1914_機(jī)械廠變電所的電氣設(shè)計(jì),機(jī)械廠,變電所,電氣設(shè)計(jì) 黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 翻 譯 ) 第 1 頁 變壓器1、介紹要從遠(yuǎn)端發(fā)電廠輸送電能，必須應(yīng)用高壓輸電。從某種意義上說這個(gè)高電壓必須降低，因?yàn)樗罱K是要提供給負(fù)載。變壓器能使電力系統(tǒng)各個(gè)部分運(yùn)行在不同的電壓等級。本文我們討論電力變壓器的原理和應(yīng)用。2、雙繞組變壓器變壓器最簡單的形式是兩個(gè)磁通相互耦合的固定線圈。兩個(gè)線圈之所以相互耦合，是因?yàn)樗鼈冞B接著共同的磁通。在電力應(yīng)用中，使用層式鐵芯變壓器(本文中提到的)。變壓器是高效率的，因?yàn)樗鼪]有旋轉(zhuǎn)損失，因此在電壓等級轉(zhuǎn)換的過程中，能量損失比較少。典型的效率范圍在92%到 99%，上限值適用于大功率電力變壓器。電流從交流電源流入的一側(cè)被稱為變壓器的一次側(cè)繞組或者是原邊。它在鐵圈中建立了磁通 φ，它的幅值和方向都會發(fā)生周期性的變化。磁通連接的第二個(gè)繞組被稱為變壓器的二次繞組或者是副邊。磁通是變化的，因此依據(jù)楞次定律，電磁感應(yīng)在二次側(cè)產(chǎn)生了電壓。變壓器在原邊接收電能的同時(shí)也在向副邊所帶的負(fù)荷輸送電能。這就是變壓器的作用。3、變壓器的工作原理當(dāng)二次側(cè)電路是開路的情況下，即使原邊被施以正弦電壓 vp，也是沒有能量轉(zhuǎn)移的。外加電壓在一次側(cè)繞組中產(chǎn)生一個(gè)小電流 Iθ。這個(gè)空載電流有兩項(xiàng)功能：（1）在鐵芯中產(chǎn)生電磁通，該磁通在零和 φm 之間做正弦變化， φm 是鐵芯磁通的最大值；?（2）它的一個(gè)分量說明了鐵芯中的渦流和磁滯損耗。這兩種相關(guān)的損耗被稱為鐵芯損耗。變壓器空載電流 Iθ一般大約只有滿載電流的 2%—5%。因?yàn)樵诳蛰d時(shí)，原邊繞組中的鐵芯相當(dāng)于一個(gè)很大的電抗，空載電流的相位大約將滯后于原邊電壓相位 90o。顯然可見電流分量 Im= I0sinθ0，被稱做勵(lì)磁電流，它在相位上滯后于原邊電壓 VP 90o。就是這個(gè)分量在鐵芯中建立了磁通；因此磁通 φ 與 Im 同相。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 翻 譯 ) 第 2 頁 第二個(gè)分量 Ie=I0sinθ0，與原邊電壓同相。這個(gè)電流分量向鐵芯提供用于損耗的電流。兩個(gè)相量的分量和代表空載電流，即I0 = Im+ Ie應(yīng)注意的是空載電流是畸變和非正弦形的。這種情況是非線性鐵芯材料造成的。如果假定變壓器中沒有其他的電能損耗，一次側(cè)的感應(yīng)電動勢 Ep 和二次側(cè)的感應(yīng)電壓 Es 可以表示出來。因?yàn)橐淮卫@組中的磁通會通過二次繞組，依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，二次側(cè)繞組中將產(chǎn)生一個(gè)電動勢 E，即 E=NΔφ/Δt。相同的磁通會通過原邊自身，產(chǎn)生一個(gè)電動勢 Ep。正如前文中討論到的，所產(chǎn)生的電壓必定滯后于磁通 90o，因此，它于施加的電壓有 180o 的相位差。因?yàn)闆]有電流流過二次側(cè)繞組，E s=Vs。一次側(cè)空載電流很小，僅為滿載電流的百分之幾。因此原邊電壓很小，并且 Vp 的值近乎等于 Ep。原邊的電壓和它產(chǎn)生的磁通波形是正弦形的；因此產(chǎn)生電動勢 Ep 和 Es 的值是做正弦變化的。產(chǎn)生電壓的平均值如下Eavg = turns× 給 定 時(shí) 間 內(nèi) 磁 通 變 化 量給 定 時(shí) 間即是法拉第定律在瞬時(shí)時(shí)間里的應(yīng)用。它遵循Eavg = N = 4fNφm21/()f?其中 N 是指線圈的匝數(shù)。從交流電原理可知，有效值是一個(gè)正弦波，其值為平均電壓的 1.11 倍；因此E = 4.44fNφm因?yàn)橐淮蝹?cè)繞組和二次側(cè)繞組的磁通相等，所以繞組中每匝的電壓也相同。因此Ep = 4.44fNpφm并且Es = 4.44fNsφm其中 Np 和 Es 是一次側(cè)繞組和二次側(cè)繞組的匝數(shù)。一次側(cè)和二次側(cè)電壓增長的比率稱做變比。用字母 a 來表示這個(gè)比率，如下式a = = psEsN假設(shè)變壓器輸出電能等于其輸入電能——這個(gè)假設(shè)適用于高效率的變壓器。實(shí)際上我們是考慮一臺理想狀態(tài)下的變壓器；這意味著它沒有任何損耗。因此黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 翻 譯 ) 第 3 頁 Pm = Pout或者VpIp × primary PF = VsIs × secondary PF這里 PF 代表功率因素。在上面公式中一次側(cè)和二次側(cè)的功率因素是相等的；因此VpIp = VsIs從上式我們可以得知= ≌ ≌ apsIpsE它表明端電壓比等于匝數(shù)比，換句話說，一次側(cè)和二次側(cè)電流比與匝數(shù)比成反比。匝數(shù)比可以衡量二次側(cè)電壓相對于一次側(cè)電壓是升高或者是降低。為了計(jì)算電壓，我們需要更多數(shù)據(jù)。終端電壓的比率變化有些根據(jù)負(fù)載和它的功率因素。實(shí)際上, 變比從標(biāo)識牌數(shù)據(jù)獲得, 列出在滿載情況下原邊和副邊電壓。當(dāng)副邊電壓 Vs 相對于原邊電壓減小時(shí)，這個(gè)變壓器就叫做降壓變壓器。如果這個(gè)電壓是升高的，它就是一個(gè)升壓變壓器。在一個(gè)降壓變壓器中傳輸變比 a 遠(yuǎn)大于1(a>1.0)，同樣的，一個(gè)升壓變壓器的變比小于 1(a<1.0)。當(dāng) a=1 時(shí)，變壓器的二次側(cè)電壓就等于一次側(cè)電壓。這是一種特殊類型的變壓器，可被應(yīng)用于當(dāng)一次側(cè)和二次側(cè)需要相互絕緣以維持相同的電壓等級的狀況下。因此，我們把這種類型的變壓器稱為絕緣型變壓器。顯然，鐵芯中的電磁通形成了連接原邊和副邊的回路。在第四部分我們會了解到當(dāng)變壓器帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)一次側(cè)繞組電流是如何隨著二次側(cè)負(fù)荷電流變化而變化的。從電源側(cè)來看變壓器，其阻抗可認(rèn)為等于 Vp / Ip。從等式 = ≌ ≌ a 中psVsIpsE我們可知 Vp = aVs 并且 Ip = Is/a。根據(jù) Vs 和 Is，可得 Vp 和 Ip 的比例是= = pI/sa2sI但是 Vs / Is 負(fù)荷阻抗 ZL，因此我們可以這樣表示Zm (primary) = a2ZL這個(gè)等式表明二次側(cè)連接的阻抗折算到電源側(cè)，其值為原來的 a2 倍。我們把這種折算方式稱為負(fù)載阻抗向一次側(cè)的折算。這個(gè)公式應(yīng)用于變壓器的阻抗匹配。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 翻 譯 ) 第 4 頁 4、有載情況下的變壓器一次側(cè)電壓和二次側(cè)電壓有著相同的極性，一般習(xí)慣上用點(diǎn)記號表示。如果點(diǎn)號同在線圈的上端，就意味著它們的極性相同。因此當(dāng)二次側(cè)連接著一個(gè)負(fù)載時(shí)，在瞬間就有一個(gè)負(fù)荷電流沿著這個(gè)方向產(chǎn)生。換句話說，極性的標(biāo)注可以表明當(dāng)電流流過兩側(cè)的線圈時(shí)，線圈中的感應(yīng)電動勢會增加。因?yàn)槎蝹?cè)電壓的大小取決于鐵芯磁通大小 φ0，所以很顯然當(dāng)正常情況下負(fù)載電勢 Es 沒有變化時(shí)，二次側(cè)電壓也不會有明顯的變化。當(dāng)變壓器帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，將有電流 Is 流過二次側(cè)，因?yàn)?Es 產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相當(dāng)于一個(gè)電壓源。二次側(cè)電流產(chǎn)生的磁動勢 NsIs 會產(chǎn)生一個(gè)勵(lì)磁。這個(gè)磁通的方向在任何一個(gè)時(shí)刻都和主磁通反向。當(dāng)然，這是楞次定律的體現(xiàn)。因此，N sIs 所產(chǎn)生的磁動勢會使主磁通 φ0 減小。這意味著一次側(cè)線圈中的磁通減少，因而它的電壓 Ep 將會增大。感應(yīng)電壓的減小將使外施電壓和感應(yīng)電動勢之間的差值更大，它將使初級線圈中流過更大的電流。初級線圈中的電流 Ip的增大，意味著前面所說明的兩個(gè)條件都滿足：（1）輸出功率將隨著輸出功率的增加而增加（2）初級線圈中的磁動勢將增加，以此來抵消二次側(cè)中的感應(yīng)電動勢減小磁通的趨勢?？偟膩碚f，變壓器為了保持磁通是常數(shù)，對磁通變化的響應(yīng)是瞬時(shí)的。更重要的是，在空載和滿載時(shí)，主磁通 φ0 的降落是很少的（一般在 1 至 3%） 。其需要的條件是E 降落很多來使電流 Ip 增加。在一次側(cè)，電流 Ip’在一次側(cè)流過以平衡 Is 產(chǎn)生的影響。它的磁動勢 NpIp’只停留在一次側(cè)。因?yàn)殍F芯的磁通 φ0 保持不變，變壓器空載時(shí)空載電流 I0 必定會為其提供能量。故一次側(cè)電流 Ip 是電流 Ip’與 I0’的和。因?yàn)榭蛰d電流相對較小，那么一次側(cè)的安匝數(shù)與二次側(cè)的安匝數(shù)相等的假設(shè)是成立的。因?yàn)樵谶@種狀況下鐵芯的磁通是恒定的。因此我們?nèi)耘f可以認(rèn)定空載電流 I0 相對于滿載電流是極其小的。當(dāng)一個(gè)電流流過二次側(cè)繞組，它的磁動勢（N sIs）將產(chǎn)生一個(gè)與二次側(cè)繞組 I0 產(chǎn)生的 φ0 磁通相獨(dú)立的磁通。因?yàn)檫@個(gè)磁通不通過一次側(cè)繞組，所以它不是一個(gè)互感磁通。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (文 獻(xiàn) 翻 譯 ) 第 5 頁 另外，流過一次側(cè)繞組的負(fù)載電流產(chǎn)生一個(gè)只和一次側(cè)繞組相交鏈的磁通，這個(gè)磁通被稱為一次側(cè)的漏磁量。二次側(cè)漏磁量產(chǎn)生的感應(yīng)電壓不能與一次側(cè)漏磁量所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓相平衡。同樣的，一次側(cè)漏磁量產(chǎn)生的感應(yīng)電壓也與二次側(cè)所產(chǎn)生的不平衡。因此，這兩個(gè)感應(yīng)電壓作用表現(xiàn)為電壓降落，通常被稱為電抗壓降。另外，兩側(cè)繞組同樣具有電阻，這也將產(chǎn)生一個(gè)電阻壓降。把這些額外的電壓降也考慮在內(nèi)，這樣一個(gè)實(shí)際變壓器的等效電路圖就完成了。需要注意，電路中的勵(lì)磁支路勵(lì)磁影響較小，在分析中我們可以將它忽略。這就符我們前面計(jì)算中可以忽略空載電流的假設(shè)。為達(dá)到精確度，這對進(jìn)一步合理預(yù)測變壓器性能是必須的。因?yàn)閴航蹬c負(fù)載電流成正比關(guān)系，這就意味著空載情況下一次側(cè)和二次側(cè)繞組沒有壓降。