电力变压器的空载运行

电机学ElectricalMachinery 自动化系温志明 2011 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 2 电力变压器空载运行 10 0空载时的物理现象及正方向10 1感应电动势10 2励磁电流 难点 10 3空载时的等值电路 重点 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 3 空载时的物理现象及正方向 变压器空载的含义电磁物理现象正方向的规定 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 4 空载时的物理现象及正方向 变压器空载的含义 变压器的空载运行是指变压器的原绕组接交流电源 副绕组开路的运行状态 注意和其它电机空载含义做比较 变压器一次侧和二次侧符号的表示方法 用下标1和2来进行区分 下标0的含义 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 5 空载时的物理现象及正方向 变压器空载时的电磁物理现象 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 6 空载时的物理现象及正方向 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 7 空载时的物理现象及正方向 变压器空载时的电磁物理现象 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 8 空载时的物理现象及正方向 变压器空载时的电磁物理现象 1 主磁通与漏磁通的区别 1 性质上 与成非线性关系 与成线性关系 2 数量上 占99 以上 仅占1 以下 3 作用上 起传递能量的作用 起漏抗压降作用 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 9 空载时的物理现象及正方向 变压器空载时的电磁物理现象 2 空载电流说明 空载时 一次测流过电流 称为空载电流 用i0表示 记为i1 i0 由于空载时 没有功率的输出 电流全用来励磁 故空载电流也称为励磁电流 记为im i0注意下标m的含义 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 10 空载时的物理现象及正方向 变压器正方向的规定 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 11 空载时的物理现象及正方向 变压器正方向的规定 由于变压器的各电 磁量都是交变的 是时间函数 对其正方向做出规定 有利于讨论各电 磁量的量值关系和相位关系 否则列出的电路方程的物理意义不清 变压器的原边按照电动机惯例规定正方向 即把变压器的原边看成是电源的负载 原边电流的正方向依据外加电源电压的正方向确定 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 12 空载时的物理现象及正方向 变压器正方向的规定 变压器的副边按照发电机惯例规定正方向 即把变压器的副边看成是负载的电源 副边电流的正方向依据副边电势的正方向确定 副边电压的正方向依据副边电流流过负载的压降方向确定 磁通的正方向与电流的正方向符合右手螺旋定则 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 13 空载时的物理现象及正方向 变压器正方向的规定 感应电动势的正方向与磁通的正方向符合右手螺旋定则 但是感应电动势的实际方向由楞次定律确定 它总是阻碍电流及磁通变化的 变压器的各电 磁量正方向标示于图中 满足上述关系 电动势的公式可以写为 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 14 感应电动势 一次侧的电压平衡方程式为 忽略则若外施电压按正弦规律变化 则和 也按正弦规律变化 设 有效值 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 15 感应电动势 有效值 其中 则 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 16 感应电动势 二次侧的电压平衡方程式为 有效值 其中 则 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 17 感应电动势 变比和其它分析 可见 当主磁通按正弦规律变化时 所产生的一次 二次主电动势也按正弦规律变化 时间相位上滞后主磁通 主电动势的大小与电源频率 绕组匝数及主磁通的最大值成正比 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 18 将一 二次侧的有效值之比记为变压器的变比 用相量形式表示为 感应电动势 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 19 励磁电流分析 励磁电流产生主磁通 主磁通的值受到外施电压和电路参数的制约 励磁电流 1 对于已经做好的变压器 匝数确定 根据公式可知 主磁通与外施电压成正比 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 20 2 若外施电压已知 匝数确定 要产生一定量的主磁通 需要多大的励磁电流 这与变压器的铁心材料和铁心几何尺寸有关 因为要受到磁路饱和 磁滞 涡流的影响 1 磁路饱和的影响 磁路未饱和时 与i0成正比 如磁化特性图中的线性部分 按正弦规律变化 注意此时未考虑铁耗 如图所示 励磁电流 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 21 磁路饱和时 Bm 0 8T 由于磁路饱和 当磁通 为正弦波时 励磁电流变为尖顶波 磁路越饱和 尖顶幅度越大 如磁化曲线中的饱和段 同样也没考虑铁心损耗 尖顶波可以进行分解 但不能用相量的形式进行分析 和额定电流相比 尖顶波的值很小 励磁电流 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 22 可以用等效正弦波电流代替尖顶波电流 等效的原则是令等效正弦波与尖顶波具有相同的有效值 与尖顶波的基波分量有相同的频率 且同相位 等效的正弦波电流用I 表示 励磁电流 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 23 等效的正弦波电流I 与 m同相位 E1滞后于 m90 故I 滞后于 E190 I 具有无功电流的性质 是励磁电流的主要部分 励磁电流 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 24 2 磁滞现象对励磁电流的影响 由于产生的是交变磁场 因此存在磁滞现象 在磁滞现象作用下 励磁电流为不对称得尖顶波 可以分解为I 和Ih两部分 I 为饱和引起的 称为磁化电流分量 Ih近似为正弦波 量值很小 称为磁滞电流分量 Ih与 E1同相 是励磁电流的有功部分 励磁电流 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 25 3 涡流现象对励磁电流的影响 由于产生的是交变磁场 因此还存在涡流现象 用Ie表示涡流电流分量的值 Ie与 E1同相 是励磁电流的有功部分 综述 由于Ie和Ih同相位 可以合并 成为铁耗电流分量 用IFe表示 励磁电流 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 26 则励磁电流为 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 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 另一个是铁损耗分量 作用是供变压器铁心损耗 有功分量 励磁电流 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 27 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 励磁特性的电路模型 励磁电流的工程计算 励磁电流 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 28 从上述分析可知 与同相位 滞后90 这样便可利用下面公式对上述分析进行简化 式中的参数分别称为 励磁电导 励磁电纳 励磁导纳 励磁电流 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 29 从图中可知 利用电路的串并联转换 可以将左边的电路改造为下图 励磁电流 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 30 励磁电流 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 31 励磁电抗 对应主磁通的电抗 需要指出的是 1 并非实质电阻 是为计算铁耗而引进的模拟电阻 2 由于磁路呈现非线性 铁耗值是变量 因此也是变量 在变压器外施额定电压时 其变化范围不大 可以近似认为是常数 励磁阻抗 励磁电阻 对应铁损耗的等效电阻 励磁电流 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 32 三 漏抗分析 漏电动势也可以用漏抗压降来表示 即 根据主电动势的分析方法 漏电动势同样有 励磁电流 由于漏磁通主要经过非铁磁路径 磁路不饱和 故磁阻很大且为常数 所以漏电抗很小且为常数 它不随电源电压负载情况而变 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 33 电路方程 等效电路和相量图 1 电动势平衡方程式 根据前面对励磁电流和漏抗参数的分析 现在我们可以把变压器空载运行时的全部电磁现象用一复数电路来表示 1 电流平衡方程式 空载时的等值电路 2 励磁支路电压降 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 34 3 一次侧电压平衡方程式 Z1称为一次侧绕组的漏阻抗 4 二次侧电压平衡方程式 根据上述4个基本方程式 可以画出变压器空载运行时的等效电路图和相量图 这种方法具有一般意义 空载时的等值电路 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 35 由于 所以有时忽略漏阻抗 空载等效电路只是一个元件的电路 在一定的情况下 大小取决于的大小 从运行角度讲 希望越小越好 所以变压器常采用高导磁材料 增大 减小 提高运行效率和功率因数 2 等效电路图 空载时的等值电路 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 36 3 相量图 5 4 3 滞后 1 以为参考相量 2 与同相 超前 空载时的等值电路 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 37 小结 1 一次侧主电动势与漏阻抗压降总是与外施电压平衡 若忽略漏阻抗压降 则一次主电势的大小由外施电压决定 2 主磁通大小由电源电压 电源频率和一次线圈匝数决定 与磁路所用的材质及几何尺寸基本无关 3 空载电流大小与主磁通 线圈匝数及磁路的磁阻有关 铁心所用材料的导磁性能越好 空载电流越小 空载时的等值电路 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 38 5 对三相变压器 变比为一 二次侧的相电动势之比 近似为额定相电压之比 具体为 Y d接线 D y接线 6 变压器空载时 一次侧从电源吸收少量的有功功率 用来供给铁损和绕组铜损 由于和均很小 所以 即空载损耗近似等于铁损 4 电抗是交变磁通所感应的电动势与产生该磁通的电流的比值 线性磁路中 电抗为常数 非线性电路中 电抗的大小随磁路的饱和而减小 空载时的等值电路 电机学教案 太原工业学院自动化系温志明 wasxty 99 39