[工学]机械工业出版社-电机学变压器部分.ppt

1、第 2 章 变 压 器,2.1 变压器工作原理和基本结构,2.2 变压器空载运行,何谓变压器空载运行？,变压器空载运行分析主要研究的问题是什么？,变压器空载运行基本的分析方法是什么？,1.变压器各电磁量的规定正方向,2.2 变压器空载运行,2.2 变压器空载运行,2.2 变压器空载运行,2.空载运行的基本物理过程,绪论部分,2.2 变压器空载运行,2.空载运行的基本物理过程,* 、 都是最大值，一般 * 、 都是由激磁磁动势 产生的。,2.2 变压器空载运行,3.主磁通、漏磁通及其分别感应电动势,2.2 变压器空载运行,3.主磁通、漏磁通及其分别感应电动势,2)一次漏磁通感应电动势,用相量表示

2、,根据电磁感应定律,2.2 变压器空载运行,3.主磁通、漏磁通及其分别感应电动势,3)一次和二次绕组的电压方程,一般电力变压器，空载时绕组电阻压降和漏磁通压降很小， 可忽略不计，这样变压器变比有,2.2 变压器空载运行,4.激磁电流及其波形和相位,1)激磁电流,变压器空载运行时，铁心上只有一次绕组中的空载电流激励 磁场，所以变压器的空载电流就是激磁电流,激磁电流 包含两个分量，磁化电流分量 和铁耗电流分 量,2.2 变压器空载运行,4.激磁电流及其波形和相位,结论：磁路饱和时，励磁电流 的波形应该为尖顶波，其基波分量和主磁通同相位。,2)磁化电流分量作用、波形及相位,2.2 变压器空载运行,4

3、.激磁电流及其波形和相位,3)铁耗电流分量作用及相位,激磁电流中磁化电流分量激励主磁场，主磁场在铁心磁路中 交变时会产生铁耗，该损耗是有功损耗，且由激磁电流中的 铁耗电流分量 提供，相位上 和 同相位。,激磁电流用相量可表示,2.2 变压器空载运行,5.激磁阻抗、激磁方程及电压方程,1)磁化电抗和铁耗电阻及其并联等效电路,称为磁化电抗,称为铁耗电阻,其中铁耗为,2.2 变压器空载运行,5.激磁阻抗、激磁方程及电压方程,2)激磁阻抗及其串联等效电路,一般我们用一个串联阻抗 代替上页图中的并联分支，即 所谓激磁方程,称为激磁阻抗,称为激磁电阻,称为激磁电抗,其中,2.2 变压器空载运行,6.等效电

4、路及相量图,2.2 变压器空载运行,作业：,习题 2-1、2-2、2-3,2.3 变压器负载运行和基本方程,1)何谓负载运行,1.负载运行的基本物理过程,2.3 变压器负载运行和基本方程,2)基本物理过程,1.负载运行的基本物理过程,2.3 变压器负载运行和基本方程,2.磁动势方程及一、二次电流关系,此式称为变压器磁动势平衡关系,此式称为电流形式的磁动势平衡关系,由于有,可得,上式说明，当变压器负载时，一次侧将增加一个负载电流 分量 ，其对应的磁动势 以抵消二次侧负载电流 产生的磁动势 。,2.3 变压器负载运行和基本方程,3.电压方程,1)二次漏磁通、漏电抗及其感应的电动势,仿照一次电流产生

5、漏磁通感应漏电动势的分析方法可得,2.3 变压器负载运行和基本方程,3.电压方程,2)一、二次绕组的电压方程及变压器的基本方程,一、二次绕组的电压方程,变压器的基本方程,1.绕组归算,目的：希望获得一个既能反映变压器内部实际电气关系，又便 于工程计算的等效电路，来代替既有电路又有磁路和电磁感应 关系的是实际变压器。,思路：虽然前期已经把一、二次漏磁通在绕组中感应的漏电动 势用一、二次电流在对应的漏电抗上产生的等效的负压降来处 理了，但是还没有解决由于一、二次绕组的匝数不同导致的主 磁通在一、二次绕组中感应电动势和电流不同，所致无法把一、 二次绕组直接建立电气连接的问题，因此需要进行绕组归算。,

6、方法：通常把二次绕组匝数归算到一次侧，也就是把二次绕组 匝数变换成一次绕组匝数，但不改变一二次绕组之间电磁关系。,2.4 变压器的等效电路和相量图,从磁动势平衡关系来看，二次绕组对一次绕组产生的影响是通 过二次绕组磁动势 来产生的，因此把实际的二次绕组匝数 变换成一次绕组匝数后只要保持变换前后二次绕组的磁动势不 变即可 ，这样从一次侧来看，其电流、感应电动 势、输入的功率，包括传输到二次侧的功率都不会变。,步骤1：电流归算，由于归算前后磁动势不变 ，可 得到二次电流的归算值,1.绕组归算,2.4 变压器的等效电路和相量图,步骤2：电动势归算，由于归算前后磁动势不变，因此变压器铁 心内主磁通也不

7、会变，这样可得到二次电动势的归算值,步骤3：二次阻抗归算，由于归算前后还要保证二次回功率关系 不变，这样可得到二次侧阻抗的归算值,同理，得,1.绕组归算,2.4 变压器的等效电路和相量图,步骤4：把二次电压方程两边同时乘上变比 ，可得二次电压 的归算值,总结：归算后变压器的基本方程,1.绕组归算,2.4 变压器的等效电路和相量图,2.T形等效电路,1)T形等效电路,2.4 变压器的等效电路和相量图,2)T形等效电路形 成过程总结,2.T形等效电路,2.4 变压器的等效电路和相量图,2)T形等效电路形 成过程总结,2.T形等效电路,2.4 变压器的等效电路和相量图,3)近似等效电路和简化等效电路

8、,近似等效电路,2.T形等效电路,2.4 变压器的等效电路和相量图,简化等效电路,3)近似等效电路和简化等效电路,2.T形等效电路,2.4 变压器的等效电路和相量图,3.变压器的相量图,已知,2.4 变压器的等效电路和相量图,作业：,习题 2-4、2-5、2-15、2-16 、2-17,1.变压器空载试验(求取 、 、 ),2.5 等效电路参数的测定,目的：通过试验可以求出变比 、铁损耗 及励磁阻抗 。,2.5 等效电路参数的测定,1.变压器空载试验,2.5 等效电路参数的测定,1.变压器空载试验,2.5 等效电路参数的测定,2.变压器短路试验,（ 求取 、 ）,目的：通过短路试验可以求出变压

9、器的铜损耗 和短路阻抗 。,2.5 等效电路参数的测定,2.变压器短路试验,2.5 等效电路参数的测定,2.变压器短路试验,作业: 习题 2-6、2-17、2-19,2.5 等效电路参数的测定,2.6 三相变压器,由于电力系统采用三相制来供电，因此三相变压器在电力系统 中应用极为广泛。然而，三相变压器正常运行时，可认为是在 对称状态下运行，简称对称运行。所谓对称运行，即一次侧三 相电源电压对称，二次侧所接负载对称。这样变压器一、二次 三相电流，三相主磁场，包括一、二次感应的三相电动势也对 称。因此，对于三相对称运行的变压器可拿其中任一相来分析 （通常A相），其分析结论很容易推广到其他两相。那么

10、，前 面分析单相变压器得到的结论同样适用于三相对称运行的变压 器。,当然，三相变压器相比单相变压器也有其特殊的地方，下面就 开始讨论三相变压器的几个特殊问题。,2.6 三相变压器,1)三相变压器组,一种由三个单相 变压器组成的变 压器组；特点： 三相磁路彼此无 关，各相都有各 自的磁路。,1.三相变压器的磁路及对三相磁路的影响,2.6 三相变压器,三相变压器对称运行时有,2)三相心式变压器,1.三相变压器的磁路及对三相磁路的影响,2.6 三相变压器,1.三相变压器的磁路及对三相磁路的影响,2)三相心式变压器,其特点，三相磁路彼此相关，一相磁路以另外两相磁路作为闭 合回路。,1.三相变压器的磁路

11、及对三相磁路的影响,2.6 三相变压器,思考：假设某励磁电流产生了平顶波的主磁通，分析两种三 相变压器磁路结构对主磁通的影响。,1.三相变压器的磁路 及对三相磁通的影响,2.6 三相变压器,1.三相变压器的磁路及对三相磁通的影响,2.6 三相变压器,结论1 ：由于三相变压器组的三相主磁路彼此无关，所以平顶 波磁通分解得到的基波及三次谐波磁通都沿各自的铁心主磁路 闭合。,1.三相变压器的磁路及对三相磁通的影响,2.6 三相变压器,结论2 ：由于三相心式变压器的 三相主磁路彼此相关，所以平顶 波磁通分解得到的三次谐波磁通 不可能沿着铁心磁路闭合，会被 挤到漏磁路中去，只能沿变压器 变压器油、油箱壁

12、等其它路径闭 合，这样三次谐波磁通所遇到的 磁阻显著增加，会大大削弱三次 谐波磁通的幅值，此种情况可认 为变压器的主磁通近似正弦波， 而不是平顶波。,2.6 三相变压器,2.三相变压器绕组的联结及对空载电流的影响,2.6 三相变压器,2.三相变压器绕组的联结及对空载电流的影响,单相变压器：正常运行时磁通最大值 往往设计在铁心饱和段，因此变压器空载时 与 的关系是非线性的。,结论： 对于单相变压器，在磁路饱 和情况下， 为尖顶波， 为正弦波。,2.6 三相变压器,2.三相变压器绕组的联结及对空载电流的影响,前面已知空载电流为尖顶波，通过谐波分析，空载电流除基波 电流外 ，还有3次谐波电流 ，及5

13、、7次等高次谐波电流 、 。在近似分析时认为尖顶 波的空载电流 可分解为基波电 流及3次谐波电流。,2.6 三相变压器,2.三相变压器绕组的联结及对空载电流的影响,各相三次谐波电流为,2.6 三相变压器,3.绕组联结和磁路结构对二次电压波形的影响,1）Yy三相变压器,2.6 三相变压器,那么基波电势和3次谐波电势合成就是为一相的感应电动势 ， 那么合成电动势波形是什么样的？,1）Yy三相变压器（变压器组）,3.绕组联结和磁路结构对二次电压波形的影响,2.6 三相变压器,结论：,实际一相电动势波形会畸变。因此Yy三相变压器组在实际中不能使用。,思考： 线电动势的波形何？,1）Yy三相变压器（变压

14、器组）,3.绕组联结和磁路结构对二次电压波形的影响,2.6 三相变压器,1）Yy三相变压器（心式变压器）,由于 很弱， 也很小 接近正弦。,1800KVA及以下容量的变压器可采用此接法。,3.绕组联结和磁路结构对二次电压波形的影响,2.6 三相变压器,一次,在闭合的二次绕组中产生三次谐波电流 ，二次产生三次谐波磁通，此磁通(二次)对一次三次谐波磁通起去磁作用，使三次谐波合成磁通减弱，从而三次谐波电动势减弱。因此相电动势 接近正弦波。,2）Yd三相变压器,3.绕组联结和磁路结构对二次电压波形的影响,2.6 三相变压器,3.绕组联结和磁路结构对二次电压波形的影响,2.6 三相变压器,4.三相变压器

15、绕组联结组别,1）同一铁心组上高低压绕组电压相位关系,同名端（同极性端）：某一瞬间，高 压绕组某一端子相对另一端子为高电 位时，低压绕组必有一个端子相对另 一端子也为高电位，这对应的两个端 子称为同名端。同名端对应的端子旁 都标记*。,为确定高低压绕组电压相位关系，高 低压绕组相电压相电压相量正方形都 规定为尾端指向首端。,2.6 三相变压器,4.三相变压器绕组联结组别,1）同一铁心组上高低压绕组电压相位关系,时钟法： 把高压绕组电压 相量看做分针， 并指向0点位置， 把低压绕组电压 相量看做时针， 它所指的钟点， 就是单相变压器 的组别号。,2.6 三相变压器,4.三相变压器绕组联结组别,1

16、）同一铁心组上高低压绕组电压相位关系,结论： 同名端都为高低压 绕组首端，那么绕 组组别号为II0； 异名端都为高低压 绕组首端，那么绕 组组别号为那么为 II6。,2.6 三相变压器,4.三相变压器绕组联结组别,2）三相变压器联结组别,Yy0,2.6 三相变压器,4.三相变压器绕组联结组别,2）三相变压器联结组别,2.6 三相变压器,4.三相变压器绕组联结组别,2）三相变压器联结组别（Yy）,Yy2,4.三相变压器绕组联结组别,2）三相变压器联结组别（Yd）,2.6 三相变压器,yd11,4.三相变压器绕组联结组别,2）三相变压器联结组别（Yd）,2.6 三相变压器,yd11,4.三相变压器

17、绕组联结组别,2）三相变压器联结组别（Yd）,2.6 三相变压器,Yd5,4.三相变压器绕组联结组别,2.6 三相变压器,3）三相变压器其它联结组别,2.6 三相变压器,作业： 习题 2-7、2-8、2-18,2.7 标幺值,1.标幺值的定义及表示,该物理量的标幺值用该物理量在其右上角标记“*”表示 比如一次电压相量 的标幺值表示为 。,注意：实际值和基值的单位必须相同。,2.7 标幺值,2.标幺值的基准值的选取,2.7 标幺值,2.标幺值的基准值的选取,2.7 标幺值,3.标幺值的优点,2.7 标幺值,3.标幺值的优点,5)简化计算；,4)便于一些数据的记忆和分析；,例：,当 满载 、 过载

18、 、 欠载,例：当电流为额定值时， 短路阻抗标幺值=其压 降标幺值,称为负载因数，表示变压器或电机带载大小。,2.7 标幺值,5)简化计算；（续1）,2.7 标幺值,5)简化计算；（续2）,由 大小和变压器空载等效电路图，可以计算 大小。,因为,2.7 标幺值,4.例题【例2-1】,一台单相变压器 ， ， 。在 时开路和短路试验数据如下：,试求： （1）归算到高压侧时激磁阻抗和漏阻抗值； （2）已知 ， ，画出T形等效电路。,2.7 标幺值,解： 一次和二次绕组的额定电流分别为,变比为,4.例题【例2-1】,2.7 标幺值,（1）归算到高压侧的激磁阻抗和漏阻抗,4.例题【例2-1】,2.7 标

19、幺值,换算到,（2）T形等效电路如下页所示，电路中有,4.例题【例2-1】,2.7 标幺值,T形等效电路,4.例题【例2-1】,2.7 标幺值,4.例题【例2-2】,对于例2-1的单相20000kVA变压器，试求出激磁阻抗和漏阻抗 的标幺值。,解：从例2-1可知，一次和二次绕组的额定电压分别为127kV和11kV，额定 电流分别为157.5A和1818.2A。,（1）激磁阻抗的标幺值,（2）漏阻抗的标幺值,4.例题【例2-2】,2.7 标幺值,4.例题【例2-2】,2.7 标幺值,由于短路试验是在额定电流下（ ）进行的，也可以直接把实验数 据化为标幺值来计算 ，即,然后把 转化为 的值，即得,

20、2.7 标幺值,4.例题【例2-3】,一台三相变压器 ， ，Yd联结。 当外施额定电压时变压器的空载损耗 ，空载电流为 额定电流的5%。当短路电流为额定电流时，短路损耗 (已换算到 时的值)，短路电压为额定电压的5.5% 。试 求归算到高压侧的激磁阻抗和漏阻抗的实际值和标幺值。,解：（1）归算到高压侧激磁阻抗和漏阻抗的实际值,高压侧的额定电流为,2.7 标幺值,4.例题【例2-3】,于是归算到高压侧的激磁阻抗和漏阻抗的实际值为,2.7 标幺值,4.例题【例2-3】,（2）激磁阻抗和漏阻抗的标幺值,高压侧阻抗的基准值为,2.7 标幺值,4.例题【例2-3】,（2）激磁阻抗和漏阻抗的标幺值（另一种

21、求法）,2.7 标幺值,作业： 习题 2-9,2.8 变压器的运行特性,变压器的运行性能主要体现在外特性和效率特性上。 从外特性可以确定变压器的额定电压调准率；从效率 特性可以确定变压器的额定效率。 这两个数据是变压器运行性能的主要指标。,2.8 变压器的运行特性,1.外特性和电压调准率,1）外特性,外特性是指变压器一次加额定 电压二次侧负载功率因数一定 时，二次侧端电压和负载电流 大小之间的关系。,可见，负载为纯阻性和感性负载时，随着负载电流增加，二次侧电压会逐渐下降；负载为容性负载时，随着负载电流增加，二次侧电压会略有上升。,2.8 变压器的运行特性,1.外特性和电压调准率,2）电压调整率（定义）,电压调整率是指变压器一次接额定电压 ,二次开路时的开路电压(即二次额定电压) ；带上负载后二次电压将发生变化，变为 ， 与 的差 与 相比的比值称为电压调整率或电压变化率， 用 表示：,用标幺值表示,2.8 变压器的运行特性,1.外特性和电压调准率,2）电压调整率（推导）,标幺值简化等值电路,感性负载简化相量图,2.8 变压器的运行特性,1.外特性和电压调准率,2）电压调整率（推导）,感性负载简化相量图,时， 称为额定电压调整率，标志着变压器的输出电压的稳定程度。,思考：感性和容性负载时 的正负,变压器的短路阻