【正文】 第 五 章 變 壓 器 51概述 變壓器是一種靜止的電氣設(shè)備。它把一種電壓和電流的交流電能轉(zhuǎn)換成頻率相同的另一種電壓和電流的交流電能。 在電力系統(tǒng)中，變壓器是一種重要的電氣設(shè)備。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)是旋轉(zhuǎn)電機(jī)，電壓不宜過(guò)高（大容量發(fā)電機(jī)的容量一般為 10. 5 kW20 kW)，而要把大功率的電能從發(fā)電廠輸送到遠(yuǎn)距離的用電廠，最好采用高電壓輸電，以減小輸電線路的用線量和功率損耗。因?yàn)楫?dāng)輸送的電功率及功率因數(shù)一定時(shí)，電壓越高，電路電流越小，在線路電阻一定時(shí)，損耗就越小。為此必須用輸電變壓器將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓升高到輸電電壓（例如可高達(dá)500 kV）。 ? 第 五 章 變 壓 器 51概述 ? 建筑用電的來(lái)源主要有兩個(gè)，一種是通過(guò)國(guó)家電力系統(tǒng)，示意圖如圖51所示；另一種是自備發(fā)電機(jī)。前者為主，因?yàn)槿萘看?，效率高、成本低。為了降低供電線路電能的損失，粗常采用高壓輸電。而用戶為了安全采用低壓電。將 1kV以下稱作低壓。 第 五 章 變 壓 器 51概述 但一般用電裝置并不需要如此高的電壓，如大型動(dòng)力用電為 10 kV或 6 kV；小型動(dòng)力用電為 380 V/220 V電扇、照明、收音機(jī)等用 220 V或 110 V；車床照明用電為 36 V低壓。所以又必須用配電變壓器把電壓降低到用戶所需的電壓。 現(xiàn)代多數(shù)飛機(jī)采用了交流供電，主電網(wǎng)為 208 V/115 V、 400 ，飛機(jī)電網(wǎng)中要求的電源電壓也各不相同，如陀螺儀及機(jī)上照明為 36 V,通訊、雷達(dá)、控制保護(hù)等設(shè)備所用的電壓種類則更多了，此外還需要用變壓整流器獲得各種電壓的直流電等，這些都要依靠變壓器來(lái)完成 第 五 章 變 壓 器 51概述 ? 變壓器的種類很多，可按用途、結(jié)構(gòu)、冷卻方式和相數(shù)來(lái)分類。 ? 以用途分： 有電源變壓器、調(diào)壓變壓器、脈沖變壓器，還有參數(shù)變壓器及其它特殊變壓器。 ? 以結(jié)構(gòu)分： 有鐵心式、鐵殼式和卷環(huán)式三種，航空上多用卷環(huán)式。 ? 以冷卻方式分： 有空氣冷卻的干式變壓器、油冷式和油浸式，航空上多用干式；地面大容量變壓器采用油浸式。 ? 按相數(shù)分： ? 有單相和三相。本章重點(diǎn)對(duì)單相變壓器予以介紹。 第 五 章 變 壓 器 51概述 單相變壓器主要由鐵心和繞組兩部件組成。 變壓器鐵心主要是用作磁路，同時(shí)亦用來(lái)支承繞組。通常鐵心用硅鋼片疊裝而成，硅鋼片厚度一般為0． 35 mm0. 5 mm，鋼片表面有氧化膜或絕緣漆作為片間絕緣以減少渦流。航空上常用 0. 2 mm或 0. 08 mm的冷鋼片。 硅鋼片形狀有兩邊不等長(zhǎng)的 Л形、條形和 E形，它們均交錯(cuò)相疊，使其相鄰兩片間的接縫錯(cuò)開(kāi)，這可減少鋼片接縫處的磁阻，如圖 5一 1所示。 卷環(huán)式硅鋼帶在順著碾壓方向上有著較高的導(dǎo)磁率和較低的比損耗，因此目前很多變壓器都采用卷環(huán)式，如圖5一 2所示。 繞在變壓器鐵心上的線圈，稱為變壓器的繞組，接在交流電源的繞組稱為一次繞組（過(guò)去稱原邊繞組或初級(jí)繞組），接有負(fù)載的繞組稱為二次繞組（過(guò)去稱為副邊繞組或次級(jí)繞組）。 ? 2 ? 一般情況下，變壓器一、二次繞組圈數(shù)不等，電壓不同。如果一次電壓高于二次電壓，稱為降壓變壓器，反之稱為升壓變壓器。變壓器的繞組是用紗包線或高強(qiáng)度漆包的扁銅或圓銅線繞成。 ? 鐵心式變壓器的繞組繞在兩個(gè)鐵心柱上（繞組包圍鐵心），故稱鐵心式。鐵心式變壓器的低壓繞組在內(nèi)（其電壓較低，容易與鐵心絕緣）高壓繞組在外，見(jiàn)圖 5一 1(a)。 鐵殼式變壓器的高、低壓繞組交替放置，一起繞在中間鐵心柱上（鐵心包圍繞組），故稱鐵殼式，見(jiàn)圖 5一 1(b)。鐵殼式一般用于小功率變壓器。 52單相變壓器的空載運(yùn)行 變壓器的空載運(yùn)行是指一次繞組接于電源，而二次繞組開(kāi)路時(shí)的狀態(tài)。 一、空載運(yùn)行的電壓平衡式 圖 5一 3是鐵心式雙繞組（一、二次繞組匝數(shù)分別為 N1和N2）變壓器的空載運(yùn)行示意圖。當(dāng)一次繞組接到交流電源的電壓 u1時(shí)，就有空載電流 i0流過(guò)，產(chǎn)生空載磁動(dòng)勢(shì) io N1，由此在磁路中產(chǎn)生交變磁通。 效果演示 ? 由于鐵心磁導(dǎo)率比空氣大得多，所以磁通絕大部分通過(guò)鐵心而閉合，同時(shí)匝鏈繞組 N1和 N2的這部分磁通稱主磁通或互感磁通，以 Φ表示。主磁通在兩個(gè)繞組中分別感應(yīng)出主電動(dòng)勢(shì) e1,和 N1,和 N2不等，主感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) e1,和 e2就不等，那么 u1和 u20也不等，這就達(dá)到變壓的目的。另外，由于主電動(dòng)勢(shì) e1和 e2由同一交變磁通 Φ(其頻率由電源決定）感應(yīng)出來(lái)的，因此 e1,e2 ,u1和 u20的頻率均與 Φ的頻率相同。 ? 可以看出，能量傳遞是以主磁通 Φ作為媒介的；另有很少一部分磁通經(jīng)過(guò)空氣閉合，它只匝鏈一次繞組 N1，并感應(yīng)漏電動(dòng)勢(shì) eσ1。而不匝鏈二次繞組，故稱一次漏磁通，以 Φ σ1表示，它不起能量傳遞作用。另外，如果忽略鐵心部分的磁阻，則 Φ σ1的磁路的磁阻是不變的。 ? 圖 5一 3所示各交變的物理量的正方向是根據(jù)電工慣例確定的。可首先確定磁通 Φ的參考正方向，繞組上的電動(dòng)勢(shì) e1,e2和 eσ1與空載電流 i ０ 正方向取為相同，它們與磁通 Φ的正方向 ? 符合右手螺旋法則． ? 在一次邊規(guī)定空載電流 i０ 與外加電壓 u１的正方向一致，即把一次繞組當(dāng)作一個(gè)用電“負(fù)載”。根據(jù)基爾霍夫第二定律，可列出空載一次邊電壓平衡式 ? u1＝ e1e2＋ i0r1 （ 5一 la) ? 式中， r,為一次繞組電阻 。 第 五 章 變 壓 器 52變壓器的空載運(yùn)行 ? 二次繞組的空載端電壓 u2o由電動(dòng)勢(shì) e2產(chǎn)生，采用發(fā)電機(jī)慣例確定的正方向如圖 53所示（有負(fù)載時(shí)，從負(fù)載上看 i2與 u2的正方向一致），可列出空載二次邊電壓平衡式 ? u20＝ e2 （ 5一 lb) ? 若電壓、電動(dòng)勢(shì)及電流均為正弦交變量，則可列出用相量表示的空載一二次邊電壓平衡式 ? 217。1= 200。1200。e1+205。0r1 （ 5一 2) ? 217。20=200。2 ? 注意上述各物理量的正方向可以人為任意規(guī)定的，規(guī)定正方向不同，對(duì)應(yīng)電壓平衡式中物理量的符號(hào)則不同。 要深人分析變壓器的工作原理，就要對(duì)平衡式 (5一 2)中各項(xiàng)進(jìn)一步進(jìn)行分析，下面將對(duì)主、漏電動(dòng)勢(shì)及空載電流進(jìn)行分析。 第 五 章 變 壓 器 52變壓器的空載運(yùn)行 ? 二、電動(dòng)勢(shì)及空載電流的分析 ? ? 實(shí)際變壓器的繞組電阻、漏磁通和鐵心損耗都是很小的，為了簡(jiǎn)化分析問(wèn)題，先忽略這些次要因素，即認(rèn)為空載時(shí)一次繞組為理想純感性繞組。設(shè)外加電源電壓按余弦規(guī)律變化，其瞬時(shí)值為 ? u1= 2U1cosωt （ 5一 3) ? 式中： U1為電源電壓有效值， ω = 2πf1為電源的角頻率 ,f1為電源的頻率。電源電壓加在 ? 純電感的一次繞組上，故產(chǎn)生純感性的空載電流i。，其相位滯后 u1900，瞬時(shí)值為 : ? i。＝ 2Ⅰ 0 sin ω t （ 5一 4）｝ ? 第 五 章 變 壓 器 52變壓器的空載運(yùn)行 ? 空載電流 i。激勵(lì)建立主磁通 Φ，且兩者同相位，故主磁通按正弦規(guī)律變化，其瞬時(shí)值為 ? Φ＝ Φ m sin ω t (5一 5) ? 式中， Φ m為主磁通的幅值。根據(jù)電磁感應(yīng)定律由主磁通感應(yīng)產(chǎn)生的一、二次主電動(dòng)勢(shì)瞬 ? 時(shí)值分別為 ? e1＝一 N1d Φ /dt＝一 N1 Φ mcos ω t＝ 2E1sin（ ω t一900） ? e2＝一 N2一 N1d Φ /dt –ωN2 Φ m mcos ω t＝ 2E2sin (ω t一 900） (56) ? 式中， E1， E2分別為一、二次主電動(dòng)勢(shì)的有效值，由上式可得 ? E1=2πf1N1 Φ m/ 2= N1 Φ m （ 5一 7) ? E2=2πf1N2 Φ m/ 2= N2 Φ m ? 式中： Φ m的單位為 Wb。 f1的單位為 Hz。 E的單位則為 V. ? 根據(jù)以上分析可以得出以下結(jié)論： 第 五 章 變 壓 器 52變壓器的空載運(yùn)行 ? (1)假設(shè) r1=0， Eσ1=0時(shí)，由 (5一 2)式可得出 ? U1≈E1＝ f1 N1 Φ m （ 5一 8) ? 此式表明，在 f1和 N1一定時(shí)，主磁通 Φ m的大小取決于電源電壓的大小，而與鐵心材料的導(dǎo)磁性能、飽和程度、尺寸大小無(wú)直接關(guān)系。另一方面，在 U1一定時(shí)，若 f1或 N1，變化，則主磁通也將與其成反比變化． (2)由式 (5一 6)可知 200。1和 200。2滯后 Φ m 900，并與 U1相位相反。用相量表示上述各量之間的關(guān)系如圖 54(b)所示。圖中把主磁通 Φ m相量作基準(zhǔn)畫(huà)在水平向右時(shí)， 200。1和 200。2順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 900,即垂直向下。 U1方向與 200。1 ，相差 1800，即垂直向上。各物理量瞬時(shí)波形圖見(jiàn)圖 5一 4(a)。