变压器知识培训.ppt
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1、变压器培训教材,变压器是一种静止的电气设备, 通过电磁耦合作用,把电能或信号从一个电路传递到另一个电路。通常用来改变电压的大小,故叫变压器,有时用于电气隔离。,本章学习重点,电力变压器,电力变压器,电力变压器,电力变压器,电力变压器,电炉变压器(专用) 给电炉(如炼钢 炉)供电。,电焊变压器(专用) 给电焊机供电。,整流变压器(专用): 给直流电力机车供电,三相干式变压器,电源变压器,接触调压器,控制变压器,仪用、试验用变压器:用在测量设备中,如互感器。,电子变压器:用在电子线路中。,3-1 变压器的结构和工作原理,一、主要结构(磁路、电路及辅助部分),1.铁芯:铁心是变压器主磁通经过的磁路部
2、分;铁心通常用 0.35mm厚表面涂有绝缘漆的硅钢片冲成一定的形状叠制而成。,心式冷轧硅钢片迭片,铁心柱截面形状:小型变压器做成方形或者矩形;大型变 压器做成阶梯形。容量大则级数多。叠片间留有间隙作为油道(纵向/横向)。,2.绕组(线圈)绕组是变压器的电路部分,一般为绝缘扁铜线或绝缘圆铜线在绕线模上绕制而成。绕组套装在变压器铁心柱上,低压绕组在内层,高压绕组套装在低压绕组外层,以便于绝缘。根据绕组与铁心的配置方式不同有心式和壳式之分。,3.油箱和变压器油:油箱用钢板焊接而成。油起到绝缘和导热作用。,单相变压器:两个线圈没有电的直接联系, 只有磁的耦合。,原边绕组(一次绕组或初级绕组):两个线圈
3、中接交流电源的线圈, 其匝数为N1,副边绕组(二次绕组或次级绕组):接到用电设备上(负载)的线圈,匝数为N2,变压器原、副边电势之比等于原、副边匝数之比,通常称之为变压器的变比。,二、基本工作原理,根据图示的正方向,写出原副 边的电压回路方程,感应电动势为电压升,其方向与电压降相反,三、额定值,1.额定容量SN SN为变压器的额定视在功率。单位为VA/kVA/MVA,通常把变压器1、2次侧的额定容量设计为相同。与直流电机额定容量有何不同?,(2)额定电压U1N/U2N U1N为额定运行时原边接线端点间应施加的电压。U2N为原边施加额定电压时副边出线端间的空载电压。单位为V或者kV。三相变压器中
4、,额定电压指的是线电压。指有效值。,(3)额定电流I1N/I2N 是变压器在额定容量和额定电压下所应提供的电流,在三相变压器指线电流。单位为A/kA。指有效值。,(4)额定频率fN 单位为Hz,我国规定,fN=50Hz 此外,铭牌上还会给出型号/三相联接组号/连接图/阻抗电压Uk /运行方式/冷却方式/重量等数据。,对单相:I1N=SN/U1N ,I2N=SN/U2N,例题,1) 线电流:,解:,2)相电流:,3)相电压:,3-2 单相变压器的空载运行,变压器空载运行:变压器的原绕组加上额定电压,副绕组开路。,几个概念:空载电流、励磁磁动势、主磁通、漏磁通,一、空载运行时的物理情况,主磁通和漏
5、磁通1在绕组内产生的感应电动势:,e1:主磁通在原边绕组内感应电动势的瞬时值 e2:主磁通在副边绕组内感应电动势的瞬时值; e1:漏磁通 1在原边绕组内感应电动势的瞬时值,二、空载电流,1、忽略空载损耗时的空载电流,如果原边接到正弦电压上,则主磁通为正弦,对不对?,主磁通为正弦时,励磁电流为尖顶波。不可以用相量表示,在工程上,通常用等效正弦波来代替实际空载电流,其等效条件为:频率相等、有效值相等。,2、考虑空载损耗时的空载电流,空载电流不仅要建立空载磁场,还要给磁滞和涡流等空载损耗提供能量。所以考虑空载损耗时的空载电流应超前于主磁通。,还可以从另一个角度来理解,由于磁滞和涡流,使得磁通的变化滞
6、后于励磁电流的变化。,从相量图中可以看出,磁化电流为无功分量,用来建立磁场,而铁耗为有功分量。,三、感应电动势和变压器变比,m:主磁通的幅值;E1m:原绕组感应电动势的幅值。,当主磁通按正弦规律变化时,原绕组中感应电动势也按正弦规律变化, 但相位比主磁通落后900。,原边电动势幅值,相量表示:,注意: 为有效值相量,而 为幅值相量,副边电势分析,副边绕组链接同一磁链,副边电动势幅值:,有效值:,相量表示:,对于三相变压器,变比指相电势之比。,漏磁通1通过的磁路是线性的,漏电势可表示为:,若励磁电流i0按正弦规律变化, 即,;,原边漏磁通产生的感应电动势,相量表示:,结论:,课堂练习:3-11,
7、作业:3-10,考虑漏磁通和原边绕组的电阻时,变压器空载运行时相量形式表示的电压平衡方程式:,R1:原边绕组电阻; Z1R1jX1为原边绕组漏阻抗,四、空载运行时的电动势平衡方程式,正方向的规定:电压与电流符合关联参考方向,主磁通与励磁电流方向符合右手螺旋法则,感应电动势与磁通方向符合右手螺旋法则,根据相量形式的电压平衡式:,五、空载运行的等效电路和相量图,漏感电动势:,漏感两端电压降:,Rm:变压器的铁耗电阻或激磁电阻,反映铁耗; Xm: 变压器的激磁电抗; Zm:变压器的激磁阻抗。,激磁电抗与原边的漏抗不同,随铁芯的饱和程度变化而变化, 当铁芯饱和时,其值将如何变化?在变压器中铁芯饱和程度
8、由 哪几个量决定?,一台变压器空载运行,当其原边电压的频率不变,有效值升高 10%后,其励磁电流将如何变化?激励电抗将如何变化?,铁芯饱和,则磁导率下降,故激磁电感下降,但电抗还与频率 有关。,频率不变,匝数不变,电压有效值升高,则主磁通幅值升高, 励磁电流将升高,激磁电抗将变小,等效电路综合了空载时变压器内部的物理情况, 在等值电路中R1、X1是常量;Xm是变量, 它随铁心磁路饱和程度的增加而减少。,等效电路,代表电动势,代表压降,相量图,(1) 作为参考相量, 和 落后 900。,(2)考虑磁滞现象,正弦空载电流 超前 一个很小的 角。,小结,1、变压器的结构(磁路和电路部分);,2、额定
9、值 ;,3、空载电流。主磁通为正弦波,空载电流为尖顶波;,5、空载时 的等值电路;,4、4.44公式及利用其进行分析;,6、电压平衡方程式,关于能量流动,原边向电网发出电能?与我们 分析得到的结论相反,如何解释?,首先,能量的流动与正方向的规定 无关。其次,交流电路中,能量的 流动不能用直流电路的方法来分析, 必须根据电流和电压的相量关系进行 分析。,3-3 单相变压器的负载运行,变压器原边接在电源上, 副边接上负载的运行情况,称为负载运行。,变压器接通负载 副边电流 副边磁势 主磁通变化 原边电动势改变 原边电流改变 新的平衡,一种什么样的平衡?磁场(即主磁通)将如何变化?,忽略原边漏阻抗压
10、降, 主磁通 不变。主磁路的磁导不变,所以磁动势应基本不变,仍为N1I0,但从空载到负载,初级绕组电流由 变为 ,增加了一个分量 ,这个分量起什么作用?,副边绕组带负载后,副边绕组有电流 ,这个电流企图改变变压器主磁通,原边绕组中会产生相应的电流分量 来阻止主磁通的改变,这两个电流分量的综合作用效果是磁场保持不变。那它们有什么作用?,实现了电能的传递,原边绕组从电网吸收的功率,一部分用来建立变压器进行电能变换所需的磁场,主要是无功分量;另一部分传递给副边绕组。 副边绕组电流增加或减小的同时,引起原边电流的增加或减小,吸收的功率也增大或减小。,1. 磁动势平衡方程式,在额定负载时, I1L比Im
11、大很多, 负载分量是I1中的主要部分.,与空载时相比,运行过程中基本不变,2.电动势平衡方程式:,除了主磁通在原、副边绕组中感应电动势E1和E2外,原、副边还有漏磁通产生的漏电势。,变压器负载运行时的电磁关系示意图,变压器稳态运行时的六个基本方程式,各电磁量之间同时满足这六个方程,利用 ,k,Z1,Z2,Zm,ZL求解出 , , 。,比较麻烦。,当k较大时,变压器原、副边电压相差很大,为计算和作图带来不便。,变压器原边和副边没有直接电路的联系,只有磁路的联系,计算不便。如能得到一个等效电路,把磁路的作用体现在参数之中,就可以方便分析计算,而不用记忆六个方程式。,?,副边的负载通过磁动势影响原边
12、。 只要副边的磁势不变, 原边的物理量就不变。 这就是绕组折算的依据。我们是否可以用一个匝数为N1的绕组代替副边绕组?,两台变压器,除副边绕组 匝数不同外,其他参数均 相同。将它们原边接相同 正弦电压,副边带不同的 负载,若N2I2=N3I3,则 两台变压器原边电流大小 是否相等,感应电动势大 小是否相等为什么?,只不过绕组中的物理量(如电流、电压等)要改变。同理,也可将原边用一个匝数为N2的绕组来代替。,实际绕组的各个量,称为实际值;假想绕组的各个量,称为折算值,一般用原来表示符号右上角加 “”表示; 保持副边绕组的磁势不变进行折算, 称为副边向原边折算; 保持原边绕组的磁势不变进行折算,
13、称为原边向副边折算。 通常是副边向原边折算。,在保持变压器原来的磁动势不变、能量关系不变的前提下,将原边或副边用另一个不同匝数的绕组代替,从而根据原来绕组得到新绕组的物理量的值,称为折算。,1. 副边电流的折算值,保持折算前后 不变,,2. 副边电动势和副边电压的折算值,(1)折算前后主磁场、漏磁场不变。,同理,,即,(2)折算前后副边总的视在功率不变,折算前后副边输出的视在功率不变,3. 副边绕组的电阻和负载电阻的折算值,折算前后副边绕组的损耗不变,折算前后副边输出的有功功率保持不变,4. 副边绕组的漏抗和负载电抗的折算值,折算前后副边绕组的无功功率不变,折算前后副边输出的无功功率保持不变,
14、5.副边阻抗的折算值,折算法只是一种数学等效方法。将副边物理量折算到原边的方法为:凡是单位为伏的物理量(电动势、电压)的折算值等于原来数值乘k;单位为欧的物理量(电阻、电抗、阻抗)的折算值等于原来数值乘k2;电流的折算值等于原来的数值乘以1/k.,已没有变比k,副边绕组经折算后,原来的基本方程成为:,意味着什么?,注意:电路中全部的量和参数都是每一相的值。原边为实际值,副边为折算值。,变压器的T形等效电路图,T型电路包含有串联、并联回路。复数运算复杂。,实际变压器中, 负载变化时 变化不大。将T型等效电路中的激磁支路移出,并联在电源端口,得到型等值电路。,近似型等值电路,变压器的近似形等效电路
15、图,负载运行时, Im在I1N中所占的比例很小。在工程实际计算中,忽略Im,将激磁回路去掉, 得到更简单的阻抗串联电路。,Rk 为短路电阻; Xk 为短路电抗; Zk 为短路阻抗。,空载运行时, 不能用简化等效电路。,简化等效电路,决定了变压器稳态短路电流的大小,也表征了额定负载 时电压降落的大小,是变压器的一个重要的参数。,五、相量图,相量图的画法,视变压器给定的和求解的具体条件。 给定量和求解量不同, 画图步骤也不一样。 对于不同的等效电路,有不同的相量图,基本方程组可以用相量图来表示。,变压器接感性负载, 负载阻抗由电阻和电感组成。 为落后; 接容性负载, 负载阻抗由电阻和电容组成, 为
16、超前。,相量图的画法,(1)画出 ;,假定给定U2、I2、cos2及各个参数,(2)在 相量上加上 得到 ;,(3),(6)画出 与 的相量和 ;,(7)画出 ,加 得到,(4)画出领先 的主磁通 ;,(5)根据 画出 , 领先 一个铁耗角了;,变压器原边电压 U1 与电流I1 的夹角为1, 称为变压器负载运行的功率因数角,cos1 称为变压器的功率因数。,对于运行的变压器,负载的性质和大小直接影响了变压器功率因数的性质。,对应于简化等效电路, 其相量图为,单相变压器基本方法总结,分析计算变压器负载运行方法有基本公式、等值电路和相量图。,基本方程式:是变压器的电磁关系的数学表达式; 等值电路:
17、 是基本方程式的模拟电路; 相量图: 是基本方程的图示表示;,三者是统一的, 一般定量计算用等效电路,讨论各物理量之间的相位关系用相量图。,变压器的主要作用是进行电能的传递,建立磁场只是迫不得已。在额定运行时变压器原边电流大部分用来从电源吸收电能,传递到副边,而只有一小部分用来进行励磁。所以,励磁电流与额定电流相比,很小,2%10%。可通过等效电路看出。Xm较大,激磁电抗较大,励磁电流较小。,3-4 变压器参数的测定,变压器的等效电路中的参数在变压器的铭牌上没有标出,利用等效电路时需要用到这些参数,所以要进行实验测定。通常采用空载和短路实验即可测定,如果能测得空载的电压和电流的对应关系,以及测
18、得电流与 电路消耗的有功功率的对应关系,即可得到空载的总阻抗和 总电阻 空载时 ,又 ,所以,Rm与Xm与磁路的饱和程度有关,而变压器磁路的饱和程度又取决于变压器的原边电压,变压器一般运行于额定电压状态下,所以,应取额定电压时的电压、电流和功率值进行计算。,1.通常在低压边加电源电压U0,为减少测量误差,测量仪表按测高阻抗的要求布置。,2.用调压器先将电压调至1.2UN,然后逐渐下调,依次分别读取U0 、I0和p0,作出I0=f(U0)和p0=f(U0)。,在曲线上查出U0=U2N 所对应的I0和p0,可算出,Why?,对升压变压器,这就是等效电路中的激磁参数,但对于降压变压器,需进行换算。,
19、利用U0 、I0和p0计算得到的不是Xm、Rm,如果要得到Xm、Rm, 应用U0、 I0和p0进行计算。,分析:三相变压器等效电路参数是指一相的参数。计算时应按相 电压、相电流进行计算。,对于Y接法,额定电压为额定相电压的 倍,额定电流与额定相 电流相同。另外,损耗是指三相损耗,计算时应用每一相损耗。,例题,两台单相变压器,电压均为220v/110v,原边匝数相等, 但空载电流不等,且 ,今将两个原绕组顺极性串联后加 440V交流电压,问这时两台变压器的付边电压是否相等?,解:,忽略漏阻抗,等效电路,第一台的激磁阻抗为,则第二台的激磁阻抗为,所以, 第一台输入电压: 第二台输入电压:,73.4
20、V 146.6V,这样求解完整吗?为什么?,这里是把励磁参数当作常数而进行求解的,而实际上,Zm2=2Zm1是有 条件的,即在额定电压下.而现在两个变压器不是工作在额定状态, 所以,励磁参数的关系是不成立的.励磁阻抗中,Xm占主要成分,它与 工作电压的关系密切.此时的Zm22Zm1,所以完整的结论是: 二者不相等,1的输出电压较2小,但比2输出的一半大.,目的:测定短路参数Rk、Xk和Zk。,见课本例,为了便于测量,短路试验在低于高压侧额定电压下进行。仪表按测低阻抗的要求布置。调节外加电压Uk从零开始缓慢上调,使短路电流Ik从0开始逐渐增加到1.2IN,依次分别测取Ik、Uk和pk,作出 Ik
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