电力变压器原理1

1、电力变压器的工作原理,一、变压器基本原理,二、变压器空载特性,三、变压器负载特性,四、电力变压器的型号,五、变压参数测定,六、标么值,七、变压器运行特性,八、三相变压器,2020/3/14,1,变压器发展史,1884,年匈牙利人制造出世界第一台变压器。（闭合铁心式）,1917,年我国上海华生电器制造厂生产出我国第一台变压器,1953,年我国沈阳变压器厂制造出第一台仿苏,13500/110,单相变压器。,1954,年我国沈阳变压器厂制造出第一台单相规格,20000/154,变压器。,1958,年,8,月我国沈阳变压器厂制造出第一台单相仿苏,40000/220,变,压器。,1960,年,3,月我国

2、沈阳变压器厂制造出第一台,330kV,变压器。,1979,年,12,月我国沈阳变压器厂制造出第一台单相,500kV,型号,DFPS-,250000/500,变压器。,2005,年,4,月,2,日保定天威通过,750kV,型号,ODFPS-500000/750,变压器,试验。,2009,年,1,月,6,日特变电工沈阳变压器公司生产的,1000kV,型号,ODFS-,1000000/1000,变压器投入运行。,2020/3/14,2,世界上第一台闭合铁心变压,器,我国第一台交流,1000,kV,变压器,2020/3/14,3,一、变压器基本工作原理,变压器是一种静止电器,它通过线圈间的电,磁感应,

3、将一种电压等级的交流电能转换成同频,率的另一种电压等级的交流电能,.,变压器是利用电磁感应原理工作，它是由,相互绝缘且匝数不等的两个绕组（构成电路），,套装在有良好导磁性能材料叠成的铁心上,(,构成,磁路），两绕组之间只有磁的耦合而没有电的,联系。,2020/3/14,4,变压器的一次绕组（一次绕组）与交流电源接通后，,经绕组内流过交变电流产生磁动势,，在这个磁动势作,用下，铁芯中便有交变磁通,，即一次绕组从电源吸取,电能转变为磁能，,在铁芯中同时交（环）链原、副边,绕组（二次绕组），由于电磁感应作用，分别在原、二,次绕组产生频率相同的感应电动势。如果此时二次绕组,接通负载，在二次绕组感应电动

4、势作用下，便有电流流,过负载，铁芯中的磁能又转换为电能。这就是变压器利,用电磁感应原理将电源的电能传递到负载中的工作原理。,?,?,?,E1=4.44fN,1,B,m,S,10,-4,E2=4.44fN,2,B,m,S,10,-4,2020/3/14,5,在主磁通的作用下，两侧的线圈分别产生感应电,势，电势的大小与匝数成正比，,K,为变压器变比。,变压器电流之比与一、二次绕组的匝数成反比，即,变压器匝数多的一侧电流小，匝数少的一侧电流大。变,压器的原、副线圈匝数不同，起到了变压器作用。,变压器一次侧为额定电压时，其二次侧电压随着负载电,流的大小和功率因素的高低而变化。,2020/3/14,6,

5、二,.,变压器的空载特性,变压器一次绕组接电,源，二次绕组开路，负,载电流为零，这种情况,即为变压器的空载运行。,N,1,和,N,2,为一、二次绕组,的匝数分别绕在两个铁,心柱上。,2020/3/14,7,主磁通与漏磁通的区别,1,）性质上：,m,与,I,0,成非线性关系；,L1,与,I,0,成线性关系,；,2,）数量上：,m,占,99%,以上，,L1,仅占,1%,以下,；,3,）作用上：,起传递能量的作用，,起漏抗压降作用。,各电磁量参考方向的规定,一次侧遵循电动机惯例，二次侧遵循发电机惯例。,磁通与产生它的电流之间符合右手螺旋定则；电动势与感应,它的磁通之间符合右手螺旋定则。,2020/3

6、/14,8,空载电流和空载损耗,一、空载电流,作用与组成,空载电流,I,0,包含两个分量，一个是励磁分量,I,0,a,，作用是建,立磁场，另一个是铁损耗分量,I,0,r,，主要作用是供铁损耗。,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,I,0,%,来表示,：,I,0,I,0,%,?,?,100,%,I,N,2020/3/14,9,3,、空载电流波形,?,由于磁路饱和，空载电流,与由它产生的主磁通呈非,线性关系。,当磁通按正弦规律变化时，,空载电流呈尖顶波形。

7、,t,i,0,3,2,1,当空载电流按正弦规律变,化时，主磁通呈尖顶波形。,实际空载电流为非正弦波，但为了分,析、计算和测量的方便，在相量图和,计算式中常用正弦的电流代替实际的,空载电流。,2020/3/14,1,2,3,i,0,10,空载损耗,变压器空载时一次侧从电源吸收少量的有功功率,P,0,，供给铁心损耗,P,Fe,和绕组损耗,IR,由于,I,和,R,均很小，,所以即空载损耗近似为铁心损耗,对于已制成变压器，铁损与磁通密度幅值的平方成正比，与,电流频率的,1.3,次方成正比，即,空载损耗约占额定容量的,0.1%-1%,，而且随变压器容量的,增大而下降。为减少空载损耗，改进设计结构的方向是

8、采用,优质铁磁材料：优质硅钢片、激光化硅钢片或应用非晶态合,2020/3/14,11,金。,空载时的电动势方程、等效电路和相量图,一、电动势平衡方程和变比,1.,电动势平衡方程,1.1,一次侧电动势平衡方程,U,1,=-E,1,-E,1,+I,0,R,1,=-E,1,+I,0,R,1,+jI,0,X,1,=-E,1,+Z,1,I,0,忽略很小的漏阻抗压降，并写成有效值形式，有,U,1,E,1,=4.44fN,1,m,则,可见，影响主磁通大小的因素有电源电压和频率，以及一,次线圈的匝数。,2020/3/14,12,(2),二次侧电动势平衡方程,U2=E2,2,、变比,定义,E,1,N,1,U,1

9、,U,1,N,k,?,?,?,?,E,2,N,2,U,20,U,2,N,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,U,1,N,Y,，,d,接线,k,?,3,U,2,N,D,，,y,接线,2020/3/14,3,U,1,N,k,?,U,2,N,13,空载时的等效电路和相量图,等效电路,基于,E,1,=-jI,0,X,1,表示法，,感应的电动势,E,1,也用电抗压降,表示，由于,在铁心引起铁损,P,TE,，所以还要引入一个电,阻,Rm,用,I,2,0,Rm,等效,P,TE,即,E,1,=I,0,(Rm+jXm),一次侧的电动势平衡方程为,U,1,=-E,1,+I

10、,0,Z,1,=I,0,(Rm+jXm)+I,0,(R,1,+jX,1,),空载时等效电路为,2020/3/14,14,R,m,X,m,Z,m,?,励磁电阻、励磁电抗、励磁阻抗。由于磁路具有饱,?,jX,m,和特性所以,Z,m,?,R,m,不是常数，随磁路饱和程度增大而减小。,由于,R,m,?,R,1,X,m,，所以有时忽略漏阻抗，空载等效电路只是一个,?,X,1,元件的电路。在,一定的情况下，,大小取决于,I,0,的大小。从运,Z,m,U,1,Z,m,行角度讲，希望,越小越好，所以变压器常采用高导磁材料，增,I,0,大,，减小,，提高运行效率和功率因数。,I,0,Z,m,2020/3/14,

11、15,2,、相量图,根据前面所学的方程，可作,出变压器空载时的相量图：,?,为参考相量,（,1,）以,m,?,U,1,?,X,j,I,0,1,?,R,1,I,0,?,I,0,?,?,E,1,?,I,0,a,?,E,2,?,E,1,16,0,?,?,I,?,?,I,?,?,同相，,?,?,与,（,2,）,I,滞后,，,I,I,90,0,0,r,0,a,m,0,a,0,r,0,?,?,?,?,?,E,（,3,）,滞后,，,-,1,90,E,1,E,2,1,m,?,m,；,?,j,I,?,X,（,4,）,R,1,I,0,0,1,?,（,5,）,U,1,2020/3/14,?,I,0,r,空载运行小结

12、,（,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。,（,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。,2020/3/14,17,单相变压器的负载运行,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。,负载

13、运行时的电磁关系,A,?,I,1,?,E,1,负载时一次磁动势,空载时,一次磁动势,F,F,0,0,1,?,共同作用产生,?,?,次磁动势,F,?,.,?,U,1,只要,U,1,保持,2,0,0,大小主要取决于,?,不变,由空载到负载,?,因此有磁动势平衡方程,:,0,大小基本不变,另一个是负载分量,I,1,L,它起平衡二次磁动势的,作用,。,电磁关系将一、二次联系起来,二次电流增加或减少必然引起一,次电流的增加或减少,.,2020/3/14,20,?,I,I,1,N,2,2,1,?,负载运行时,忽略空载电流有,:,I,1,?,?,或,?,?,k,I,2,k,N,1,表明，一、二次电流比近似与

14、匝数成反比。可见，匝数不,同，不仅能改变电压，同时也能改变电流。,二、,电动势平衡方程,根据基尔霍夫电压定律可写出一、二次侧电动势平衡方程,?,?,?,E,?,?,I,?,R,?,j,I,?,X,?,?,E,?,?,I,?,Z,U,1,1,1,1,1,1,1,1,1,?,?,E,?,?,I,?,R,?,j,I,?,X,?,E,?,?,I,?,Z,U,2,2,2,2,2,2,2,2,2,?,?,I,?,Z,U,2,2,L,2020/3/14,21,等效电路及相量图,一、折算,折算：将变压器的二次（或一次）绕组用另一个绕组,(N,2,=N,1,),来,等效，同时对该绕组的电磁量作相应的变换，以保持

15、两侧的电磁,关系不变,用一个等效的电路代替实际的变压器。,折算原则,：,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。,方法,：,（将二次侧折算到一次侧,),r,2,?,?,k,r,2,?,?,k,x,2,x,2,?,?,k,Z,L,Z,L,22,2,I,2,?,?,I,2,k,2020/3/14,?,?,kE,2,?,E,1,E,2,?,?,kU,2,U,2,2,2,折算后的方程式为,?,?,?,E,?,?,I,?,R,?,j,I,?,X,?,?,E,?,?,I,?,Z,U,1,1,1,1,1,1,1,1,1,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,U

16、,?,E,?,I,R,?,j,I,X,?,E,?,I,Z,2,2,2,2,2,2,2,2,2,?,?,I,?,?,?,I,?,I,1,2,0,?,?,?,E,?,E,2,1,?,?,?,Z,I,?,E,1,m,0,?,?,?,?,?,U,?,I,2,2,Z,L,2020/3/14,23,二、,等效电路,根据折算后的方程，可以作出变压器的等效电路。,T,型等效电路,：,R,1,近似等效电路,?,R,2,?,X,2,?,?,I,2,R,1,X,1,X,1,?,R,2,?,?,?,I,?,?,I,1,L,2,?,X,2,?,U,1,?,I,1,?,I,0,R,m,X,m,?,I,1,?,?,U,2,

17、?,Z,?,U,L,1,?,?,U,2,Z,?,L,2020/3/14,24,简化等效电路：,R,S,X,S,其中,?,?,?,I,?,?,I,1,2,?,U,1,?,R,S,?,R,1,?,R,2,?,X,S,?,X,1,?,X,2,Z,S,?,R,S,?,jX,S,?,?,U,2,Z,?,L,分别称为短路电阻、短路,电抗和短路阻抗。,由简化等效电路可知，短路阻抗起限制短路电流的作用，,由于短路阻抗值很小，所以变压器的短路电流值较大，一般,可达额定电流的,1020,倍。,2020/3/14,25,三、,相量图,作相量图的步骤,对,应,T,型等效电路，,假定,变压器带感性负载,。,?,12,)

18、,U,1,?,10,),I,1,R,1,?,11,),jX,1,I,1,?,?,I,?,?,(,?,I,?,?,8,),I,1,0,2,),?,7,),I,0,0,?,?,6,),?,m,超前,E,1,90,?,9,),?,E,1,?,?,2,),I,2,?,?,1,),U,2,?,?,?,3,),I,2,R,2,?,?,?,5,),E,?,E,2,1,26,?,?,I,?,4,),j,X,2,2,2020/3/14,作相量图的步骤（假定带感性负载）,对应简化等效电路,由等效电路可知,?,X,j,I,1,S,?,?,?,I,?,?,I,1,2,?,R,I,1,S,?,?,?,U,2,V,3,）

19、同时记录实验室的室温；,3.,要求及分析,1,）高压侧加电压，低压侧,短路；,2020/3/14,4,）由于外加电压很小，主磁通很少，,铁损耗很少，忽略铁损，认为,P,S,?,p,Cu,。,30,5,）参数计算,U,s,U,sN,Z,s,?,?,I,s,I,1,N,P,s,P,SN,R,S,?,2,?,2,I,s,I,1,N,2,2,X,s,?,Z,s,?,R,s,6,）温度折算：电阻应换算到基准工作温度,时的数值。,7,）若要得到低压侧参数，须折算；,8,）对三相变压器，各公式中的电压、电流,和功率均为相值；,四、短路电压,短路时，当短路电流为额定值时一次所加的,电压，称为短路电压，记作,对

20、,T,型等效电路：,2020/3/14,1,R,1,?,R,?,R,s,2,1,X,1,?,X,2,?,X,s,2,2,U,SN,?,Z,S,75,0,C,I,1,N,短路电压也称为阻抗电压,。,31,短路电压常用百分值表示,短路电压百分值,:,I,1,N,Z,S,75,0,C,u,s,%,?,?,100,%,U,1,N,短路电压电阻,(,有功,),分量百分值,:,I,1,N,R,S,75,0,C,u,sa,%,?,?,100,%,U,1,N,短路电压电,抗,(,无功,),分量百分值,:,I,1,N,X,S,u,sa,%,?,?,100,%,U,1,N,2020/3/14,短路电压的大小直接,

21、反映短路阻抗的大小，而,短路阻抗又直接影响变压,器的运行性能。,从正常运行角度看，,希望短路电压小些，这样,可使副边电压随负载波动,小些；从限制短路电流角,度，希望它大些，相应的,短路电流就小些。,32,标么值,一、定义,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,即,实际值,标么值,基准值,=,二、基准值的确定,1,、通常以额定值为基准值。,2,、各侧的物理量以各自侧的额定值为基准；,线值以额定线值为基准值，相值以额定相值为基准值；,单相值以额定单相值为基准值，三相值以额定三相值为基准值；,3,、,U,和,E,的基准值为,U,B,.,R,X,和,Z,的基准值为,Z,B,

22、.,P,Q,和,S,的基准值为,S,B,.,2020/3/14,33,三、优点,1,、额定值的标么值为,1,。,2,、百分值,=,标么值,100%,；,3,、折算前、后的标么值相等。线值的标么值,=,相值的标么值；,单相值的标么值,=,三相值的标么值；,4,、某些意义不同的物理量标么值相等,Z,?,1,*,m,I,*,0,Z,?,U,R,?,*,m,*,s,*,SN,P,?,cos,?,N,*,s,*,SN,*,N,P,*,0,I,*,2,0,R,?,P,Q,?,sin,?,N,*,N,四、缺点,标么值没有单位，物理意义不明确。,2020/3/14,34,变压器的运行特性,电压变化率,定义：是

23、指一次侧加,50Hz,额定电压、二次空载电压与带负载后,在某功率因数下的二次电压之差，与二次额定电压的比值，即,U,20,?,U,2,U,2,N,?,U,2,U,?,?,U,2,N,U,2,N,电压变化率是表征变压器运行性能的重要指标之一,它大小,反映了供电电压的稳定性。,用相量图可以推导出电压变化率的表达式,：,I,式中,?,2,称为负载系数,I,2,N,2020/3/14,U,?,(R,cos,?,2,?,X,sin,?,2,),*,s,*,s,由表达式可知，电压变化率的大小与负载大小、性质及,变压器的本身参数有关。,35,当变压器带阻性负载,(,?,2,?,0,),和阻感性负载,(,?,

24、2,?,0,),时,?,U,为,正值,这时二次端电压比空载,时低,;,带阻容性负载,(,?,2,?,0,),时,?,U,可,*,*,能为正,也可能为负值,.,当,X,s,sin,?,2,?,R,s,cos,?,2,时,?,U,为负值,说明二,次电压比空载时高,.,U,1.0,*,2,cos(,?,?,2,),?,0,.,8,cos,?,2,?,1,cos,?,2,?,0,.,8,当电源电压和负载功率,因数一,定时,二次端电压随负载电流,变化的,规律,即,U,2,?,f,(,I,2,),称为变压器的外,特性,.,0,2020/3/14,I,(,?,),1.0,36,*,2,电压调整,为了保证二次

25、端电压在允许范围之内,通常在变压器的高,压侧设置抽头,并装设分接开关,调节变压器高压绕组的工作匝,数,来调节变压器的二次电压。,中、小型电力变压器一般有三个分接头，记作,U,N,5%,。大型电力变压器采用五个或多个分接头,例,U,N,2x2.5%,或,U,N,8,1.25%,。,分接开关有两种形式：一种只能在断电情况下进行调节，称,为无载分接开关,-,这种调压方式称为无励磁调压；另一种可以,在带负荷的情况下进行调节，称为有载分接开关,-,这种调压方,式称为有载调压。,2020/3/14,37,损耗、效率及效率特性,一、变压器的损耗,变压器的损耗主要是铁损耗和铜损耗两种。,铁损耗包括基本铁损耗和

26、附加铁损耗。基本铁损耗为磁滞损,耗和涡流损耗。附加损耗包括由铁心叠片间绝缘损伤引起的局部,涡流损耗、主磁通在结构部件中引起的涡流损耗等。,铁损耗与外加电压大小有关，而与负载大小基本无关，故,也称为不变损耗。,铜损耗分基本铜损耗和附加铜损耗。基本铜损耗是在电流,在一、二次绕组直流电阻上的损耗；附加损耗包括因集肤效应,引起的损耗以及漏磁场在结构部件中引起的涡流损耗等。,铜损耗大小与负载电流平方成正比，故也称为可变损耗。,2020/3/14,38,效率及效率特性,效率是指变压器的输出功率与输入功率的比值。,P,2,?,=,?,100,%,P,1,效率大小反映变压器运行的经济性能的好坏，是表征变压器,

27、运行性能的重要指标之一。,p,P,Fe,+,P,Cu,?,?,?,1,-,=,1,-,P,1,P,2,+,P,Fe,+,P,Cu,?,p,Fe,=,P,0,?,I,?,其中,?,p,=,(,2,),2,P,=,?,2,P,Cu,SN,SN,I,2,N,?,2,?,?,P,2,=,?,S,N,cos,?,2,2020/3/14,39,效率表达式,P,0,?,?,P,SN,?,?,(,1,?,),?,100,%,2,?,S,N,c,os,?,2,?,P,0,?,?,P,SN,变压器效率的大小与负载的,大小、功率因数及变压器本身参,数有关。,效率特性：在功率因数一定时，变,压器的效率与负载电流之间的

28、关系,=f(),称为变压器的效率特性。,2,?,?,m,ax,0,?,40,2020/3/14,d,?,令,则,?,0,d,?,?,m,P,SN,=,P,0,2,或,?,m,=,P,0,P,SN,即当铜损耗等于铁损耗,(,可变损耗等于不变损耗,),时,变压器,效率最大：,2,P,0,?,max,=,(,1,-,),?,100,%,?,m,S,N,cos,?,2,+,2,P,0,为了提高变压器的运行效益，设计时应使变压器的铁,损耗小些。,2020/3/14,41,3.8,变压器的并联运行,并联运行是指将几台变压器的一、二次绕组分别接在一、,二次侧的公共母线上，共同向负载供电的运行方式。,并联运行

29、的优点：,1,、提高供电的可靠性；,2,、提高供电的经济性。,3.8.1,并联运行的理想条件,并联运行的理想情况是：,1,、空载时各变压器绕组之间无环流；,2,、负载后，各变压器的负载系数相等；,3,、负载后，各变压器的负载电流与总的负载电流同相位。,2020/3/14,42,为了达到上述理想运行情况，并联运行的变压器需满足,以下条件：,1,、各变压器一、二次侧的额定电压分别相等，即变比相同；,2,、各变压器的连接组别相同；,3,、各变压器的短路阻抗（短路电压）的标么值相等，且短路,阻抗角也相等。,其中，第二条必须绝对满足。,2020/3/14,43,Z,S,I,3.8.2,并联条件不满足时的

30、运行分析,一、变比不等时并联运行,k,I,k,II,?,I,LI,变比不等的两台变压器并联运行,?,I,LII,?,时，二次空载电压不等。折算到,U,1,?,Z,S,II,二次侧的等效电路如图所示。,U,1,k,I,k,II,由等效电路可以列出方程式：,?,I,C,I,?,2,?,U,2,Z,L,YN,或,D,连接,i,03,可以在绕组中流过，,i,0,为尖顶波。,中有无,3,，看磁路结构，三相组式变压器，,3,可以在,铁心中流过，,为平顶波；三相心式变压器，,3,不能在铁心,中流过，只能借助油和油箱壁等形成回路，磁路磁阻很大，,3,很小，,基本为正弦波。,2020/3/14,71,三,相,励

31、,磁,电,流,i,(,t,),0,?,t,2020/3/14,72,e,?,磁,通,与,电,势,0,的,相,位,关,系,2020/3/14,?,t,73,一、,Y,，,y,连接的三相变压器,一次侧,Y,接线，,i,03,=0,，,i,0,为正弦波，磁通应为平顶波。,（,1,）对三相组式变压器，,3,可以在铁心中存在，所以为平顶,波，感应电动势,e,为尖顶波，其中的三次谐波幅值可达基波幅值,的,45%60%,，使相电动势的最大值升高很多，可能击穿绕组,绝缘，因此，三相组式变压器不采用,Y,，,y,连接。,（,2,）对三相心式变压器，,3,不能在铁心中流过，只能借助油,和油箱壁等形成回路，磁路磁阻很大，,3,很小，,基本为正弦,波，感应电动势,e,也基本为正弦波,。但通过油箱壁时将产生涡,流损耗，造成局部过热，降低变压器的效率，因此，容量大于,1800kVA,时，不宜采用心式,Y,，,y,连接。,2020/3/14,74,二、,YN,，,y,连接的三相变压器,一次侧,YN,接线，,i,03,可以流过，,i,0,为尖顶波，磁通应为正,弦波，感应电动势,e,也为正弦波,。,三、,D,，,y,连接的三相变压器,一次侧,D,接线，,i,03,可以流过