【正文】 第三章 變壓器 本章以普通 雙繞組電力變壓器 為主要研究對象。 在闡明變壓器的 工作原理 之后，介紹變壓器的 分類 及 主要結(jié)構(gòu) ，著重敘述單相變壓器的 基本原理 及 運(yùn)行特性 ，并針對 三相變壓器特點 對有關(guān)問題加以探討。 2 變壓器 是 電力系統(tǒng) 中 生產(chǎn) 、 輸送 、 分配 、 使用電能 中的 重要裝置 ，也 是 電力拖動系統(tǒng) 和 自動控制系統(tǒng) 中 電能傳遞 或作為 信號傳輸 的 重要元件 。 變壓器也能做 特種電源 和其他特殊需要。 第一節(jié) 變壓器的工作原理、分類及結(jié)構(gòu) 一、變壓器的工作原理 變壓器是 利用 電磁感應(yīng)原理 ， 從 一個電路 向 另一個電路傳遞電能 或 傳輸信號 的一種 電器 。 變壓器可 將 一種電壓 的 交流電能 變換為 同頻率 的 另一種電壓 的 交流電能 。 變壓器是 靜止 的 電磁裝置 。 控制變壓器 變壓器的主要部件： 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 ， 同 頻率 ， 電壓電流 不同 ，相數(shù) 也 可不同 。 與 電源相連 的 線圈 ， 接收 交流電能 ，稱 為 一次繞組 或 輸入繞組 。 與 負(fù)載相連 的 線圈 ， 送出 交流電能 ，稱 為 二次繞組 或 輸出繞組 。 . 變壓器原理圖 正方向 按 電工慣例 假設(shè)無 漏磁通 8 一次 繞組 的 參量 ： 電壓相量 U 電流 相量 I 電動勢 相量 E匝數(shù) N1。 二次 繞組 的 參量 ： 電壓相量 U電流相量 I電動勢相量 E匝數(shù) N2。 . . . . . . . . . 9 變壓器 的 兩個繞組 若 套在 同一個鐵心柱上 ,以 增大 其 耦合作用 。 在 一次繞組 中 加上 交變電壓 ， 產(chǎn)生 交鏈一 、 二次繞組 的 交變磁通 ，在 兩繞組中 分別 感應(yīng)電動勢 。 同時交鏈 一次 、 二次繞組 的 磁通量 的 相量 為 Φ m,該磁通量稱 為主磁通 ,是 實現(xiàn)電磁能量轉(zhuǎn)換 的 介質(zhì) 。 Φ m 和 Ｉ 符合 右手螺旋定理 。 理想變壓器 :不計 一次 、 二次繞組的電阻 和 鐵耗 ， 無 漏磁通 ，其間 耦合系數(shù) K=1 的變壓器 。 描述 理想變壓器 的 電動勢平衡方程式 （ 根據(jù) 法拉第電磁感應(yīng)定律 而得）： tNeudd111????tNeudd222????11 若 一次 、 二次繞組 的 電壓 、 電動勢 的 瞬時值 均按 正弦規(guī)律變化 ，則 有效值 有： 1 1 12 2 2U E NkU E N? ? ?K： 匝比 忽略 鐵心 中的 損耗 ,根據(jù) 能量守恒定律 ,視在功率 （ 變壓器 的容量 S ） 不變 ： 2211 IUIU ? 令 K=N1/N2，稱 為 匝比 （亦稱 電壓比 ），則： 由此 得 出 一次 、 二次繞組電壓 和 電流有效值 的 關(guān)系 ： 二、變壓器的分類 按 用途 分：電力變壓器和特種變壓器。 電力 變壓器 有 升壓 變壓器、 降壓 變壓器、 配電 變壓器、聯(lián)絡(luò) 變壓器、 發(fā)電廠用 變壓器等。 特種 變壓器 有 整流 變壓器、 電爐 變壓器、 高壓試驗 變壓器、 控制 變壓器、 礦用 變壓器、 船用 變壓器等。 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： 芯式變壓器 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 變壓器和 充氣式 變壓器。 互感器 、 調(diào)壓器 、 電抗器 結(jié)構(gòu)、原理同于變壓器。 電源 變壓器 電力 變壓器 控制 變壓器 接觸 調(diào)壓器 三相干式 變壓器 電力變壓器 控制變壓器 特種變壓器 三相變壓器 表面安裝系列 變壓器 表面安裝系列變壓器 轉(zhuǎn)換電源系列 變壓器 功率型電源變壓器 功率型電源變壓器 功率型電源 變壓器 功率型電源變壓器 C型 變壓器 EI型 變壓器 三 .變壓器的結(jié)構(gòu)簡介 鐵心 是 變壓器 中 主要 的 磁路 部分 。 為了 減少 渦流損耗 、 磁滯損耗 ， 通常 由 含硅量較高 ， 厚度為 ， 表面涂有絕緣漆 的 熱軋 或 冷軋硅鋼片 疊裝 而成。 鐵心 分為 鐵心柱 和 鐵軛 倆部分， 鐵心柱 套有 繞組 ； 鐵軛 閉合 磁路 之用。 27 鐵心結(jié)構(gòu) 的基本形式有芯式和殼式兩種。 芯式 鐵心結(jié)構(gòu)的變壓器 鐵軛 靠著 繞組 的 頂面 和 底面 ，不包圍 繞組 的 側(cè)面 。結(jié)構(gòu)簡單，繞組裝配及 絕緣容易 。 殼式 鐵心結(jié)構(gòu)的變壓器 鐵軛 包圍 繞組 的 頂面 和 底面 ，也包圍 繞組 的 側(cè)面 。工藝復(fù)雜， 材料較多 。 三相芯式整流變壓器 單相芯式變壓器 1— 鐵心柱 2— 鐵軛 3— 高壓線圈 4— 低壓線圈 三相芯式變壓器 1— 鐵心柱 2— 鐵軛 3— 高壓線圈 4— 低壓線圈 芯式變壓器 結(jié)構(gòu)示意圖 單相殼式 變壓器 1— 鐵心柱 2— 鐵軛 3— 繞組 繞組 是 變壓器 的 電路 部分 ,它是 用 紙包 的 絕緣扁銅線 或 圓銅線繞成 。 接于 高壓電網(wǎng) 的 繞組 為 高壓 繞組 ， 接于 低壓電網(wǎng)的 繞組 為 低壓 繞組 。 高壓 繞組和 低壓 繞組的 布置方式 有 同芯式 繞組 、交疊式 繞組。 33 交疊式繞組 的 高壓 繞組 和 低壓 繞組 互相 交疊 地 放置 。 為了 絕緣 ， 最上層 和 最下層 的 繞組 都是 低壓繞組 。 交疊式繞組漏電抗 小 ， 機(jī)械強(qiáng)度 高 ， 引線方便 ，用于 大型電爐 變壓器 。 34 1— 低壓 繞組 2— 高壓 繞組 交疊式繞組 三相同芯式 變壓器 1— 鐵心柱 2— 鐵軛 3— 高壓 線圈 4— 低壓 線圈 同芯式繞組的 低壓繞組 和 高壓繞組之間 留有油道 ， 用于 散熱和 絕緣 。 有 圓筒式 、螺旋式 、 連續(xù)式等結(jié)構(gòu)。 36 同芯式繞組 的 低壓繞組 和 高壓繞組 同心 地 套在 鐵心柱上 。 為了 絕緣 ， 低壓繞組 套在 里面 ， 高壓繞組 套在 外面 。 大容量低壓大電流變壓器 由于 工藝 的 困難 ，往往 把低壓繞組 套在 高壓繞組外面 。 同芯式 繞組 結(jié)構(gòu)簡單 ，制造方便，多采用。 以典型的 油侵式電力變壓器 為例 ，其他結(jié)構(gòu)部件有 :油箱 、儲油柜 、 散熱器 、 高低壓絕緣管套 以及 繼電保護(hù)裝置 等外形如下圖。 油浸式電力變壓器 1— 信號式溫度計 2— 吸濕器 3— 儲油柜 4— 油位計 5— 安全氣道 6— 氣體繼電器 7— 高壓套管 8— 低壓套管 9— 分接開關(guān) 10— 油箱 11— 鐵心 12— 線圈 13— 放油閥門 (1)額定容量 SN：變壓器 視在功率 的慣用數(shù)值，以 V A， KV A， MV A 表示， 一次 和 二次繞組 額定容量 相同 。 穩(wěn)定負(fù)載 、 額定電壓 、額定 電流 、額定 頻率 、額定 效率 、額定 溫升 即 名牌數(shù)據(jù)下 的 容量 。 41 (2)額定電壓 UN： 變壓器 各繞組 在 空載額定分接下端子間電壓的 保證值 。 對于 三相變壓器額定電壓 系 指 線電壓 ， 一次和二次繞組上分別為 U1N 和 U2N， 以 V 或 KV 表示。 (3)額定電流 IN 變壓器的 額定容量 除以 各繞組 的 額定電壓 所 計算 出來的線電流值 ，以 A， kA表示。 單相 變壓器的一次、二次繞組的 額定電流 ： I1N = SN / U1N I2N = SN / U2N 三相 變壓器的一次、二次繞組的額定電流 : I1N = SN / sqrt(3) U1N I2N = SN / sqrt(3) U2N N2N2N1N1N IUIUS ??N2N2N1N1N 33 IUIUS ??(4)額定頻率 fN 我國工業(yè)用電頻率為 50HZ。 三相 變壓器 : 單相 變壓器 : [例 31] 有一臺 三相 油浸自冷式鋁線 電力變壓器 ， AkV1 6 0N ??S?UU試 求 一次 、 二次繞組 的 額定電流 。 解 ： 10353101603 331NNN1 ??????USI101603 332NNN2 ??????USIYy0 聯(lián)結(jié) ， 第二節(jié) 單相變壓器的空載運(yùn)行 一、空載運(yùn)行時的物理情況 變壓器 匝數(shù) 為 N1 的 一次繞組 加上 交流電壓 u1， 在一次繞組 產(chǎn)生 空載電流 i0。 變壓器 匝數(shù) 為 N2 的 二次繞組開路 ， 沒有 電流 ，但產(chǎn)生 空載電壓 u20，這種情況即為變壓器的空載運(yùn)行。 單相變壓器空載運(yùn)行時 的 各物理量 : 磁導(dǎo)率高 磁導(dǎo)率低 空載電流 i0 產(chǎn)生 一個 交變磁通勢 i0 N1，并 建立交變磁場主磁通 Φ m， 是 通過鐵心閉合 的 磁通量 ，鐵芯 的 磁導(dǎo)率 比 油 或 空氣 的 磁導(dǎo)率 大 得多，所以主磁通 Φ m 占絕大部分 。 一次繞組的 漏磁通 Φ 1243。 ,是 通過油 和 空氣閉合 的 磁通量 ， 占少量 。 二次繞組沒電流故沒 漏磁通。 48 根據(jù)電磁感應(yīng)定律和基爾霍夫第二定律得： 主磁通 在 一次繞組 和 二次繞組 產(chǎn)生 感應(yīng)電動勢 ： e1(t) = N1 dφ m/dt e2(t) = N2 dφ m/dt 交鏈 一次繞組 的 漏磁通 在 一次繞組中 感生 漏電動勢 : e1σ (t) = N1 dφ 1σ /dt 一次繞組 和 二次繞組 的 電動勢平衡方程式 ： i0： 空載電流 ； u20： 二次繞組 的 空載電壓 r1： 一次繞組 的 電阻 ； φ ： 主磁通 φ 1σ ：一次繞組 漏磁通 11 0 1 1 1 0 1 1 1d d( ) ( )ddu i r e e i R N Ntt??? ?? ? ? ? ? ? ? ?2 0 2 2ddu e Nt?? ? ?11 eu ?si nm t? ? ?? 感應(yīng)電動勢與主磁通 若 u1 隨時間 按 正弦規(guī)律變化 ，則 φ m 也按 正弦規(guī)律變化 。 空載運(yùn)行時 ， 忽略 i0 R1 和 e1σ : 設(shè)： 51 1 1 1 1d s in ( 9 0 ) s in ( π / 2 )d mme N N t E tt?? ? ? ? ? ? ? ? ? ??2 2 2 2d s in ( 9 0 ) s in ( π / 2 )d mme N N t E tt?? ? ? ? ? ? ? ? ? ??所以 e1 和 e2 也按正弦規(guī)律變化 。 或： e2 = ω N２ φ m coswt 或： e1 = ω N1φ m coswt 磁通 與 電勢相差 90 ,關(guān)系圖 ： 。 感應(yīng)電動勢 e1 和 e2 均 滯后 于 φ m 的電角度 90176。 ，其 有效值 : mmmm fNfNNEE ????11111 2π222????mmm