1914_機械廠變電所的電氣設計

1914_機械廠變電所的電氣設計,機械廠,變電所,電氣設計 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 1 頁 變壓器1、介紹要從遠端發(fā)電廠輸送電能，必須應用高壓輸電。從某種意義上說這個高電壓必須降低，因為它最終是要提供給負載。變壓器能使電力系統(tǒng)各個部分運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用。2、雙繞組變壓器變壓器最簡單的形式是兩個磁通相互耦合的固定線圈。兩個線圈之所以相互耦合，是因為它們連接著共同的磁通。在電力應用中，使用層式鐵芯變壓器(本文中提到的)。變壓器是高效率的，因為它沒有旋轉損失，因此在電壓等級轉換的過程中，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被稱為變壓器的一次側繞組或者是原邊。它在鐵圈中建立了磁通 ，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，因此依據楞次定律，電磁感應在二次側產生了電壓。變壓器在原邊接收電能的同時也在向副邊所帶的負荷輸送電能。這就是變壓器的作用。3、變壓器的工作原理當二次側電路是開路的情況下，即使原邊被施以正弦電壓 vp，也是沒有能量轉移的。外加電壓在一次側繞組中產生一個小電流 I。這個空載電流有兩項功能：（1）在鐵芯中產生電磁通，該磁通在零和 m 之間做正弦變化， m 是鐵芯磁通的最大值；（2）它的一個分量說明了鐵芯中的渦流和磁滯損耗。這兩種相關的損耗被稱為鐵芯損耗。變壓器空載電流 I一般大約只有滿載電流的 2%5%。因為在空載時，原邊繞組中的鐵芯相當于一個很大的電抗，空載電流的相位大約將滯后于原邊電壓相位 90。顯然可見電流分量 Im= I0sin0，被稱做勵磁電流，它在相位上滯后于原邊電壓 VP 90。就是這個分量在鐵芯中建立了磁通；因此磁通 與 Im 同相。黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 2 頁 第二個分量 Ie=I0sin0，與原邊電壓同相。這個電流分量向鐵芯提供用于損耗的電流。兩個相量的分量和代表空載電流，即I0 = Im+ Ie應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，一次側的感應電動勢 Ep 和二次側的感應電壓 Es 可以表示出來。因為一次繞組中的磁通會通過二次繞組，依據法拉第電磁感應定律，二次側繞組中將產生一個電動勢 E，即 E=N/t。相同的磁通會通過原邊自身，產生一個電動勢 Ep。正如前文中討論到的，所產生的電壓必定滯后于磁通 90，因此，它于施加的電壓有 180 的相位差。因為沒有電流流過二次側繞組，E s=Vs。一次側空載電流很小，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。原邊的電壓和它產生的磁通波形是正弦形的；因此產生電動勢 Ep 和 Es 的值是做正弦變化的。產生電壓的平均值如下Eavg = turns 給 定 時 間 內 磁 通 變 化 量給 定 時 間即是法拉第定律在瞬時時間里的應用。它遵循Eavg = N = 4fNm21/()f其中 N 是指線圈的匝數(shù)。從交流電原理可知，有效值是一個正弦波，其值為平均電壓的 1.11 倍；因此E = 4.44fNm因為一次側繞組和二次側繞組的磁通相等，所以繞組中每匝的電壓也相同。因此Ep = 4.44fNpm并且Es = 4.44fNsm其中 Np 和 Es 是一次側繞組和二次側繞組的匝數(shù)。一次側和二次側電壓增長的比率稱做變比。用字母 a 來表示這個比率，如下式a = = psEsN假設變壓器輸出電能等于其輸入電能這個假設適用于高效率的變壓器。實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 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 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和二次側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，一次側和二次側電流比與匝數(shù)比成反比。匝數(shù)比可以衡量二次側電壓相對于一次側電壓是升高或者是降低。為了計算電壓，我們需要更多數(shù)據。終端電壓的比率變化有些根據負載和它的功率因素。實際上, 變比從標識牌數(shù)據獲得, 列出在滿載情況下原邊和副邊電壓。當副邊電壓 Vs 相對于原邊電壓減小時，這個變壓器就叫做降壓變壓器。如果這個電壓是升高的，它就是一個升壓變壓器。在一個降壓變壓器中傳輸變比 a 遠大于1(a1.0)，同樣的，一個升壓變壓器的變比小于 1(a1.0)。當 a=1 時，變壓器的二次側電壓就等于一次側電壓。這是一種特殊類型的變壓器，可被應用于當一次側和二次側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變壓器帶負荷運行時一次側繞組電流是如何隨著二次側負荷電流變化而變化的。從電源側來看變壓器，其阻抗可認為等于 Vp / Ip。從等式 = a 中psVsIpsE我們可知 Vp = aVs 并且 Ip = Is/a。根據 Vs 和 Is，可得 Vp 和 Ip 的比例是= = pI/sa2sI但是 Vs / Is 負荷阻抗 ZL，因此我們可以這樣表示Zm (primary) = a2ZL這個等式表明二次側連接的阻抗折算到電源側，其值為原來的 a2 倍。我們把這種折算方式稱為負載阻抗向一次側的折算。這個公式應用于變壓器的阻抗匹配。黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 4 頁 4、有載情況下的變壓器一次側電壓和二次側電壓有著相同的極性，一般習慣上用點記號表示。如果點號同在線圈的上端，就意味著它們的極性相同。因此當二次側連接著一個負載時，在瞬間就有一個負荷電流沿著這個方向產生。換句話說，極性的標注可以表明當電流流過兩側的線圈時，線圈中的感應電動勢會增加。因為二次側電壓的大小取決于鐵芯磁通大小 0，所以很顯然當正常情況下負載電勢 Es 沒有變化時，二次側電壓也不會有明顯的變化。當變壓器帶負荷運行時，將有電流 Is 流過二次側，因為 Es 產生的感應電動勢相當于一個電壓源。二次側電流產生的磁動勢 NsIs 會產生一個勵磁。這個磁通的方向在任何一個時刻都和主磁通反向。當然，這是楞次定律的體現(xiàn)。因此，N sIs 所產生的磁動勢會使主磁通 0 減小。這意味著一次側線圈中的磁通減少，因而它的電壓 Ep 將會增大。感應電壓的減小將使外施電壓和感應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，以此來抵消二次側中的感應電動勢減小磁通的趨勢。總的來說，變壓器為了保持磁通是常數(shù)，對磁通變化的響應是瞬時的。更重要的是，在空載和滿載時，主磁通 0 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，電流 Ip在一次側流過以平衡 Is 產生的影響。它的磁動勢 NpIp只停留在一次側。因為鐵芯的磁通 0 保持不變，變壓器空載時空載電流 I0 必定會為其提供能量。故一次側電流 Ip 是電流 Ip與 I0的和。因為空載電流相對較小，那么一次側的安匝數(shù)與二次側的安匝數(shù)相等的假設是成立的。因為在這種狀況下鐵芯的磁通是恒定的。因此我們仍舊可以認定空載電流 I0 相對于滿載電流是極其小的。當一個電流流過二次側繞組，它的磁動勢（N sIs）將產生一個與二次側繞組 I0 產生的 0 磁通相獨立的磁通。因為這個磁通不通過一次側繞組，所以它不是一個互感磁通。黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 5 頁 另外，流過一次側繞組的負載電流產生一個只和一次側繞組相交鏈的磁通，這個磁通被稱為一次側的漏磁量。二次側漏磁量產生的感應電壓不能與一次側漏磁量所產生的感應電壓相平衡。同樣的，一次側漏磁量產生的感應電壓也與二次側所產生的不平衡。因此，這兩個感應電壓作用表現(xiàn)為電壓降落，通常被稱為電抗壓降。另外，兩側繞組同樣具有電阻，這也將產生一個電阻壓降。把這些額外的電壓降也考慮在內，這樣一個實際變壓器的等效電路圖就完成了。需要注意，電路中的勵磁支路勵磁影響較小，在分析中我們可以將它忽略。這就符我們前面計算中可以忽略空載電流的假設。為達到精確度，這對進一步合理預測變壓器性能是必須的。因為壓降與負載電流成正比關系，這就意味著空載情況下一次側和二次側繞組沒有壓降。