第一章變壓器原理本章教學(xué)目標(biāo)：1、掌握變壓器的結(jié)構(gòu)及其基本工作原理；2、掌握變壓器的外特性及電壓調(diào)整率；3、掌握變壓器的空載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)；4、了解變壓器的損耗和銘牌數(shù)據(jù)意義；5、掌握變壓器效率的計(jì)算方法。本章教學(xué)重點(diǎn)：1．變壓器的工作原理；2．變壓器的外特性及電壓調(diào)整率。本章教學(xué)難點(diǎn)：1．變壓器空載、負(fù)載運(yùn)行時各量間的關(guān)系；2．變壓器的變換阻抗作用。學(xué)生情況分析：1．了解學(xué)生<電工基礎(chǔ)>知識的掌握程度；2．了解學(xué)生<物理-電學(xué)>知識的掌握程度。概述：變壓器是在電力系統(tǒng)和電子線路中應(yīng)用廣泛的電氣設(shè)備。利用電磁感應(yīng)原理，將一種交變電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N或兩種以上相同而數(shù)值不同的交變電壓。，電能的傳輸、分配和使用中，變壓器是關(guān)鍵的靜止設(shè)備。除電力系統(tǒng)外，它在通信、廣播、冶金、焊接、電子實(shí)驗(yàn)、電氣測量、自動控制等方面，均有廣泛的應(yīng)用。本章主要敘述變壓器的結(jié)構(gòu)、分類、基本工作原理、運(yùn)行特性、試驗(yàn)、銘牌等內(nèi)容。第一節(jié)變壓器的結(jié)構(gòu)及其分類一、變壓器的結(jié)構(gòu)變壓器的主要組成：鐵心、繞組——組裝在一起稱為器身。三相三柱式鐵心變壓器器身變壓器銘牌與溫度計(jì)大型變壓器油箱1．鐵心(1)鐵心材料鐵心是磁路的主體，鐵心--鐵心柱--鐵軛。鐵心柱上套裝繞組，鐵軛的作用是使磁路閉合。鐵心的作用是建立較大的磁通量。繞組通電后產(chǎn)生磁通，磁通是循著導(dǎo)磁體(鐵心內(nèi))流通的。為了提高鐵心導(dǎo)磁性能，減少鐵心內(nèi)的磁滯損耗和渦流損耗，鐵心通常采用含硅量約為5%，厚度為0.35mm或0.5mm，兩面涂絕緣漆或氧化處理的硅鋼片疊裝而成。變壓器三相五柱式鐵心a變壓器三相五柱式鐵心b硅鋼片是軟磁材料。在較低的外磁場作用下，就能產(chǎn)生較高的磁感應(yīng)強(qiáng)度，并且隨著外磁場的增大磁感應(yīng)強(qiáng)度會很快達(dá)到飽和；當(dāng)外磁場去掉后，材料的磁性又能基本消失，剩磁很小。硅的加入，使硅鋼片的電阻率提高、渦流損耗降低，老化現(xiàn)象減小。硅的加入，使硅鋼片硬度提高，伸長率和韌性下降，硅鋼片的加工困難些。電氣工程所用硅鋼片也稱電工硅鋼片，用D表示，按其軋制方法和軋后硅鋼片的晶粒取向可將硅鋼片分為三類。熱軋硅鋼片，代號為DR；冷軋無取向硅鋼片代號為DW；冷軋有取向硅鋼片代號為DQ。

因此使用冷軋有取向硅鋼片時，磁感應(yīng)線的方向必須和軋制方向吻合。

冷軋無取向硅鋼片電工硅鋼片的品種性能代號的意義如下：D△***-□□D表示電工硅鋼片△表示硅鋼片軋制工藝的字母代號,即R-熱軋,W-冷軋無取向,Q-冷軋有取向***三位數(shù)字,表示該材料在50Hz的磁感應(yīng)強(qiáng)度1.5T作用下,每千克材料的鐵損耗值的100倍□□兩位數(shù)字,表示硅鋼片厚度的100倍例:DR315-50表示為熱軋、厚度為0.5mm，在50Hz頻率下磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.5T時，每千克硅鋼片鐵損為3.15W(2)鐵心結(jié)構(gòu)鐵心：心式結(jié)構(gòu)和殼式結(jié)構(gòu)

如圖1－2所示。①心式變壓器如圖1－2(a)所示。結(jié)構(gòu)比較簡單，有較多的空間裝設(shè)絕緣，裝配容易，用鐵量較少，適用于容量大、電壓高的變壓器，一般電力變壓器均采用心式結(jié)構(gòu)。②殼式變壓器

如圖1－2(b)所示。機(jī)械強(qiáng)度較好，鐵心容易散熱，用鐵量較多，制造也較為復(fù)雜，小型干式變壓器多采用這種結(jié)構(gòu)形式。

(3)鐵心疊片形式

①條狀鐵心疊片大、中型變壓器的鐵心：將硅鋼片裁成條狀，采用交錯疊片的方式疊裝，使各層磁路的接縫互相錯開，可以減少氣隙和磁阻，如圖1－3(a)、(b)所示。大型變壓器的鐵心：采用高磁導(dǎo)率、低損耗的冷軋硅鋼片，如D330等。冷軋硅鋼片具有方向性，順著輾壓方向磁導(dǎo)率高，損耗小，因此采用斜切法下料，疊片方法如圖1－3(c)所示。①條狀鐵心疊片大型變壓器的鐵心采用高磁導(dǎo)率、低損耗的冷軋硅鋼片剪裁

小型變壓器：簡化工藝和減小氣隙，常采用E字形、F字形、C字形和日字形沖片交替疊裝而成。這些沖片的形狀如圖1－4所示。

②漸開線式鐵心

如圖1－6所示。漸開線式鐵心疊片，各片形狀相同，適合機(jī)械化流水線生產(chǎn)，具有體積小、用料省、重量輕和鐵損耗少等優(yōu)點(diǎn)。

(4)鐵心截面形式小型變壓器鐵心柱的截面是正方形或長方形的，圖1－6(a)。大型變壓器鐵心柱的截面通常是梯形截面，如圖1－6(b)所示。當(dāng)鐵心柱截面較大時，中間留有油道，如圖1－6(c)所示。

2．繞組繞組的組成：用絕緣扁(或圓)銅線、絕緣鋁線、鋁箔繞制。繞組的作用：是作為電流的載體，產(chǎn)生磁通和感應(yīng)電動勢。繞組的名稱：高壓(一次)繞組，低壓(二次)繞組。繞組在鐵心柱上放置方式：繞組有同心式和交疊式。

(1)同心式繞組

同心式繞組是將高、低壓繞組同心地套在鐵心柱上。為便于繞組與鐵心絕緣，通常低壓繞組靠近鐵心，高壓繞組套裝在低壓繞組的外面，如圖1－7所示。也有低壓、大電流繞組安放在高壓繞組外面的。

同心式繞組具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便的特點(diǎn)，國產(chǎn)變壓器多采用這種結(jié)構(gòu)。又分為圓筒式、分段式、螺旋式和連續(xù)式等幾種基本形式，如圖1－8所示。①圓筒式繞組由一根或幾根并聯(lián)的絕緣導(dǎo)線沿鐵心柱高度方向連續(xù)繞制而成，如圖1－8(a)所示。用于每柱容量在200kVA以及電壓在10kV以下變壓器中。圓筒式繞組a圓筒式繞組b圓筒式繞組c圓筒式繞組d

②分段式繞組是將圓筒式繞組沿軸線分成若干段，每段之間用絕緣襯墊隔開，然后在外部用聯(lián)接線聯(lián)接起來，如圖1－8(b)所示。比圓筒式繞組機(jī)械強(qiáng)度好、散熱能力強(qiáng)，用于每柱容量為350kVA及以下的高壓繞組中。

③螺旋式繞組

是由多根扁線沿徑向并聯(lián)排列，然后沿鐵心柱軸向像螺紋一樣，一匝跟著一匝繞制而成，這時，一個線餅就是一匝。當(dāng)并聯(lián)導(dǎo)線太多時，可把并聯(lián)導(dǎo)線沿軸向分成兩排，繞成雙螺旋式線圈。為了減少導(dǎo)線中的附加損耗，在繞制過程中需將導(dǎo)線進(jìn)行換位，如圖1－8(c)所示。它一般用于三相容量為800kVA及以上，電壓為35kV及以下的大電流變壓器中的低壓繞組。這種繞組導(dǎo)線截面積大、匝數(shù)少、繞組端部聯(lián)接容易處理。

④連續(xù)式繞組

由單根或多根扁漆包線盤繞，沿軸線分若干段繞制成線餅。從一個線餅到另一個線餅的聯(lián)接，不像分段式那樣焊接，而是用特殊的“翻線法”連續(xù)繞線。線餅與線餅之間無接頭，中間有油道，加強(qiáng)冷卻作用，如圖1－8(d)所示。(2)交疊式繞組交疊式繞組又稱餅式繞組，它是高低壓繞組分成若干線餅，沿著鐵心柱的高度方向交替排列。為了便于繞線和鐵心絕緣，一般最上層和最下層放置低壓繞組，如圖1－9所示。交疊式繞組的主要優(yōu)點(diǎn)是漏抗小，機(jī)械強(qiáng)度好，引線方便。這種繞組僅用于殼式變壓器中，如大型電爐變壓器就采用這種結(jié)構(gòu)。3．附件電力變壓器的附件有油箱、油枕、分接開關(guān)、安全氣道、氣體繼電器、絕緣套管等。其作用是保證變壓器的安全和可靠運(yùn)行。(1)油箱和冷卻裝置

油浸式變壓器的外殼：油箱，如圖1-1所示，盛有絕緣及散熱用的變壓器油。油箱的作用：保護(hù)變壓器鐵心和繞組不受外力作用和潮濕的侵蝕，通過油的對流，把鐵心和繞組產(chǎn)生的熱量傳遞給箱壁和散熱管。對20kV·A以下的變壓器，油箱本身表面能滿足散熱要求，故采用平板油箱；對30～200kV·A變壓器，采用排管式油箱；對2．5－6．3MV·A的變壓器，所需散熱面積較大，則在油箱壁上裝置若干只散熱器，加強(qiáng)冷卻；容量為8～40MV·A的變壓器在散熱器上還另裝風(fēng)扇冷卻；對50MV·A及以上大容量變壓器，采用強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻方式。當(dāng)變壓器的重量大于15t時，通常將變壓器做成鐘罩式油箱，檢修時只需把上節(jié)油箱吊起，免除必須使用重型起重設(shè)備。

大型變壓器油箱(2)油枕油枕亦稱儲油柜，如圖1－10所示。它是一個圓筒形容器，裝在油箱上部，稱為油枕，用管道與油箱相連，使油剛好充滿到油枕的一半。油面的升降被限制在油枕中，并且從外部的玻璃管中可以看到油面的高低，稱其為油表。油枕的作用是既能隨時將油充滿整個油箱，又能根據(jù)溫度變化，適應(yīng)變壓器油的熱脹冷縮，還能使變壓器油與空氣接觸面減少，防止潮濕氣體侵入。變壓器儲油柜、散熱管、安全氣道、氣體繼電器等附件(3)安全氣道

安全氣道亦稱防爆管，裝在油箱頂蓋上，如圖1－10所示。它是一種保護(hù)設(shè)備，由一根長鋼筒構(gòu)成，其上端管口裝有一定厚度的玻璃板或酚醛紙板(防爆膜)。當(dāng)變壓器發(fā)生嚴(yán)重故障而產(chǎn)生大量氣體時，油箱內(nèi)部的壓強(qiáng)可達(dá)到50.66kPa(0.5個大氣壓)時，氣體和油將首先沖破防爆膜向外噴出，以降低油箱內(nèi)的壓力，從而避免油箱內(nèi)受到強(qiáng)大的向外壓力而爆裂。(4)氣體繼電器

氣體繼電器是變壓器的主要保護(hù)裝置，裝在變壓器油箱和儲油柜之間的連接管上，如圖1－10所示。其內(nèi)部有一個帶有水銀開關(guān)的浮筒和一塊能帶動水銀開關(guān)的擋板。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時，產(chǎn)生的氣體聚集在氣體繼電器上部，使油面降低、浮筒下沉，接通水銀開關(guān)而發(fā)出報警信號；當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障時，油流沖破擋板，擋板偏轉(zhuǎn)時帶動一套機(jī)構(gòu)使另一個水銀開關(guān)接通，發(fā)出信號并跳閘，與電網(wǎng)斷開起到保護(hù)作用。圖1-11為氣體繼電器外形和結(jié)構(gòu)圖。（5）吸濕器又稱為呼吸器。如圖1-1（3）它內(nèi)部裝有用氯化鈦浸漬過的硅膠。當(dāng)變壓器溫度變化時，油枕的油面上下變化，油面上的空氣通過吸濕器與大氣相通。由于硅膠的吸濕能力很強(qiáng)，硅膠就會吸收掉空氣中的水分，保證油枕內(nèi)空氣的干燥，以免水分進(jìn)入變壓器油。此硅膠干燥時為蘭色，吸濕飽和后為紅色，應(yīng)急時可將紅色硅膠進(jìn)行烘烤變?yōu)樘m色后再放入吸濕器。(6)調(diào)壓分接開關(guān)變壓器運(yùn)行時，其輸出電壓是隨輸入電壓的高低和負(fù)載電流的大小及性質(zhì)而變動的。在電力系統(tǒng)中，為了使變壓器的輸出電壓控制在允許變化的范圍內(nèi)，變壓器的高壓繞組匝數(shù)要求在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，因?yàn)楦邏豪@組一般在低中壓繞組外面，引出調(diào)壓分接頭方便，引線截面積小，電流也小，比較方便。因而一次繞組一般都備有抽頭，稱為分接頭，如圖1－12所示。利用開關(guān)S與不同分接頭相連接，就可以改變一次繞組的匝數(shù)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電壓的目的。其調(diào)節(jié)范圍一般是額定輸出電壓的±5%，也有范圍在±7．5%的。調(diào)壓分接開關(guān)分為有載調(diào)壓分接開關(guān)和無勵磁調(diào)壓分接開關(guān)兩種。有載調(diào)壓分接開關(guān)是在不停電帶負(fù)載情況下，隨時進(jìn)行調(diào)壓的。無勵磁調(diào)壓分接開關(guān)，再進(jìn)行調(diào)壓前要斷開變壓器一、二次電源，斷電后調(diào)節(jié)無勵磁分接開關(guān)，改變變壓器繞組匝數(shù)，從而達(dá)到調(diào)整電壓的目的。(7)絕緣套管

絕緣套管是由外部的瓷套和其中的導(dǎo)電桿組成。其作用是使高、低壓繞組的引出線與變壓器箱體絕緣。它的結(jié)構(gòu)主要取決于電壓等級和使用條件。電壓≤1kV時采用實(shí)心瓷套管；電壓在10～35kV時采用充氣式或充油式套管；電壓≥110kV時采用電容式套管。為了增加表面放電距離，套管外形做成多級傘形，如圖1－13所示。變壓器模型中的絕緣套管(8)測溫裝置

在變壓器運(yùn)行時，需要監(jiān)視變壓器油面的溫度。小型的油浸式變壓器可用水銀溫度計(jì)，較大的變壓器通常采用壓力式溫度計(jì)，如圖1－14(a)所示。它是由測溫管、金屬軟管和表頭三部分組成。表頭實(shí)際上是一個壓力表，裝在油箱壁上便于觀察油的位置；測溫管內(nèi)充滿某種液體(例如氯化甲烷或乙醚等)，通過金屬軟管與表頭聯(lián)接；測溫管固定在油箱頂蓋上的一個開口套筒內(nèi)。套筒內(nèi)注滿變壓器油，如圖1－14(b)所示。當(dāng)變壓器的油溫變化時，氯化甲烷的壓力也跟著變化，表頭的指針(黑針)偏轉(zhuǎn)，指示出相應(yīng)的溫度值。指針的軸還可帶動兩對接點(diǎn)，調(diào)節(jié)裝在表頭上的最高溫度指針(黃針、紅針)就可以改變接點(diǎn)閉合時的溫度。當(dāng)油溫達(dá)到指定值時，接點(diǎn)閉合而接通電路，發(fā)出信號或開動冷卻系統(tǒng)的自動裝置。分類依據(jù)：

變壓器有很多類型，可按其用途、繞組結(jié)構(gòu)、鐵心結(jié)構(gòu)、相數(shù)、調(diào)壓方式、冷卻方式、容量等進(jìn)行分類。

二、變壓器的分類(1)按用途不同分類變壓器分為：電力變壓器(升壓變壓器、降壓變壓器、配電變壓器、廠用變壓器等)；特種變壓器(電爐變壓器、整流變壓器、電焊變壓器等)；儀用互感器(電壓互感器、電流互感器)；試驗(yàn)用的高壓變壓器和調(diào)壓器等。(2)按繞組結(jié)構(gòu)不同：變壓器分為：雙繞組；三繞組；多繞組變壓器；自耦變壓器。(3)按鐵心結(jié)構(gòu)不同：心式變壓器；殼式變壓器。(4)按相數(shù)不同：單相、三相、多相(如整流用的六相)變壓器。

(5)按調(diào)壓方式不同：

勵磁調(diào)壓變壓器、有載調(diào)壓變壓器。(6)按冷卻方式不同：變壓器分為干式變壓器、油浸自冷變壓器、油浸風(fēng)冷變壓器、強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻變壓器、強(qiáng)迫油循環(huán)導(dǎo)向冷卻變壓器、充氣式變壓器等。(7)按容量不同：變壓器分為小型變壓器，容量為630kVA及以下；中型變壓器，容量為800kVA～6300kVA；大型變壓器，容量為8000kVA～63000kVA；特大型變壓器，容量為900000kVAR以上。（8）按交流電頻率：變壓器可分為工頻變壓器、中頻變壓器、高頻變壓器（脈沖變壓器）。

第二節(jié)變壓器的基本原理

一、變壓器的基本工作原理變壓器主體是：鐵心----繞組。圖1-15

電磁感應(yīng)原理：

穿過繞組的磁通量發(fā)生變化時，繞組中便有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，如果繞組電路閉合，便產(chǎn)生感應(yīng)電流。就是一次繞組接通交流電源時，在一次繞組中就有交變電流通過，這個電流將激勵鐵心產(chǎn)生交變的磁通。

由于一次、二次繞組套在同一鐵心柱上，鐵心中的交變磁通同時交鏈一次、二次繞組，于是在兩繞組中都產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。

對于負(fù)載來說，二次繞組中的感應(yīng)電動勢相當(dāng)于電源，在二次繞組接通的回路中，便有電流通過，使燈泡發(fā)光。

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，一次、二次繞組都產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，二次繞組的感應(yīng)電動勢相當(dāng)于新的電源，變壓器是利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行電能轉(zhuǎn)化的電磁轉(zhuǎn)換裝置。將變壓器一次側(cè)交流電壓電流通過電磁感應(yīng)傳遞給二次側(cè)的電壓電流與一次側(cè)不同或相同，從而達(dá)到電能傳遞的目的，傳遞時電源頻率不變，這就是變壓器的基本工作原理。

變壓器一次繞組從交流電源吸收電能傳遞到二次繞組供給負(fù)載，鐵心中的磁通是能量傳遞的中介橋梁。

事實(shí)證明：

變壓器只能傳遞交流電能，而不能產(chǎn)生電能；

它只能改變交流電壓或電流的大小，不改變頻率；而在傳遞過程中幾乎不改變電流與電壓大小的乘積，即P=U1·I1≈U2·I2

二、變壓器的空載運(yùn)行

將變壓器一次繞組接交流電源，二次繞組開路，這種運(yùn)行方式稱為變壓器的空載運(yùn)行。圖1－16是單相變壓器空載運(yùn)行原理圖。

1．變壓器有關(guān)各量正方向的規(guī)定通常是這樣規(guī)定的：

(1)在一次繞組內(nèi)，電流的正方向與電壓的正方向一致。

(2)電流的正方向與磁通的正方向之間關(guān)系符合右手螺旋法則。

(3)繞組感應(yīng)電動勢的正方向與產(chǎn)生該電動勢的磁通正方向一致，符合右手螺旋法則。

(4)在二次繞組內(nèi)，電流的正方向與電動勢的正方向一致。(5)在二次繞組端，電壓的正方向與電流的正方向一致。2.變壓器中各有關(guān)量間的關(guān)系3.變壓器一次、二次繞組感應(yīng)電動勢的大小1834年俄國物理學(xué)家楞次總結(jié)出感應(yīng)電動勢方向的規(guī)律如下：當(dāng)穿過線圈的磁通量發(fā)生變化時，感應(yīng)電流的方向總是力圖使它產(chǎn)生的磁場阻礙線圈中原磁通的變化。這是連同楞次定律在內(nèi)的電磁感應(yīng)定律數(shù)學(xué)表達(dá)式。有了這一負(fù)號，就能根據(jù)磁通量的變化率確定感應(yīng)電動勢的大小與方向。若只考慮其絕對值，則（1-4）由式(1－1)、(1－2)和(1－6)可得出U1=E1=4.44fN1Φm

(1－8)

4．變壓器的變比由于一次、二次繞組匝數(shù)不同，主磁通在一次、二次繞組中感應(yīng)電動勢的大小也就不同。根據(jù)式(1－8)可以求得變壓器的一次、二次繞組電動勢的比值，稱為變壓器的變比，用符號K表示。

變壓器的變比K等于一次、二次繞組匝數(shù)之比。當(dāng)K>1時，是降壓變壓器；當(dāng)K<1時，是升壓變壓器；當(dāng)K=1時，是隔離變壓器。變比是變壓器的一個重要運(yùn)行參數(shù)。(1--9)5.實(shí)際變壓器空載運(yùn)行時的向量關(guān)系三、變壓器的負(fù)載運(yùn)行1.一次繞組的電壓平衡方程式2．變壓器磁動勢平衡方程式及電流比3.二次繞組電路的電壓平衡方程式及實(shí)際負(fù)載運(yùn)行時的相量圖

四、變壓器的作用

1．變壓器的變壓、變流作用從變壓器的運(yùn)行情況得知，變壓器有變換電壓的作用，能夠?qū)⒏唠妷鹤優(yōu)榈碗妷?，也能夠?qū)⒌碗妷鹤優(yōu)楦唠妷骸Ｍ瑫r，變壓器也有變換電流的作用，一次、二次繞組電流的大小與一次、二次繞組的匝數(shù)成反比。在遠(yuǎn)距離輸送電能時，必須采用高壓輸電才經(jīng)濟(jì)合理。從下面例題中便可知道變壓器在輸送電能中的作用。

例1－1從某電廠通過30km的三相輸電線向某工廠送電，輸電線采用185mm2的鋼心鋁線，它每千米的電阻為0.17Ω。假設(shè)輸送容量為20000kVA，試計(jì)算輸電線路線電壓分別為110kV、35kV、10kV時，線路上的功率損失是多少?各占輸送容量的百分比是多少?選用哪一電壓等級的變壓器合適?

由此可見，輸電線路電壓愈高，線路損失占輸送容量的百分比愈少。當(dāng)線路電壓為10kV時，線路損失超過了輸送容量，使上一級變壓器超負(fù)荷工作，這是不允許的。也就是說，在輸送容量(功率)一定的情況下，輸電線路電壓愈高，輸送的電流愈小，線路損失愈少。所以，在條件允許的情況下，盡可能采用高壓輸送電能。因此，本題選用110kV電壓等級的變壓器合適。此外，導(dǎo)線中電流變小，導(dǎo)線截面積可小些，重量減輕，便于長距離架設(shè)。當(dāng)然由于線路電壓升高，相應(yīng)需要解決絕緣問題。2．變壓器的變換阻抗作用變壓器還有一種變換阻抗的作用。在電子設(shè)備中，負(fù)載若要獲得最大輸出功率，必須滿足負(fù)載電阻與電源內(nèi)阻相等這一條件，這稱為阻抗匹配。但是，在一般情況下，負(fù)載阻抗是一定的，不能隨意改變，因此很難得到滿意的阻抗匹配。利用變壓器可以進(jìn)行阻抗變換，適當(dāng)選擇變壓器的匝數(shù)比，把它接在電源與負(fù)載之間，就可以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，從而使負(fù)載獲得最大的輸出功率。公式(1-19)表明，變比為K的變壓器，可以把其二次繞組的負(fù)載阻抗，變換成為對電源來說擴(kuò)大到K

2倍的等效阻抗。

例1-2在某晶體管收音機(jī)中，輸出阻抗為360Ω，現(xiàn)有一阻抗為8Ω的揚(yáng)聲器，若要使揚(yáng)聲器獲得最大輸出功率，問需要在揚(yáng)聲器和收音機(jī)的輸出端之間，接人變比為多大的變壓器?如果輸出變壓器的一次繞組為230匝，求阻抗匹配時，變壓器二次繞組的匝數(shù)?解由公式(1-19)可以求出變壓器的變比

由此可見，變壓器的阻抗變換作用，在電子技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用。第三節(jié)變壓器的外特性和電壓調(diào)整率對于負(fù)載來講，變壓器相當(dāng)于一個電源。對于電源，我們所關(guān)心的是它的輸出電壓與負(fù)載電流大小的關(guān)系，即一般所說的外特性。為了適應(yīng)不同負(fù)載的需要，對變壓器的輸出電壓進(jìn)行必要的調(diào)整，可以保證供電質(zhì)量。

一、變壓器的外特性根據(jù)對變壓器負(fù)載運(yùn)行情況的分析，當(dāng)一次繞組電壓U1不變時，如果負(fù)載電流I2增加，在二次繞組內(nèi)阻抗壓降也會增加，二次繞組輸出的電壓U2隨之下降。這種變化關(guān)系可以用變壓器的外特性來描述。

當(dāng)一次繞組電壓U1和負(fù)載的功率因數(shù)cosφ2一定時，二次繞組輸出的電壓U2與負(fù)載電流I

2的關(guān)系，稱為變壓器的外特性。它可以用實(shí)驗(yàn)的方法測得。圖1－22畫出了幾條功率因數(shù)不同的外特性曲線。在圖1－22中，當(dāng)一次繞組加額定電位U1N且I

2=0時，二次繞組端電壓U20=U2N，即變壓器二次繞組空載電壓U20即為二次繞組額定電壓。(1)當(dāng)負(fù)載為純電阻時，cosφ2

=1隨著負(fù)載電流I2的增大，變壓器二次繞組邊的輸出電壓逐漸降低，即變壓器輸出電壓具有下降的外特性，但下降的并不多。

(2)當(dāng)負(fù)載為電感性時，cosφ2<1，隨著負(fù)載電流I2的增大，變壓器二次繞組邊的輸出電壓下降較快。這是因?yàn)闊o功電流滯后，對變壓器磁路中主磁通的去磁作用較強(qiáng)，使二次繞組的E2下降所致。

(3)當(dāng)負(fù)載為電容性時，cosφ2<1，φ2為負(fù)值。超前的無功電流有助磁作用，主磁通會有所增加，E2也隨之增加，使U2會隨I2的增加而增加。以上說明，功率因數(shù)對變壓器外特性的影響是很大的，負(fù)載的功率因數(shù)確定之后，變壓器的外特性曲線也就隨之確定了。

二、變壓器的電壓調(diào)整率一般情況下，當(dāng)負(fù)載波動時，變壓器的輸出電壓也是波動的。從負(fù)載用電的角度來看，總希望電源電壓盡量穩(wěn)定。當(dāng)負(fù)載變動時，二次繞組輸出電壓的變化程度可以用電壓調(diào)整率來描述。變壓器從空載到額定負(fù)載(I2

=I2N)運(yùn)行時，二次繞組輸出電壓的變化量ΔU與空載額定電壓U2N的百分比，稱為變壓器的電壓調(diào)整率，用ΔU%表示（1-20）

電壓調(diào)整率表征電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性，是變壓器的主要性能指標(biāo)之一。在一定程度上反映供電的質(zhì)量，它與變壓器參數(shù)及負(fù)載性質(zhì)有關(guān)。對于電力變壓器，由于其一次、二次繞組的電阻和漏抗都很小，額定負(fù)載時，電壓調(diào)整率約為4%～6%。但當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)cosφ2下降時，電壓調(diào)整率會明顯增大。因此，提高企業(yè)供電的功率因數(shù)，也有減小電壓波動的作用。

例1－3有一臺變壓器接通負(fù)載后，二次繞組的輸出電壓為5700V，它的電壓調(diào)整率為4.8%，求二次繞組的額定電壓U2N是多少?

我國電力技術(shù)政策規(guī)定，35kV以上的電壓，允許偏差±5%；10kV以下高壓供電和動力供電為±7%；低壓照明設(shè)備為+5%～-10%。

第四節(jié)變壓器的空載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)變壓器試驗(yàn)的目的是：檢驗(yàn)變壓器的性能是否符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件的規(guī)定；測出變壓器的有關(guān)數(shù)據(jù)。

一、變壓器的空載試驗(yàn)

目的是測定變壓器的變比K，空載電流I0，空載損耗P0和勵磁阻抗Zm等。試驗(yàn)電路如圖1－23所示。

1.測變比K

將變壓器的一次、二次繞組兩邊均接上電壓表，稱雙電壓表法測試變比。進(jìn)行試驗(yàn)時，調(diào)節(jié)調(diào)壓變壓器，使一次繞組電壓達(dá)到額定值U1N，這時二次繞組的空載電壓也是額定值U2N=U20=E2，由此可以得到該變壓器的變比K

(1－21)

變壓器的變比是變壓器并聯(lián)運(yùn)行的重要參數(shù)。2．測空載電流I0和空載損耗P0將變壓器的二次繞組開路，調(diào)節(jié)調(diào)壓變壓器，觀察電路中電壓表V1使一次繞組電壓達(dá)到額定值U1N，圖中電流表A所測得的電流值即為變壓器的空載電流I0。這時鐵心中的主磁通也達(dá)到了變壓器額定工作時的數(shù)值。由于二次繞組開路，沒有電流流過，所以副繞組沒有銅損耗。一次繞組中的空載電流I0很小，銅損耗可以忽略不計(jì)。因此，變壓器一次繞組的輸入功率P0，可以認(rèn)為全部是變壓器的鐵心損耗PFe

。這時，鐵心中的功率損耗也達(dá)到了額定工作狀態(tài)下的數(shù)值。這樣，電路圖中功率表測得的功率P0，就是變壓器的空載損耗即鐵心損耗PFe。P0=PFe測量空載電流I0和空載損耗P0，可以判斷鐵心質(zhì)量及繞組是否短路。如果空載電流過大，說明鐵心可能過于飽和或可能匝間短路。這兩種可能都會造成變壓器溫升過高。

3．測量計(jì)算勵磁阻抗Zm、電阻rm和勵磁電抗xm

根據(jù)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出：

(1－22)勵磁阻抗是一個等效阻抗，它所表示的意義是，變壓器在空載運(yùn)行時，流過的空載電流I0在鐵心中建立交變磁通，交變磁通在一次繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，在鐵心中引起損耗，對應(yīng)交變磁通的電抗及對應(yīng)鐵損耗的等效電阻之和即為勵磁阻抗。它是表征鐵心磁化性能和鐵心損耗的一個綜合參數(shù)。

勵磁電阻是表征鐵心損耗的一個等效參數(shù)，勵磁電抗是表征鐵心磁化性能的一個等效參數(shù)。由于鐵心磁路的磁化曲線是非線性的，E1和IM

之間也是非線性關(guān)系，即勵磁阻抗Zm

不是常值，而是隨著工作點(diǎn)飽和程度的增加而減少。因此可以根據(jù)所測得勵磁阻抗值來確定鐵心磁路的飽和程度。但是實(shí)際變壓器運(yùn)行時變壓器工作在磁化曲線的線性段，主磁通φm變化很小，可近似認(rèn)為Zm為常值。

對于變壓器空載試驗(yàn)，不論在變壓器一次繞組還是二次繞組上施加額定電壓，鐵心中的主磁通及鐵損耗相同。因此，為了方便，一般在低壓側(cè)加額定電壓，讓高壓側(cè)空載。這時應(yīng)選用合適的測I2量儀表。但這時應(yīng)將低壓側(cè)的阻抗值Z2，通過阻抗變換折算成高壓側(cè)的阻抗Z1。即Z1=K2Z2

4.空載功率因數(shù)當(dāng)電壓變化時，鐵心飽和程度變化，因正常電力變壓器空載電流很小，空載損耗即為鐵損耗，因此功率因數(shù)

由上式可知，P0越小，

越低，說明鐵心和繞組質(zhì)量越好，因此可通過空載實(shí)驗(yàn)的功率因數(shù)測量檢查鐵心質(zhì)量和匝數(shù)是否恰當(dāng)或有無短路。

二、變壓器的短路試驗(yàn)

目的是：測出變壓器的銅損耗PCu，短路電壓UK

，短路阻抗ZK等數(shù)據(jù)，以檢查繞組的質(zhì)量。

1．測銅損耗P

CuN

將二次繞組短路，首先調(diào)節(jié)調(diào)壓變壓器，切記一次繞組所加的電壓從零開始逐漸升高，直到一次繞組電流達(dá)到額定值為止，這時功率表的讀數(shù)就是短路試驗(yàn)的銅損耗。即

PD=PCuN上式表明，在短路試驗(yàn)中，二次繞組端頭短接，二次繞組不對外輸出功率。當(dāng)一次繞組電流達(dá)到額定值時，二次繞組電流也達(dá)到額定值。這時變壓器的銅損耗就相當(dāng)于額定負(fù)載時的銅損耗PCuN。因?yàn)槎卫@組短路，達(dá)到額定電流時所需要的電壓很小，鐵損耗可忽略不計(jì)。短路試驗(yàn)時的全部輸入功率基本上都消耗在變壓器一次、二次繞組的電阻上。因此，功率表測得的功率就是變壓器額定負(fù)載時的銅損耗PCuN。2．測短路電壓U

K使一次繞組電流等于額定電流值時的電壓稱為短路電壓或稱阻抗電壓，用U

K

表示。短路電壓(阻抗電壓)一般表示為額定電壓的百分之幾。如有的變壓器銘牌中表示阻抗電壓：4.94%。一般中小型電力變壓器，短路電壓是很小的，只有額定電壓的4%～10.5%，大型電力變壓器為12.5%～17.5%。3．測量計(jì)算短路阻抗ZK,短路電阻r

K,短路電抗XK

由電壓表和電流表的讀出數(shù)據(jù)即可確定：

(1－23)當(dāng)變壓器短路時，短路阻抗是變壓器的漏阻抗，對變壓器的外特性有較大的影響。從正常運(yùn)行角度看，希望變壓器的短路電壓小些，對發(fā)生短路事故而言，則希望短路電壓大些。設(shè)計(jì)變壓器時，使漏阻抗大些，可以限制短路電流的數(shù)值。對于變壓器短路試驗(yàn)，多為高壓邊接電源，低壓邊短路進(jìn)行測試。

第五節(jié)變壓器的損耗和效率變壓在傳輸電能過程中，不可避免地要產(chǎn)生損耗，雖然很少，但有時還是不能忽略的。

一、變壓器的損耗

1．鐵損耗PFe

當(dāng)變壓器鐵心中的磁通交變時，在鐵心中要產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗，統(tǒng)稱為鐵損耗。在變壓器空載試驗(yàn)中，由于空載電流I0和一次繞組電阻r1都比較小，變壓器空載時，變壓器的空載損耗基本上等于變壓器的鐵損耗。當(dāng)電源電壓一定時，鐵損耗基本上是恒定的。將鐵損耗稱之為不變損耗，它與負(fù)載電流的大小和性質(zhì)無關(guān)。即PFe=P0=常數(shù)2．銅損耗PCu

變壓器一次、二次繞組中都有電阻，當(dāng)電流流過繞組時，就要產(chǎn)生熱量，消耗電能，這就是銅損耗。電阻上的功率損耗與電流的平方成正比，變壓器的銅損耗取決于負(fù)載電流的大小和繞組的電阻值。在一定負(fù)載下，變壓器的銅損耗為

(1-24)

這個公式是按二次繞組的電流I2及一次繞組的電阻r1、二次繞組的電阻r2來計(jì)算變壓器銅損耗的。

一般情況下，已知變壓器的負(fù)載系數(shù)β，它是在任一負(fù)載下，二次繞組的電流I2與變壓器二次繞組的額定電流I2N的比值，即

(1-25)

在短路試驗(yàn)中，二次繞組流過額定電流I2N，一次繞組流過額定電流I1N，那么這時的銅損耗就可以認(rèn)為是變壓器額定負(fù)載時的銅損耗，即

公式(1-27)說明，在某一負(fù)載下變壓器的銅損耗等于變壓器負(fù)載系數(shù)的平方與其額定銅損耗的乘積。

二、變壓器的效率

1．變壓器的效率及其實(shí)用公式兩種基本損耗：銅損耗和鐵損耗。變壓器輸入有功功率P1與輸出有功功率P2之差就是變壓器本身的功率損耗。變壓器的輸出功率P2與輸入功率P1的比值定義為變壓器的效率，用符號η表示。計(jì)算公式為

(1－28)

變壓器效率高低反映了變壓器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，是運(yùn)行性能的重要指標(biāo)。由于變壓器是一種靜止的電氣設(shè)備，在能量傳輸過程中沒有機(jī)械損耗，它的效率很高。中小型變壓器效率可達(dá)

95%～98%；大型變壓器效率可達(dá)99%以上。用直接負(fù)載法測量輸出功率和輸入功率來確定效率很難得到準(zhǔn)確的結(jié)果。

一般用間接法計(jì)算變壓器的效率，因?yàn)?/p>

ΔP=P1-P2(1－29)

在求實(shí)際運(yùn)行的變壓器效率時，只要能計(jì)算出ΔP=PFe+PCu時，效率η就容易計(jì)算了。對于單相變壓器來說，

（1-31）

這是一個很實(shí)用的計(jì)算公式。2．變壓器的效率特性曲線一個實(shí)際的變壓器，PFe和P

CuN是一定的。當(dāng)負(fù)載的功率因數(shù)一定時，效率η只與負(fù)載系數(shù)β有關(guān)。變壓器的效率與負(fù)載系數(shù)的關(guān)系，即η=f(β)曲線，稱為變壓器的效率曲線，如圖1－25所示。它表明了變壓器的效率η與負(fù)載電流I2大小的關(guān)系。從這條曲線可以看出，變壓器的效率有一個最大值ηmax，用數(shù)學(xué)分析的方法可以證明：當(dāng)變壓器的銅損耗PCu等于鐵損耗PFe時，變壓器的效率最高。因此可得到變壓器效率最高時的條件（1-32）

將(1－32)式代人(1－31)式便得到變壓器最大效率表達(dá)式(1-33)從曲線中可以看出，當(dāng)β<βm時，變壓器的效率較低。這是因?yàn)樽儔浩鞯蔫F損耗不隨負(fù)載的大小而變化，輸出功率較小時，鐵損耗占的比例較大。當(dāng)β>βm時，這時變壓器的銅損耗增加較快，輸出功率較大時，銅損耗占的比例增大，使效率又降低了。所以，要提高變壓器運(yùn)行時的效率，注意不該使變壓器在較低負(fù)載下運(yùn)行。

例1－4一臺容量為10kVA的單相變壓器，電壓為2200V/200V，電流為4.55A/45.5A，空載損耗戶P0=90W，短路損耗P

CuN=270W，求：

(1)當(dāng)cosφ2=0.8時，輸出電流I2=30A時，變壓器的效率η?(2)當(dāng)cosφ2=1時，變壓器的最高效率ηm?

解(1)首先求出電流負(fù)載系數(shù)β根據(jù)公式（1-31）求效率η（2）求最高效率時βm

所以，一般電力變壓器最大效率發(fā)生在βm=0.5～0.6范圍內(nèi)。這時鐵損耗與短路損耗(額定銅損耗)之比(PFe/P

CuN)約為(1/4～1/3)。世界上很多國家正在致力于超導(dǎo)材料的研究，目前已有330kVA單相超導(dǎo)繞組變壓器問世，其體積比普通變壓器小70%左右，損耗可降低50%。第六節(jié)變壓器的銘牌

一、三相電力變壓器銘牌

表1－1三相電力變壓器銘牌

二、三相電力變壓器銘牌內(nèi)型號、數(shù)據(jù)的意義1．型號及系列2．額定容量SN

額定容量：在額定工作條件下變壓器輸出功率的保證值，是變壓器的視在功率。即SN=U1N

·I1N=U2N

·I2N，也是變壓器輸出最大電功率的能力，不能將變壓器的實(shí)際輸出功率與容量相混淆。三相變壓器的容量為

單位為伏安(VA)、千伏安(kVA)、兆伏安(MVA)。視在功率采用伏安作