1、電機與電氣控制技術電機與電氣控制技術電氣與電子工程系電氣與電子工程系董彥宗董彥宗第一章第一章 變壓器變壓器 什么是變壓器？什么是變壓器？（工作原理、應用范圍）第一節第一節 變壓器的工作原理和結構變壓器的工作原理和結構1.磁路的基本概念2.變壓器的工作原理工作原理：工作原理： 原繞組：原邊、初級、一次繞組原繞組：原邊、初級、一次繞組 副繞組：副邊、次級、二次繞組副繞組：副邊、次級、二次繞組 鐵心鐵心 電源：交流電源電源：交流電源交變磁通交變磁通副邊感應出副邊感應出電動勢電動勢3、變壓器分類（1） 電力變壓器電力變壓器用于電力系統，升壓、降壓。用于電力系統，升壓、降壓。（2） 特種變壓器特種變壓器

2、（整流變壓器、電爐變壓器、電焊變壓（整流變壓器、電爐變壓器、電焊變壓器等）專用變壓器。器等）專用變壓器。1） 按用途分：按用途分：（3）儀用、控制用變壓器）儀用、控制用變壓器電壓、電流互感器，旋轉變壓器電壓、電流互感器，旋轉變壓器（4）試驗變壓器）試驗變壓器高壓實驗、低壓實驗變壓器等。高壓實驗、低壓實驗變壓器等。（5）調壓器）調壓器自耦變壓器自耦變壓器2 ） 按相數分：按相數分：（1） 單相變壓器單相變壓器（2） 三相變壓器三相變壓器3） 按冷卻條件分：按冷卻條件分：（2）油浸式變壓器）油浸式變壓器（3） 充氣式冷卻變壓器充氣式冷卻變壓器（1）干式變壓器）干式變壓器4) 按鐵心結構分：按鐵心結

3、構分： （1）殼式變壓器）殼式變壓器 （2）心式變壓器）心式變壓器 殼式變壓器殼式變壓器 變壓器的鐵芯柱在中間，鐵軛在兩旁環繞，且把繞組包圍起來 結構比較堅固、制造工藝復雜，高壓繞組與鐵芯柱的距離較近，絕緣也比較困難 通常應用于電壓很低而電流很大電壓很低而電流很大的特殊場合，例如，電爐用變壓器電爐用變壓器。這時巨大的電流流過繞組將使繞組上受到巨大的電磁力（類似電磁鐵），鐵殼式結構可以加強對繞組的機械支撐，使能承受較大的電磁力。 4、變壓器的結構鐵芯鐵芯繞組繞組油箱及冷卻裝置油箱及冷卻裝置絕緣套管絕緣套管其它附件其它附件(保護裝置等保護裝置等)油箱和冷卻裝置 變壓器油變壓器油冷卻、絕緣 絕緣絕緣

4、：繞組與繞組、繞組與鐵心及油箱之間 散熱散熱：熱量通過油箱殼散發，油箱有許多散熱油管，以增大散熱面積。采用內部油泵強迫油循環（強迫油循環電力變壓器強迫油循環電力變壓器），外部用變壓器風扇吹風或用自來水沖淋變壓器油箱油箱油箱機械支撐、冷機械支撐、冷卻散熱、卻散熱、變壓器運行時產生熱量，使變壓器油膨脹，儲油柜中變壓器油上升，溫度低時下降。儲油柜使變壓器油與空氣接觸面較少， 減緩了變壓器油的氧化過程及吸收空氣中的水分的速度。呼吸呼吸保護作用當變壓器出現故障時，產生的熱量使變壓器油汽化，氣體繼電器動作，發出報警信號或切斷電源。如果事故嚴重，變壓器油大量汽化，油氣沖破安全氣道管口的密封玻璃，沖出變壓器油

5、箱，避免油箱爆裂。氣體繼電器絕緣套管 絕緣套管由中心導電桿與瓷套組成。導電桿穿過變壓器油箱、在油箱內的一端與線圈的端點聯接，在外面的一端與外線路聯接。 低壓引線一般用純瓷套管，高壓引線一般用充油或電容式套管 套管外形常做成傘形，電壓越高、級數愈電壓越高、級數愈多多。變壓器的允許溫升變壓器的允許溫升變壓器中某一部位的溫度與冷卻介質溫度之差。對于空氣冷卻式，系指周圍空氣的溫度；對于水冷卻方式，則指冷卻設備入口處的水溫。穩定的條件是在3個小時內前后溫差不超過2，此時測得導體表面的溫度為導體的最終溫度。油浸變壓器的繞組均用油浸變壓器的繞組均用A級絕緣級絕緣。根據我國的氣候情況，國家標準。根據我國的氣候

6、情況，國家標準規定以規定以+40作為周圍環境空氣的最高溫度，并據此規定變壓器各作為周圍環境空氣的最高溫度，并據此規定變壓器各部分的容許溫升部分的容許溫升 繞組最高允許溫度為105 變壓器部分最高溫升()測量方法繞組65電阻法鐵芯表面70溫度計法油(頂層)55溫度計法變壓器的允許溫升5、變壓器的銘牌和額定值、變壓器的銘牌和額定值 變壓器型號：變壓器型號： 變壓器的結構、額定容量、電壓等級、冷卻方式等變壓器的結構、額定容量、電壓等級、冷卻方式等如如SLSL500/10:500/10:三相油浸式自冷雙繞組鋁線，額定容量三相油浸式自冷雙繞組鋁線，額定容量500kV.A500kV.A，高壓繞組額定電壓：

7、高壓繞組額定電壓：10kV10kV。OSFPSZ-250000/220OSFPSZ-250000/220表明自耦三相強迫油循環風冷三繞組銅線有表明自耦三相強迫油循環風冷三繞組銅線有載調壓，額定容量載調壓，額定容量250000kVA250000kVA，高壓額定電壓，高壓額定電壓220kV220kV電力變壓器。電力變壓器。1）額定容量）額定容量SN：變壓器輸出的視在功率。變壓器輸出的視在功率。VA或KVA2） 額定電壓額定電壓U1N/U2N：單位：單位：V或或KV U1N：變壓器原邊的額定電壓；變壓器原邊的額定電壓； U2N ：原邊：原邊U1N、空載時的副邊電壓空載時的副邊電壓 。 注意：注意：

8、三相變壓器的額定電壓是指三相變壓器的額定電壓是指線電壓線電壓。 不論是不論是Y接還是接還是接。星型連接接。星型連接的線電壓的大小為相電壓的的線電壓的大小為相電壓的1.73倍。倍。三角形電源的相電壓等于線電壓三角形電源的相電壓等于線電壓 2、額定值、額定值 3）額定電流）額定電流I1N/I2N： 在額定容量下，允許長期通過的電流在額定容量下，允許長期通過的電流， 三相變壓器為線電流。單位：三相變壓器為線電流。單位：A A注意：注意：單相變壓器與三相變壓器的計算公式有所不同。單相變壓器與三相變壓器的計算公式有所不同。單相變壓器單相變壓器NUNSNINUNSNI22 ;11三相變壓器三相變壓器NUN

9、SNINUNSNI232 ;1314） 額定頻率額定頻率fN：原邊交流電源的頻率。原邊交流電源的頻率。單位：單位：Hz我國為我國為50Hz50Hz。例例 三相變壓器，三相變壓器， SN=200kVA, U1N/U2N=10/0.4kV,求：求： I1N/I2N解：三相變壓器解：三相變壓器NUNSNINUNSNI232 ;131ANUNSNIANUNSNI68.288 4 . 0*320023255.11 10*3200131l 電力系統三相電壓是對稱的電力系統三相電壓是對稱的 頻率相同頻率相同 大小相等大小相等 相位互差相位互差120度度l 只需分析一相即可。只需分析一相即可。l 只分析穩定運

10、行狀態只分析穩定運行狀態原繞組原繞組副繞組副繞組鐵心鐵心電源電源負載負載N N1 1N N2 2一、空載運行時的電磁關系一、空載運行時的電磁關系 1 、主磁通和漏磁通、主磁通和漏磁通*I2=0,磁通由磁通由I0建立建立*主磁通主磁通0與原邊匝鏈，感應與原邊匝鏈，感應電動勢為電動勢為E1。*原邊原邊漏磁通漏磁通1與原邊匝鏈，與原邊匝鏈，感應電動勢為感應電動勢為E1。*主磁通主磁通0與副邊匝鏈，感應電與副邊匝鏈，感應電動勢為動勢為E2*主磁通主磁通0是傳遞能量的媒介是傳遞能量的媒介1 1）性質上：）性質上： 與與 成非線性關系；成非線性關系； 與與 近似成線性近似成線性關系；關系；2 2）數量上：

11、）數量上： 占占99%99%以上，以上， 僅占僅占1%1%以下；以下；3 3）作用上：）作用上： 起傳遞能量的作用，起傳遞能量的作用， 起漏抗壓降作用。起漏抗壓降作用。000I0I1101主磁通與漏磁通的區別主磁通與漏磁通的區別2 、 正方向的規定正方向的規定的正方向先規定1*U的正方向：)(*01II由電壓的正方向決定，由電壓的正方向決定， “正電壓產生正電流正電壓產生正電流”的正方向：0* 與與I1符合右手螺旋法則，符合右手螺旋法則，“正電流產生正磁通正電流產生正磁通”強調：磁通與產生它的電流之間符合右手螺旋定則；強調：磁通與產生它的電流之間符合右手螺旋定則； 磁通與它感應的電動勢符合右手

12、螺旋定則磁通與它感應的電動勢符合右手螺旋定則。的正方向：2*U從負載看，二次繞組相當于電源，電壓從負載看，二次繞組相當于電源，電壓U2的正方向應的正方向應由由u2指向指向u1。的正方向：2*II2的正方向與磁通符合右手螺旋定則。的正方向與磁通符合右手螺旋定則。212211,I*IEEEE的正方向：與磁通符合右手螺旋定則。即正方向與一致， 正方向與一致。114.44mEfN二、感應電動勢分析二、感應電動勢分析1 1、主磁通感應的電動勢主磁通感應的電動勢主電動勢主電動勢有效值有效值相量相量 m的大小同外施電壓、頻率、一次繞組匝數決定的大小同外施電壓、頻率、一次繞組匝數決定主磁通按正弦規律變化，產生

13、的一次主電動勢也按正弦規律變化，主磁通按正弦規律變化，產生的一次主電動勢也按正弦規律變化，時間相位上滯后主磁通時間相位上滯后主磁通 90 。114.44mEjfN 同理，二次主電動勢同理，二次主電動勢 ：mfNE2244. 4有效值有效值mfNjE2244. 4相量相量2、漏磁通感應的電動勢、漏磁通感應的電動勢 推導方法同上：推導方法同上： 結論：磁路不飽和，磁阻很大，且為常數，因此X1很小，且為常數，X1X1不隨電源電壓不隨電源電壓U1U1和負載變化和負載變化 二、變壓器空載運行時的電動勢平衡方程式和電壓比二、變壓器空載運行時的電動勢平衡方程式和電壓比 一次繞組電動勢平衡方程式一次繞組電動勢

14、平衡方程式二次繞組的端電壓等于其感應電動勢二次繞組的端電壓等于其感應電動勢 變壓器一次繞組的匝數變壓器一次繞組的匝數Nl與二次繞組匝數與二次繞組匝數N2之比稱為變壓之比稱為變壓器的電壓比器的電壓比k，即，即 空載電流的作用與組成空載電流的作用與組成 空載電流包含兩個分量 勵磁分量勵磁分量，作用是建立主磁通，相位與主磁通 相同，為無功分量 鐵損耗分量鐵損耗分量，作用是供給鐵磁材料鐵損（磁滯和渦流損耗），為有功分量。空載運行時從電源輸入少量電功率 ，主要用來補償鐵心中的鐵損耗 101010QPIIIm10QI10 PI主要作用是在鐵心中建立磁場，產生主磁通空載損耗空載損耗 變壓器空載運行時，只從電

15、源吸收少量有功功率P0，用來供給鐵芯中鐵損PFe和少量繞組銅損R1I102 P0 = PFe + Pcu PFe PFe的求取的求取 測試法（空載試驗空載試驗） P0 (0.2%1%)SN 容量越大，空載損耗越小 問題: 某單相變壓器額定電壓為380伏/220伏,額定頻率為50HZ。如誤將低壓邊接到380伏電源，變壓器將會發生一些什么異常現象？ 答案： 由于 U24.44fN2mU2由220伏變到380伏，增加了 倍，則主磁通m也增 加了 倍，磁路飽和程度增加，因而勵磁電流I0大大增 加，有可能燒毀線圈。（勵磁電流隨磁路飽和程度增加而急劇增大）332.3 單相變壓器的負載運行 一次側接在額定頻

16、率、額定電壓的交流電源上，二次接上負一次側接在額定頻率、額定電壓的交流電源上，二次接上負載的運行狀態。載的運行狀態。一、負載運行時的電磁關系一、負載運行時的電磁關系常常數數1UEU11保保持持不不變變 0IN222F二二次次：試圖改變試圖改變磁通量磁通量IN111F一一次次：阻止阻止I2改變改變磁通量磁通量負載時：負載時：。電流引起的磁通量變化，大部分用來抵抗副邊II01變為L1010IIII不變。，才能使，抵消了只有INL0221122ININ=FF210FF11NIL22NI負載負載10NI原繞組原繞組副繞組副繞組空載空載F0二、負載運行時的基本方程式二、負載運行時的基本方程式1、磁通勢平

17、衡方程式、磁通勢平衡方程式11NI22NI10NI抵削對主磁通的影響。抵削對主磁通的影響。102211NININILIIINNII1021201原、副繞組磁勢的向量和原、副繞組磁勢的向量和合成磁勢合成磁勢勵磁分量勵磁分量負載分量負載分量產生主磁通產生主磁通0。：變比NNIIkIkINNINNII21012212212011一、二次電流比近似與匝數成反比。2.電動勢平衡方程式電動勢平衡方程式二次繞組中漏磁電動勢二次繞組中漏磁電動勢 即即 。 2E22222XIjLIjE負載運行時的一、二次繞組的電動勢平衡方程式為負載運行時的一、二次繞組的電動勢平衡方程式為 綜上所述，變壓器負載運行時的基本方程式有綜上所述，變壓器負載運行時的基本方程式有 變壓器的作用變壓器的作用 通過對變壓器負載運行的分析，可以清楚地看出變通過對變壓器負載運行的分析，可以清楚地看出變壓器具有變電壓、變電流、變阻抗的作用。壓器具有變電壓、變電流、變阻抗的作用。（一）變換電壓（一）變換電壓 U1/U2E1/E2=k=N1/N2（二）變換電流（二）變換電流I1/I2N2/N1=1/k（三）變換阻抗（三）變換阻抗 下式表明，經變壓