第8章變壓器和交流電機(jī)(2)

1、121.1.變壓器的用途、分類變壓器的用途、分類2. 2. 變壓器的主要結(jié)構(gòu)部件變壓器的主要結(jié)構(gòu)部件4. 4. 變壓器的運(yùn)行性能變壓器的運(yùn)行性能內(nèi)容提要內(nèi)容提要(Main content)：3. 3. 變壓器的工作原理變壓器的工作原理5. 5. 自耦變壓器自耦變壓器3 變壓器是靜止電器，由鐵心變壓器是靜止電器，由鐵心( (磁路磁路) )及兩個(gè)或及兩個(gè)或兩個(gè)以上的繞組兩個(gè)以上的繞組( (電路電路) )組成，繞組之間由鐵心中組成，繞組之間由鐵心中交變磁通聯(lián)系交變磁通聯(lián)系( (磁耦合磁耦合),),實(shí)現(xiàn)從一種電壓實(shí)現(xiàn)從一種電壓( (電流電流) )變變?yōu)榱硪环N電壓為另一種電壓( (電流電流) )。一、變

2、壓器的用途一、變壓器的用途(Application)4按相數(shù)分為：按相數(shù)分為： 單相變壓器單相變壓器 (Single-phase) 三相變壓器三相變壓器 (Three phase) 多相變壓器多相變壓器 (Multiphase)1U1U2U2U2I1I0I按繞組分為：按繞組分為： 雙繞組變壓器雙繞組變壓器 (Double winding) 三繞組變壓器三繞組變壓器 (Three-winding) 自耦變壓器自耦變壓器 (Auto-transformer)5(4)(4)按冷卻方式：按冷卻方式： 油浸自冷變壓器油浸自冷變壓器 (3)(3)按用途分為：按用途分為： 油浸水冷變壓器油浸水冷變壓器干式空

3、氣自冷變壓器干式空氣自冷變壓器油浸風(fēng)冷變壓器油浸風(fēng)冷變壓器升壓變壓器升壓變壓器 (Step-up transformer) 降壓變壓器降壓變壓器 (Step-down transformer) 隔離隔離變壓器（變壓器（Isolation transformer） 62 2、二次繞組（副繞組）負(fù)載側(cè)、二次繞組（副繞組）負(fù)載側(cè) （secondary winding Load ）3 3、變壓器鐵心、變壓器鐵心 磁路部分磁路部分( (Iron core Magnetic circuit)1 1、一次繞組（原繞組）電源側(cè)、一次繞組（原繞組）電源側(cè) ( (Primary winding Power）7 ：

4、它是變壓器用作導(dǎo)磁的磁路，也是器：它是變壓器用作導(dǎo)磁的磁路，也是器身的機(jī)械骨架，由鐵心柱、鐵軛和夾緊裝置組身的機(jī)械骨架，由鐵心柱、鐵軛和夾緊裝置組成。為了減小鐵心中的磁滯和渦流損耗，鐵心成。為了減小鐵心中的磁滯和渦流損耗，鐵心用用0.350.5mm0.350.5mm厚的硅鋼片疊成，每層鋼片接縫厚的硅鋼片疊成，每層鋼片接縫錯(cuò)開，從而減小變壓器的勵(lì)磁電流。錯(cuò)開，從而減小變壓器的勵(lì)磁電流。相鄰兩層鐵心疊片相鄰兩層鐵心疊片鐵心柱截面鐵心柱截面8小型變壓器鐵心小型變壓器鐵心910 ：它是變壓器的電路部分，按照高低電壓繞：它是變壓器的電路部分，按照高低電壓繞組之間的布置，可以分為同心式和交疊式兩種繞組之間

5、的布置，可以分為同心式和交疊式兩種繞組，同心式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，交疊式機(jī)械強(qiáng)組，同心式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，交疊式機(jī)械強(qiáng)度好，引出線的布置和焊接都較方便，漏電抗小。度好，引出線的布置和焊接都較方便，漏電抗小。高壓高壓低壓低壓高壓高壓低壓低壓高壓高壓低壓低壓高壓高壓低壓低壓交疊式繞組交疊式繞組同心式繞組同心式繞組11 鐵心制造工藝簡(jiǎn)單，制造工時(shí)短，降低了鐵心制造工藝簡(jiǎn)單，制造工時(shí)短，降低了制造成本變壓器制造廠具有成熟的疊鐵心工藝，制造成本變壓器制造廠具有成熟的疊鐵心工藝，成熟的質(zhì)量控制管理體系不需要卷制鐵心和線成熟的質(zhì)量控制管理體系不需要卷制鐵心和線圈的專用設(shè)備，降低了圈的專用設(shè)備，降低了產(chǎn)品的

6、制造成本產(chǎn)品的制造成本. .鐵心材料較鐵心材料較 “ “R R型型” ” 卷鐵心利用率高，能卷鐵心利用率高，能降低產(chǎn)品的制造成本。降低產(chǎn)品的制造成本。121 1、額定容量、額定容量（視在功率）（視在功率）(Rated capacity/Nominal capacity) (Apparent capacity)NS，單位為單位為VAVA或或kVAkVA12/NNUU，單位為單位為V V或或kVkV2 2、額定電壓、額定電壓（線電壓）（線電壓） (Rated voltage (Line voltage)一、變壓器的額定數(shù)據(jù)一、變壓器的額定數(shù)據(jù) (131NNUU* * 一次繞組額定電壓一次繞組額定電

7、壓 3 3、額定電流、額定電流（線電流）（線電流） (Rated current (Line current), ,單位單位A A12/NNII二次繞組額定電壓是當(dāng)二次繞組額定電壓是當(dāng)1NNUU202NUU 時(shí)，二次繞時(shí)，二次繞組開路電壓組開路電壓(Open-circuit voltage/Off load voltage)12/NNUU，單位為單位為V V或或kVkV2 2、額定電壓、額定電壓（線電壓）（線電壓） (Rated voltage (Line voltage)14112233NNNNNSUIUI112233NNNNNSUIUI3NNNNUUIIY Y接：接：Y-Y-connect

8、ionABCXYZYZ3NNNNUUII接：接：Delta connectionDelta connectionABCX15三、額定負(fù)載三、額定負(fù)載 (Rated load) 當(dāng)變壓器接在電壓頻率為額定頻率當(dāng)變壓器接在電壓頻率為額定頻率 ，大，大小為額定電壓小為額定電壓 的電網(wǎng)上，若副邊電流為的電網(wǎng)上，若副邊電流為 ，原邊電流為原邊電流為 時(shí)，稱為額定運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)的時(shí)，稱為額定運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)的負(fù)載為額定負(fù)載。負(fù)載為額定負(fù)載。Nf1NU2NI1NI16* * 以雙繞組單相變壓器為例來(lái)介紹變壓器的運(yùn)行分析以雙繞組單相變壓器為例來(lái)介紹變壓器的運(yùn)行分析主要內(nèi)容主要內(nèi)容: : 分析物理過(guò)程分析物理過(guò)程

9、, ,列方程列方程, , 化簡(jiǎn)方程化簡(jiǎn)方程, ,得到等效電路得到等效電路 ( (數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型) ) 主要分析方法主要分析方法: : 主磁通漏磁通分析法主磁通漏磁通分析法 本節(jié)內(nèi)容體現(xiàn)了變壓器的基本電磁關(guān)系，本節(jié)內(nèi)容體現(xiàn)了變壓器的基本電磁關(guān)系，著重研究變壓器空載運(yùn)行分析方法。著重研究變壓器空載運(yùn)行分析方法。171U1ILZ1I1UAX1E2Exa2U2I*m2N1N1Im1E2Em2Im2U2I1I2I18AXax1U2U1E1sE2sE2Em1s2s1N2N1I2I191U&1I&2I2U&m&1I&2I1E&2E&m&2sE

10、1sE1s2s20AX1U1E1sE0I1smxa2E20U21 1U0I01 0FN Im1E2E1s1sE20U101UI R與m1S1(0.1%0.2%)Smm1S01 0fN i22sinmt 111sin(90 )mdeNNtdt 11114.4422mmmENEfN224.44mEjfN 114.44mEjfN 2311,mENf、22mENf、1122ENkENm1E90m1E2411011 00102SSSNIEjj L IjI XI 111114.442SSSNEjjfN 1s1111sin(90 )ssdeNNtdt 25211101111100( 2)22SssNNI N

11、XNII1S1sE0I1X1sE0I9001jI X2611011111202()UEIRjXZRjXUE 11122 02NNUEUkEUUAX1U1E1sE0I1smxa2E20U1R1X1Z27定義：變壓器原邊接電源，副邊接負(fù)載的運(yùn)行狀態(tài)定義：變壓器原邊接電源，副邊接負(fù)載的運(yùn)行狀態(tài) 稱為負(fù)載運(yùn)行。稱為負(fù)載運(yùn)行。1s1sE1U2U2I2E2sELZ2sm1N2NAXxa*1E1I281.1.原副邊的電流關(guān)系原副邊的電流關(guān)系( (磁動(dòng)勢(shì)平衡關(guān)系磁動(dòng)勢(shì)平衡關(guān)系) )空載時(shí)：空載時(shí)：1100110011()UEI ZEI RjX空載一次繞組電壓平衡方程式：1 0N I0m10E由于 比較小， 也

12、比較小，所以有：0I1Z110UE291s1sE1U2U2I2E2sELZ2sm1N2NAXxa*1E1I負(fù)載情況下：負(fù)載情況下：30負(fù)載時(shí)的 ，由合成磁動(dòng)勢(shì) 產(chǎn)生。m0F0121 122FFFN IN I111110UEI ZII 負(fù)載時(shí)一次繞組：0Fm1E一次電流從空載到負(fù)載 時(shí)，由于 比較小，依然有：111I ZE11NII1Z所以：11UE311201201I NII NFN110122()I NI NI N 由于電源電壓 不變，所以一次繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 在負(fù)載和空載情況下變化不大，因此 基本不變。1E1Um 由兩部分組成：1 11FN I1）勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì) 01 0FN I222FN I

13、2）與副邊磁動(dòng)勢(shì)大小相等、方向相反的負(fù)載磁動(dòng)勢(shì) 32改寫成電流形式：21021()NIIIN 1）產(chǎn)生主磁通的勵(lì)磁電流0I2）隨副邊電流增大而相應(yīng)增大的負(fù)載分量221()NIN110122()I NI NI N 33222()LLLUI ZIRjX22222sUEEI R1sE1I1U2U2I2E2sELZ1N2NAXxa1E2s22222222()UEIRjXEI Z222sEjI X 2I2s2sE2. 2. 副邊電壓與電流關(guān)系副邊電壓與電流關(guān)系341111UEI Z 1122ENkEN10mEI Z2222UEI Z22LUI Z112201I NI NI N1I1sE1UAX1E2E2

14、Uxa1s1N2N2I2sE2s*mLZ35 定義：保持一個(gè)繞組的磁動(dòng)勢(shì)不變而改變其電流定義：保持一個(gè)繞組的磁動(dòng)勢(shì)不變而改變其電流和匝數(shù)的算法稱為歸算法（折合算法）。和匝數(shù)的算法稱為歸算法（折合算法）。 目的目的: a : a 、使一、二次繞組、使一、二次繞組“有有”電連接的電連接的等效電路，這樣就可以用電路知識(shí)來(lái)解題了。等效電路，這樣就可以用電路知識(shí)來(lái)解題了。 b b、畫相量圖方便（定量畫法）。、畫相量圖方便（定量畫法）。解決方法（算法根據(jù)）解決方法（算法根據(jù)） 保持保持 不變，就不會(huì)影響不變，就不會(huì)影響 的變化。的變化。2F1F36 折合值：二次向一次折合為例。22EkE 224.44mE

15、jfN 214.44mEjfN 電動(dòng)勢(shì)222Zk Z 2LLZk Z 阻抗22UkU 負(fù)載電壓2221I NI N222211NIIINk 定義：如果保持二次繞組磁動(dòng)勢(shì)不變，而假想它的匝數(shù)與一次繞組匝數(shù)相同的折合算法，稱為二次向一次折合。37說(shuō)明：折合算法其結(jié)果不改變變壓器運(yùn)行的物理本質(zhì)，既不改變功率，也不影響阻抗的阻抗角。* 無(wú)論向哪一側(cè)折合，折合前后的損耗值、功率值及功率因數(shù)均不變。38電源電壓與負(fù)載功電源電壓與負(fù)載功率因數(shù)不變情況，率因數(shù)不變情況，U2隨負(fù)載隨負(fù)載I2的增大的增大而降低而降低392. 2. 變壓器的效率變壓器的效率 (Efficiency of transformer)2

16、1PP12PPPP21PPP 11PPP其中:21PPP變量 P2 代表 副邊輸出的有功功率；變量 P1 代表 原邊輸入的有功功率； 代表 變壓器的總損耗。40單相變壓器：222 2222222222coscoscoscosNNNNNNNIPU IUIUISI222 22222222223cos3cos3coscosNNNNNNNIPUIUIUISI三相變壓器：P2的計(jì)算:22NUU若忽略副邊端電壓在負(fù)載時(shí)的變化，則：以上兩式的結(jié)果是一樣的,22cosNPS41FeCuPPP可變損耗CuP2CukNPP21PPP 代入22cosNPS2CukNPP0PePP，不變損耗0PePP21PPP ，計(jì)

17、算：，計(jì)算：42變壓器的效率公式：變壓器的效率公式：202201coskNNkNPPSPP 一定時(shí)，2cos 一定時(shí)， 效率特性曲線。2cos f43200mmkNCuFekNPPPPPP即時(shí)通常， 條件下，中小型變壓器的效率約為0.950.98，大型變壓器的效率一般在0.99以上。2cos1,m 效率特性曲線是一條有最大值的曲線，最大值出現(xiàn)在：0dd4400.20.40.60.81020406080100Loading factorEfficiency %The Efficiency of Transformer變壓器效率特性453. 舉例舉例 一個(gè)一個(gè)40KVA的單相變壓器，副邊開路，原邊

18、側(cè)的輸入功率為的單相變壓器，副邊開路，原邊側(cè)的輸入功率為2KW，當(dāng)副邊短路，滿載下的功率為當(dāng)副邊短路，滿載下的功率為4KW，計(jì)算下列條件下變壓器的效率。，計(jì)算下列條件下變壓器的效率。1) 滿載滿載 2) 50%負(fù)載，功率因數(shù)為負(fù)載，功率因數(shù)為0.8 (滯后滯后)解：解： PFe=2KW， PCu= 4KW (滿負(fù)荷滿負(fù)荷) 1) cos 2 =1 P2 = 40 1=40KW 12PP %87424040 2) cos 2 =0.8 P2 = 40 0.5 0.8 =16KW12PP %2 .84121616 PCu= 0.52 4=1 KW X2 4=2X=0.707當(dāng)負(fù)載為滿載的當(dāng)負(fù)載為滿載的70.7%時(shí)，變壓器的時(shí)，變壓器的 max設(shè)設(shè) max時(shí)的負(fù)載為滿載的時(shí)的負(fù)載為滿載的 X此時(shí)此時(shí)PCu=PFe=2KW ? 負(fù)載為多大時(shí)，變壓器的效率最高負(fù)載為多大時(shí)，變壓器的效率最高?46471U2UAXax1I2IN1N1N2N2120NUV2200NUV110NIA21NIA200NSVA48AXaxAax1U2U1UX1N2N49AXax1I2I1 1220N IN I50AXax1U1 120N IN I1I2II1,II511EAXax2E1U1