第5章变压器000002.ppt
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1、第五章 变压器 Transformer,本 章 要 求:,熟练掌握变压器的工作原理,了解其结构。 能正确使用变压器的额定值 。 掌握变压器空载、负载运行时的物理过程 。 掌握变压器的等效电路、方程和相量图。 掌握本章分析问题的方法。 掌握参数折算的原则 ,并能熟练利用等效电路进行计算。, 5-1 概述,一、变压器的基本工作原理,二 、变压器的用途 变压器是一种静止的交流电器,它可以将一个等级的交流电压变换成另一个等级的交流电压。 1、电力系统中输配电,简单的电力系统示意图,使用中的电力变压器,电力变压器,电源变压器,2、进行阻抗变换 3、测量大电流、高电压 三、分类 变压器的种类很多,可按其用
2、途、结构、相数、冷却方式等不同来进行分类。 Transformer:变压器,以TR表示,以下同。,1、按用途分类,可分为电力变压器(主要用在输配电系统中,又分为升压变压器、降压变压器、联络变压器和厂用变压器)、仪用互感器(电压互感器和电流互感器)、特种变压器(如调压变压器、试验变压器、电炉变压器、整流变压器、电焊变压器等)。用途分:电力TR、调压TR、仪用TR、特种TR 2、按绕组数目分类:可分为双绕组变压器,三绕 组变压器、多绕组变压器和自耦变压器。 3、按铁心结构分类,有心式变压器和壳式变压器。,4、按相数分类,有单相变压器、三相变压器和多相变压器。 5、按冷却介质和冷却方式分类,可分为油
3、浸式变压器(包括油浸自冷式、油浸风冷式、油浸强迫油循环式)、干式变压器、充气式变压器。 6、电力变压器按容量大小通常分为小型变压器(容量为10630kVA)、中型变压器(容量为8006300kVA)、大型变压器(容量为800063000kVA)和特大型变压器(容量在90000kVA及以上)。,绕组分:双绕组TR、三绕组TR、自耦TR,铁芯结构分:芯式TR、组式TR 相数分:单相TR、三相TR,心式变压器,三相整流变压器,四、结构,主要由铁芯、绕组组成 铁芯构成TR的磁路,由硅钢片叠成 绕组组成TR的电路,用铜或铝线绕在铁芯上,变压器简化图:,1、铁心和绕组:变压器中最主要的部 件,他们构成了变
4、压器的器身。 1)铁心:构成了变压器的磁路,同时又是套装绕组的骨架。铁心由铁心柱和铁轭两部分构成。铁心柱上套绕组,铁轭将铁心柱连接起来形成闭合磁路。 铁心材料:为了提高磁路的导磁性能,减少铁心中的磁滞、涡流损耗,铁心一般用高磁导率的磁性材料硅钢片叠成。硅钢片有热轧和冷轧两种,其厚度为0.350.5mm,两面涂以厚0.020.23mm的漆膜,使片与片之间绝缘。,铁心型式 :变压器铁心的结构有心式、壳式和渐开线式等形式。壳式结构的特点是铁心包围绕组的顶面、底面和侧面,如图所示。心式结构的特点是铁心柱被绕组包围,如图所示。壳式结构的机械强度较好,但制造复杂,,心式结构比较简单,绕组的装配及绝缘比较容
5、易,电力变压器的铁心主要采用心式结构。 铁心叠装 :变压器的铁心一般是由剪成一定形状的硅钢片叠装而成。为了减小接缝间隙以减小激磁电流,一般采用交错式叠法,使相邻层的接缝错开。 铁心截面:铁心柱的截面一般作成阶梯形,以充分利用绕组内圆空间。容量较大的变压器,铁心中常设有油道,以改善铁心内部的散热条件,如图所示。,2)绕组:绕组是变压器的电路部分,它由铜或 铝绝缘导线绕制而成 。 一次绕组(原绕组):输入电能 二次绕组(副绕组):输出电能 他们通常套装在同一个心柱上,一次和二次绕组具有不同的匝数,通过电磁感应作用,一次绕组的电能就可传递到二次绕组,且使一、二次绕组具有不同的电压和电流。,其中,两个
6、绕组中,电压较高的我们称为高压绕组,相应的电压较低的称为低压绕组。从高、低压绕组的相对位置来看,变压器的绕组又可分为同心式、交迭式。由于同心式绕组结构简单,制造方便,所以,国产的均采用这种结构,交迭式主要用于特种变压器中。 2、其他部件:除器身外,典型的油锓电力变压 器中还有油箱、变压器油、绝缘套管及继电保护装置等部件。,五、大型TR的冷却,油浸自冷 油浸风冷 强迫油循环冷,六、TR的额定值,1、额定容量SN 额定容量是指额定运行时的视在功率。以 VA、kVA或MVA表示。由于变压器的效率很高,通常一、二次侧的额定容量设计成相等。 2、额定电压U1N和U2N 正常运行时规定加在一次侧的端电压称
7、为变压器 一次侧的额定电压U1N。二次侧的额定电压U2N 是 指变压器一次侧加额定电压时二次侧的空载电压。额定电压以V或kV表示。对三相变压器,额定电压是指线电压。 3、 额定电流I2N和I2N,根据额定容量和额定电压计算出的线电流,称为 额定电流,以A表示。 对单相变压器 对三相变压器 4、额定频率 fN 除额定值外,变压器的相数、绕组连接方式及联结组别、短路电压、运行方式和冷却方式等均标注在铭牌上。额定状态是电机的理想工作状态,具有优良的性能,可长期工作。,例1 一三相TR:Y/Y接, SN=180KVA, U1N/ U2N=10/0.4KV,求I1N, I2N,k.,I1N=10.4A,
8、 I2N=259.8A,K=U1ph/U2ph=25,K=相电压之比,Empty Running of Single Transformer,5-2单相变压器的空载运行,一、空载运行时的物理状况 1. 空载运行含义 原边:接电源一侧。称初级侧、一次侧。 付边:接负载一侧。称次级侧、二次侧。 变压器原绕组接通电源,付绕组开路的工作状态。,任务:分析空载运行内部电磁关系,求基本方程式、相量图和等效电路。,重点:空载运行时的物理过程;分析方法。,原边不一定是高压边。,注意!,2、物理过程,主磁通: 漏磁通:,主磁通和漏磁通在性质上的不同: 1)由于铁磁材料有饱和现象,所以主磁路的磁阻不是常数,主磁通
9、与建立它的电流之间呈非线性关系。而漏磁通的磁路大部分是非铁磁材料组成,所以漏磁路的磁阻基本上是常数,漏磁通与产生它的电流呈线性关系 2)主磁通在原、副绕组中均感应电动势,当副方接上负载时便有电功率向负载输出,故主磁通起传递能量的作用。而漏磁通仅在原绕组中感应电动势,不能传递能量,仅起压降作用。因此,在分析变压器和交流电机时常将主磁通和漏磁通分开处理。,1)性质上: 与 成非线性关系, 与 成线性关系; 2)数量上: 占99%以上, 仅占1%以下; 3)作用上: 起传递能量的作用, 起漏抗压降作用。,3.正方向的规定: 从理论上讲,正方向可以任意选择,因各物理量的变化规律是一定的,并不依正方向的
10、选择不同而改变。但正方向规定不同,列出的电磁方程式和绘制的相量图也不同。在电机方向的学科中通常按习惯方式规定正方向,称为惯例。具体原则如下: 1)在负载支路,电流的正方向与电压降的正方向一致,而在电源支路,电流的正方向与电动势的正方向一致,2)磁通的正方向与产生它的电流的正方向符合右手螺旋定则 3)感应电动势的正方向与产生它的磁通的正方向符合右手螺旋定则,电压u1,u2的正方向表示电位降低,电动势e1,e2的正方向表示电位升高。在原方,u1由首端指向末端, 从首端流入。当u1与 同时为正或同时为负时,表示电功率从原方输入,称为电动机惯例。在副方,u2和 的正方向是由e2的正方向决定的,即i2沿
11、e2的正方向流出。当u2和i2同时为正或同时为负时,电功率从副方输出,称为发电机惯例。,二.空载运行时的电动势和电压平衡方程,电动势与磁通的关系: 假定主磁通按正弦规律变化,即 =msint 1. 二绕组中感应电动势的瞬时值为 :,式中:,电压方程,电势正方向:电位升高方向。,原边:,付边:,注意:从上面的表达式中我们可以看出, 电 动势总是滞后与产生的他的磁通90。 2. 电动势平衡方程式: 根据对正方向的规定,可以得到空载时电动势平衡方程式: 将漏感电动势写成压降的形式 :,3.变压器的变比: 在变压器中,原、副绕组的感应电动势E1和E2之比称为变压器的变比,用 表示,即: 上式表明,变压
12、器的变比等于原、副绕组的匝数比。当变压器空载运行时,由于U1E1 ,U20E2,故可近似地用空载运行时原、副方的电压比来作为变压器的变比,即,对于三相变压器,变比是指原、副方相 电动势之比,也就是额定相电压之比。 4、空载电流: 变压器空载运行时原绕组中的电流 I0主要用来产生磁场,又称为励磁电流,所以对于这个电流我们要重点看一下: 1)当不考虑铁心损耗时,励磁电流是纯磁化电流,用 IO 来表示。由于磁路有饱和现象,磁化电流 I0 与产生它的磁通之间的关系是非线性的。当磁通按正弦,规律变化时,励磁电流为尖顶波,根据谐 波分析方法,尖顶波可分解为基波和3、5、7次谐波。除基波外,三次谐波分量最大
13、。这就是说,由于铁磁材料磁化曲线的非线性关系,要在变压器中建立正弦波磁通,励磁电流必须包含三次谐波分量。 为了在相量图中表示励磁电流,可以用等效正弦波电流来代替非正弦波励磁电流,其有效值为,空载电流波形,磁路饱和时, 正弦, 尖顶, 正弦, 平顶。,结论:,变压器磁路不饱和时,磁通和空载电流均按正旋规律变化,波形为正旋波。 因而:要得到一个正旋波的磁通,励磁电流中的高次谐波分量是必须的,即励磁电流波形必须是尖顶波,磁路饱和(变压器正常工作时), 为正弦波, 是尖顶波,如果 为正弦波,则 是平顶波。,从上图中,可以看出励磁电流 与磁通是同相位的。 2)当考虑铁心损耗时,励磁电流 中还必须包含铁耗
14、分量,即 或 这时激磁电流 将超前磁通一相位角,因而: 空载电流:,1)作用和组成,一方面:用来励磁,建立磁场-无功分量 二方面:供变压器空载损耗-有功分量,2)性质和大小,性质: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I0%来表示。,三、空载时的向量图和等效电路: 1)空载时的向量图,带铁心的电感线圈的等值电路,变压器空载运行时并联形式的等值电路,R1是原绕组的电阻, 是对应原绕组漏磁 路磁导的电抗,它们数值很小且为常数。 但 却受铁心饱和度的影响,不是常数。当频率一定时,若外加电压升高,则主磁通增大,铁心饱和度程度增加,磁
15、导m下降, 减小。同时铁耗pFe增大,但pFe增大的程度比 增大的程度小,由pFe= Rm,则Rm亦减小 。反之,若外加电压降低,则Rm , 增大 .但通常外加电压是一定的,在正常运行范围内(从空载到满载),主磁通基本不变,磁路的饱和程也基本不变,因而Rm、 m可近似看着常数。很显然,从上面的分析我们可以总结出:Rm是表征铁心损耗的一个参数,而Xm是表征主磁通磁化性能的一个参数。,单相变压器的空载运行,各量的电磁关系:,单相变压器的空载运行,小结:,(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
16、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。,第三节 变压器的负载运行,一、负载运行含义 指变压器原绕组接通 电源,付绕组接负载 的工作状态。 空载运行时原边电流 I1很小,付边I2=0,,二、负载运行的物理过程及电磁关系,负载运行时,原付边都有电流。其物理过程及物理量的关系为:,负载运行时的电磁关系,即从空载电流 变为负载时的电流 。原绕组的磁动势也从空载磁动
17、势F0变为 负载时的主磁通m就是由原、副绕组的合成磁动势产生的,即: 于是变压器在负载时的电磁关系重新达到平衡。,当副边电流增加时,原边电流增加还是减少?为什么?,三、负载运行时的基本方程式,(一)负载运行时的磁动势平衡方程式: 负载运行时的磁动势平衡方程式可写为:,表明:,磁势 由两部分组成,一部分用来产生励磁磁势 ,另一部分用来抵消副边 的作用; 或者说,为了保持从空载到负载励磁磁势 不变,原边磁势由 增加到 , 增加的那一部分用来抵消副边 的作用; 同样可以解释电流的变化,这说明变压器负载运行时通过磁动势平衡,使原、副方的电流紧密地联系在一起,副方通过磁动势平衡对原方产生影响,副方电流的
18、改变必将引起原方电流的改变,电能就是这样从原方传到了副方。,在副边,电动势平衡方程式为:,(二)电动势平衡方程式: 在原边,电动势平衡方程式为,式中,Z2 =R2+ j ,副绕组的漏阻抗, R2 , 分别为副绕组的电阻和漏电抗。,单相变压器负载运行时的基本方程式为:,四、变压器的等值电路及相量图 (一)变压器绕组的折算: 由于原、副绕组的匝数NN,原、副绕组的感应电动势12,这就给分析变压器的工作特性和绘制相量图增加了困难。为了克服这个困难,常用一假想的绕组来代替其中一个绕组,使之成为变比k=的变压器,这样就可以把原、副绕组联成一个等效电路,从而大大简化变压器的分析计算。这种方法称为绕组折算。
19、折算后的量在原来的符号上加一个上标号“”以示区别。,折算的本质:在由副方向原方折算时, 由于副方通过磁动势平衡对原方产生影响,因此,只要保持副方的磁动势不变,则变压器内部电磁关系的本质就不会改变。即折算前后副方对整个回路的电磁关系的影响关系不能发生变化!副方各量折算方法如下: 1)副方电流的折算值 :,2)付方电动势的折算值:,3)付方漏阻抗的折算值: 根据折算前后副绕组的铜损耗不变的原则,1、电压、电势扩大到k倍 ;,将低压绕组折算到高压绕组后:,2、电流缩小到1/k倍,3、阻抗扩大到k2倍。,将高压绕组折算到低压绕组后:,1、电压、电势缩小到1/k倍;,2、电流扩大到k倍,3、阻抗缩小到1
20、/k2倍 。,折算后得基本方程式,(二)等效电路:,等效电路图的简化: 考虑到ZmZ1,I1NI0,当负载变化时,变化很小,可以认为不随负载的变化而变化。这样,便可把T型等效电路进行简化处理:,通常在做定性分析时用相量图比较形象直观,而在做定量计算时用等效电路比较简便。,(三)相量图,5.4 标么值,在工程计算中,各物理量往往不用实际值表示,而采用相应的标幺值来进行表示: 标么值=实际值/基值 通常取各量的额定值作为基值。,采用标幺值的优点: 1.采用标么值可以简化各量的数值,并能直观地看出变压器的运行情况。 2.采用标么值计算,原、副方各量均不需要折算 3.用标么值表示,电力变压器的参数和性
21、能指标总在一定的范围之内,便于分析比较。例如短路阻抗Zk*=0.040.175,空载电流 I0*=0.020.10。 4.采用标么值,某些不同的物理量具有相同的数值。 Z k*=UKN*,5-5 变压器参数的测定,变压器等效电路中的各种电阻、电抗或阻抗如Rk、 xk、 Rm、 xm等称为变压器的参数,它们对变压器运行能有直接的影响。所以,我们有必要看一下各种参数是如何测定得通过实验的方法。 一、空载实验: 试验目的:测定变压器的空载电流I0、变比k、 空载损耗p0及励磁阻抗Zm=Rm+jxm。 空载试验接线:如图所示,注意:,为了便于测量和安全起见, 通常在低压侧加电压,将高压侧开路。,实验过
22、程:,外加电压从额定电压开始在一定范围内进行调节,实验目的:,在电压变化的过程中,记录相应的空载电流, 空载损耗,作出相应的曲线,找出当电压 为额定时相对应的空载电流和空载损耗, 作为计算励磁参数的依据。,结论:,Z0=Z1+Zm=(R1+j)+(Rm+jm)。通常RmR1,m 1,故可认为Z0 Zm=Rm+jm,于是: 这样,我们测得相关参数。,注意:,1.由于励磁参数与磁路的饱和程度有关, 故应取额定电压下的数据来计算励磁参数。,2.对于三相变压器,按上式计算时U1、I0、p0均 为每相值。但测量给出的数据却是线电压、线 电流和三相总功率.,3.此时的空载损耗p0为铁耗.。,由于空载试验是
23、在低压侧进行的,故测得的激磁参数是折算至低压侧的数值。如果需要折算到高压侧,应将上述参数乘2。这里是变压器的变化,可通过空载试验求出:,: 实验过程:将变压器的副边直接短路,副边的电压等于零,称为变压器短路运行方式。 实验方法:为便于测量,通常在高压侧加电压,将低压侧短路。短路试验将在降低电压下进行,使Ik不超过1.2I1N。 实验目的:在不同的电压下测出短路特性曲线Ik=f(Uk)、pk=f(Uk),如图所示,根据额定电流时的pk、Uk值,可以计算出变压器的短路参数。,二、短路实验,1.短路时,从短路的等效电路图可以看出,此时的短路损耗以铜耗为主. 2.因电阻会随着温度发生变化,所以,我们的
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