第3章 变压器.ppt

第三章变压器Chapter3Transformer 第一节变压器的工作原理 分类及结构 一 变压器的工作原理 1 变压器的主要部件 铁心和套在铁心上的两个绕组 2 两绕组只有磁耦合没电联系 3 在一次绕组中加上交变电压 产生交链一 二次绕组的交变磁通 在两绕组中分别感应电动势 构成变压器磁路的主要部分 当铁心内的磁通发生交变时 在绕组内产生感应电动势 理想变压器模型为 电工惯例 电工惯例用于规定变压器中物理量的正方向 规定 1 在同一支路中 电压和电流的正方向一致 2 磁通正方向与电流正方向符合右手螺旋法则 3 由交变磁通量产生的电动势正方向与产生该磁通量的电流正方向一致 并有e d dt 的关系 AX 1 当电流由A流到X时 A点的电位高于X点的电位 2 当电流由A流到X时 按照右手螺旋法则确定磁通 忽略绕组的电阻压降 则端电压只能由感应电动势平衡 u1 e1 0 思考 现有两台变压器 除了一次侧匝数不一样外 其余参数完全相同 现将两台变压器接到220V 50赫兹交流电上 问哪一台变压器的损耗较大 K 匝比 忽略铁心中的损耗 根据能量守恒定律 有 认为变压器只是单纯的将能量由原边 一次侧 传递到了副边 二次侧 变压器实际上是以磁场为介质进行了电能的转换 二 变压器的分类 按用途分 电力变压器和特种变压器 按绕组数目分 单绕组 自耦 变压器 双绕组变压器 三绕组变压器和多绕组变压器 按相数分 单相变压器 三相变压器和多相变压器 按铁心结构分 芯式变压器和壳式变压器 按调压方式分 无励磁调压变压器和有载调压变压器 按冷却介质和冷却方式分 干式变压器 油浸式变压器和充气式变压器 电源变压器 电力变压器 控制变压器 接触调压器 三相干式变压器 三 变压器的结构简介 铁心 变压器中主要的磁路部分 分为铁心柱与铁轭两部分 变压器铁心一般采用0 23 0 35mm厚的取向硅钢片叠压而成 绕组 变压器中的电路部分 油浸式电力变压器 1 信号式温度计2 吸湿器3 储油柜4 油位计5 安全气道6 气体继电器7 高压套管8 低压套管9 分接开关10 油箱11 铁心12 线圈13 放油阀门 变压器的额定值 额定容量为变压器的视在功率 用SN表示 单位kVA VA 额定电压 一次和二次绕组上分别为U1N和U2N 单位V kV 额定电流 一次和二次绕组上分别为I1N和I2N 单位A kA 单相变压器 三相变压器 额定频率fN 我国的规定为50Hz 思考 变压器为什么不将功率作为额定值 变压器为什么不将功率作为额定值 额定频率 50Hz 额定容量 910kVA 额定电压 一次侧 6300V 额定电压 二次侧 400 231V 额定电流 一次侧 83 4A 额定电流 二次侧 1313A 解 第二节单相变压器的空载运行 一空载运行时的物理情况 变压器空载条件 一次侧加上交流电压 二次侧开路 1 一次侧加上交流电压后 产生交流电流 2 交流电流在铁心中产生交变的磁通 含主磁通和漏磁通 3 交变的磁通在一次 二次侧产生感应电动势 一次绕组和二次绕组的电动势平衡方程式 i0 空载电流 u20 二次绕组的空载电压 R1 一次绕组的电阻 m 主磁通 1 一次绕组漏磁通 电感计算方法 m Fm 1 Rm 1 R e N1 d m dt N12 1 Rm 1 R di0 dt Lm L1 di0 dt e1 e1 互感计算方法 m Fm Rm N1i0 Rme2 N2 d m dt N1N2 Rm di0 dt M di0 dt 1 感应电动势与主磁通 以上两式说明 1 感应电动势e1和e2与 m的相位关系 均滞后于的电角度90 2 e1和e2是正弦交变信号 其有效值与 m的关系为 4 44 1 414 电机学中一个非常重要的参数 2 空载电流 空载电流包含两个分量 一个是励磁分量 作用是建立磁场 产生主磁通 无功分量Im 另一个是铁损耗分量 作用是供变压器铁心损耗 有功分量Iu 性质 由于空载电流的无功分量远大于有功分量 所以空载电流主要是感性无功性质 也称励磁电流 大小 与电源电压和频率 线圈匝数 磁路材质及几何尺寸有关 用空载电流百分数I0 来表示 3 漏磁通和漏电抗 漏电动势E1 漏电抗是由漏磁通所产生的 它是表征漏磁通对于变压器影响所引入的一个参数 漏电感计算方法 Fm R N1i0 R e2 N1 d dt N12 R di0 dt L1 di0 dt 二 空载运行时的电动势平衡方程式 向量图及等效电路 研究交流正弦电路的最有效手段就是相量法以及由此引出的向量图 变压器运行时相量形式的电动势平衡方程式为 如果不计变压器饱和的影响 可以讲感应电动势表示为励磁电流流过一个阻抗所产生的压降 一次绕组漏阻抗 变压器励磁阻抗 变压器励磁电抗 变压器励磁电阻 变压器的一次绕组阻抗 励磁阻抗可以采用如下方式计算 根据变压器一次侧电动势平衡方程式 可以画出变压器空载电路图 一次绕组电阻 变压器励磁电阻 一次绕组漏电抗 变压器励磁电抗 一次绕组漏阻抗 变压器励磁阻抗 第三节单相变压器的基本方程式 变压器一次侧接在额定频率 额定电压的交流电源上 二次接上负载的运行状态 称为负载运行 一负载运行时的物理情况 条件 电源电压恒定 即U1 常数 则E1 常数 m 常数 结果 新的电动势平衡的条件是使一次绕组的电流增量所产生的磁动势与二次绕组电流所产生的磁动势相抵消 以维持主磁通基本不变 以及由主磁通所感应产生的电动势基本不变 例如一台变压器一次侧额定电压为10kV 一次侧漏阻抗为7 14欧姆 当变压器工作在额定电流36 4A时 可知此时感应电动势最小值为9740V 二 负载运行时的基本方程式 1 磁动势平衡方程式 变压器负载时一次侧所产生的磁动势为 变压器负载时二次侧所产生的磁动势为 变压器在空载和负载时 主磁通近似不变 负载时净的磁动势应等于空载时的磁动势 磁动势平衡方程 负载时变压器一次侧电流分为两个部分 1 维持主磁通的励磁分量 2 补偿二次侧磁动势的负载分量 2 电动势平衡方程式 一次 二次绕组的电阻 一次 二次绕组的漏电抗 一次 二次绕组的漏阻抗 变压器负载运行时基本方程式 1 磁动势平衡方程 2 一次侧电压平衡方程 3 二次侧电压平衡方程 4 一次侧电动势方程 5 变比方程 6 二次侧负载方程 1 磁动势平衡方程 2 一次侧电压平衡方程 3 二次侧电压平衡方程 4 一次侧电动势方程 5 变比方程 6 二次侧负载方程 这样处理以后 E1 E 2 这说明一 二次绕组 虚拟的二次绕组 具有相同的匝数 这可以简化变压器的计算 所求的虚拟值 如二次侧的电压 电流 电动势 乘以一个系数后就可以得到真实值 二次侧真实值与虚拟值之间的关系为 变压器的变比 第四节变压器的等效电路及相量图 第四节变压器的等效电路及相量图 一 绕组归算 将变压器的二次 或一次 绕组用另一个绕组 匝数变化 来等效 同时 对该绕组的电磁量 电压 电流 阻抗 作相应的变换 以保持两侧的电磁关系不变 归算原则 1 保持二次侧磁动势不变 2 保持二次侧各功率或损耗不变 首先利用一个与一次侧绕组的匝数相同的绕组来替代二次绕组 变压器一次和二次绕组具有同样的匝数 即 一 电动势和电压的归算 在相同的交变主磁通 m时 感应电动势满足 归算系数为 以 伏 为单位的物理量 归算值与实际值的关系为归算值 实际值 归算系数 变比 二 电流的归算 在采用虚拟绕组替代真实绕组以后 来讨论一下二次侧虚拟绕组中的电流和二次侧真实电流之间的关系 电流归算的原则是 两种绕组内二次侧电流所产生的磁动势不变 得到电流归算关系为 以 安 为单位的物理量 归算值与实际值的关系为归算值 实际值 归算系数 变比 三 阻抗的归算 阻抗归算的原则 归算前后电阻铜耗及漏感中无功功率不变 归算后变压器负载运行时的基本方程式变为如下形式 二 等效电路 若a b之间的电位差和b d之间的电位差同相 联接a b和c d以后不会产生环流 因此省略二次侧绕组 二次绕组各量均已经归算到一次绕组 即 1 将一次侧和二次侧的漏阻抗提出以后 一次侧和二次侧绕组 a c端和b d端 构成了变比为1的理想变压器 2 若a b之间的电位差和b d之间的电位差同相 联接a b和c d以后不会产生环流 因此省略二次侧绕组 3 二次侧绕组省略以后 二次侧电流流入a端 二 等效电路 作出变压器的T形等效电路 三 相量图 根据T形等效电路 可以画出相应的相量图 四 近似等效电路图 一台变压器的参数为Z1 3 5 Zm 2637 Zm远大于Z1 可以将励磁支路向前移动 得到 形等效电路 励磁支路前移 不会对变压器的分析的准确性造成太大影响 rs xs和Zs分别称为短路电阻 短路电抗和短路阻抗 若进一步简化 可以忽略掉励磁支路 得到近似等效电路 省去励磁支路 第五节等效电路的参数测定 一 空载试验 通过测量 1 空载电流 2 一 二次电压 3 空载功率得到的参数为 1 变比 2 空载电流百分数 3 铁耗和励磁阻抗 变压器空载运行时 可以认为输入功率p0完全用来抵偿铁耗 1 二次绕组的电流较小 可以忽略绕组电阻损耗 2 电压等于额定电压 因此磁通等于额定时候的磁通 因此此时的损耗主要为铁耗 且近似等于额定时候的铁耗 从空载运行的等效电路得出 变压器的空载实验一般是在低压侧完成 计算得到的励磁阻抗需要折算到高压侧 即乘以变比的平方 二 负载试验 又称短路试验 通过测量 1 短路电流 2 短路电压 3 短路功率 计算 1 变压器的短路电压百分数 2 铜损 3 短路阻抗 高压侧加电压 低压侧短路 由于外加电压很小 主磁通很小 铁损耗很小 忽略铁损 2 短路阻抗计算 1 铜耗计算 考虑到变压器运行时的温升对参数的影响 电阻随着温度变化 电抗不随温度变化 折算到75 时的数值 阻抗电压 负载试验时 当绕组中电流达到额定值 加在一次绕组上的短路电压 用一次侧额定电压的百分值表示 标么值 就是指某一物理量的实际值与选定的同一单位的基准值的比值 通常以额定值为基准值 即 阻抗电压的标么值 电压基值为U1N电流基值为I1N阻抗基值为ZN U1N I1N 第六节三相变压器 一 三相变压器的电路系统 联结组 1 联结法 星形联结三角形联结 X Y Z A Y C A Z C Y B B X A Y C X B Z 2绕在同一铁心柱上的高 低压绕组 单相变压器 电动势关系 单相变压器 三相变压器的一相 的一次侧 二次侧交链同一磁通 当主磁通交变时 某一瞬间 若一次侧所加电压为正 A端相对于X端 X端作为参考点 若随意标注二次侧的a x端 x端作为参考点 那么 1 a端相对于x端为正 2 换一种标注方法 a端相对于x端为负第一种标注方法下 A a端X x分别构成同名端 第一种标注方法下 A x端X a分别构成同名端 三相变压器连接组标号的确定 三相绕组 可以采用不同的联接 使得变压器一次 二次电压之间出现不同的相位差 通常采用 时钟法 表示 画连接组的步骤 画出一次侧的连接方式 并标注好每一个端子对应的位置 对于三角形连接 需注意端子是如何重合的 判断二次侧三相绕组分别与哪一相同相或者反相 若一次侧与二次侧采用同名端抽头 则一次 二次侧同相 否则反相 按照顺时针方向 一次侧 二次侧必须要按a b c顺序出现 X Y Z x y z A C B c a b Yy0连接组 Yy0连接组 Yy4连接组 Yy8连接组 Yy6连接组 Yy10连接组 Yy2连接组 A C B c x a y b z A C B c x a y b z Yd11连接组 Yd11连接组 Yd3连接组 Yd7连接组 Yd5连接组 Yd9连接组 Yd1连接组 A Y C X B Z xyz a b c Dy3连接组 三相变压器的连接组编号要标注在变压器的铭牌上 用大小写字母分别表示高压 低压绕组的连接形式 对于Y联接 若有中性点引出需要 用N表示 例如一台变压器 有高压 中压和低压三套绕组 那么一种连接组编号可以写为 YNyn0d11 二 三相变压器的磁路系统 a 单相芯式铁心的合并b 铁心的演变c 三相芯式铁心 三三相变压器的电路系统和磁路系统对电动势波形影响 当变压器一次侧加上正弦交流电压以后 一次侧端电压 感应电动势 主磁通满足如下关系 当变压器所加电压为正弦变化时 其主磁通必然为正弦变化 为了保证磁通正弦变化 励磁电流必然会产生畸变 励磁电流中除了含有基波外 还含有一系列谐波分量 在某些场合 励磁电流的三次谐波分量无法形成回路 在星形连接中 三相的三次谐波处于同相位 不会在一次侧绕组中出现 这必将导致磁通波形发生畸变 Yy联接的三相变压器中的电动势 1 三相组式变压器在三相组式变压器中 三次谐波磁通也将在变压器的铁心中流通 从而感应出三次谐波电动势 三次谐波电动势的幅值计算为 即使较小的三次谐波磁通 也能产生较大的三次谐波电动势 可以达到基波的45 60 这在应用中必须加以避免 2 三相芯式变压器在三相芯式变压器中 三次谐波磁通的磁路主要是非铁磁材料 磁路磁阻较大 三次谐波磁通明显削弱 对感应电动势影响较小 但是三相谐波磁通交变频率较高 会在其经过的磁路中的铁磁材料中感应较大的涡流 产生较大的附加损耗 降低变压器效率 引起局部过热 Yd Dy联接的三相变压器此时 三相变压器能够 1 在一次侧形成三次谐波电流通路 2 或者在二次侧形成三次谐波电流通路 从而改善变压器的感应电动势 第七节变压器的稳态运行 变压器的稳态运行有两种情形 1 一台变压器单独运行 2 多台变压器的并联运行 表征变压器稳态运行的主要指标有两个 1 变压器带负载以后端电压的变化 2 变压器的效率 一 变压器带负载时二次侧端电压的变化变压器二次侧接上负载以后 必然会有一部分电压降在变压器内部 变压器一次侧和二次侧的漏阻抗 变压器二次侧的端电压随负载变化的规律用变压器的外特性表示 变压器的外特性不仅与变压器的二次侧电流大小有关 而且与负载的功率因数有关 1 变压器的电压调整率 电压调整率 u规定为 一次侧加额定负载电压 U1N 负载功率因数为一定值 cos 2 const 空载与负载时二次侧端电压之差 用二次侧额定电压的百分值表示 即 电压调整率 u的计算方法 对变压器电压调整率的说明 决定变压器的电压调整率的几个因素为 变压器的短路参数 Rk和Xk 变压器的负载系数 及负载的功率因数有关 变压器的短路参数中 Rk0 但其绝对值较小 2 若负载为阻感性负载 cos 2 sin 2 0 u 0 但其绝对值较大 3 若负载为容性负载 cos 2 0 sin 20都可能存在 变压器的电压调节特性 外特性 为 条件 一次侧加额定电压U1N 负载功率因数cos 2不变 结论