第四章變壓器

第四章變壓器第一頁，共五十八頁，2022年，8月28日

4.1變壓器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及分類一、變壓器的基本結(jié)構(gòu)：

電力變壓器的基本構(gòu)成部分有：鐵心、繞組、絕緣套管、油箱及其他附件等，其中鐵心和繞組是變壓器的主要部件，稱為器身。下圖是油浸式電力變壓器的結(jié)構(gòu)圖。第二頁，共五十八頁，2022年，8月28日油浸式電力變壓器第三頁，共五十八頁，2022年，8月28日簡化圖:第四頁，共五十八頁，2022年，8月28日1、鐵心和繞組：最主要的部件，構(gòu)成變壓器的器身。鐵心：構(gòu)成變壓器的磁路，同時又是套裝繞組的骨架。鐵心由鐵心柱和鐵軛兩部分構(gòu)成。鐵心柱上套繞組，鐵軛將鐵心柱連接起來形成閉合磁路。鐵心材料：為了提高磁路的導磁性能，減少鐵心中的磁滯、渦流損耗，鐵心一般用高磁導率的磁性材料——硅鋼片疊成。硅鋼片有熱軋和冷軋兩種，其厚度為0.35～0.5mm，兩面涂以厚0.02～0.23mm的漆膜，使片與片之間絕緣。第五頁，共五十八頁，2022年，8月28日

鐵心型式：心式、殼式和漸開線式等形式。殼式結(jié)構(gòu)的特點：鐵心包圍繞組的頂面、底面和側(cè)面；心式結(jié)構(gòu)的特點：鐵心柱被繞組包圍。第六頁，共五十八頁，2022年，8月28日殼式變壓器第七頁，共五十八頁，2022年，8月28日心式變壓器第八頁，共五十八頁，2022年，8月28日殼式結(jié)構(gòu)的機械強度較好，但制造復雜；心式結(jié)構(gòu)比較簡單，繞組的裝配及絕緣比較容易，電力變壓器的鐵心主要采用心式結(jié)構(gòu)。

第九頁，共五十八頁，2022年，8月28日鐵心疊裝：一般由剪成一定形狀的硅鋼片疊裝而成。為了減小接縫間隙以減小激磁電流，一般采用交錯式疊法，使相鄰層的接縫錯開。鐵心截面:鐵心柱的截面一般做成階梯形，以充分利用繞組內(nèi)圓空間。容量較大的變壓器，鐵心中常設有油道，以改善鐵心內(nèi)部的散熱條件。第十頁，共五十八頁，2022年，8月28日第十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日繞組：繞組是變壓器的電路部分，它由銅或鋁絕緣導線繞制而成。一次繞組（原繞組）：輸入電能二次繞組（副繞組）：輸出電能一次和二次繞組通常套裝在同一鐵心柱上，具有不同的匝數(shù)，通過電磁感應作用，一次繞組的電能就可傳遞到二次繞組，且使一、二次繞組具有不同的電壓和電流。

第十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日兩個繞組中，電壓較高的稱為高壓繞組；電壓較低的稱為低壓繞組。從高、低壓繞組的相對位置來看，變壓器的繞組又可分為同心式、交疊式。由于同心式繞組結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，所以，國產(chǎn)電力變壓器均采用這種結(jié)構(gòu)，交疊式主要用于特種變壓器中。第十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日

2、其他部件：除器身外，典型的油浸式電力變壓器中還有油箱、變壓器油、絕緣套管及繼電保護裝置等部件。

第十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日二、變壓器的工作原理：第十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日工作原理：其中：

可見，只要改變線圈的匝數(shù)，就能達到改變電壓的目的。若：第十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日三、變壓器的分類：變壓器的種類很多，可按其用途、結(jié)構(gòu)、相數(shù)、冷卻方式等不同來進行分類。1、按用途分類：電力變壓器（主要用在輸配電系統(tǒng)中，又分為升壓變壓器、降壓變壓器、聯(lián)絡變壓器和廠用變壓器）儀用互感器（電壓互感器和電流互感器）特種變壓器（如調(diào)壓變壓器、試驗變壓器、電爐變壓器、整流變壓器、電焊變壓器）等。第十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日2、按繞組數(shù)目分類:有雙繞組變壓器、三繞組變壓器、多繞組變壓器、自耦變壓器；3、按鐵心結(jié)構(gòu)分類：有心式變壓器和殼式變壓器；4、按相數(shù)分類：有單相變壓器、三相變壓器和多相變壓器；5、按冷卻介質(zhì)和冷卻方式分類：有油浸式變壓器（包括油浸自冷式、油浸風冷式、油浸強迫油循環(huán)式）、干式變壓器、充氣式變壓器。

第十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日

6、電力變壓器按容量大小通常分為：小型變壓器（容量10～630kVA）中型變壓器（容量800～6300kVA）大型變壓器（容量8000～63000kVA）特大型變壓器（容量90000kVA及以上）第十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日四、額定值：額定值是制造廠對變壓器在指定工作條件下運行時所規(guī)定的一些量值。額定值通常標注在變壓器的銘牌上。變壓器的額定值主要有：額定容量SN

額定運行時的視在功率。以VA、kVA或MVA表示。由于變壓器的效率很高，通常一、二次側(cè)的額定容量設計成相等；第二十頁，共五十八頁，2022年，8月28日額定電壓U1N和U2N

正常運行時規(guī)定：加在一次側(cè)的端電壓稱為變壓器一次側(cè)的額定電壓U1N；二次側(cè)的額定電壓U2N

是指變壓器一次側(cè)加額定電壓U1N時二次側(cè)的空載電壓；額定電壓以V或kV表示。對三相變壓器，額定電壓是指線電壓。第二十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日額定電流I1N和I2N根據(jù)額定容量和額定電壓計算出的線電流，稱為額定電流，以A表示。對單相變壓器：對三相變壓器：第二十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日額定頻率fN：我國工頻50HZ。

除額定值外，變壓器的相數(shù)、繞組連接方式及聯(lián)結(jié)組別、短路電壓、運行方式和冷卻方式等均標注在銘牌上。額定狀態(tài)是變壓器的理想工作狀態(tài)，具有優(yōu)良的性能，可長期工作。

第二十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日

4.2變壓器的空載運行一、空載運行的物理現(xiàn)象：1.空載運行：是指變壓器一次繞組接到額定電壓、額定頻率的電源上，二次繞組開路時的運行狀態(tài)。2.物理現(xiàn)象：主磁通漏磁通第二十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日變壓器的空載運行第二十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日變壓器空載時的電磁關系第二十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日主磁通和漏磁通的區(qū)別：1）由于鐵磁材料有飽和現(xiàn)象，主磁路的磁阻不是常數(shù)，主磁通與建立它的電流之間呈非線性關系。而漏磁通的磁路大部分是非鐵磁材料組成，所以漏磁路的磁阻基本上是常數(shù)，漏磁通與產(chǎn)生它的電流呈線性關系；2）主磁通在一次、二次繞組中均感應電動勢，當二次方接上負載時便有電功率向負載輸出，故主磁通起傳遞能量的作用。而漏磁通僅在一次繞組中感應電動勢，不能傳遞能量，僅起壓降作用；因此，在分析變壓器和交流電機時常將主磁通和漏磁通分開處理。第二十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日二、正方向的規(guī)定：

從理論上講，正方向可以任意選擇，因各物理量的變化規(guī)律是一定的，并不依正方向的選擇不同而改變。但正方向規(guī)定不同，列出的電磁方程式和繪制的相量圖也不同。在電機學科中通常按習慣方式規(guī)定正方向，稱為慣例。具體原則如下：1）在負載支路，電流的正方向與電壓降的正方向一致，而在電源支路，電流的正方向與電動勢的正方向一致；2）磁通的正方向與產(chǎn)生它的電流的正方向符合右手螺旋定則；3）感應電動勢的正方向與產(chǎn)生它的磁通的正方向符合右手螺旋定則。第二十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日電壓u1,u2的正方向表示電位降低，電動勢e1,e2的正方向表示電位升高；在一次邊，u1由首端指向末端，i1從首端流入；當u1與i1同時為正或同時為負時，表示電功率從一次方輸入，稱為電動機慣例；在二次方，u2和i2的正方向由e2的正方向決定，即i2沿e2的正方向流出。當u2和i2同時為正或同時為負時，電功率從二次方輸出，稱為發(fā)電機慣例。

第二十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日三、空載時的電磁關系：1）電動勢與磁通的關系：設主磁通按正弦規(guī)律變化，即

Φ=Φmsinωt

根據(jù)電磁感應定律，一、二次繞組中感應電動勢的瞬時值為：第三十頁，共五十八頁，2022年，8月28日式中：注意：從表達式可以看出，電動勢總是滯后于產(chǎn)生的他的磁通90。相量：第三十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日2）電動勢平衡方程式：根據(jù)對正方向的規(guī)定，可以得到空載時電動勢平衡方程式：將漏感電動勢寫成壓降的形式：式中

Z1=R1+jx1σ——一次繞組的漏阻抗。第三十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日對于電力變壓器，空載時一次繞組的漏阻抗壓降I0Z1很小，其數(shù)值不超過U1的0.2%，將I0Z1忽略，則上式變成：在二次方，由于電流為零，則其感應電動勢等于二次方的空載電壓，即：第三十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日3）變壓器的變比：一次、二次繞組的感應電動勢E1和E2之比稱為變壓器的變比，用K

表示，即:當變壓器空載運行時，由于U1≈E1，U20≈E2，故可近似地用空載運行時一次、二次方的電壓比來作為變壓器的變比，即第三十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日對于三相變壓器，變比是指一次、二次方相電動勢之比，即額定相電壓之比。4）空載電流：變壓器空載運行時,i0主要用來產(chǎn)生磁場，又稱為勵磁電流。不考慮鐵心損耗時，勵磁電流是純磁化電流，用iμ來表示。由于磁路飽和現(xiàn)象，磁化電流iμ與產(chǎn)生它的磁通φ之間的關系是非線性的。當磁通按正弦規(guī)律變化時，勵磁電流為尖頂波，根據(jù)諧波分析方法，尖頂波可分解為基波和3、5、7…次諧波。除基波外，三次諧波分量最大。這就是說，由于鐵磁材料磁化曲線的非線性關系，要在變壓器中建立正弦波磁通，勵磁電流必須包含三次諧波分量。

第三十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日為了在相量圖中表示勵磁電流iμ，可以用等效正弦波電流來代替非正弦波勵磁電流，其有效值為第三十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日從上圖中，可以看出勵磁電流iμ與磁通φ

是同相位的。當考慮鐵心損耗時，勵磁電流i0中還必須包含鐵耗分量，即iFe=這時激磁電流i0將超前磁通一相位角α?；虻谌唔?，共五十八頁，2022年，8月28日四、空載時的向量圖和等效電路:1)空載時的向量圖:我們已知第三十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日

Zm稱為變壓器的激磁阻抗。這樣,變壓器一次邊的電動勢方程可寫成：令：R1是一次繞組的電阻，x1σ是對應一次繞組的漏磁電抗，它們數(shù)值很小且為常數(shù)；Rm、x

m卻受鐵心飽和度的影響，不是常數(shù)。第三十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日當頻率一定時，若外加電壓升高，則主磁通增大，鐵心飽和度程度增加，磁導Λm下降，減小。同時鐵耗pFe增大，但pFe增大的程度比I02增大的程度小，由pFe=I02Rm，則Rm亦減小。反之,若外加電壓降低,則Rm、xm,增大。即Zm隨鐵心飽和度程度增加而減小。但通常外加電壓是一定的,在正常運行范圍內(nèi)(從空載到滿載)，主磁通基本不變，磁路的飽和程度也基本不變，因而Rm、xm可近似看著常數(shù)。第四十頁，共五十八頁，2022年，8月28日

從上面的分析可以總結(jié)出：Rm是表征鐵心損耗的一個參數(shù)，而Xm是表征主磁通磁化性能的一個參數(shù)。Zm隨鐵心飽和程度增加而減小。2）變壓器空載時的等效電路

xmR1x1σRm第四十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日小結(jié)（1）一次側(cè)主電動勢與漏阻抗壓降總是與外施電壓平衡,若忽略漏阻抗壓降，則一次主電勢的大小由外施電壓決定.（2）主磁通大小由電源電壓、電源頻率和一次線圈匝數(shù)決定，與磁路所用的材質(zhì)及幾何尺寸基本無關。（3）空載電流大小與主磁通、線圈匝數(shù)及磁路的磁阻有關，鐵心所用材料的導磁性能越好，空載電流越小。（4）電抗是交變磁通所感應的電動勢與產(chǎn)生該磁通的電流的比值，線性磁路中，電抗為常數(shù)，非線性電路中，電抗的大小隨磁路的飽和而減小。第四十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日4.3變壓器的負載運行當變壓器一次邊接入交流電源，二次邊接上負載時的運行方式稱為變壓器的負載運行。一、負載運行時的物理情況：即從空載電流0變?yōu)樨撦d時的電流1。一次繞組的磁動勢也從空載磁動勢F0變?yōu)镕1=I1N1。負載時的主磁通Φm就是由一次、二次繞組的合成磁動勢產(chǎn)生的，即：第四十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日變壓器的負載運行第四十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日負載運行時的電磁關系第四十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日二、電動勢平衡方程式：在一次方，電動勢平衡方程式為：在二次方，電動勢平衡方程式為：式中，Z2=R2+jx2σ,二次繞組的漏阻抗，R2、x2σ分別為二次繞組的電阻和漏電抗。第四十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日三、負載運行時的磁動勢平衡方程式負載運行時的磁動勢平衡方程式可寫為：將上式進行變化，可得：或：第四十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日

這說明變壓器負載運行時通過磁動勢平衡，使一次、二次方的電流緊密地聯(lián)系在一起，二次方通過磁動勢平衡對一次方產(chǎn)生影響，二次方電流的改變必將引起一次方電流的改變，電能就是這樣從一次方傳到了二次方。第四十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日

四、變壓器參數(shù)的折算：由于一次、二次繞組的匝數(shù)Ｎ１、Ｎ２，感應電動勢Ｅ1、Ｅ2不相等，給分析變壓器的工作特性和繪制相量圖增加了困難；為了克服這個困難，常用一假想的繞組來代替其中一個繞組，使之成為變比k=１的變壓器，這樣就可以把一次、二次繞組聯(lián)成一個等效電路，簡化變壓器的分析計算。這種方法稱為繞組折算；折算后的量在原來的符號上加一個上標號