第四章 變壓器

杭州電子科技大學(xué)《電機學(xué)》自動化學(xué)院第四章變壓器變壓器是利用電磁感應(yīng)原理將一種電壓或電流的交流電能轉(zhuǎn)換成同頻率的另一種電壓或電流的交流電能的靜止電磁裝置。干式變壓器電壓互感器電流互感器調(diào)壓器高頻變壓器油浸式電力變壓器變壓器與交流電機原理一致，它們具有統(tǒng)一性：(1)變壓器和交流電機都是通過電磁感應(yīng)原理，實現(xiàn)能量變換的電氣設(shè)備。變壓器是實現(xiàn)不同交流電壓或者電流等級電能的相互轉(zhuǎn)換，而交流電機是實現(xiàn)電能和機械能相互轉(zhuǎn)換的電氣設(shè)備。(2)變壓器的一次、二次繞組(也稱初級、次級繞組，原邊、副邊繞組，或者輸入、輸出繞組)都是靜止不動的，變壓器相當(dāng)于一臺轉(zhuǎn)子靜止不動的交流電機，即變壓器是交流電機的一個特例。因此，可以說變壓器就是一臺靜止不動的交流電機。4.1變壓器的分類和功能變壓器的種類很多，可以按用途、繞組、相數(shù)、冷卻介質(zhì)、冷卻方式、鐵心結(jié)構(gòu)及調(diào)壓方式、容量大小等分類。

變壓器按用途主要可分為三大類：電力變壓器儀用變壓器特種變壓器4.1.1變壓器的分類1.電力變壓器(1)按用途分：升壓變壓器(用來得到高于電源電壓等級的變壓器)、降壓變壓器(用來得到低于電源電壓等級的變壓器)、配電變壓器、聯(lián)絡(luò)變壓器(用于連接幾個不同電壓等級的電網(wǎng))和廠用變壓器(用于供發(fā)電廠自用)。(2)按相數(shù)分：單相變壓器、三相變壓器和多相變壓器。(3)按鐵心結(jié)構(gòu)形式分：心式變壓器和殼式變壓器。(4)按鐵心材質(zhì)分：電工鋼片變壓器和非晶合金變壓器。(5)按繞組使用的金屬材料分：銅線變壓器和鋁線變壓器。(6)按繞組的數(shù)目分：雙繞組變壓器、三繞組變壓器、多繞組變壓器、自耦變壓器。(7)按繞組外絕緣介質(zhì)分：干式變壓器、氣體絕緣變壓器和油浸式變壓器。(8)按冷卻裝置種類分：自冷式變壓器、風(fēng)冷式變壓器、強迫油循環(huán)變壓器。(9)按調(diào)壓方式分：無勵磁調(diào)壓變壓器(在切換分接開關(guān)之前，必須將變壓器停電，用于發(fā)電廠)和有載調(diào)壓變壓器(可在不停電的情況下切換分接開關(guān)，用于電力網(wǎng)中主變)。(10)按容量大小分：小型變壓器(容量為10～630kVA)、中型變壓器(容量為800～6300kVA)、大型變壓器(容量為8000～63000kVA)、特大型變壓器(容量在90000kVA及以上)。2.儀用變壓器儀用變壓器是一種特殊用途的變壓器，是一種用于測量的互感器。儀用變壓器的兩個主要用途：擴大交流電工儀表的量程，隔離高電壓、大電流，并使其變成低電壓、小電流后作為信號供繼電保護、自動裝置和控制回路使用。儀用互感器分為電壓互感器和電流互感器。特種變壓器是為了適應(yīng)冶金、礦山、化工、交通等應(yīng)用環(huán)境的要求而設(shè)計的專用變壓器，特種變壓器可以提供各種特種電源或作為其他用途。如整流變壓器、電爐變壓器、礦用變壓器、船用變壓器、中頻電源變壓器（1kHz~8kHz）、高頻電源變壓器（超過10kHz）等。3.特種變壓器4.1.2變壓器的功能變壓器作為電力系統(tǒng)重要的電氣設(shè)備，整個電力系統(tǒng)中電力的供電、配電、輸送都離不開變壓器。

變壓器的主要功能為如下六個方面：變電壓、變電流、變相位、變阻抗、電氣隔離和穩(wěn)壓功能。變壓器能改變頻率嗎？變壓器能改變功率嗎？杭州電子科技大學(xué)《電機學(xué)》自動化學(xué)院4.2變壓器的結(jié)構(gòu)4.2.1變壓器的主要部分1.鐵心變壓器的磁路部分，包括鐵心柱和鐵軛。為減小磁滯和渦流損耗，同時提高磁路的導(dǎo)磁性，鐵心通常采用0.35~0.5mm厚的涂有絕緣漆的硅鋼片交錯疊成。

2.繞組變壓器電路部分，一般用銅線或鋁線繞制。接于高壓側(cè)的繞組稱為高壓繞組，接于低壓側(cè)的繞組稱為低壓繞組。從高、低壓繞組之間的相對位置來看，可分成同心式和交疊式兩類。4.2.2變壓器輔助部分油箱、儲油柜、氣體繼電器(瓦斯繼電器)、分接開關(guān)、絕緣套管和測溫裝置，吸濕器、安全氣道和油表等構(gòu)件。杭州電子科技大學(xué)《電機學(xué)》自動化學(xué)院4.3變壓器的額定數(shù)據(jù)和標(biāo)幺值4.3.1額定數(shù)據(jù)（銘牌值）1.額定容量SN

變壓器的視在功率，單位為VA或kVA。單相變壓器三相雙繞組電力變壓器2.額定電壓U1N/U2N

額定狀態(tài)下的線電壓，單位為伏(V)或者千伏(kV)。忽略損耗3.額定電流I1N/I2N

額定狀態(tài)下的線電流，單位為安(A)或千安(kA)。三相變壓器的有關(guān)計算中往往要用電壓和電流的相值，此時特別要注意三相變壓器一、二次繞組的接法。

Y接法

接法

4.額定頻率fN

額定狀態(tài)下的頻率，單位為赫茲(Hz)。我國規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)交流電頻率為50Hz。

5.額定功率因數(shù)cosφN

額定狀態(tài)下的功率因數(shù)，指變壓器一次側(cè)電壓與電流相位差的余弦。6.額定效率ηN

額定運行條件下，輸出功率與輸入功率的比。要高于交流電機，一般變壓器的額定效率在95~99%范圍之內(nèi)。4.3.2標(biāo)幺值標(biāo)幺值為某一物理量的實際值與其基值(或參考值)之間的比值。例如，選定基值電壓為110kV，實際電壓110kV，標(biāo)幺值為：實際電壓99kV，標(biāo)幺值為：標(biāo)幺值的表示方法：在物理量右上角標(biāo)記“*”，例如，，基值是人為選定的、與實際值同單位的固定值?；狄话氵x額定電壓或額定電流值。變壓器的基值：1）電壓基值選一、二次繞組額定電壓U1N和U2N；2）電流基值選一、二次繞組額定電流I1N和I2N

；3）阻抗的基值是電壓基值除以電流基值。一、二次側(cè)的電壓標(biāo)幺值一、二次側(cè)的電流標(biāo)幺值一、二次側(cè)的阻抗標(biāo)幺值變壓器采用標(biāo)幺值的優(yōu)點：不論變壓器容量大小，參數(shù)和性能指標(biāo)總在一定的數(shù)值范圍內(nèi)，

便于分析和比較。(2)能直觀地表示變壓器運行情況。例如：兩臺變壓器第一臺一次繞組實際值6kV/9A一次繞組實際值35kV/20A第二臺一次繞組額定值6kV/9A一次繞組額定值35kV/40A(3)用標(biāo)幺值表示一、二次側(cè)各物理量，不需要進行折算，因為折算值與未折算值相等，對變壓器的計算是非常有利的。(4)在三相變壓器中，線值和相值的標(biāo)么值是相等的。

標(biāo)幺值的缺點是沒有單位，因而物理概念不明確，而且失去利用量綱關(guān)系來檢查某些計算是否正確的可能性。杭州電子科技大學(xué)《電機學(xué)》自動化學(xué)院是由低電位指向高電位是由高電位指向低電位4.4變壓器工作原理1．變壓器原理圖2．正方向的標(biāo)定按照以下三條原則進行標(biāo)定：(1)變壓器一次側(cè)按照電動機的慣例進行標(biāo)定(即從電網(wǎng)吸收電能)，電流的正方向與電動勢的正方向相同；變壓器二次側(cè)按照發(fā)電機的慣例進行標(biāo)定(即向外輸出電能)，電流的正方向與電壓降的正方向相同。(2)磁通正方向與產(chǎn)生它的電流的正方向符合右手螺旋定則。(3)感應(yīng)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。4．理想變壓器為了幫助理解變壓器的基本工作原理，作以下假定：(1)一、二次繞組完全耦合，即同時與一、二次繞組交鏈的磁通是相同的。(2)鐵心磁路的磁阻為零，鐵心損耗等于零。(3)一次和二次繞組的電阻都等于零。滿足上述假定條件的變壓器稱為理想變壓器。理想變壓器可以實現(xiàn)一次側(cè)電能到二次側(cè)電能的無損耗傳遞，即變壓器的效率為100%。理想變壓器由于不存在損耗，因此，一、二次電壓等于繞組的感應(yīng)電動勢。一、二次側(cè)電壓或感應(yīng)電動勢有效值之比等于兩個繞組的匝數(shù)比系數(shù)k為變壓器的變比，也稱為匝(數(shù))比。杭州電子科技大學(xué)《電機學(xué)》自動化學(xué)院4.5變壓器的空載運行一次繞組接在交流電源上、二次繞組開路的運行狀態(tài)?？蛰d磁動勢1．主磁通變壓器的主磁通用表示，主磁通與一次、二次繞組相交鏈。主磁通的磁路為變壓器的鐵心。變壓器依靠主磁通作為媒介來實現(xiàn)從一次側(cè)到二次側(cè)能量的傳遞。在不考慮磁路飽和的情況下，主磁通的瞬時值可以表示為為主磁通的幅值，為電源的角頻率，為電源的頻率。4.5.1空載時的磁通2．漏磁通在變壓器中把僅交鏈一次繞組或者二次繞組的磁通稱為漏磁通。變壓器一次側(cè)漏磁通用表示，該漏磁通只與一次繞組交鏈。漏磁通的磁路除了鐵心，還有磁導(dǎo)率比較小的油或空氣，所以，漏磁通磁路的磁阻和磁導(dǎo)率基本保持不變，一次側(cè)漏磁通與空載電流之間呈線性關(guān)系，不向二次側(cè)傳遞能量。漏磁通很小，在數(shù)量上只占主磁通的0.1%~0.2%。漏磁通的瞬時值可以表示為式中，為漏磁通的幅值。4.5.2空載時的感應(yīng)電動勢1．主磁通產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢主磁通在一次、二次繞組內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的瞬時值分別表示為感應(yīng)電動勢用相量的形式表示為和分別是一次繞組、二次繞組感應(yīng)電動勢有效值。一次、二次繞組感應(yīng)電動勢的有效值分別表示為變壓器一次、二次繞組的感應(yīng)電動勢與繞組的匝數(shù)、供電頻率和主磁通的幅值成正比。2．漏磁通產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢變壓器空載運行時，二次繞組開路，二次繞組無磁動勢，二次繞組內(nèi)不存在漏磁感應(yīng)電動勢，只有一次繞組存在漏磁感應(yīng)電動勢。忽略鐵心飽和，一次側(cè)漏磁通在一次繞組中產(chǎn)生的漏磁感應(yīng)電動勢表示為式中，為漏磁感應(yīng)電動勢的有效值。漏磁感應(yīng)電動勢用相量形式表示為式中，為一次繞組的漏電感為一次繞組的漏電抗減小變壓器的漏電抗，能提高變壓器運行效率。漏電抗可以進一步表示為漏磁路的磁阻漏磁路的磁導(dǎo)漏磁動勢4.5.3空載電流變壓器空載時，變壓器內(nèi)部的能量既有有功部分，也有無功部分，其中有功部分轉(zhuǎn)換成熱量、損失掉，而無功部分儲存在磁場之中。變壓器空載電流可以分解為磁化電流和鐵損電流。磁化電流，I0的無功分量，在鐵心中形成勵磁磁動勢，與空載電流的夾角稱為鐵耗角。鐵損電流，I0的有功分量。代表變壓器鐵心中的磁滯損耗和渦流損耗。變壓器空載損耗是鐵損耗和銅損耗總和。變壓器磁路的磁滯損耗和渦流損耗統(tǒng)稱為變壓器的鐵損耗。變壓器的銅損耗是一次繞組電阻上的損耗。如不考慮空載損耗，一次繞組空載電流全部用于建立空載磁場，那么空載電流就是磁化電流，即，變壓器沒有有功功率損耗?？蛰d電流只占額定電流的0.5%~5%，隨著容量增大，空載電流相對減小?？蛰d電流中磁化電流是主要的，一般比鐵損電流大10倍，所以鐵耗角很小。銅損耗占空載損耗的2%以下。因此，空載損耗主要是鐵損耗。4.5.4空載時的基本方程式一次繞組的電壓方程式為二次繞組的輸出電壓為忽略一次繞組漏阻抗壓降一次繞組漏阻抗勵磁阻抗勵磁電阻，反應(yīng)鐵損耗的大小勵磁電抗4.5.5相量圖4.5.6等效電路圖和電磁關(guān)系圖變壓器空載時的等效電路圖變壓器空載時的電磁關(guān)系

杭州電子科技大學(xué)《電機學(xué)》自動化學(xué)院4.6變壓器的負載運行變壓器的一次繞組接入交流電源，二次繞組接負載阻抗。變壓器一次繞組的漏阻抗很小，從空載到滿負載運行時，漏阻抗壓降都很小，一次側(cè)電壓約等于額定值，那么，主磁通近似不變。因此，變壓器從空載到滿負載運行時勵磁磁動勢是近似相同的。4.6.1負載運行時的磁動勢稱二次側(cè)的負載電流二次繞組產(chǎn)生的磁動勢一次繞組產(chǎn)生的磁動勢為了保持變壓器主磁通與空載時一致，變壓器一次側(cè)的磁動勢應(yīng)為變壓器負載運行時，二次繞組中有電流。此時，一次繞組中的電流由兩個分量組成：一個是用來產(chǎn)生主磁通的勵磁分量，基本不隨負載變化，維持主磁通近似不變。這樣才能把電能從一次繞組傳遞到二次繞組。另一個是用來平衡二次繞組的電流對主磁通的影響，稱負載分量。它隨負載變化。從功率平衡的角度，當(dāng)二次繞組負載電流增大時，一次繞組的電流也相應(yīng)增加，這樣才可以維持功率的平衡。變壓器負載運行時，主磁通在一次繞組和二次繞組內(nèi)均產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。負載的大小決定了二次電流的大小，也決定了二次側(cè)磁動勢的大小。一般，二次繞組接負載時流過的二次電流很大時，勵磁電流與一次電流相比小很多，只占百分之幾，因此忽略勵磁電流，一、二次電流的關(guān)系為用有效值表示一、二次電流與匝數(shù)成反比，說明變壓器在變電壓的同時也能變電流。變比時，為降壓變壓器，二次電流大于一次電流；變比時，為升壓變壓器，二次電流小于一次電流。4.6.2負載運行時基本方程式二次側(cè)漏磁感應(yīng)電動勢二次繞組的漏電感二次繞組的漏電抗二次繞組的電阻二次側(cè)的漏阻抗二次側(cè)電壓方程為變壓器負載運行時的基本方程式一次繞組電壓方程式負載電壓方程式勵磁電流方程式繞組電流方程式變比二次繞組電壓方程式負載運行時的電磁關(guān)系圖4.6.3變壓器數(shù)據(jù)的折合變壓器一次和二次繞組之間只有磁場的聯(lián)系，而沒有電路的聯(lián)系。如果按磁路計算方法進行計算，計算過程將非常的繁瑣，并且不便于理解。為了進行變壓器的簡化分析，通常將二次側(cè)量折合到一次側(cè)，或者將一次側(cè)量折合到二次側(cè)。

(1)折合的目的：為了簡化分析，取消一、二次繞組之間磁路的聯(lián)系，獲得變壓器的等效電路。(2)折合的原則：折合前后變壓器保持相同的電磁過程和能量傳遞關(guān)系，主磁通和一次繞組、二次繞組漏磁通在數(shù)量和空間分布上不發(fā)生變化。(3)折合的方法：將一、二次繞組變換成相同的匝數(shù)。(4)折合的表示：折合之后的量在原來符號的右上角加上“’”表示。變壓器數(shù)據(jù)折合的目的、原則、方法和表示：1.電流的折合將二次側(cè)折合到一次側(cè)時，二次側(cè)的匝數(shù)將由N2變?yōu)镹1，并保持磁動勢不變。兩邊同時除以一次繞組的匝數(shù)N1得到

一次、二次繞組的磁路聯(lián)系直接變?yōu)榱撕唵蔚碾娐仿?lián)系。2.感應(yīng)電動勢的折合二次繞組折合到一次側(cè)的感應(yīng)電動勢可以表示為二次繞組的實際值為可以得到二次繞組感應(yīng)電動勢折合前后的關(guān)系為3.阻抗的折合根據(jù)折合前后功率不變的原則，折合前后二次繞組的銅損耗和無功功率保持不變，因為二次繞組的電阻和電抗折合到一次側(cè)的值都乘以變比的平方，因此折合前后負載阻抗角不發(fā)生變化，折合前后功率因數(shù)也不會發(fā)生變化。4.端電壓的折合二次繞組電壓折合到一次側(cè)的計算如下二次側(cè)的有功功率為二次側(cè)的無功功率為折合不改變變壓器運行的物理本質(zhì)，只是將磁路的聯(lián)系改用變壓器的等效電路代替了，這也是變壓器折合最大的作用。4.6.4等效電路圖和向量圖變壓器經(jīng)過折合之后的基本方程為一次繞組電壓方程式負載電壓方程式勵磁電流方程式繞組電流方程式變比二次繞組電壓方程式變壓器的T型等效電路變壓器的Γ型等效電路變壓器一字型的最簡化等效電路變壓器簡化等效電路短路電阻短路電抗短路阻抗

T型等效電路相應(yīng)相量圖

一字型簡化等效電路相量圖杭州電子科技大學(xué)《電機學(xué)》自動化學(xué)院4.7變壓器的運行特性變壓器的外特性指一次繞組施加額定電壓，負載的功率因數(shù)保持不變時，二次繞組端電壓隨負載電流變化而變化的規(guī)律，即。4.7.1外特性常用電壓調(diào)整率來衡量變壓器端電壓隨負載電流變化的程度。為了簡化電壓調(diào)整率的計算，一般采用標(biāo)幺值的方法進行計算和分析。