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    2. 壹、變壓器結構與原理

      【目錄】

      • 一、結構
      • 二、基本原理
      • 三、空載運行
      • 四、變比
      • 五、磁通與激磁電流
      • 六、負載運行
      • 七、空載試驗
      • 八、短路試驗
      • 九、變動率
      • 十、外特性
      • 十一、損耗與效率

      一、基本結構

      變壓器的定義:它是一種靜止的電機,通過線圈間的電磁感應關係,將某一等級的交流電壓,轉換為同頻率的另一等級的交流電壓。
      變壓器的用途: 電壓與電流的變換、等效阻抗與匹配、相位變換、改變相數、隔離與聯結。
      • 1.鐵心:構成主磁路,機械骨架,由矽鋼片疊成
      • 材料:0.35~0.5mm厚塗有絕緣漆膜的矽鋼片,導磁性能好,可減少鐵損。
      • 鐵心結構:捲鐵式變壓器和組式變壓器
      • 疊片方式:交疊式疊裝
      • 2.線圈:導電部分,鋼線或鋁線
      • *為便於線圈和鐵心絕緣,低壓靠近鐵心柱在裏面,高壓在外面。
      • 線圈在鐵心上排列方式:交迭式、同心式
      變壓器的額定值
      • SN: 額定使用條件下所輸出的視在功率。
      • UN:指變器長時間運行所承受的工作電壓。
      • U1N:規定加在一次側的電壓。
      • U2N:一次側加額定電壓,二次側空載時的端電壓。
      • IN: 變壓器額定容量下允許長期通過的電流。
      • FN: 50/60Hz;
      • 還有額定效率、溫升等額定值。
      單相變壓器的關係式:\( SN = {UN}  {IN} \)
      三相變壓器的關係式:\( SN = \sqrt{3}  {UN}  {IN} \)
      對雙線圈變壓器一、二次側的額定容量相等。(由於其效率高)

      二、 基本工作原理

      下圖中看到變壓器由提供磁通路徑的閉合鐵心,及繞在鐵心上的兩個線圈繞組組成,其中接電源u1的繞組可以叫一次側繞組,其匝數為N1,另一個繞組接負載, 叫做二次側繞組,其數匝數為N2。一次側繞組有時又叫原邊繞組,二次側繞組又叫副繞組。\( e1 = -N1d\Phi / dt \)    \(e2 = -N2d\Phi/ dt \)
      當原邊繞組接交流電後,一次側繞組產生一個交流電流i0, 該電流產生一個交變磁勢F0=N1i0,F0在鐵心中產生一個交變的磁通\( \Phi \)。\( \Phi \)又在兩個繞組中感應出交流電勢e1和e2,e1與e2的有效值分別為E1和E2,如果略去變壓器自身的電阻壓降及漏抗壓降則 E1 / E2 = N1 / N2

      三、 變壓器的空載運行

      圖為變壓器空載運行情況。一次側接到額定電壓u1的電源上,二次側繞組開路---變壓器空載運行。一次側接電壓u1,一次側繞組中的電流i0為空載電流,i0產生空載磁勢F0=-i0×N1,F0產生磁通\( \Phi \),所以F0又叫勵磁磁勢。勵磁磁勢產生的磁通分為兩部分,一部分磁通\( \Phi \)以閉合鐵心為路徑流通。它同時匝鏈了一次側繞組N1和二次側繞組N2,在這兩個繞組中感應出電勢e和1e2,是變壓器傳遞能量的主要媒介,屬於工作磁通,稱它為主磁通。另一部分磁通\( \Phi{1}\sigma \),它僅與一次側繞組相匝鏈而不與二次側繞組相匝鏈,通過變壓器油,或空氣而形成閉路,屬於非工作磁通, \( \Phi{1}\sigma \)爲一次側繞組的漏磁通。變壓器的鐵心由高導磁材料矽鋼片製成,它的導磁係數 \( \mu \) 約為空氣的導磁係數的2000倍以上,所以大部分磁通都在鐵心中流動,主磁通約占總磁通的99%以上,而漏磁通占總磁通的1%以下。從圖中看出,電壓、電流電勢符號都是用瞬時值符號,電壓、電流, 電勢、磁通都是交變的,那麼圖中各物理量的方向是如何規定?

      方向規定:
      電壓u1與電流i0同方向,磁通正方向與電流正方向符合右手安培定則,e的正方向與電流i同方向。這樣\( e1 = -N1d\Phi / dt \) 才成立。例如正在增加,那麼為正值,\( e1 = -N1d\Phi / dt {<} 0 \) 為負值,即此刻A點為高電壓,X點為低電流,若外電路能使e1產生電流,其電流方向必與i0正方向相反,該電流若能產生磁通\( \Phi' \),通過右手安培定則判斷出\( \Phi' \)向下,與\( \Phi \)方向相反,起阻止\( \Phi \)增加的作用,即符合楞次定律。由於磁通在交變,根據電磁感應定律:
      \( e1 = -N1d\Phi / dt \)
      \( e2 = -N2d{\Delta}{/}{dt} \)
      \( e1{\sigma} = -N1d{\Phi}{1}{\sigma}{/}{dtc} \)

      四、 變壓器的變比k

      變比k:指變壓器一、二次繞組的電勢之比
      \( k=E1/E2=(4.44fN1{\Phi}m){/}(4.44fN2{\Phi}m)=N1/N2 \)
      變比k等於匝數比。
      一次繞組的匝數必須符合一定條件:
      \( U1{\approx}4.44fN1{\Phi}m{\approx}4.44fN1BmA \)
      \( N1{\approx}U1/4.44fBmA \)
      Bm的取值與變壓器矽鋼片性能有密切相關。

      五、 磁通與激磁電流

      1.主磁通與漏磁通:
      在性質上:\( \Phi \)0與I0非線性關係:\( {\Phi} \) I \( {\sigma} \)與I0線性關係;
      在數量上:\( \Phi \)0占99%以上;\( {\Phi} \) I \( {\sigma} \)占1%以下;
      在作用上:\( \Phi \)0傳遞能量的媒介; \( {\Phi} \) I \( {\sigma} \)漏抗壓降。
      2.激磁電流i0:
      作用:一是用來激磁,產生主磁通;二是供空載損耗。
      波形:磁路飽和:尖頂波;磁路不飽和︰正弦波。
      實際需要:將尖頂波的空載電流等效為正弦波。
      空載損耗:P0 = PFe + PCU   鐵損+銅損
      空載損耗約占(0.2~1)%,隨容量的增大而減小。
      變壓器空載運行時,\( {\cos}{\varphi}0 \)很低,一般在0.1~0.2之間。

      六、 變壓器的負載運行

      如圖變壓器一次側接電源U1,二次側接負載阻抗ZL,此時二次側繞組流過電流I2,一次側繞組電流不再是I0,而是變為I1,這即是變壓器的負載運行。
      變壓器中電流、電壓、磁通的正方向是這樣規定的:電流與電壓同方向,磁通正方向與電流正方向符合右手安培關係,電勢正方向與電流正方向相同,這樣規定後\( e1 = -N1d\Phi / dt \) , \(e2 = -N2d\Phi/ dt \)才成立,也就是說正方向的規定符合楞次定律。二次側電流電壓、電勢正方向也是按上述原則規定的。楞次定律說:【感應電勢如能產生電流,該電流產生的磁通阻止原來鐵心中的磁通變化】。負載後,二次側繞組過電流,該電流產生磁勢F2=I2N2,該磁勢也要產生磁通,也就是說F2將改變鐵心中的磁通,而鐵心中的磁通是由電源電壓決定的。

      \( {\Phi} \)基本不變,那麼原繞組中的電流不再是I0而變成了I1,一次側繞組產生磁勢為F1=I1N1,F1與F2共同作用產生\( {\Phi} \),F1+F2的作用相當於空載磁勢F0,也可視為勵磁磁勢Fm

      七、變壓器空載試驗

      • 目的:通過測量I0、U1、U20及P0來計算K,I0(%),PFe,Zm = rm + jxm以及判斷鐵心質量和線圈品質。
      • 接線:一般低壓側加壓,高壓側開路
      • 步驟:
        1. 低壓側加電壓,高壓側開路;
        2. 電源電壓由0~1.2UN(或1.2UN~0),測U1、U20、I0和P0值;
        3. 可得I0=f(U1)及P0=f(U1)
      1次側加額定電壓UN,二次側開路,讀出U1/U2/I/P0
      I0/很小,由I0在繞組中引起的銅耗忽略不計,P0全部為鐵耗P0=PFe=RmI02    Zm = U1/I0    Rm = p0/I02
      Zm與飽和程度有關,應取額定電壓時的資料。
      Rm:為磁迴路的磁
      Zm:為總磁阻

      八、 變壓器穩態短路試驗

      二次側直接短路時的運行方式為短路運行。如果一次側在額定電壓時二次側發生短路,則會產生很大的短路電流,這是一種故障短路。
      • 目的:測IK、UK及PK,計算UK(%),pCu,ZK= RK+jXK。
      • 接線:通常高壓側加壓,低壓側短路。
      • 步驟:
        1. 高壓側接電源,低壓側短接
        2. 電壓由0~↑,使IK=0~1.2IN,分別測IK、UK、PK;
        3. 可得IK=f(UK)線性    PK=f(UK)拋物線
      短路電壓UK (阻抗電壓)
      短路試驗時,使短路電流為額定電流時一次側所加的電壓,稱為短路電壓UK, 額定電流在短路阻抗ZK上的壓降,亦稱作阻抗電壓。 短路電壓百分值:uK對變壓器運行性能的影響:短路電壓大小反映短路阻抗大小。
      • (1) 正常運行時希望小些,電壓波動??;
      • (2) 限制短路電流時,希望大些。
      • UK在中、小型變壓器:(4~10.5)%;大型變壓器:(12.5~17.5)%。

      九、 電壓變動率

      定義
      反映變壓器二次側電壓從空載到負載變化的程度。
      $$ {\Delta}U = (U20-U2) / U20 × 100% $$ 因為變壓器存在漏阻抗,負載時當然存在壓降,使得U2≠E2=U20

      十、外特性曲線

      • 曲線形狀由負載性質決定
      • 藍線為感性負載時的情況
      • 紅線為容性負載時的情況
      • 綠線為純電阻負載時的情況。
      • 影響ΔU的因素
      • (1)負載大小β=I1 / I1N = I2 / I2N
      • (2)漏阻抗Xk,Rk
      • (3)負載性質Φ2,容性負載上升,感性負載下降

      十一、變壓器損耗與效能

      • 變壓器輸入功率 \( P1 = mU1  I1   {\cos}{\varphi}1 \)
      • 鐵耗 pFe
        變壓器鐵耗分基本鐵耗和附加鐵耗。基本鐵耗主要是磁滯和渦流損耗。磁滯損耗與矽鋼片材料的性質,磁通密度的最大值以及頻率有關。渦流損耗主要與矽鋼片厚度、磁通密度最大值,以及頻率有關。附加鐵耗主要有:在鐵心接縫等處由於磁通密度分佈不均勻引起的損耗:在拉緊螺桿、鐵軛夾件等構件處所產生的渦流損耗。鐵耗為不變耗,因為變壓器運行時U1不變, pFe正比於U1的平方,所以不變。
      • 銅耗(可變損耗) pcu
        變壓器銅耗分基本銅耗和附加銅耗?;俱~耗指一、二次繞組內電流引起的歐姆電阻損耗。附加銅耗指由於集膚效應和鄰近效應所引起電流的導線截面分佈不均勻所產生的額外損耗。

      變壓器輸出功率
      \( P2 = mU2I2{\cos\varphi}2 = P1 - {\Sigma}{p} \) 功率平衡算式,其中\( {\Sigma}{p} \)為運行中所有的損耗

      變壓器的效率\( \eta \)
      \( {\eta} = P2/P1(100\%) = P2 {/}(P2+{\Sigma}{p}) \)

      貳、變壓器結構與原理

      【目錄】

      • 一、線圈電阻測量
      • 二、無載損與激磁電流
      • 三、負載損與阻抗測量
      • 四、變壓器效率
      • 五、變壓器調整率
      • 六、溫升試驗
      • 七、衝擊電壓試驗

      一、線圈電阻/極性測定

      此項試驗之目的,是確認各線圈接線是否良好,分接頭之接觸有無異狀, 層間、匝間有無短路情形,所測的各線圈電阻值,將作為下一個測試項目銅損和溫升試驗的基準電組(冷電阻)。常用的測試方法有低電阻測定器測量,或用直流壓降法,茲分述如下:

      • 1.低電阻測定器
        將被測變壓器端子接到低阻測定器,使線圈先行充電至穩定約2~3分鐘,即可讀出線圈之電阻值。
      • 2.直流壓降法
        如圖4-3 被測線圈串接一可調直流電源及電流表,另一直流電壓表接到線圈二端測其端電壓,則線圈DC電阻 R=V/I 測定時避免直流電流引起線圈溫度。
      • 3.極性測試
        此項試驗目的在確認內部接線相序正確與否。

      二、無載損與激磁電流

      無載損是變壓器激磁時產生在磁路(鐵心)上的損失,又稱鐵損,鐵損測試電壓由零上升到100%時,變壓器會依不同電壓而功率因數不同,施加100 %的額定電壓、額定頻率,於高壓或低壓側,此迴路瓦特表所測之損失就是鐵損,而電流表就是激磁電流。因鐵心所使用之矽鋼片磁飽和曲線並非線性,所以通常拖加到110%的額定電壓,來測試鐵心過激磁能力。通常高壓側開路,由低壓側加一正弦波電壓,測試時希望電源的內部阻抗越低越好,且無諧波成份。一般變壓器鐵損包含二種成份,其一磁滯損,與最大磁通密度有關,與平均電壓值Eavg、成正比,渦流損,均方根值Erms成正比,當電壓為正弦波時Erms = 1.11Eavg:,所以電源波形為非正弦波之情況下所測得之鐵損,必須校正為正弦波。

      鐵損或激磁電流過大,其原因大概有下列:
      1. 部份分接頭接錯,而致部分線圈短路。
      2. 線圈絕緣被覆破損,造成匝間或層間短路,鐵心之矽鋼片層間短路。
      3. 鐵心斷面積不足。

      三、負載損與阻抗電壓測試

      負載損是在變壓器有負載時產生,又稱銅損,負載損包含線圈電阻之I 2R 損,以及負載電流產生之渦流損,漏磁產生在夾件、外殼側板上之雜散損。變壓器之銅損測試,將低壓或高壓側線圈短路,從未短路線圈側加額定電流流經線圈。如此迴路瓦特表所測之損失就是銅損。 阻抗電壓就是加到一個短路線圈,三線圈變壓器是加到二個短路線圈,所需流過額定電流時的電壓。

      通常保證都是以額定電壓的百分比為單位(% IX)。 變壓器線圈所產生的阻抗電壓,是由電流流經線圈之電阻的電阻性,與洩漏電感產生之電感性所組成,阻抗電壓都是與銅損同時測得。

      銅損或阻抗電壓過大時,其原因大概有下列:
      1. 導體尺寸公差太大,或材質不良。
      2. 線圈完成尺寸及組裝後尺寸不對。
      3. 接線不良或分接頭接觸不良。
      4. 線圈內渦流損太大,或暴露在漏磁場的金屬物引起。

      四、變壓器效率

      變壓器效率等於輸出與輸入之比,計算式如下:
      效率 = (輸出功率/輸入功率)%
      總損失 = 鐵損十銅損
      除特別規定外,效率是以功率因數為1時之額定週率、額定電壓及滿載在 85°C時之總損失為基準計算。

      五、電壓調整率

      電壓調整率是由規定負載功因下,所測出之阻抗電壓和負載損計算者。
      電壓調整率計算式如下:
      (全負載時電壓 / 無載時電壓)%

      六、溫升試驗

      溫升試驗是測試變壓器全負載狀態下,鐵心、線圈平均溫度,來檢驗是否符合絕緣材料之耐熱特性,因為變壓器的壽命是依最熱點的溫度來決定的。於溫升試驗時,變壓器的接線和分接頭位置兩者組合是以會使另線圈產生最大損失為基準,需在正常(或接近正常)的冷卻方式下,周圍溫度10°C~40°C 避免通風的室內實施。

      • 試驗方法有:
      • (1) 實負載法
      • (2) 短路等效試驗法

      在大型電力變壓器,鐵損遠少於銅損的場合,大都採短路等效試驗法,此方法很簡便而且可得正確的溫升結果。試驗方法與銅損試驗時的接線方式完全相同。即是將變壓器低壓側線圈短路,高壓側施加額定頻率的電流,使負載電流供應全損失。

      七、衝擊電壓試驗

      絕緣能力的好壞,是衡量一臺變壓器性能的重要因素,因為任何一點絕緣上的弱點,都會導效變壓器的故障。測試變壓器的絕緣能力,可用低頻耐壓,例如:感應電壓或AC耐壓。以及各種雷擊現象的衝擊電壓試驗,低頻耐壓的電壓分佈在線圈當中始終都以匝間電壓為基準。但是施加衝擊電壓是受線圈電容與電感組合之影響。因此衝擊電壓試驗是假想有雷擊突波加在變壓器電源輸入端,內部線圈之層間、 線圈間、匝間、耐電位振動之過電壓能力。

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