001 变的压器篇.ppt
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1、变压器 Transformers,电气工程及其自动化,电机学第1篇,2011,第1章 变压器概览,第2章 变压器的运行分析,第3章 三相变压器,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.,3,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,本篇主要内容,变压器的基本结构和额定值 变压器的空载运行(难点:电流波形) 变压器的负载运行 变压器的基本方程式和等效电路(重点) 等效电路参数的测定 三相变压器(难点:联结组别) 标幺值 变压器的运行性能(重点) 变压器的并联运行 自耦变压器和仪用互感器,4,电机学教案,2011 南
2、昌大学信息工程学院电机教研室,第1章 变压器概览,1.1 变压器的用途,1.2 变压器的分类与基本结构,1.3 变压器的额定值与标么值,返回,5,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,电力变压器是一个静止的电器,它是由绕在同一个铁芯上的两个或两个以上的绕组组成的,绕组之间通过交变的磁通相互联系着。它的功能是将一种电压等级的电能变成为同频率另一种电压等级的电能。 电力变压器对电能的经济传输,灵活的分配和安全使用,都具有重要意义。,1.1 变压器的用途,6,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,1.2 变压器的分类与基本结构,1.2.1 分类,按用途分:电力变压器和
3、特种变压器。,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。,按相数分:单相变压器、三相变压器和多相变压器。,按铁心结构分:心式变压器和壳式变压器。,按调压方式分:无励磁调压变压器和有载调压变压器。,按冷却介质和冷却方式分:干式变压器、油浸式变压器 和充气式变压器。,7,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,1.2.2 变压器的基本结构,变压器,8,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,变压器的基本结构,单相心式,单相壳式,9,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,三相平面心式变压器,10,电机学教案,2011
4、南昌大学信息工程学院电机教研室,三相干式变压器,接触调压器,11,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,电源变压器,环形变压器,控制变压器,12,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,变压器的基本结构,13,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,连接发电机与电网的升压变压器,返回,14,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,1.3.1 额定值 额定值又叫铭牌值,是在指定工作条件下,保证设备安全可靠运行且有优良性能时的一组规定量值。 额定容量SN(kVA):额定状态下变压器输出的视在功率。 额定电压UN(kV):一次侧的额定电压指电
5、网(电源)的额定电压;二次侧的额定电压,是当一次侧外施额定电压时,二次侧的空载电压。 额定电流I N(kA):根据额定容量和额定电压计算出的电流。 额定频率f N(Hz):我国规定的标准工频为50赫。,1.3 变压器的额定值与标么值,15,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,变压器额定值之间的关系,16,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,标幺值 Per-Unit Value,标幺值的定义 基值的选取 标幺值的优点 标幺值的缺点 基值之间的关系 单机系统与多机系统,17,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,基本概念,定义:,基值的选取:取各
6、物理量的额定值。,相对值,18,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,基值的选取,19,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,阻抗的基值,20,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,功率的基值,21,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,标幺值的优点1:便于分析与比较,各物理量额定值的标么值为1,与变压器容量大小无关,22,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,标幺值的优点2:简化计算,23,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,标幺值的优点3:无需归算,同一物理量, 归算前后标幺值相等。,24,电
7、机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,标幺值的优点4:三相系统的线、相标幺值相等,25,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,标幺值的优点5:运行状态一目了然,I*20:空载运行 (No Load) I*21:满载运行 (Full Load) I*20.5:半载运行 (Half Load) I*20.7:轻载运行 (Under Load) I*21.2:过载运行 (Over Load),26,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,标幺值的缺点,没有量纲,物理概念模糊; 物理意义完全不同的量,标幺值可能相等。,27,电机学教案,2011 南昌大学信息
8、工程学院电机教研室,基值之间的关系,共有4类基值:Ub、Ib、Zb、Sb,其中 只有两类独立的基值,其它基值可以导出。,28,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,单机系统与多机系统*,已知:变压器的SN、UN、S、Z。 求:单机与多机系统中S、Z的标幺值。,29,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,第2章 变压器的运行分析,2.1 变压器的空载运行,2.2 变压器的负载运行,2.3 变压器的参数测定,返回,2.4 变压器运行时的特性指标,2.5 特种变压器的运行分析,30,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,电磁关系 感应电动势 电压比 主
9、磁通 激磁电流(难点、重点) 激磁阻抗(难点、重点) 等效电路,2.1 变压器的空载运行,一次绕组接交流电源,二次绕组开路的运行状态。,31,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,2.1.1 电磁关系,i10N1i10e1、e2,u1与i10符合电动机惯例 i10与符合右手螺旋定则 e1、e2与符合右手螺旋定则 不计漏磁通1,32,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,2.1.1 电磁关系,33,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,各电磁量参考方向的规定,主磁通与漏磁通的区别,一次侧遵循电动机惯例,二次侧遵循发电机惯例。,强调:磁通与产生它的电
10、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。,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。,2.1.1 电磁关系,34,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,2.1.2 感应电动势,电压平衡方程式,变比 匝比 电势比 电压比,35,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,主磁通主电动势,主磁通的大小与波形主要取决于电源电压的大小与波形。,36,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,漏电动势也可以用漏抗压降来表示,即,根据主电
11、动势的分析方法,同样有,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.,漏磁通漏电动势,37,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,当U1=C 时:f 或 N1 m 饱和度 Fe,当 f=C 时:U1 m 饱和度 Fe,变压器铁心的导磁性能,38,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,2.1.4 励磁电流,励磁电流im:产生主磁通所需要的电流。im=i10 励磁电流im磁化电流i铁耗电流iFe 磁化电流i:对应于主磁通,是励磁电流的无功分量 铁耗电流iFe:对应于铁心损耗,是励磁电流的有功分量
12、,39,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,磁化电流 i,特点: 磁化曲线有两种表示形式:B-H、-i 磁化电流的大小与波形取决于主磁通的大小与磁化曲线的形状,40,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,磁化电流 i,设主磁通为正弦波(随时间按正弦波变化): 当磁路不饱和时,磁化电流为正弦波; 当磁路饱和时,磁化电流为尖顶波。,41,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,O,尖顶波的磁化电流,饱和程度越大,磁化电流畸变越厉害。,42,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,空载电流波形,由于磁路饱和,空载电流与由它产生的主磁通呈非
13、线性关系。,当磁通按正弦规律变化时,空载电流呈尖顶波形。,当空载电流按正弦规律变化时,主磁通呈尖顶波形。,实际空载电流为非正弦波,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。,43,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,尖顶波磁化电流的绘制,44,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,等效的正弦波电流,等效原则:电流的有效值相等。,45,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,2.1.5 电路方程、等效电路和相量图,磁化电感,46,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,励磁阻抗与等效电路,47,
14、电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,励磁阻抗的特点,励磁电阻Rm:表征铁心损耗大小的一个等效参数 励磁电抗Xm:表征铁心磁化性能高低的一个等效参数 Rm = pFe/Im2 = f(Fe), Xm = f(Fe) 其中:pFe Cfe f1.3 Bm2 G,注意:不是磁阻!,当f=C、U1时: m Bm Fe Xm pFe Im2 Rm,48,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,电动势平衡方程和变比,1、电动势平衡平衡方程,(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,则,可见,影响主磁通大小的因素有电源电压和频率,以及一次线圈的匝
15、数。,重要公式,49,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,(2)二次侧电动势平衡方程,2、变比,定义,对三相变压器,变比为一、二次侧的相电动势之比,近似为额定相电压之比,具体为,Y,d接线,D,y接线,50,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,空载时的等效电路,一次侧的电动势平衡方程为,空载时等效电路为,51,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,由于 ,所以有时忽略漏阻抗,空载等效电路只是一个 元件的电路。在 一定的情况下, 大小取决于 的大小。从运行角度讲,希望 越小越好,所以变压器常采用高导磁材料,增大 ,减小 ,提高运行效率和功率因数
16、。,52,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,参数非线性: Rm = f(Fe) Xm = f(Fe) Zm = f(Fe) E与Im没有正比关系; 实际中,UC,ZmC,近似作线性电路处理。,空载等效电路的特点,53,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,相量图,根据前面所学的方程,可作出变压器空载时的相量图:,(1)以 为参考相量,(2) 与 同相, 滞后 ,,(3) 滞后 , ;,(4),(5),54,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,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
17、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。,(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。,返回,55,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,2.2 变压器的负载运行,电磁关系 正方向规定 磁动势平衡关系 能量传递 漏磁通与漏磁电抗,一次绕组接交流电源,二次绕组接负载的运行状态。,56,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电
18、机教研室,2.2.1 电磁关系,i1N1i1e1、e2i2i1L,u2与i2的参考方向符合发电机惯例,57,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,用图示负载运行时的电磁过程,2.2.1 电磁关系,58,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,磁动势平衡关系,变不变?,59,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,磁动势方程与能量传递,60,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,漏磁通与漏磁电动势,61,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,漏磁电感,62,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,各种电感总
19、结,63,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,几个物理量之间的联系,64,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,感应电动势,磁通,磁动势,电磁关系总结,2.2.2 基本方程式,65,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,电压方程,66,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,基本方程式,数学模型,67,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,2.2.3 折合算法,Why:绕组折算的目的 What:绕组折算的原则 How:绕组折算的方法,68,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,Why:为什么要进行绕
20、组折算,将物理模型简化为数学模型; 将复杂的电磁耦合问题简化为单纯的电路问题; 化难为易,便于分析与求解。,69,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,What:绕组折算的原则,不改变变压器的物理本质; 不改变能量传递关系与大小; 不改变电动势平衡关系、磁动势平衡关系、能量平衡关系,70,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,How:绕组折算的方法,数学方法; 物理概念。,71,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,绕组折算的数学变换方法,方程两端乘以k,72,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,绕组折算的数学变换方法,73,电
21、机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,绕组折算的数学变换方法,变换为,74,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,绕组折算的数学变换方法,变换为,75,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,绕组折算的物理概念,在二次侧,用一个匝数为N1的等效绕组,来代替匝数为N2的实际绕组。,76,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,绕组折算的物理概念,物理本质变不变?,77,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,二次绕组折算前后:,负载复功率不变,电磁复功率不变,电阻损耗不变,无功损耗不变,归算:在功率与磁动势保持不变的情况下,
22、对二次绕组电压、电流、阻抗进行的一种线性变换。 当然,也可以把一次绕组归算为二次绕组。,78,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,二次绕组折算公式,79,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,2.2.4 变压器T型等效电路,R1,X1,R2,X2,ZL,Rm,Xm,Equivalent Circuits,80,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,变压器T型等效电路的推演,81,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,变压器的功率平衡(补充),pcu1,pcu2,pFe,82,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,
23、R1+R2,变压器等效电路的化简,ZL,Rm,Xm,X1+X2,T型,型,简 化,近似,83,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,变压器等效电路的化简,型,简 化,Rk,Xk,ZL,一型,Zk=Rk+jXk Rk= R1+R2 Xk=X1+X2,简化,84,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,变压器三种等效电路,85,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,2.2.5 相量图,简化等效电路,86,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,型等效电路,2.2.5 相量图,87,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,已知
24、: 、 、 、 求:T型等效电路的相量图,32,88,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,作相量图的步骤对应T型等效电路, 假定变压器带感性负载。,2.2.5 相量图,89,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,作相量图的步骤(假定带感性负载)对应简化等效电路,由等效电路可知,根据方程可作出简化相量图,思考题,作出变压器带上不同性质负载时的简化相量图?,返回,90,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,空载试验,短路试验,2.3 变压器的参数测定 Parameters Measure,91,电机学教案,2011 南昌大学信息工程学院电机教研室,
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