工学机电传动之章变压器PPT课件

1、1本章教学基本要求 1. 1.了解变压器的主要结构、基本工作原理及主要额定值的意义；了解变压器的主要结构、基本工作原理及主要额定值的意义； 2. 2. 学习变压器的负载运行分析，理解负载运行时变压器各物理量之间的关系，绕组学习变压器的负载运行分析，理解负载运行时变压器各物理量之间的关系，绕组折算的物理意义及其计算方法折算的物理意义及其计算方法 3.3.熟悉三相变压器的联接组别，并能根据绕组接线图判别其联接组别或按照已知的联熟悉三相变压器的联接组别，并能根据绕组接线图判别其联接组别或按照已知的联接组别画出绕组的接线图。接组别画出绕组的接线图。第1页/共162页2本章教学重点和难点 重点：重点：

2、1.理解在不同运行状态下I0、I1和I2等参数的物理意义； 2.变压器的基本方程式、等值电路等 3.三相变压器的联接组别。 难点：难点：负载运行时各量之间的关系。第2页/共162页34.1变压器的结构和工作原理 普通变压器是一种静止电器设备，其功能是通过电磁感应将电能或电信号从一个电路传递到另一个与之不直接相连的电路中，在电力系统的输配电、工业自动控制和电子技术中都得到广泛的应用。 本章主要介绍普通双绕组配电变压器。第3页/共162页4一、变压器的用途与分类一、变压器的用途与分类1.变压器按用途可分为： 输配电用的电力变压器，包括升、降压变压器等； 供特殊电源用的特种变压器，包括电焊变压器、整

3、流变压器、电炉变压器、中频变压器等； 供测量用的仪用变压器，包括电流互感器、电压互感器、自耦变压器（调压器）等； 用于自动控制系统的小功率变压器； 用于通信系统的阻抗变换器等等。第4页/共162页5 2.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； 3.按相数分：单相变压器、多相变压器； 4.按铁芯结构分：心式变压器、壳式变压器；第5页/共162页6 5.按调压方式分：无励磁调压变压器、有载调压变压器； 6.按冷却介质和冷却方式分：干式变压器、油浸变压器（油浸自冷式、油浸风冷式、油浸强迫油循环式和签批油循环导向冷却式）、充气式冷却变压器。第6页/共162页7二

4、、变压器的主要结构二、变压器的主要结构油浸式电力变压器第7页/共162页8二、变压器主要结构二、变压器主要结构 变压器主要有：变压器主要有： 铁芯、绕组、铁芯、绕组、油箱、附件等组成油箱、附件等组成。硅钢片叠法硅钢片叠法第8页/共162页9主要结构主要结构1 1铁芯（磁路部分，用涂漆硅钢片叠压而成） 是变压器的磁路部分，由铁芯柱（柱上套装绕组）、铁轭（连接铁芯以形成闭合磁路）组成，为了减小涡流和磁滞损耗，提高磁路的导磁性，铁芯采用0.35mm0.5mm厚的硅钢片涂绝缘漆后交错叠成。 小型变压器铁芯截面为矩形或方形，大型变压器铁芯截面为阶梯形，这是为了充分利用空间。第9页/共162页10主要结构

5、主要结构2 2绕组（线圈） 是变压器的电路部分，采用铜线或铝线绕制而成，原、副绕组同心套在铁芯柱上。 为便于绝缘，一般低压绕组在里，高压绕组在外，但大容量的低压大电流变压器，考虑到引出线工艺困难，往往把低压绕组套在高压绕组的外面。第10页/共162页11第11页/共162页12第12页/共162页13主要结构3器身 是指铁芯和绕组装在一起的整体。油箱 是装器身和变压器油的，为了便于散热，有的箱壁上焊有散热管。 变压器油的作用是绝缘和冷却。第13页/共162页14三、变压器基本工作原理三、变压器基本工作原理 在同一铁芯上分别绕有匝数为N1和N2的两个高、低压绕组，其中接电源的、从电网吸收电能的A

6、X绕组称为原绕组（一次绕组），接负载的、向外电路输出电能的ax绕组称为副绕组（二次绕组）。 第14页/共162页15原理根据电磁感应定律则有：dtdNedtdNe2211kNNEE2121式中式中k为变压器变比。为变压器变比。若忽略绕组内阻和漏磁通，原、副绕组端电压近似为：若忽略绕组内阻和漏磁通，原、副绕组端电压近似为：2211EUEUkNNEEUU212121第15页/共162页16四、变压器铭牌数据和主要系列四、变压器铭牌数据和主要系列1. 1.变压器铭牌数据变压器铭牌数据 每台变压器都有一铭牌，上面标注着型号、额定值及其它数据，便于用户了解变压器的运行性能。主要有额定容量、额定电压、额定

7、电流、额定频率以及额定效率、额定温升等电力变压器产品型号 SL7315/10 产品编号 额定容量 315kVA 使用条件 户外式额定电压 10000/400V 冷却条件 ONAN额定电流 18.2/454.7A 短路电压 4%额定频率 50 Hz 器身吊重 765kg相 数 三相 油 重 380kg联接组别 Y yno 总 重 1525kg制 造 厂 生产日期 电力变压器铭牌示意图 第16页/共162页17额定容量额定容量S SNN 额定工作条件下输出能力的保证值，是额定工作条件下输出能力的保证值，是额定视在功率额定视在功率，单位：伏安（，单位：伏安（V VA A）或千伏）或千伏安（安（kVk

8、VA A）或兆伏安（）或兆伏安（MVMVA A）。）。630kVA630kVA以下的为小型电力变压以下的为小型电力变压8006300kVA8006300kVA的为中型电力变压器；的为中型电力变压器；800063000kVA800063000kVA为大型电力变压器；为大型电力变压器；90000kVA90000kVA及以上的为特大型电力变压器。及以上的为特大型电力变压器。 第17页/共162页18额定电压额定电压U U1N1N/ /U U2N2N 均指线值电压。均指线值电压。原边额定电压原边额定电压U U1N1N指电源加在原绕组上的额定电指电源加在原绕组上的额定电压压副边额定电压副边额定电压U U

9、2N2N指原边加额定电压副边空载时指原边加额定电压副边空载时副绕组的端电压（副边空载电压），副绕组的端电压（副边空载电压），单位有：伏（单位有：伏（V V）或千伏（）或千伏（kVkV）。）。额定电流额定电流I I1N1N/ /I I2N2N 均指线值电流。原、副边额定电流是指在额均指线值电流。原、副边额定电流是指在额定容量和额定电压时所长期允许通过的电流，定容量和额定电压时所长期允许通过的电流，单位有：安（单位有：安（A A）额定频率额定频率f fNN 指工业用电频率，我国规定为指工业用电频率，我国规定为50Hz50Hz。 第18页/共162页19各量之间关系 变压器的额定容量、额定电压、额定

10、电流之间的关系为：NNNNNIUIUS2211NNNNNIUIUS221133单相变压器单相变压器三相变压器三相变压器 第19页/共162页202.主要系列变压器型号包括：基本代号、额定容量、额定电压以及结构性能特点。例如型号为：SL7-630/10，其中“S”代表三相，“L”代表铝导线，“7”代表设计序号，“630”代表额定容量为630kVA，“10”代表高压绕组额定电压为10kV。(2)主要系列 我国生产的各种变压器系列产品有：S7、SL7、S9、SC8等。其中SC8型为环氧树脂浇注干式变压器。第20页/共162页214.2单相变压器的空载运行一、电磁关系 变压器空载运行也称无载运行，它是

11、指原边加电源电压，副边开路的运行状况。第21页/共162页22 N1、N2分别为原、副绕组匝数；U1为电源电压；I0为原边空载电流；m、s1分别为主磁通和漏磁通； E1、Es1、E2分别为原边感应电势、漏感电势和副边感应电势；U20为副边空载电压。第22页/共162页23说明 漏磁通s1只占主磁通的(0.10.2)%，主磁通m与i0之间呈非线性关系，能向副边传递能量；而漏磁通s1与i0之间呈线性关系，不能向副边传递能量。第23页/共162页24各电磁量的正方向各电磁量的正方向规定各电磁量的正方向原则为：原绕组是电源的负载，则原边各量按电动机惯例；副绕组是电源，则副边各量按发电机惯例。具体规定如

12、下：1.由于u1是交流电，先任意规定1的正方向；2.正方向的1确定了0的正方向；3.m、s1正方向与0的正方向之间符合右手螺旋定则；4.E1、Es1正方向分别与m、s1正方向之间符合右手螺旋定则；5.E2正方向与m正方向之间符合右手螺旋定则；6.E2正方向与2的正方向相反。第24页/共162页25第25页/共162页26第26页/共162页27第27页/共162页28第28页/共162页29三、电压、电势与主磁通的关系1.电势与主磁通的关系tmsin)90sin(cos)sin(11111tEtNdttdNdtdNemmmmmNE11 电源电压为正弦交流量，则主磁通也是正弦交流量，设主磁通瞬时

13、值为：式中：式中：根据电磁感应定律，原边感应电势为：根据电磁感应定律，原边感应电势为：第29页/共162页30同理可得副边感应电势为： )90sin(cos2222tEtNdtdNemmmmmmfNjNjEfNjNjE22211144. 4244. 42用相量式表示为：用相量式表示为： 可见，感应电势的大小与匝数和主磁通可见，感应电势的大小与匝数和主磁通幅值成正比，相位滞后于主磁通相量幅值成正比，相位滞后于主磁通相量90。第30页/共162页312.忽略绕组内阻和漏磁通时原副边电压关系 设忽略原绕组内阻r1和原边漏磁通s1，则有： 220211EUUEUkNNEEUUUU212120121当当

14、k1为降压变压器；为降压变压器；k1为升压变压器。为升压变压器。第31页/共162页32忽略绕组内阻和漏磁通时空载运行相量图第32页/共162页333.3.考虑绕组内阻和漏磁通时的电压方程式考虑绕组内阻和漏磁通时的电压方程式 设原绕组内阻为r1，当绕组内通过电流时会产生压降I0r1，同时考虑漏磁通的影响，原边电压方程为： 10111rIEEUs1sE式中式中漏感电势漏感电势第33页/共162页34漏感电势计算 漏感电势计算如下： 根据 则有： 又根据电感定义可得： 式中Ls1为原绕组漏电感，由于漏磁路中变压器油和空气这些非导磁物质，所以磁阻基本为常数，即漏磁路为线性磁路，则漏电感也为常数。 d

15、tdNes1111112ssNjE01112INLss01011112IjxILjNjEsss第34页/共162页35电压方程式 式中x1=Ls1为原绕组的漏电抗，它是一个常数。所以，z1=r1+jx1为原边的漏阻抗，它也是个常数。一般电力变压器中，存在I0r1E1，则1-1，在研究1和1时，为了分析问题方便，往往忽略I0r1的影响。101110110111)(zIEjxrIErIEEUs第35页/共162页364 4、变压器的空载电流、变压器的空载电流问题： 由于电源电压1为正弦交流电，所以在单相变压器中1和m也是按正弦规律变化的。但变压器磁路是由铁磁材料组成的，是非线性磁路。在非线性磁路中

16、铁磁材料具有饱和现象，所以当主磁通为正弦变化，空载电流应如何变化呢？第36页/共162页371.不考虑空载损耗时的空载电流 在交流磁路中由于磁滞和涡流的存在会产生铁芯损耗，在原绕组内阻上会产生铜损耗，铁损和铜损之和即为变压器空载损耗。如果不考虑空载损耗时，变压器空载电流I0即为建立空载磁场的磁化电流I，只起励磁作用，不消耗有功功率，它滞后-190，与主磁通同方向。 第37页/共162页38不考虑空载损耗时的空载电流 一般变压器铁芯工作在具有一定饱和程度的状态下，所以当电源电压为正弦波，感应电势为正弦波，主磁通为正弦波时，磁化电流为尖顶波，可通过平均磁化曲线=(i)和主磁通曲线=(t)，画出磁化

17、电流曲线i=(t)，证明磁化电流为尖顶波。第38页/共162页392.考虑空载损耗时的空载电流 空载损耗中主要是铁损，铜损只占空载损耗的2%。考虑空载损耗时，变压器的空载电流I0包含两个分量：一个是磁化电流I起励磁作用，另一个是铁损电流IFe，是有功分量,它与-1同相位。空载电流用相量表示为： 2200FeFeIIIIII第39页/共162页40说明 空载电流、主磁通和感应电势的相量图如下图所示。电力变压器空载电流只占额定电流的（0.55）%，随着容量增大，空载电流相对越小。 空载电流中磁化电流是主要的，空载电流中磁化电流是主要的，它一般约比铁损电流大它一般约比铁损电流大10倍，所以铁倍，所以

18、铁损角损角Fe很小。很小。第40页/共162页41第41页/共162页42等值电路的推导由原边AX端看存在： 11010101010zzzIEIzIEIUzmmmmjxrIEz01式中式中其中其中zm称为励磁阻抗；称为励磁阻抗；rm称为励磁电阻，称为励磁电阻，它表示铁芯中的损耗；它表示铁芯中的损耗；xm称为励磁电抗，称为励磁电抗，它表示铁芯中主磁通产生的电抗。它表示铁芯中主磁通产生的电抗。zm、rm、xm统称为变压器统称为变压器励磁参数。励磁参数。第42页/共162页43等值电路第43页/共162页44励磁参数 可通过实验测得，由于铁芯有饱和现象，rm和xm不是常数，是随铁芯饱和程度增大而减小

19、的参数，但实际上，电源电压可近似认为稳定，故励磁参数也可近似认为常数。第44页/共162页45本节内容、重点内容： 变压器负载运行电磁状况、基本方程式、等值电路、绕组折算、变压器参数测定。重点： 负载运行时方程式、等值电路、折算。第45页/共162页464.3单相变压器的负载运行 变压器负载运行是指原边接电源，副边接负载zL时的工作状态。如下图所示，这时副边有负载电流I2通过，原边电流为I1，各量正方向规定与空载运行时相同。第46页/共162页47第47页/共162页48变压器负载运行时电磁关系 1111111FNieiuss2210ueeFm222222sseFNii第48页/共162页49

20、第49页/共162页50负载运行时的磁势平衡方程式副边负载电流I2，在副边要产生磁势F2=I2N2，使主磁通变化，而引起E1、E2的变化，E1的变化又使原边从空载电流I0变化为负载电流I1，产生的磁势为F1=I1N1，它一方面要建立主磁通m，另一方面要抵消F2对主磁通的影响。由于负载时的I1z1很小，约占6%U1N，忽略I1z1时有1-1，则可认为空载时主磁通与负载时主磁通近似相等。第50页/共162页51磁势平衡方程式磁势方程式： )()(221011201NININIFFF)()(2021201kIIINNII将上式两边同除于将上式两边同除于N1，得：，得：第51页/共162页52说明 负

21、载时原边负载电流由两部分组成：一部分是励磁分量0，用以产生负载时的主磁通，它基本不随负载变化；另一部分是负载分量-2/k，用以抵消副边电流2对主磁通产生的影响，它随负载变化而变化。由于00，且电阻性负载电压变化率小于感应负载的电压变化率；当负载容性时，一般情况下，|rkcos2|xksin2|使电压变化率U*1时为降压变压器。 2.电流关系 负载运行时，主磁通可认为与空载时近似相等，则有磁势平衡方程式：212121102211自耦变压器第149页/共162页150 忽略励磁电流时可得： 上式表明，电流1与2的实际方向相反。 对于图1-33节点a利用基尔霍夫电流定律，可得公共绕组ax中的电流I为

22、： 当忽略0时，1与2反相，在kA1时，则有21，在节点a上的电流有效值为：I=I2-I1。2122110；或22221)1(1自耦变压器第150页/共162页151自耦变压器 3.容量关系 自耦变压器中存在变压器容量和绕组容量这两个容量。变压器容量是指原边输入容量或副边输出容量，又称通过容量，数值上等于额定电压与额定电流的乘积。绕组容量是指该绕组的电压与电流的乘积，又称电磁容量。第151页/共162页152自耦变压器对于双绕组变压器，功率是全部通过原、副绕组的电磁耦合从原边传送到副边，即有：SN=UN1IN1=UN2IN2 所以，变压器的绕组容量就等于原绕组容量或副绕组容量，也就是铭牌上标注

23、的变压器容量。但是自耦变压器的变压器容量与绕组容量却不相等。 自耦变压器的额定变压器容量为：SN=UN1IN1=UN2IN2。第152页/共162页153自耦变压器 Aa串联绕组的绕组容量为： ax公共绕组的绕组容量为： 上两式说明，额定运行时串联绕组与公共绕组的绕组容量相等，均为自耦变压器容量的（1-1/kA）倍。 自耦变压器的输入容量为： )1(1111211111111)()1(1)1(122第153页/共162页154自耦变压器 其中Sem为电磁容量；Str为传导容量，说明输入容量中一部分是电磁容量，是通过电磁感应作用传到副边的；另一部分是传导容量，它是由I1直接传到副边的，它不需要增

24、加绕组容量，所以自耦变压器的变压器容量大于绕组容量，和同容量的普通双绕组变压器比，耗材少，体积小，成本低，效率高。 变比kA越接近1，(1-1/kA)越小，绕组容量越小于变压器容量，自耦变压器优点越突出，故一般变比在1.52之间。自耦变压器在电力系统、工厂、实验室以及家用电器等均有应用。第154页/共162页1551）电压互感器 电压互感器作用是将高电压降为低电压（一般额定值为100V）供电给测量仪表和继电器的电压线圈，使测量、继电保护回路与高压线路隔离，保证人员和设备的安全。电压互感器接线如图1-34所示，原绕组并联在被测的高压线路上，副绕组与电压表、功率表的电压线圈等构成闭合回路。由于副边所接的电压表等负载的阻抗很大，副边电流很小，电压互感器实际上相当于一台空载运行的双绕组降压变压器。2.互感器互感器第155页/共162页156电压互感器 为了减少测量误差，设计时应尽量减小短路阻抗和励磁电流，当忽略漏阻抗压降时有： 式中ku为电压互感器的变压比。一般与电压互感器相配的电压表，已考虑变比的折算，所以从电压表上可直接读出实际的电压值