1、（ 電機與拖動 ）電子教案,第一節(jié) 變壓器的工作原理和結構,變壓器是一種靜止的裝置，它是依靠磁耦合的作用，將一種等級的電壓與電流轉換成另一種等級的電壓與電流，起著傳遞電能的作用。 變壓器分類： 按相數(shù)分為：,電力變壓器,儀用互感器,試驗變壓器,調壓器 控制變壓器,單相,三相變壓器,一、變壓器的工作原理 在一個閉合的鐵心上纏繞兩個繞組，其匝數(shù)既可以相同，也可以不同，但一般是不同的。如圖4.1所示，兩個繞組之間只有磁的耦合，而沒有電的聯(lián)系。,圖3.1 單相雙繞組變壓器原理圖,二、變壓器的結構 變壓器的主要結構部件有：鐵心和繞組兩個基本部分組成的器身，以及放置器身且盛滿變壓器油的油箱。此外，還有一些

2、為確保變壓器運行安全的輔助器件。圖3.2為一臺油浸式電力變壓器外形圖。,圖4.2 油浸式變壓器外形圖,1放油閥門 2繞組 3鐵心 4油箱 5分接開關 6低壓套管7高壓套管 8氣體繼電器 9安全氣道 10油表 11儲油柜 12吸濕器 13濕度計,1 鐵心。構成變壓器磁路的主要部分。為了減小交變磁通在鐵心中引起的損耗，鐵心通常用厚度為0.3 mm0.5mm、表面具有絕緣膜的硅鋼片疊裝而成，分為鐵心柱和鐵軛兩部分。圖3.3(a)、(b)所示的變壓器，從外面看，線圈包圍鐵心柱，稱為心式結構；圖3.4所示的變壓器，從外面看，鐵心柱包圍線圈，,(a) 單相心式變壓器,(b) 三相心式變壓器,圖3.3 心式

3、結構變壓器,圖3.4 殼式結構的變壓器,2 繞組。構成變壓器電路的主要部分。原、副邊繞組一般用銅或鋁的絕緣導線纏繞在鐵心柱上。 3 其他部件 1）油箱及儲油柜 變壓器的冷卻方式分為干式自然冷卻、油浸自然冷卻、油浸風冷、油浸強迫油循環(huán)冷卻。 儲油柜就是油枕。 2）絕緣套管 變壓器的絕緣套管裝在箱蓋上，多用瓷質絕緣套管。作用是把繞組的引線端頭從油箱中引出，并使引線與油箱絕緣。,3）氣體繼電器 氣體繼電器裝在油箱蓋與儲油柜的連通管導管中，對變壓器的短路、過負荷、漏油等故障起到保護作用。 4）安全氣道（又稱防爆管） 安全氣道裝在較大容量變壓器油箱頂上的一個鋼質長筒，下筒口與油箱連通，上筒口以玻璃板封口

4、。當變壓器內部發(fā)生嚴重故障又恰逢氣體繼電器失靈時，油箱內的高壓氣體便會沿著安全氣道上沖，沖破玻璃封口，以避免油箱受力變形或爆炸。 5）分接開關 分接開關裝在變壓器油箱蓋上，通過調節(jié)分接開關來改變一次繞組的匝數(shù)，從而調節(jié)二次繞組的輸出電壓。,三、變壓器銘牌 1、變壓器型號 按國家標準規(guī)定，變壓器的型號由漢語拼音字母和數(shù)字組成，表示變壓器的系列和規(guī)格。,按照國家標準規(guī)定，標注在銘牌上的，代表變壓器在規(guī)定使用環(huán)境和運行條件下的主要技術數(shù)據(jù)，稱為變壓器的額定值(或稱為銘牌數(shù)據(jù))，主要有： (1) 額定容量是變壓器在正常運行時的視在功率，通常以SN來表示，單位為伏安(VA)或千伏安(kVA)。對于一般的

5、變壓器，原、副邊的額定容量都設計成相等。 (2) 額定電壓：在正常運行時，規(guī)定加在原邊繞組上的電壓，稱為原邊的額定電壓，以U1N來表示；當副邊繞組開路(即空載)，原邊繞組加額定電壓時，副邊繞組的測量電壓，即為副邊額定電壓，以U2N來表示。在三相變壓器中，額定電壓系指線電壓，單位為伏(V)或千伏(kV)。 (3) 額定電流：是指根據(jù)額定容量和額定電壓計算出來的電流值。原、副邊的額定電流分別用I1N、I2N來表示，單位為安(A)。 (4) 額定頻率：我國以及大多數(shù)國家都規(guī)定fN=50Hz。額定容量、額定電壓和額定電流之間的關系為,單相變壓器： 三相變壓器： 此外，變壓器的銘牌上還一般會標注效率、溫

6、升、絕緣等級等。,第二節(jié)變壓器的運行原理,一、變壓器的空載運行 空載運行是指變壓器一次側加額定電壓、二次側開路時的運行狀態(tài)。 變壓器的各電磁量都是交流量，為分析和計算方便，必須規(guī)定出其正方向。圖3.5所示變壓器各量的正方向是遵循慣例，按下面所述的相應電磁規(guī)律來規(guī)定的。,圖3.5 變壓器工作原理示意圖,1、空載運行時的磁場 空載交變磁勢F0=i0 N1，建立空載磁場。 磁場由兩部分磁通組成：存在于鐵心中的磁通并同時與原邊、副邊繞組相交鏈，稱為主磁通 ； 少量的磁通：只與原邊繞組相交鏈，稱為原邊側漏磁通 。,2、空載運行時的電磁關系 1） 感應電動勢： 設主磁通：,感應電動勢為：,則：,e1、e2

7、的有效值分別為,相應的相量表達式為 ：,漏磁感應電動勢：,2）空載電流 變壓器的空載電流i0一方面建立磁場，另一方面要補償空載運行時變壓器的損耗。前者僅起磁化作用，稱為勵磁電流或磁化電流，是i0中的無功分量，以im表示；后者是有功分量，以iFe表示。,i0=im+iFe,空載電流的相量關系如圖3-6所示。,圖圖4.10 空載時電流分析等效圖,圖3.6 空載時電流相量圖,例：31 書68頁,電壓平穩(wěn)衡方程式：,變比為：,3、空載變壓器的等效電路： 根據(jù)變壓器空載運行時的實際物理情況，可以把原邊繞組等效為一個電阻、一個空心線圈和一個實心線圈串聯(lián)組成，如圖3.7所示。電阻即為繞組內阻，空心線圈所產生

8、的磁通為原邊繞組的漏磁通，實心線圈產生的磁通為鐵心中的主磁通。這樣就可以把實際的原邊繞組與三個理想元件相等效，便于作進一步分析。等效電路如圖3.8所示。相量如圖3.9所示。,圖3.7 空載時原邊繞組等效圖,二、變壓器的負載運行 原邊繞組接通額定電壓，副邊繞組接上負載ZL時，稱為變壓器的負載運行。其工作原理圖如圖3.10所示。,圖3.8 變壓器空載時的等效電路圖,圖3.9 變壓器空載運行時的相量圖,1、平衡方程式 1）磁勢平衡方程式 由： 得,圖3.10 變壓器負載運行原理圖,空載時磁勢為： 負載時變壓器的磁勢為： 總磁勢為：,2）電流平衡方程式 由： 得：,3）電壓平衡方程式,3、等效電路：利

9、用變壓器負載運行時的磁動勢、電動勢平衡方程式以及原、副邊之間的電壓比關系，可以計算出變壓器在穩(wěn)態(tài)運行時的各個電磁量。但是對于既有電路又有磁路的變壓器而言，用方程組計算十分繁瑣，為此我們希望有一個能正確反映變壓器內部電磁關系的單純電路來代替實際的變壓器，用電路的理論對其進行分析和計算，這種電路稱為等效電路。,1）折算：使變壓器一、二次側的各量轉化為同一匝數(shù)下的量的計算過程。 折算的原則：折算前后電磁關系和功率關系不變。 （1） 電流歸算 根據(jù)歸算前后的磁動勢保持不變，有 考慮到 ，有,（2）電動勢和電壓的折算 由于歸算前后磁動勢保持不變，因此主磁通也不會改變，感應電動勢就與所對應的匝數(shù)成正比,（

10、3）二次阻抗的折算 根據(jù)歸算前后副邊繞組的銅耗和無功功率保持不變的原則，有,負載阻抗的折算值為,2) 等效電路 當采用折算法將變壓器一、二次繞組各量統(tǒng)一成為同一匝數(shù)下的各量時，便能用一個純電路形式的等效電路來直接表示變壓器負載運行時內部的電、磁關系和功率關系的電路。,折算后變壓器負載運行時的基本方程式為：,根據(jù)以上方程式作出電路如圖3.11 3.12 3.13所示:,圖3.11 變壓器的T型等效電路,圖3.12 變壓器的型等效電路,圖3.13 變壓器的等效電路,圖3.14 變壓器負載運行時的相量圖,電路阻抗為:,負載運行時的相量如圖3.14所示。 例：32 34 書73頁和74頁 三、變壓器的

11、參數(shù)測定 1、空載試驗 空載試驗的目的：測定(1)變比k；(2)空載損耗P0；(3)勵磁參數(shù)。 為了安全起見，一般是在低壓側進行。單相變壓器空載試驗接線圖如圖3.15所示。等效電路如圖3.16所示。,圖3.15 空載試驗接線圖,圖3.16 空載試驗等效電路圖,空載時所測阻抗可近似等效為勵磁阻抗，即,2、短路試驗 短路試驗的目的：測定短路參數(shù) ；額定銅耗 短路試驗時，副邊繞組處于短路狀態(tài)。理論上短路試驗即可以在高壓側進行，也可以在低壓側進行，但為了安全起見，一般是在高壓側進行。短路試驗接線圖如圖3.17所示。相量如圖3.18所示。,圖3.17 短路試驗接線圖,圖3.18 短路試驗等效電路圖,短路

12、試驗中，把繞組電流達到額定值時，加在原邊繞組兩端的電壓稱為短路電壓或阻抗電壓， ；所測得Z1稱為短路阻抗。,測得參數(shù)為：,換算到75下的值為：,銅線 鋁線,例：34 書77頁,第三節(jié) 變壓器的運行特性,變壓器的運行特性包含兩個方面： (1) 外特性。即原邊繞組施加額定電壓，負載的功率因數(shù)保持不變時，副邊繞組端電壓隨負載電流的變化規(guī)律U2=f(I2)。 (2) 效率特性。,一、外特性,一、外特性 由于原邊繞組所加電壓始終為額定值，主磁通 保持不變，副邊繞組的感應電動勢 也保持不變。當副邊電流 發(fā)生變化時，副邊漏阻抗壓降也會發(fā)生變化，從而導致副邊端電壓 隨之變化。將其變化規(guī)律用曲線描述出來，就是變

13、壓器的外特性曲線。,在變壓器分析過程中，通常用電壓調整率U%來衡量端電壓變化的程度。電壓調整率指的是在原邊繞組施加額定電壓，負載功率因數(shù)一定，變壓器從空載到負載時，端電壓之差(U20-U2)與副邊額定電壓U2N之比的百分值。即 特性曲線如圖3. 19所示.,圖3.19 變壓器在不同負載時的端電壓變化率,二、效率特性 1、功率關系：,1）鐵損：鐵心中磁滯和渦流損耗的統(tǒng)稱。 2) 銅損:變壓器負載運行時一、二次繞組導線上產生的損耗。 2 效率：變壓器的效率指的是輸出的有功功率與輸入的有功功率之比，即,例：35 書80頁,第四節(jié) 三相變壓器,三相變壓器工作原理與單相變壓器完全相同。,一、三相變壓器的

14、磁路系統(tǒng) 三相變壓器可以用一個由3個磁路相互獨立的單相變壓器所組成的，三相之間只有電的聯(lián)系而無磁的聯(lián)系。如圖3.20所示。也可以將三相繞組同裝在一個鐵心上，組成三相變壓器。,圖圖圖3.20 三相組式變壓器,1、三相變壓器組的磁路系統(tǒng)（單獨） 磁路特點：三相磁通各有自己的單獨的磁路。但當對原邊繞組施加對稱的三相電壓時， 便會對稱，空載電流也是對稱的。,2、三相心式變壓器的磁路 與三相組式變壓器不同，三相心式變壓器的磁路相互關聯(lián)。它是通過鐵軛把3個鐵心柱連在一起的。如圖3.21所示。這種鐵心結構是從單相變壓器演變過來的，把3個單相變壓器鐵心柱的一邊組合到一起，而將每相繞組纏繞在未組合的鐵心柱上。由

15、于在對稱的情況下，組合在一起的鐵心柱中不會有磁通存在，故可以省去。,圖3.21 三相心式變壓 器的鐵心結構,二、變壓器的連接方式和連接組別 1、變壓器繞組的標記和極性 1）標記 如表31所示,表3-1 三相變壓器首末端標記,2）極性 同名端：任何時刻兩個繞組的感應電動勢都會在某一端呈現(xiàn)高電位的同時，在另外一端呈現(xiàn)出低電位。借用電路理論的知識，把原邊、副邊繞組中同時呈現(xiàn)高電位(低電位)的端點稱為同名端，并在該端點旁加“”來表示。,2、單相變壓器的連接組別,按照慣例，統(tǒng)一規(guī)定原邊、副邊繞組感應電動勢的方向均從首端指向末端。一旦兩個繞組的首、末端定義完之后，同名端便唯一由繞組的繞向決定。當同名端同時

16、為原邊、副邊繞組的首端(末端)時， 和 同相位，用連接組I/I-12表示，如圖3.22所示；否則， 和 相位相差180，用連接組I / I-6表示，如圖3.23所示。,接線圖 (b) 相量圖,圖3.22 連接組I/I-12,(a) 接線圖 (b) 相量圖,圖3.23 連接組I/I-6,3、三相繞組的連接方式 有星形連接和三角形連接二種。 三相變壓器的連接組有兩部分組成，一部分表示三相變壓器的連接方法；一部分連接組的標號。 鐘表法:根據(jù)原副線電動勢的相位關系來確定連接組標號。連接組標號有兩層含義：一方面原邊、副邊線電動勢相位差都是30的倍數(shù)，該倍數(shù)即為連接組標號；另一方面代表著時鐘的整點數(shù)，如果

17、規(guī)定原邊線電動勢作為分針始終指向12點不動，副邊繞組的線電動勢作為時針，按順時針轉動，指向幾點，則連接組標號就是幾，這就是所謂的鐘表法。 1 Y/y連接組 圖3.24圖3.29給出了所有Y/y連接組的接線圖和相量圖。,(a) 接線圖 (b) 相量圖,(a) 接線圖 (b) 相量圖,圖3.24 Y/y-12連接組,圖3.25 Y/y-2連接組,接線圖 (b) 相量 圖3.26 Y/y-4連接,接線圖 (b) 相量圖 圖3.27 連接組Y/y-6,接線圖 (b) 相量圖 圖3.28 連接組Y/y-8,(a) 接線圖 (b) 相量圖 圖5.29 連接組Y/y-10,由此可見，當原邊、副邊繞組采用相同

18、的連接方式時，連接組標號均為偶數(shù)，并且，原邊、副邊繞組感應電動勢的相序一致，標號的改變并不會影響到相序。 2 Y/d連接組 圖3.30圖3.35給出了所有Y/d連接組的接線圖和相量圖。,(a) 接線圖 (b) 相量圖 圖3.31 Y/D-3連接組,(a) 接線圖 (b) 相量圖 圖3.32 Y/d-5連接組,(a) 接線圖 (b) 相量圖 圖3.33 Y/d-7連接組,(a) 接線圖 (b) 相量圖 圖3.34 Y/d-9連接組,(a) 接線圖 (b) 相量圖 圖3.35 Y/d-11連接組,當原邊、副邊繞組采用不同的連接方式時，連接組標號均為奇數(shù)。,3. 由三相變壓器的連接組確定接線圖 這可

19、以看成是上一過程的逆過程。其步驟如下：首先根據(jù)連接組所示的連接方法，初步畫出原邊、副邊繞組的連線方式，并且按照常規(guī)，定義原邊繞組的出線端標志及相電動勢、線電動勢，在此基礎上，畫出原邊繞組相量圖；然后把U點當作u點，根據(jù)連接組標號，再相量圖中畫,出副邊繞組的線電動勢、相電動勢；最后根據(jù)原邊、副邊線電動勢的相位關系，確定副邊繞組的出線端標志、同名端。 下面以Y/y-2及Y/d-3為例來說明如何根據(jù)三相變壓器的連接組確定其接線圖。 1) Y/y-2 (1) 初步畫出原邊、副邊繞組的連線方式，定義原邊繞組的出現(xiàn)U標志及相電動勢、線電動勢，如圖5.17所示。 (2) 根據(jù)連接組標號，再相量圖中畫出副邊繞

20、組的線電動勢、相電動勢。 (3) 根據(jù)原邊、副邊線電動勢的相位關系，確定副邊繞組的出線端標志、同名端。 2) Y/D-3 (1) 初步畫出原邊、副邊繞組的連線方式，定義原邊繞組的出線端標志及相電動勢、線電動勢。 (2) 根據(jù)連接組標號，再相量圖中畫出副邊繞組的線電動勢、相電動勢。 (3) 根據(jù)原邊、副邊線電動勢的相位關系，確定副邊繞組的出線端標志、同名端。,三 變壓器的并聯(lián)運行,1. 變壓器并聯(lián)運行的理想情況和條件 并不是任意的變壓器都可以組合在一起就能并聯(lián)運行的，為減少損耗，避免可能出現(xiàn)的危險情況，希望并聯(lián)運行的變壓器能實現(xiàn)以下的理想情況： (1) 空載時，為減少繞組銅耗，應保證并聯(lián)運行的各

21、變壓器之間無環(huán)流； (2) 負載時，為使各變壓器都能得到充分利用，每臺變壓器應該按其容量成比例地承擔負載； (3) 負載時，為了提高帶載能力，并聯(lián)運行各變壓器的副邊繞組電流相位應相同。 2. 理想并聯(lián)運行的條件 下面就以兩臺單相變壓器的并聯(lián)運行為例，來詳細研究為實現(xiàn)變壓器的理想并聯(lián)運行所應滿足的條件。 1） 一、二次側額定電壓相同及變壓比相等。 2）連接組別相同。 3）短路電壓（或短路阻抗）標么值相等。,第五節(jié) 特殊變壓器,一 自耦變壓器 自耦變壓器也有單相和多相之分，但與普通雙繞組變壓器的區(qū)別在于：只有一個繞組，副邊繞組是原邊繞組的一部分，因此，原邊、副邊繞組之間不但有磁的耦合，還有電的聯(lián)系

22、。下面就以單相自耦變壓器為例來對其進行分析。 （一）、工作原理,圖3.36所示為一臺單相降壓自耦變壓器的工作原理圖。 和普通變壓器一樣，根據(jù)電磁感應定律可知，繞組的感應電動勢與匝數(shù)成正比，所以原邊、副邊繞組的感應電動勢分別為,圖3.36 單相自耦變壓器工作原理圖,1、電壓電流關系 變壓器的電壓比為 。在忽略漏阻 抗壓降時， 自耦變壓器與普通變壓器有著相同的磁動勢平衡方程式， 即 如果忽略影響不大的勵磁電流 ，上 式可以變成 即 上式說明 與 反相，并且I2I1。,2、容量關系 普通變壓器是以磁場為媒介，通過電磁感應作用來進行能量傳輸?shù)摹Ｗ择钭儔浩鞯脑?、副邊繞組既然有了電的聯(lián)系，它的能量傳輸方

23、式也必然有著與普通變壓器的不同之處。自耦變壓器的輸出功率有兩部分組成，一部分為U2 I1，由于I1是原邊電流，在它流經只屬于原邊部分的繞組之后，直接流到副邊，傳輸?shù)截撦d中去，故U2 I1稱為傳導功率；另一部分為U2 I12，顯然要受到負載電流和原邊電流的影響，所以I12可以看成是由于電磁感應作用而產生的電流，這一部分功率也相應地稱為電磁功率。 另外，自耦變壓器也通常設計的原邊、副邊容量相等，即,(二)特點 (1)在同樣容量的前提下，自耦變壓器所用材料要比普通變壓器少、體積小、重量輕，效率也要高一些。從而可以降低成本，提高經濟效益。但當電壓比k較大時，經濟效益就不明顯，一般自耦變壓器電壓比k設計

24、為k=1.252。,(2) 由于副邊繞組為原邊繞組的一部分，兩繞組之間存在著電的聯(lián)系，低壓側容易受到高壓側過電壓的影響。所以絕緣和過電壓保護要加強； (3) 由于只有一個繞組，漏電抗較普通變壓器要小，因此，短路阻抗小，短路電流就大，要加強短路保護。,二 儀用互感器 儀用互感器是配電系統(tǒng)中供測量和保護用的設備，分為電流互感器和電壓互感器兩類。它們的工作原理和變壓器相似，是把高電壓設備和母線的運行電壓、大電流即設備和母線的負荷或短路電流按規(guī)定比例變成測量儀表、繼電保護及控制設備的低電壓和小電流。,1 電壓互感器 電壓互感器又稱儀表變壓器，也稱PT或TV，工作原理、結構和接線方式都與普通變壓器相同。其接線圖如圖3.37所示。,圖3.37 電壓互感器接線,電壓互感器的特點是： (1) 與普通變壓器相比，容量較小，類似一臺小容量變壓器； (2) 副邊負荷比較恒定，所接測量儀表和繼電器的電壓線圈阻抗很大