第二章+变压器--不错.ppt

1、2.2 变压器的主要结构和额定值,2.3 单相变压器的空载运行,2.4 单相变压器的负载运行,2.5 变压器的参数测定,2.6 变压器的运行分析,2.7 三相变压器,2.8 变压器的并联运行,第二章 变压器,2.1 变压器概述,2.9 三绕组变压器,2.1 变压器概述,变压器是一种静止电器,它通过线圈间的电磁感应,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。,一.变压器的用途,1. 改变交流电压,2. 改变相数,3. 阻抗变换 用以实现阻抗匹配,4. 改变频率、相位,二.变压器的类别,1. 按原、副边的关系分类,2. 按相数分：单相变压器、三相变压器和多相变压器。,3.

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。,4. 按用途分：电力变压器、互感器和特种变压器。,5. 按容量大小分：,6. 按铁心结构分：心式变压器和壳式变压器,2.2 变压器的主要结构和额定值,变压器的主要结构,变压器的主要部件是铁心和套在铁心上的两个绕组以及油箱和绝缘套管。,1. 铁心是由0.350.5mm厚的硅钢片冲叠而成。它的主要作用是构成磁路。铁心的叠装方式可以分为对接式和交叠式。,2. 绕组是由绝缘的导线绕制而成。它的主要作用是构成变压器的电路。,根据绕组和铁心的相对位置，可分为心式变压器和壳式变压 器两种。心式变压器指绕组包围铁心，主要用于电力系

3、统。壳式 变压器指铁心包围绕组，主要用于弱电系统。,二. 变压器的额定值,1. 额定容量：在铭牌规定的额定状态下变压器输出视在功率的保证值，用Se 表示。,U1e是指加在一次侧的额定电压；U2e是指一次侧加U1e 时的 二次侧的开路电压。对三相变压器，额定电压指的是线电压。,2. 一次侧、二次侧额定电压：用U1e 、U2e 表示。,3. 一次侧、二次侧额定电流：根据额定容量和额定电压算出的电流称为额定电流，分别用I1e 、I2e 表示。,三者关系：,单相：,三相：,4. 我国的标准工频规定为50赫（Hz）。,三.标幺值,1.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,

4、即,2.基准值的确定,标幺值：,1.空载运行时的物理状况 空载运行：变压器原边接上额定电压，副边开路（I2 = 0）。,2.3 单相变压器的空载运行,空载运行时的磁场：,电磁关系,主磁通与漏磁通的区别：,1. 主磁通与感应电动势,设,则,有效值,2. 各电磁量参考方向的规定,注意：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。,二. 感应电动势分析,相量,同理，二次主电动势也有同样的结论。,可见，当主磁通按正弦规律变化时，所产生的一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。,有效值,相量,

5、变压器的变比,根据主电动势的分析方法，同样有,2. 漏磁通与漏感电动势,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。,漏感电动势也可以用漏抗压降来表示，即,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。,三.空载电流和空载损耗,1. 空载电流,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；,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。,大小：与电源电压和频率、线圈匝数、磁路材质及几

6、何尺寸有关，用空载电流百分数I0%来表示：,当磁通按正弦规律变化时，空载电流呈尖顶波形。利用作图 法同样可以证明当空载电流按正弦规律变化时，主磁通呈平顶波 形。实际空载电流并非标准正弦波，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。,2. 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 ，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。,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0.2%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

7、的方向是采用优质铁磁材料：优质硅钢片、激光化硅钢片或应用非晶态合金。,1. 电压平衡方程,2. 相量图,四. 一次侧绕组的电阻压降 与漏阻抗压降,（1）以 为参考相量,（4）,（2） 与 同相， 超前,（3） 滞后,（5）,五. 电压平衡与相量图,等效电路：与变压器实际的电磁关系相等效的电路。根据电压 平衡方程，可以画出相应的等效电路如下：,变压器空载时的激磁阻抗,六. 等效电路与激磁参数,（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。,由此可见，空载时的变压器相当于两个铁心线圈的串联。,小结：,（1）一次侧

8、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。,2.4 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。如下图所示。,一.负载运行时的电磁关系,其变换过程如下图所示：,（1）一次侧电动势平衡方程,忽略很小的漏阻抗压降，并写成有效值形式，有,二. 电动势方程、等效电路和相量图,1. 电动势平衡方程

9、,则,（2）二次侧电动势平衡方程,可见，影响主磁通 大小的因素有电源电压 电源频率 和一次侧线圈匝数 。,（1）空载时,由一次磁动势 产生主磁通 ,负载时,产生 的磁动势为一、二次的合成磁动势 。由于 的大小取决于 ，只要 保持不变，由空载到负载， 基本不变，因此有磁动势平衡方程,或,用电流形式表示,2. 等效电路,表明:变压器的负载电流分成两个分量,一个是励磁电流 ,用来产生主磁通,另一个是负载分量 ,用来抵消二次磁动势的作用。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。,负载运行时,忽略空载电流有:,表明：一、二次电流比近似与匝数成反比。可见，匝数不同，不仅

10、能变电压，同时也能变电流。,（2）折算,折算：将变压器的二次（或一次）绕组用另一个绕组来等效，同时对该绕组的电磁量作相应的变换，以保持两侧的电磁关系不变。,目的：用一个等效的电路代替实际的变压器。,（将二次侧折算到一次侧)，使N2变为N2，而N2= N1 ，k =1,折算原则：,方法：,折算值 E2 4.44f N2 m,电势的折算,实际值 E24.44f N2 m,当m不变时，磁势不变，因此,电流的折算,阻抗的折算,二次侧绕组的实际阻抗：,二次侧绕组的折算阻抗：,负载端电压的折算,折算后的方程式为：,根据折算后的方程式，可以画出T型等效电路：,T型等效电路,由T型等效电路作出相应的相量图（假

11、设负载为电感性）：,近似（型）等效电路,T型等效电路属于复联电路，计算起来比较难，可以将T型等效电路简化为近似（型）等效电路。,考虑到工程设计的需要，可以将近似等效电路进一步简化，成为简化的等效电路。,简化等效电路,简化等效电路的相量图,其中,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。,短路阻抗,短路电阻,短路电抗,W,A,V,V,开路试验的接线图,2.5 变压器的参数测定,开路试验亦称空载试验，试验的接线图如下图所示。试验时，二次绕组（高压绕组）开路，一次绕组（低压绕组）加额定电压，测量此时的输入功率、电压

12、和电流，由此即可算出激磁阻抗。,a,x,A,X,一.开路试验,应用近似等效电路可得,上式中， 表示空载功率； 表示空载电流； 表示一次绕组的额定电压。,（1）因为 、 、 不等于常数，因此要求测量 时 的 。,（2）测量的所有参数均为每相值。,（3）在哪一边所测量的值就是归算到哪一边的值。,说明：,短路试验接线图如下图所示。试验时，把二次绕组短路，一次绕组上加一可调的低电压。调节外加的低电压，使短路电流达到额定电流，测量此时的一次电压输入功率和电流,由此即可确定等效漏阻抗。,W,A,V,短路试验的接线图,a,x,A,X,二.短路试验,应用简化等效电路可得,上式中， 表示短路功率； 表示短路电流

13、； 表示一次绕组的短路电压。,例题：一台单相变压器,其开路和短路数据如下,注意：短路试验时， 要从0逐渐增大，直到 为止。,试求：,(1)归算到高压侧时激磁阻抗和等效漏阻抗的值；,解: 一次和二次绕组的额定电流为,(1)归算到高压侧时的激磁阻抗和等效漏阻抗,电压比,换算到,(2)T型等效电路图如右图所示，图中,2.6 变压器的运行分析,一.电压变化率,电压变化率是表征变压器运行性能的重要指标之一,它的大小反映了供电电压的稳定性。U 也可以通过简化相量图（如下图所示）进行分析。,电压变化率指原边加额定电压，副边由空载到满载时电压变化的大小与副边空载电压的比值。,由于n1，应用二项式定理展开取前两

14、项，求得,将 式代入 式，得,从简单的几何关系可知,故,由于后一项的值很小，所以计算时常可略去，简化成,（3）若功率因数滞后， 正数 ，则 ；若功率因数超 前， 负数，则 。,（4） U 的大小与负载的性质和大小有关，同时与变压器的短 路阻抗 有关。从减小U 的观点出发，希望,说明：,（1）上述公式仅适用于感性负载，若为容性负载，可参照上述方法进行推导。,（2）上述公式仅适用于 时的U 。,越小越好。（指变压器端点而言）,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

15、。,为了保证二次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Ue 5%。大型电力变压器采用五个或多个分接头,例Ue 2x2.5%或Ue 8x1.5%。,效率是指变压器的输出功率与输入功率的比值。,其中，输出功率,式中， 为负载系数,总损耗,为固定损耗，即铁耗。铁损耗包括基本铁损耗和附加铁损耗。基本铁损耗为磁滞损耗和涡流损耗。附加损耗包括由铁,二.效率及效率特性,1.效率及损耗,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

16、与负载大小基本无关，故也称为不变损耗。,为可变损耗，即铜耗。铜损耗也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。,故效率公式又可写为,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。,在功率因数一定时，变压器的效率与负载电流之间的关系 = f(),称为变压器的效率特性。其效率特性曲线如下图所示。,2.效率特性,0,变压器的效率特性,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：,令 ，则有变压器产生最大效率的条件

17、：,一般电力变压器的 之间，故最大效率发生在 之间。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。,2.7 三相变压器,一. 三相变压器的磁路系统,1.组式变压器的磁路系统,2.心式变压器的磁路系统,特点是：每相磁路独立，三相磁路彼此无关联。,特点是：三相磁路彼此有关联。,二.单相变压器的联接组别,一、二次绕组的同极性端同标志时，一、二次绕组的电动势同相位。,一、二次绕组的同极性端异标志时，一、二次绕组的电动势反相位。,联接组别表示变压器高压边、低压边的相位差。,联接组别为,联接组别为,表示方法：时钟表示法，即长针代表高压边的电压矢量，短针代表低压边的电压矢量。,单相变压器的联接组

18、别同绕组的绕向和端点的标志符号有关。现分别说明如下：,1. 连接组别：反映三相变压器高压边和所对应的低压边的线电 压之间的相位关系。,三. 三相变压器的联接组别,该联接方式下，同名端是对应端，对应的相电压同相位。通过相量图判定联接组别为Y/y12。,2. 表示方法：时钟表示法。即高压边线电压矢量代表分针指向12点，低压边的线电压矢量代表时针指向的点数就是三相变压器的联接组别。,联接组别号的数字乘以30，就是低压边的线电压和高压边的线电压之间的相位角。,3. 三相变压器联接组别的判定,连接组别可以用相量图来判断：,（1）Y/y12：,若高压边三相标志不变，低压边三相标志依次后移，可以得到Y/y-

19、4、Y/y-8联接组别。,(2) Y/11,该联接方式下，同名端是对应端，对应的相电压同相位。通过相量图判定联接组别为Y/11。,同理，若异名端在对应端，可得到Y/-5、Y/-9和Y/-1联接组别。,同理，若异名端在对应端，可得到Y/y-6、Y/y-10和Y/y-2联接组别。,若高压边三相标志不变，低压边三相标志依次后移，可以得到Y/-3、Y/-7联接组别。,(3)/y1,该联接方式下，同名端是对应端，对应的相电压同相位。通过相量图判定联接组别为/y1。,小结：,若高压边三相标志不变，低压边三相标志依次后移，或者异名端在对应端，可得到/y3 、/y5 、 /y7 、/y9 、 /y11联接组别

20、。,1.Y/y、/为偶数联接组; Y/ 、/y为奇数联接组。,2.三相联接组一律采用同相序。,3.标准联接组为Y/y0-12、 Y/11、Y0/11。,2.8 变压器的并联运行,2.并联运行的优点:(1)提高供电的可靠性；(2)提高供电的经济性。,一.并联运行的概念,1.什么是并联运行：将两台（或者以上）变压器的一次侧绕组接在同一电网上，二次侧的绕组共同向负载供电的运行方式。,3. 并联运行的条件,(1)空载时各变压器绕组之间无环流；,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)负载后，各变压器的负载系数相等；,(

21、3)负载后，各变压器的负载电流与总的负载电流同相位。,(2)各变压器的连接组别同；,(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。,二.并联运行时的负载分配,右图为三台变压器并联运行时的等值电路图。从图中可知：,结论：各变压器负载电流的分配与各变压器的短路阻抗成反比。实用上可简化为数量运算，归算值可还原为实际值，比如,把式 、代入式，得,结论：各变压器的负载分配与该变压器的额定容量成正比，与其短路电压成反比。,2.9 三绕组变压器,内层低压绕组 中层中压绕组 外层高压绕组,（1）有利于绝缘 （2）原副边耦合紧密（原边安排在中层） （3）便于抽头,比如：韶山电力机车，牵

22、引变压器 JDFP6300/25 J 电力机车 P 强迫油循环 D 单相 6300 容量（千伏安） F 风冷式 25 原边电压25KV,一.概述,1.结构特点：每个芯柱（每相上）有三个绕组。,安排原则:,（1）一个电源，两个不同电压的负载，表示为：,（2）两个电源，一个负载,（电压不同） （注意变比）,单相,三相,2.用途,（3）用于星-三角形六相整流,六相,六相,正接,反接,正接,反接,十二相整流纹波小,3.各绕组之间的变比（相电压之比）,（忽略空载电流）,三个绕组，有三个变比,二.基本电磁关系,电压、电流、磁通均按惯例定向,1.磁势平衡关系电流关系,式中：,（忽略 ）,2.电压方程式,双绕

23、组：互磁通( 表示)、漏磁通（ 表示）,三绕组：难定互、漏磁通 用自感和互感的概念,交链1、2、3,交链1、2或1、3或2、3 （该磁通是互、漏磁通，难定）,绕组1-2的互感：,绕组1-3的互感：,绕组2-3的互感：,各绕组自感： 、 、,如果电流、电压是正弦波,归算到原边（绕组1）,电压：,电流：,电阻：,自感：,互感：,注：,归算到绕组1的电压方程式,原副边之间的电压降，应用 （忽略 ） 磁势平衡,其中： 、 、 等效电抗,等效电抗指各绕组的自感抗和互感抗的组合，即组合电抗。,等效阻抗：,则：,3.等效电路和相量图,相量图:,三.等效电路参数的测定,1.三个短路试验,（1） “1” 加电源 “2”短路 “3”开路,1,由两个绕组间的短路实验，间接地测定 ， ， 。,（2） “1” 加电源 “2”开路 “3”短路,1