电机与拖动课件ppt--第2章 变 压 器

1、第2章 变压器 2 . 1 变压器的结构和铭牌数据 2 . 2 变压器的空载运行 2 . 3 变压器的负载运行 2 . 4 用试验方法测定变压器的参数 2 . 5 变压器的运行特性 2 . 6 三相变压器及联结组标号 2 . 7 三相变压器的并联运行 2 . 8 特种变压器 第2章 变 压 器 2.1 变压器的结构和铭牌数据 2 . 1 . 1 变压器的结构(1) 在右上图三相油浸式电力变压器 外形图 中:1 .铭牌 2 .信号式温度计 3 . 吸湿器 4 . 储油柜 5.油表 6 .安全气道 7 . 气体继电器 8 .高压套管 9 .低压套管 10 .分 接开关 11 .油箱 12 . 铁心

2、 13 .绕组 14 . 放油阀门 。 变压器主要部件有 铁心、 绕组和 油箱。铁心用很薄的硅钢片叠装 而成,叠装时为使铁心磁路不形 成间隙,相邻两层铁心叠片的接 缝要互相错开,如 右下图所示,可 以减少铁心磁路的磁阻, 减少励 磁电流。 （a）第1、3、5、7层 （b）第2、4、6、8层 2 . 1 . 1 变压器的结构(2) 图2 . 3 三相心式变压器的铁心与绕组 1 .铁轭 2 .铁心柱 3 .高压绕组 4 .低压绕组 绕组是变压器的电路部分。双绕组变压器的每个铁心 柱上放置两个绕组,接电源的绕组称为一次绕组,接 负载的绕组称为二次绕组。绕组采用同心式绕组,低 压绕组在里面,高压绕组在

3、外面。 2 . 1 . 2 变压器的铭牌数据 变压器的型号是由汉语拼音字母和数字组合起来的, 字母表示类型;数字分别表示额定容量和高压侧的额 定电压。例如S L 1 000 / 10表示其额定容量为 1 000 kV A及高压侧额定电压为10 kV的三相铝线变 压器。变压器的额定数据有: 1 .额定容量 ,额定容量就是变压器的额定视在功率, 单位为V A或kV A; 2 .额定电压 ,都是指线电压,表示一次、二次 绕组线电压的额定值; 3 .额定电流 ,是变压器在额定运行时一次、二 次绕组中的线电流。 对单相变压器有 对三相变压器有 N S 2N1N U/U 2N1N I /I 2N2N1N1

4、NN IUIUS 2N2N1N1NN IU3IU3S 2.2 变压器的空载运行 2 . 2 . 1 变压器空载运行时的物理状况 上图是变压器空载运行原理图,匝数为 的二次绕组 开路,匝数为 的一次绕组 接到电压为 的交流电 源上,便有空载电流,亦称励磁电流 流过,产生励磁磁动 势 ,励磁磁动势产生主磁通 和漏磁通 。主磁 通经过铁心磁路,同时与一次、二次绕组相交链,会在一 次、二次绕组中产生感应电动势 及 ;漏磁通只与一 次绕组相交链,只在一次绕组中产生漏感电动势 。 2 N 21u u 1 N 21U U 1 U 0 I 0 I 1 N m 1 E 2 E 1 E 1 2 . 2 . 2 电

5、磁量参考方向的习惯规定 1 .电源电压 的参考方向自一次绕组的首端 指向 末端 。 2 . 一次绕组电流 的参考方向为顺电压降 的方向, 即自 点流入,经一次绕组由 点流出。 3.用右手螺旋定则 ,由 的参考方向确定 和 的 参考方向。 4.用右手螺旋定则,由 的参考方向确定 和 的 参考方向。同理,可由 确定 的参考方向。 1 U 1 U 2 U 0 I 1 U 1 U 2 U 0 I m 1 m 1 E 2 E 1 1 E 2 . 2 . 3 变压器绕组的感应电动势 假设变压器中的主磁通按正弦规律变化, 其在一次绕组中产生的感应电动势为 (2.6) (2.7) 上式表明绕组中感应电动势的有

6、效值与磁通幅值成 正比,与磁通交变频率及绕组匝数成正比。 将上两式结合,用相量表示即为 (2.8) 同样有 一次、二次绕组感应电动势有效值之比,就是变压器 的变比 (2.11) 变比等于一次、二次绕组匝数之比。由 可知变比也等于空载时一次、二次绕组电压之比。 tsin m dt d Ne 11 )90-t(sinNtcosN 0 m1m1 )90t(sinE2)90t(sinE 0 1 0 1m 2/fN22/N2/EE m1m11m1 m1 44fN. 4 m11 44fN.j4E m22 44fN.j4E 21m2m121 N/N)44fN. 4/(44fN. 4E/EK KE/EU/U

7、2121 2 . 2 . 4 励磁电流 在忽略绕组电阻和漏磁通时, 空载运行 的变压器一次、二次电压为 空载运行变压器的相量图如右上图所 示。 空载运行时表示励磁电流、主磁通和感 应电动势之间关系相量图如右下图。 的无功分量电流 与 同相位;有 功分量电流 与 同相位。 ,就大小而言, 可以忽略,所以也就把励磁电流 称为 磁化电流了。 11 EU 2202 EUU 0 I 0r I m 0a I 1 U 0a0r0 III 0r0a 01I. 0I 0 I 2 . 2 . 5 空载运行时电压平衡方程式 漏磁通经过的是线性磁路,其大小与励磁电流成正比, 且两者相位相同,当用 表示漏磁通的幅值时,

8、则 表示单位励磁电流产生的漏磁链,是 漏电感 ,为常数。类似式(2.8),就有 (2.17) 是一次绕组的漏电抗。 考虑一次绕组的电阻和漏电抗,可得到一次绕组的电 压平衡方程式为 (2.19) 是一次绕组的漏阻抗, 二次绕组没有电流流过,其电压表达式仍为 1 )I 2/(NL 011s1 11111 N)2/( j44fN.j4E 010s10011 IjXILj)I/I (N)2/( j s11 LX 11011 EEIRU 101101101101 EIZEI )jXR(IjXEIR 111 jXRZ 2202 EUU 2 . 2 . 6 空载运行时的相量图及等值电路 变压器空载运行时的相

9、量图如 右上 图所示。可以认为 是 在某一电 路如 电路上的电压降,这 样 可以表示为 (2.20) 将上式代入式(2.19)得到 变压器空载运行时的等值电路如右下 图。空载运行的方程组为 1 E 0 I mmm jXRZ 1 E 0m0mm1 IZI )jXR(E 0m10m011011 I )ZZ(IZIZEIZU 1011 EIZU 0m1 IZE 220 EU KN/NE/EU/U 212121 2.3 变压器的负载运行 2.3.1负载运行时的物理状况及磁动势平衡方程式 如图所示,一次绕组接电源,二次绕组接负载阻抗 的 运行方式是变压器的负载运行。这时, 一次绕组电流 产生主磁通 和漏

10、磁通 , 二次绕组有负载电流 流过,产生主磁通 和漏磁通 。由 可知,电源电压不变时,负载运行中铁心的合成主磁通 就等于空载时的主磁通 ,即 根据磁路的欧姆定律,就有 即 (2.25) 负载与空载时的磁动势相等。 L Z 1 I 1 1 2 I 2 2 m111 44fN. 4EU m m 21 ZZZ RINRINRIN/ 012211 012211 INININ 2 . 3 . 2 负载运行时的基本方程式 一次电流 产生的漏磁通 会在一次绕组中产生感 应电动势 ;同理, 二次电流 产生的漏磁通 会在二次绕组中产生感应电动势 ; 对一次绕组,当流过的电流为 时,由式(2.22)可知其 电压平

11、衡方程式为 对二次绕组,其感应电动势之和 减去绕组电阻 压降 ,就是二次绕组输出电压,于是有 综合起来, 变压器负载运行时的基本方程组为 1 I 1 111 IjXE 2 I 2 222 IjXE 1 I 1111 EIZU )EE( 22 2222222222 IRIjXEIREEU 2222222 IZEI )jXR(E 1111 EIZU 2222 IZEU 012211 INININ 0m1 IZE 2L2 IZU KE/E 21 2 . 3 . 3 变压器的折算法 折算法是在保持原有电磁关系不变的前提下,把二次 绕组的匝数变换为一次绕组的匝数,对二次电磁量进 行折合的算法。 由 有

12、即二次电流的折算值是原值的1/K倍。 由 可知二次绕组感应电动势(或电压) 的折算值是原值的K倍。同理有 根据铜损耗不变求二次绕组电阻的折算值 由 有 同样有 阻抗的折算值是原值的 倍。 2221 ININ K/IN/INI 21222 212 EKEE 22 UKU 2 22 2 22 )I (RIR2 2 2 2 222 RKR)I /I (R 2 2 2 XKX 2 2 2 ZKZ L 2 L ZKZ 2 K 2.3.4 折算后的基本方程式和等值电路(1) 二次绕组向一次绕组折算后, 变压器负载运行时基本 方程组就变为 由上述的方程组可以推导出与之等效的等值电路如 下图,等值电路由4个阻

13、抗串并联组成,即 与 串联 后与 并联,然后再与 串联接至电源电压 ,从电 源吸收电流 ,图中 、 及 所在的三条支路呈T 字形,故称为T形等值电路。 1111 EIZU 0m1 IZE 2222 IZEU 21 EE 021 III 2L2 IZU 2 Z L Z m Z1 Z 1 U 1 I 1 Z m Z 2 Z 2.3.4 折算后的基本方程式和等值电路(2) 图2 . 11 简化等值电路 图2 . 12 用短路阻抗表示的等值电路 在T形电路中 ,去掉 支路不会有大的误差, 这样,T形电路就简化为一字形的等值电路,如图2 .11 所示。令 称为变压器的短路阻抗, 为变压器 的短路电阻,

14、为变压器的短路电抗,用短路阻抗表 示的简化等值电路如图2 .12所示。 )ZZ(Z L2m m Z KK21K jXRZZZ 21K RRR 21K XXX K Z K R K X 2 . 3 . 5 变压器负载运行时的相量图 由负载运行时的基本方程式和T形等 值电路画出的相量图如右上图。可 将二次侧参数向一次侧折算,首先画 出 ;由 画出 ; 由 画出 即 ; 在 超前 方位画出 ;画出 ; 由 画出 ;由 画 出 ;由 画出 。 右下图(a)和图(b)是分别带电感性负 载和电容性负载时的简化相量图。 依据的方程式是 2 U L22 Z/UI 2 I 222222 IXjIRUE 2 E 1

15、 E 1 E 0 90 m 1 E m10 Z/EI 0 I )I(II 201 1 I 1 U 111111 IjXIREU 21 II 2L2 IZU 1KK21 I )jXR(UU 2 . 3 . 6 标么值 所谓标么值就是物理量的实际值与其基值之比,即标 么值=实际值/基值。一般都把额定值选作基值, 和 分别是一次侧电压和电流的基值; 和 分别是 二次侧电压和电流的基值;这样,一次、二次绕组漏阻 抗的基值分别为 与 。 一次侧、二次侧电压标么值为 一次侧、二次侧电流标么值为 一次绕组漏阻抗标么值为 二次绕组漏阻抗标么值为 短路阻抗的标么值为 短路阻抗的标么值等于短路电压的标么值。 1N

16、 I 1N U 2N U2N I 1N1N1N I /UZ 2N2N2N I /UZ 1N11 U/UU 2N22 U/UU 1N11 I /II 2N22 I /II 1N11N1N1N11N11 U/ZI)I /U/(ZZ/ZZ 2N22N2N2N22N22 U/ZI)I /U/(ZZ/ZZ K1NKN1NK1N1NKK UU/UU/ZIZ/ZZ 2.4 用试验方法测定变压器的参数 2 . 4 . 1 空载试验 变压器在空载状态下进行的试验称 为空载试验, 右上图和右下图分别是 单相及三相变压器空载试验接线图。 由于 则空载时的阻抗 为 可求得 由于空载电流小,铜损耗可以忽略,则 有 若试

17、验是 在一次侧进行, 则一次绕组接额定电 压 ,二次绕组开路。可求得 1m ZZ 0 Z mm10 ZZZZ 010m I /UZZ 2 0mFeFecu01 IRPPPPP 201N U/UK 01Nm I /UZ 2 00m I /PR 2 m 2 mm RZX 2 . 4 . 2 短路试验 做短路试验时,一侧短路,另一侧加降低了的短路电压 ,使短路电流等于额定电流,图(a)和(b)分别是单相和三相 变压器短路试验接线图。上右图是短路试验简化等值电 路。由于短路试验电压大大低于其额定电压,可以忽略 铁损耗,认为短路损耗 全部为铜损耗,即 结合等值电路可求得 K U KN P 2 1NK 2

18、 KKKN IRIRP 1NKNKKK I /UI /UZ 2 1NKN 2 KKNK I /PI /PR 2 K 2 KK RZX （a）单相变压器 （b）三相变压器 2.5 变压器的运行特性 2 . 5 . 1 外特性与电压变化率 二次输出端电压随负载电流变化的 规律,称为变压器的外特性,如右上 图。二次绕组的开路电压与带负载 后的电压差值相对于开路电压的百 分比值,称为电压变化率 , 由右下图简化相量图可知, u 0 0 20220 100U/ )UU(u 0 0 1N0 0 1N21N 100)U/ab(100U/ )UU(u 0 0 1N2K12K1 100U/ )sinXIcosR

19、I ( 0 0 1N2K1N2K1N 100U/ )sinXIcosRI ( 1N1 I /I 2 . 5 . 2 效率及效率特性 变压器运行损耗是铁损耗和铜损耗。铁损耗是不变 损耗 ,额定电压下铁损耗等于在额定电压下做空载试 验时的空载损耗。铜损耗为 是短路损耗,铜损耗与负载系数的平方成正比,称 为可变损耗。 功率平衡方程式为 效率为 效率特性如右图。 令 可求最大效率时的 KN 22 1NK 2 1Kcu P)I(RIRP KN P KN 2 02cuFe21 PPPPPPP )P/(1P/ )P(P/P 21112 PPP 0 d d KN m P P 0 2 . 6 三相变压器及联结组

20、标号 2 . 6 . 1 三相变压器的连接 (1) 图2 . 21 三相组式变压器( Yd联结) 图2 . 22 三相心式变压器( Yy0联结) 由三台相同的单相变压器在电路上连接成三相而组成的三 相变压器,称为三相组式变压器,如图2 .21所示,这类变压 器的各相磁路是独立的;另一种是三相心式变压器,如图 2 .22所示,不仅绕组连接成三相电路,而且三相磁路也连 接成一个整体,各相磁路不是独立的,而是互相关联的。 2 . 6 . 1 三相变压器的连接 (2) 三相变压器绕组连接有三角形联结和星形联结。三角 形联结是把一相绕组的末端与另一相绕组的首端依 次连接起来构成闭合回路, 如图(a)或(

21、b)所示。星形 联结是把三相绕组的三个末端连接在一起作为中性 点,三个首端作为出线端,如图(c)所示。三角形联结 用D或d表示,星形联结用Y或y表示,一次用大写,二次 用小写。 （a）（b）（c） 2 . 6 . 2 变压器的联结组标号(1) 图2 . 24 绕组的绕向和出线端标记与感应电动势的相位关系 常用联结组标号来表示一次 、二次绕组的接线方法和 一次、二次线电动势的相位差。表示一次、二次绕组线 电动势的相位差用时钟表示法。联结组标号的书写形式是: 用大、小写字母分别表示一次、二次绕组的连接方法,星 形联结用Y或y表示,三角形联结用D或d表示,在最后的字 母后边写上标号数。 图(a)中同

22、极性端 作首端, 联结组 标号为110;图(b)中异极性端 作首端, 联结组标号为116 （a） （b） 2 . 6 . 2 变压器的联结组标号(2) 右上图是三相变压器的接线图,画对应的 电势相量图时,先画等边三角形 , 三 条边表示一次绕组的三相线电动势,由顶 点到中点的三条线段表示相电动势;将 与 重合,根据接线图画等边三角 形 ,由顶点到中点的三条线段表 示二次绕组的相电动势,三条边表示三相 线电动势。用时钟表示法 确定联结组标 号的标号数时,将一次的线电动势 指 向钟面上的“ 12 ”, 二次的线电动势 指向钟面上的钟点数就是标号数,图中 与 重合,标号数是12,12即为0。一 次、

23、二次接为星形,联结组标号是 111 WVU 1 u 1 U 111 wvu UV E uv E uv E UV E Yy0 2 . 6 . 2 变压器的联结组标号(3) 三相变压器为Yd联结 如右上图。 画等边三角形 ,三条边表示一 次绕组的三相线电动势,由顶点到中 点的三条线段表示相电动势;将 与 重合,根据接线图画等边三角形 ,三条边表示二次绕组的三 相线电动势,如右下图,当 指向钟 面上的“ 12 ”, 指向“ 11 ”,联 结组标号是 。 规定三相电力变压器的五种标准联 结组标号是: Yyn0 ; Yd11 ; YNy0 ; Yy0 ; YNd11 。单相是110。 111 WVU 1

24、 u 1 U 111 wvu UV E uv E Yd11 2.7 三相变压器的并联运行(1) 多台变压器,它们的一次、二 次绕组都分别接到一次、二 次侧的公共母线上,共同向负 载供电的运行方式,称为变压 器的并联运行,如右上图所示。 变压器并联运行的条件是: 1 .各一次侧额定电压、各二 次侧额定电压分别相等,即变 比相同;2 .联结组标号相同;3 . 短路阻抗标么值相等。右下 图表示Yy0与Yd11并联时二 次侧电压差很大,不允许并联。 2.7 三相变压器的并联运行(2) 变压器和并联运行的简化等值电路图如下图。 (2.69) 上式运算复杂,可用简化的代数方程式替代为 (2.70) 由 有 代入式(2.70)有 即 IZIZ KK IZIZ KK 1N I /II 1N I /II 1N1NK1N1NK1NKK U/IZ)I /U/(ZZ/ZZ 1N1NKK U/IZZ 1N II 1N II 1N1NKK I /UZZ 1N1NKK I /UZZ KK ZZ KK Z/Z/ 2.8 特种变压器 2 . 8 . 1 自耦变压器和接触式调压器