cè)磁動勢不變，即 N2I2= N2I2 可得可得 212 22 EEkE UkU 222 2 1 N II I Nk 2 22 2 22 2 22 2 LL rk r xk x Zk Z Zk Z 保持