chap2变压器的基本作用原理与理论分析

变压器的基本作用原理 与理论分析,变压器的负载运行 4 标幺值 5 参数的测定 6 变压器的运行性能 7,1 变压器的类别和结构 2 变压器的发热和冷却 3 变压器的空载运行,一、变压器的类别和结构,变压器的主要类别,一种静止的电机 将一种电压的电能转换为另一种电压的电能。 用途分类： 电力变压器，电力系统传输电能 电炉变压器，专给炼钢炉供电 整流变压器，大型电解电镀、直流电力机车供电 仪用变压器、控制变压器 无线电变压器，仅传输信号。,电力变压器,变压器的总容量大致相当于发电机容量的三倍。输电过程中，通常将电压升高，通过高压输电线传送到远方的城市，经过降压变压器降为10kv电压，再经过配电降压变压器分配给用户。 输送同样的功率，电 压低则电流大，一方面由于大电流在输电线路上引起损耗，另一方面大电流在线路阻抗上产 生大的压降，受电端电压很低，电能传送不出去。只有高电压能将电能输送到远方。,配电变压器,电力变压器类别-变压方式,升压变压器升高电压的变压器 降压变压器降低电压的变压器 特殊变压器 ，如试验用高压变压器、电炉用变压器、电焊用变压器、晶闸管线路中的变压器、用于测量仪表的电压互感器和电流互感器等等,电力变压器类别-线圈数目,双绕组变压器，在铁芯中有两个绕组，一个为初级绕组，一个为次级绕组 自耦变压器，初级、次级绕组合为一个 三绕组变压器，三个绕组连接三种不同电压的线路 多绕组变压器，如分裂变压器,电力变压器类别-冷却方式,油浸式变压器铁芯和绕组都一起浸入灌满了变压器油的油箱中，可以加强绝缘和改善冷却散热条件 干式变压器 ，能满足特殊要求，如安全,电力变压器类别-相数,单相变压器 三相变压器,电力变压器的基本结构,铁芯铁芯 带有绝缘的绕组绕组 变压器油油 油箱油箱 绝缘套管套管,铁芯变压器的磁路,电力变压器的铁心是由0.35mm厚的冷轧硅钢片叠成。减少涡流损耗，提高导磁系数。,铁心柱,铁轭,铁芯的交叠装配,单相变压器铁心叠法，偶数层刚好压着奇数层的接缝，从而减少了磁路和磁阻，使磁路便于流通 接逢处气隙小 可以避免涡流在钢片之间流通,三相芯式变压器的铁心排列法，主要使叠缝相互交叠，从而减少磁路的磁阻,变压器铁心柱的横切面,返回,绕组变压器的电路,变压器绕组一般为绝缘扁铜线或绝缘圆铜线在绕线模上绕制而成。 为便于制造、在电磁力作用下受力均匀以及机械性能良好，绕组线圈作成圈形。 按照绕组在铁芯中的排列方法分类，变压器可分为铁芯式和铁壳式两类 基本型式：同芯式，交叠式,单相芯式变压器铁心及绕组,绕组同芯套装在变压器铁心柱上，低压绕组在内层，高压绕组套装在低压绕组外层，以便于绝缘。,铁壳式变压器,变压器的铁芯柱在中间，铁轭在两旁环绕，且把绕组包围起来 结构比较坚固、制造工艺复杂，高压绕组与铁芯柱的距离较近，绝缘也比较困难 通常应用于电压很低而电流很大的特殊场合，例如，电炉用变压器。这时巨大的电流流过绕组将使绕组上受到巨大的电磁力，铁壳式结构可以加强对绕组的机械支撑，使能承受较大的电磁力。,绕组的基本型式,同芯式铁芯式变压器常用。高压绕组和低压绕组均做成圆筒形，然后同芯地套在铁芯柱上 交叠式 铁壳式变压器常用。高压绕组和低压绕组各分为若干个线饼，沿着铁芯柱的高度交错地排列着,返回,变压器油冷却、绝缘,电力变压器绕组与铁心装配完后用夹件紧固，形成变压器的器芯。变压器器芯装在油箱内，油箱内充满变压器油。变压器油是一种矿物油，具有很好的绝缘性能。变压器油起两个作用： 绝缘：绕组与绕组、绕组与铁心及油箱之间 散热：热量通过油箱壳散发，油箱有许多散热油管，以增大散热面积。采用内部油泵强迫油循环，外部用变压器风扇吹风或用自来水冲淋变压器油箱,油箱 机械支撑、冷却散热、,变压器运行时产生热量，使变压器油膨胀，储油柜中变压器油上升，温度低时下降。 储油柜使变压器油与空气接触面较少， 减缓了变压器油的氧化过程及吸收空气中的水分的速度。呼吸,保护作用,当变压器出现故障时，产生的热量使变压器油汽化，气体继电器动作，发出报警信号或切断电源。 如果事故严重，变压器油大量汽化，油气冲破安全气道管口的密封玻璃，冲出变压器油箱，避免油箱爆裂。,返回,绝缘套管,绝缘套管由中心导电杆与瓷套组成。导电杆穿过变压器油箱、在油箱内的一端与线圈的端点联接，在外面的一端与外线路联接。 在瓷套和导电杆间留有一道充油层充油套管 当电压等级更高时，在瓷套内腔中常环绕着导电杆包上几层绝缘纸简，在每个绝缘纸简上贴附有一层铝箔，则沿着套管的径向距离，绝缘层和铝箔层构成串联电容器，使资套与导电杆间的电场分布均匀 套管外形常做成伞形，电压愈高、级数愈多。,返回,变压器的额定值,额定容量SN制造厂所规定的在额定条件下使用时输出能力的保证值。单位为VA或kVA。对三相变压器指三相的总容量。 由于效率高，原、副方的额定容量设计得相等，与体积、用铜量有关。,额定电压由制造厂所规定的变压器在空载时额定分接头上的电压保证值。单位为V或kV。 当变压器初级侧在额定分接头处接有额定电压U1N，次级侧空载电压即为次级侧额定电压U2N。 对三相变压器，铭牌上的额定电压指线电压 额定电流额定容量除以各绕组的额定电压所计算出来的线电流值。单位用A或kA。 电力变压器的额定频率是50Hz,变压器的额定值,额定值的关系,单相变压器 三相变压器,返回,二、变压器的发热和冷却,假定：铁芯和各个绕组都是独立的发热单位。即认为铁芯的发热仅来源于铁芯损耗，各绕组的发热来源于各自的铜耗，它们相互间并没有热量交换。 由于油的对流作用，油在受热后将上升、而在冷却后又将下降。油浸变压器中，沿着油箱高度，上部的温度要比下部的温度略高,油浸变压器的绕组均用A级绝缘。根据我国的气候情况，国家标准规定以+40作为周围环境空气的最高温度，并据此规定变压器各部分的容许温升,绕组最高允许温度为105 ,变压器的冷却,常用冷却介质油（油浸式）、空气（干式） 冷却方式油浸自冷式；油浸风冷式(人工通风)；强制油循环冷却式 油箱形式 平滑油箱：50kVA 波形油箱 管形油箱：200kVA 散热器油箱：25006300kVA,返回,作业,2-1 2-2,讲解星形，三角形连接,变压器电路理论及其运行特性,版权所有， 2000 Southeast University Electrical Engineering Department .,三、空载运行,空载指一侧绕组接到电源（初级 1），另一侧绕组（次级 2）开路。,1 电磁物理现象 2 感应电动势 3 电压变比 4 激磁电流,5 励磁特性的电路模型 6 漏抗 7 电路方程 等效电路 相量图,1、电磁物理现象,空载电流i0，i1i0。全部用以激磁激磁电流im，i0im 激磁电流产生激磁磁势imN1，建立交变磁场,空载运行：原边接额定电压u1n的电源，副边开路 原边绕组电流i0为空载电流，产生空载励磁磁势F0=I0N1, F0产生磁通 磁通分为两部分 主磁通流径闭合铁心，磁阻小，同时匝链了原边和副边绕组,并感应出电势e1和e2。是变压器传递能量的主要媒介 原边绕组漏磁通1，仅与原边绕组匝链，通过变压器油或空气形成闭路，磁阻大，不传递功率 变压器铁心由高导磁材料硅钢片制成（导磁系数r2000)，大部分磁通都在铁心中流动，主磁通约占总磁通的99强，漏磁通占总磁通的1弱。,磁场的磁通,分为主磁通和漏磁通两部分 磁路不同，因而磁阻不同。 主磁通同时交链初级、次级绕组，又称为互磁通，路径为沿铁芯而闭合的磁路，磁阻较小。 漏磁通1只交链初级绕组，称初级侧漏磁通，它所行经的路径大部分为非磁性物质，磁阻较大。 功能不同。主磁通通过互感作用传递功率，漏磁通不传递功率。,磁场的磁通,与1 都是交变磁通 在绕组中感应交变电势,2、感应电势,箭头方向表示正方向 规定电流的正方向与该电流所产生的磁通正方向符合“右手螺旋”定则，规定磁通的正方向与其感应电势的正方向符合“右手螺旋”定则。 电流正方向与电势正方向一致。,方向规定：电压u1与电流i0同方向，磁通正方向与电流正方向符合右手螺旋定则，e的正方向与电流同方向。这样e1=N1d/dt成立。 例如正在增加，d/dt为正，e1 N1d/dt0为负，若外电路能使e1产生电流，其电流方向必与i0正方向相反，该电流产生磁通，与方向相反，起阻止增加的作用，即符合楞次定律。,磁通，电势，电压的关系公式推导,图2-8,变比初级电压与次级空载时端点电压之比。 电压变比k 决定于初级、次级绕组匝数比。 略去电阻压降和漏磁电势,3、电压变比,4、激磁电流的三个分量,忽略电阻压降和漏磁电势，则U1E14.44fN1m。mU1即：当外施电压U1为定值，主磁通m也为一定值 问题：一台结构已定的变压器当外施电压为已知，需要电源提供多大的激磁电流呢?激磁电流包括哪些成分呢? 答：决定于变压器的铁芯材料及铁芯几何尺寸。因为铁芯材料是磁性物质，激磁电流的大小和波形将受磁路饱和、磁滞及涡流的影响。,(一)磁路饱和影响,当Bm0.8T，磁路末饱和状态、磁化曲线f(i)呈线性，导磁率是常数。 当 按正弦变化，i亦按正弦变化。,磁路饱和影响,如Bm0.8T，磁路开始饱和，f(i)呈非线性，随i增大导磁率逐渐变小。磁通为正弦波，i为尖顶波，尖顶的大小取决于饱和程度。 对尖顶波进行波形分析，除基波分量外，包含有各奇次谐波。其中以3次谐波幅值最大。 用等效正弦波电流替代实际尖顶波电流。等效原则：令等效正弦波与尖顶波有相同的有效值，与尖顶波的基波分量有相同频率且同相位。,磁路饱和影响,磁化电流I，I与m同相位。 I滞后于-E1 90，I具有无功电流性质，它是激磁电流的主要成分。,(二)磁滞现象的影响,激磁电流是不对称尖顶波，把它分解成两个分量。 （1）对称的尖顶波，它是磁路饱和所引起的，即磁化电流分量i。 （2）近似正弦波，电流分量ih，频率为基波频率，磁滞电流分量，Ih与-E1同相位，是有功分量电流。,磁滞现象的影响,(三)涡流对激磁电流的影响,交变磁通在铁芯中感应电势，在铁芯中产生涡流及涡流损耗。涡流电流分量Ie由涡流引起的，与涡流损耗对应，Ie与-E1同相位。 由于磁路饱和、磁滞和涡流三者同时存在，激磁电流实际包含I、Ih和Ie三个分量；又由于Ih和Ie同相位，合并称为铁耗电流分量，用IFe表示。,空载时激磁电流,Iu磁化电流，无功性质，为主要分量 Ife铁耗电流，有功性质，产生磁滞（Ih）和涡流损耗（Ie）,5、激磁特性的电路模型,Xm是主磁通引起的电抗，为励磁电抗,6、漏抗,描述漏磁电势的电路参数。由于漏磁通所经路径主要为非磁性物质（空气），磁阻为常数。即漏磁通与产生该漏磁通的电流成正比且同相位，漏电感亦为常数。,7、空载电路方程,等效电路,rm+jXm上的压降表示主磁通对变压器的作用 （随外施电压的增加而减小由于饱和影响） X1表示漏磁通对电路的影响，近似为常数,相量图,U2（参考方向）、E2 E1与U2方向一致 m超前E1 90度 Im超前m 一个角度 U1,作业,2-3 2-4 重点理解各参数的物理意义及相互间关系,返回,四 变压器负载运行,负载运行是指一侧绕组接电源，另一侧绕组接负载运行。,1 负载时的电磁物理过程 2 基本方程式 3 归算 4 归算后的分析,返回,1、负载时的电磁物理现象,变压器的初级、次级绕组没有电的联系，功率传递依靠互感。在功率传递过程中应满足能量守恒，在电路上需满足电压平衡、磁路上需满足磁势平衡。,m,N1,N2,Next,次级电流的影响,次级电流的存在、建立起次级磁势，它也作用在铁芯磁路上。改变了原有的磁势平衡状态，迫使主磁通变化，导致电势也随之改变。电势的改变又破坏已建立的电压平衡，迫使原电流随之改变，直到电路和磁路又达到新的平衡为止。 （磁势平衡式） 负载时作用在主磁路上的全部磁势应等于产生磁通所需的激磁磁势。,初级、次级电流间的约束关系,表明当有负载电流时。初级电流I1应包含有二个分量。其中Im用以激励主磁通。I1L所产生负载分量磁势I1LN1，用以抵消次级磁势I2N2对主磁路的影响。 激磁电流的值决定于主磁通 m，即决定于E1。,u1E1=4.44fN1m,电磁现象,返回,2、基本方程式,返回,3、归算,绕组归算用一假想的绕组替代其中一个绕组使成为k1的变压器。 归算量在原符号加上标号 区别，归算后的值称为归算值或折算值。 原则：归算不改变实际变压器内部的电磁平衡关系,归算方法一,次级侧归算到初级侧 保持初级绕组匝数N1不变设想有一个匝数为N2 =N1的次级绕组，用它来取代原有匝数为N2的次级绕组。满足变比： kN1/N21。,归算方法二,初级侧归算到次级侧 保持次级绕组匝数N2不变，设想有一个匝数为N1 N2的初级绕组，用它来取代初级有匝数为N1的初级绕组。 kN1/N21,一)次级电流的归算值,物理意义：当用N2N1替代了N2，其匝数增加了k倍。为保持磁势不变。次级电流归算值减小到原来的1k倍。,归算前后磁势应保持不变,二)次级电势的归算值,归算前后次级边电磁功率应不变 E2I2E2I2 物理意义：当用N2替代了N2，其匝数增加到k倍。而主磁通 m及频率f均保持不变，归算后的次级电势应增加k倍。,三)电阻的归算值,归算前后铜耗应保持不变 物理意义：当用N2替代N2后，匝数增加到k倍，次级绕组长度增加到k倍；次级电流减到为原来的l/k倍，归算后的次级绕组截面积应减到原来的lk倍，故归算后的次级电阻应增加到原来的k2倍。（绕组本身没有变化）,四)漏抗的归算值,归算前后次级漏磁无功损耗应保持不变 物理意义：绕组的电抗和绕组的匝数平方成正比。由于归算后次级匝数增加了k倍，故漏抗应增加到k2倍。,返回,4、归算后的基本方程,归算后的T形等效电路,相量图,注意：相量图的作法必须与方程式的写法一致，而方程式的写法又必须与所规定的正方向一致。 变压器的相量图包括三个部分：次级侧电压相量图；电流相量图或磁势平衡相量图；初级侧电压相量图。,相量图作图步骤,首先选定一个参考相量、且只能有一个参考相量。常以U2为参考相量，根据给定的负载画出负载电流相量I2。 根据次级侧电压平衡式E2U2+I2Z2可画出相量E2，由于E1E2，因此也可画出相量E1。 主磁通m应超前E1 90，激磁电流又超前m一铁耗角。 由磁势平衡式I1=Im+(-I2)求得I1。 由初级侧电压平衡式U1=-E2+I1Z1求得I1。,变压器的实用相量图,近似等效电路,把激磁支路移至端点处。计算时引起的误差不大：变压器的激磁电流(即空载电流)为额定电流的3-8，（大型变压器不到1）。,简化等效电路,略去激滋电流（支路）常用于定性分析,注意简化的近似假设,返回,五、 标么值,对各个物理量选一个固定的数值作为基值，取实际值与基值之比称为该物理量的标么值 标么值用下标“*” 基值（采用下标“b”） 电压基值额定电压 U1b=U1N,U2b=U2N 电流基值额定电流 I1b=I1N,I2b=I2N 功率基值额定容量 SbSN 阻抗基值额定电压与额定电流之商 初级、次级侧各物理量应采用不同基值,标幺值=实际值/基值,标么值的优点,1计算方便，容易判断计算错误 因为取额定值作为基值，当实际电压为额定电压和实际电流为额定电流时，用标么值计算就作为1。 2采用标么值计算同时也起到了归算作用 这是由于初级、次级侧分别采用了不同基值，且已包含有变比关系。 3采用标么值更能说明问题,标幺值=实际值/基值,返回,六、参数测定方法,空载试验 测定激磁电阻rm和激磁电抗xm 短路试验 计算参数rk和xk,空载试验,试验可在高压侧测量也可在低压侧测量，视实际测量方便而定。如令高压侧开路，在低压侧进行测量，测得的数据是低压侧的值，计算的激磁阻抗也是归算至低压侧的值。,空载特性曲线u0=f(I0),通过调压器给变压器供电，调压器输出电压U10, 从1.2UN到0.3UN取8-9点，每点均测出P0，I0，U20 空载试验时电压较高，电流较小故电流要精确测量，电流表及功率表电流接线图中流过的电流为实际空载电流,空载试验参数计算,激磁参数值随饱和而变化。为反映变压器运行时的磁路饱和情况，空载试验时应调整外施电压等于额定电压。 令U0为外施每相电压，I0为每相电流，P0为每相输入功率即等于每相的空载损耗p0。,短路试验,短路试验应降低电压进行。控制短路电流不超过额定值。 短路试验可以在高压侧测量而把低压侧短路，也可在低压侧测量而把高压侧短路。二者测得的数值不同，用标么值计算则相同。,短路特性曲线uk=f(Ik),试验开始时应注意调压器输出应调到零，然后从0开始，慢慢调节，并监视电流表，使短路电流Ik1.25IN时停止升压，防止过大电流产生，对变压器不利。 记录数据Uk ，Ik，从1.25IN到0.5IN测56点。由于Uk低，铁心中低，故Pk中所含铁耗较小，可忽略铁耗，故Pk中只含铜耗。,短路试验参数计算,Uk表示每相电压，Ik表示每相电流，Pk表示每相输入功率即等于每相短路损耗pk 电阻随温度而变化，如短路试验时的室温为 ()，按标准规定应换算到标准温度75时的值。,短路电压百分数,短路试验时，使短路电流恰为额定电流的外施电压u k，称为u kN。 以额定电压百分数表示，称为短路电压百分数 短路电压百分数去掉100符号，就是短路电压标么值 uk不能太小，也不能太大。uk太大时，变压器空载时电压高，负载时电压压降较多。uk太小时，变压器接额定电压短路时电流太大。,短路电压的有功与无功分量,uk不能太小，也不能太大。uk太大时，变压器空载时电压高，负载时电压压降较多。uk太小时，变压器接额定电压短路时电流太大。,例2-1，2-2,2-1 一台单相变压器，额定容量为600kVA，额定电压为35/6.3kV，试验数据如下： 求近似等效电路参数,作业,习题 ： 2-5，2-6 思考题：9-10，14,返回,7、 电压变化率,电压变化程度由于变压器内部存在着电阻和漏抗，负载时产生电阻压降和漏抗压降，导致次级侧电压随负载电流变化而变化。 设外施电压为额定电压，取空载与额定负载两种情况下的次级侧电压的算术差与空载电压之比定义为电压变化率(又称电压调整率),电压变化率U%的分析,简化计算,前提条件：电流为额定电流，即I2N*=1,电压变化率与负载大小,额定负载时（感性负载）：,一般负载时 定义负载率,电压变化率与负载性质,U与负载电流的功率因数有关,电阻性负载时功率因数等于1，即2O，cos2=1，sin2O，U=ua*。电压降落不大。 电阻电感性负载时功率因数为滞后，2取正值，随着2增大，ua* cos2减小，ur*sin2增大，U随之增大。但不是直线关系。U有一最大值，用d(U)d20求极值条件，求得当U达到最大，当继续增大，U又趋于减小。 电阻电容性负载时功率因数为超前，2取负值，这时U为两项之差。当满足条件ua*cos2=ur*sin2时U=0。当电阻电容性负载功率因数继续减小，则ua*cos2ur*sin2，U变为负值、这时负载电压反而大于空载电压。,影响端电压的因素小结,负载大小=I1I1N=I2I2N 漏阻抗rk，xk 负载性质2，容性负载U0，感性负载U0,8、变压器的效率,效率：输出功率与输入功率之比 输入功率是输出功率与全部损耗之和 损耗p 初级绕组铜耗pcu1=I12r1 次级绕组铜耗pcu2I22r2 铁芯损耗pFeIm2rm =P2/P1=P2/(P2+ p)=(P1- p)/P1,间接法计算效率_损耗分离法,效率曲线,