第二章变压器.pptx
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1、2.1 2.1 变压器的基本工作原理和结构变压器的基本工作原理和结构基本工作原理和分类基本工作原理和分类一、基本工作原理一、基本工作原理变压器的主要功能变压器的主要功能是把一种等级的电压与电流变成同频率另一种等级的电压和电流。是把一种等级的电压与电流变成同频率另一种等级的电压和电流。变压器作用变压器作用能使电能经济地传输、合理地分配以及安全地使用。能使电能经济地传输、合理地分配以及安全地使用。变压器变压器组成:它是由绕在同一个铁心上的两个或两个以上的绕组组成的。一次绕组:接到交流电源的绕组称为一次绕组。二次绕组:接到负载的绕组称为二次绕组。第1页/共75页在一次绕组中加上交变电压,产生交链一、
2、二次绕组的交变磁通,在两绕组中分别感应电动势。只要一、二只要一、二次绕组的匝数不次绕组的匝数不同,就能达到改同,就能达到改变压的目的。变压的目的。高压绕组:电压高的绕组叫高压绕组低压绕组:电压低的绕组叫低压绕组第2页/共75页二、分类二、分类按用途分:电力变压器和特种变压器。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。第3页/共75页基本结构基本结构一、铁心一、铁心
3、变压器的主磁路,为了提高导磁性能和减少铁损,用0.35mm0.35mm厚、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。变压器的电路,一般用绝缘铜线或铝线绕制而成。油浸式变压器的器身浸在变压器油的油箱中。油是冷却介质,又是绝缘介质。油箱侧壁有冷却用的管子(散热器或冷却器)。将线圈的高、低压引线引到箱外,是引线对地的绝缘,担负着固定的作用。二、绕组二、绕组三、油箱三、油箱四、绝缘套管四、绝缘套管此外,还有储油柜、吸湿器、安全气道、净油器和气体继电器。第4页/共75页第5页/共75页.1.3 型号与额定值一、型号一、型号 型号表示一台变压器的结构、额定容量、电压等级、冷却方式等内容,表示方法为 如OSFPSZ-25
4、0000/220表明自耦三相强迫油循环风冷三绕组铜线有载调压,额定容量250000kVA,高压额定电压220kV电力变压器。第6页/共75页二、额定值二、额定值指长期运行时所能承受的工作电压。指规定的额定使用条件下所能输出的视在功率。由于变压器的效率很高,通常一、二侧的额定容量设计成相等。额定值是制造厂对变压器在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。额定值通常标注在变压器的铭牌上。变压器的额定值主要有:第7页/共75页根据额定容量和额定电压计算出的线电流称为额定电流。在三相变压器中指的是线电流。此外,额定值还有额定频率、联结阻标号、效率、温升等。第8页/共75页三、变压器的发热与温升决定变压器
5、运行时温度高低的因素有二:一是变压器产生的总损耗;另外是变压器的散热能力。温升:变压器中某部分的温度与周围冷却介质温度之差称为该部分的温升。我国规定了环境最高温度为。温升都是指比环境温度高出的温度值第9页/共75页2.2 2.2 单相变压器的空载运行单相变压器的空载运行空载运行:变压器一次绕组接在交流电源上,二次绕组开路的运行方式。注:对单相变压器电磁关系的分析结论完全适合对称负载情况下的三相变压器的每一相。主磁通:同时链着一、二次绕组的磁通称为主磁通。漏磁通:只链一次绕组或二次绕组本身的磁通称为漏磁通第10页/共75页一、空载运行时的物理情况一、空载运行时的物理情况第11页/共75页1)性质
6、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。空载电流:变压器空载运行时,一次绕组中流过的电流称为变压器的空载电流(也叫励磁电流)。空载磁动势:空载电流乘以一次绕组匝数为空载磁动势(也叫励磁磁动势)。主磁通与漏磁通的区别主磁通与漏磁通的区别第12页/共75页二、各电磁量参考方向的规定二、各电磁量参考方向的规定正方向规定的原则如下:1 1)在一次绕组,电流的正方向与电源电压正方向一致;在二次绕组,电流正方向与电压降的正方向一致。2 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 3)感应电动势的正方向与产生
7、它的磁通的正方向符合右手螺旋定则。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。第13页/共75页强调强调:规定正方向只起坐标作用,不能与该量瞬时实际方向混为一谈。三、感应电动势分析三、感应电动势分析1 1、主磁通感应的电动势主电动势设则有效值相量第14页/共75页同理,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。第15页/共75页2 2、漏磁通感应的电动势漏电动势漏电动势也可以用漏抗压降来表示,即根据主电动势的分析方法,同样有 由于漏磁通主要经过非铁
8、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。第16页/共75页四、空载运行电压方程式1 1、电动势平衡方程(1 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 、电源频率 和一次侧线圈匝数 。第17页/共75页(2 2)二次侧电动势平衡方程2 2、变比定义:一次电动势E1与二次电动势E2之比 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(单相)第18页/共75页由于磁路饱和,空载电流 与由它产生的主磁通 呈非线性关系。当磁通按正弦规律
9、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,主磁通呈平顶波形。五、空载电流和空载损耗1、铁心饱和对空载电流的影响第19页/共75页2、铁损耗对空载电流的影响磁滞损耗:由于磁滞现象在铁心中引起的损耗。涡流损耗:交变的磁通在铁心中产生涡流损耗。铁损耗:磁滞损耗和涡流损耗统称为铁损耗。铁耗角:由于铁损耗的存在,使励磁电流波形超前主磁通波形的角度称铁耗角。第20页/共75页3 3、空载电流的作用与组成4 4、性质和大小性质: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;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
10、铁损耗分量,作用是供变压器铁心损耗有功分量 。第21页/共75页注:实际空载电流不是正弦波,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。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:第22页/共75页5、空载损耗、空载损耗对于已制成变压器,铁损与磁通密度幅值的平方成正比,与电流频率的1.31.3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。变压器空载时,一次侧从电源吸收少量的有功功率
11、,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。第23页/共75页六、变压器空载运行的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(4)(2)与 同相,超前 (3)滞后(5)第24页/共75页七、变压器空载运行的等效电路变压器空载运行的等效电路,从一次边看进去的等效阻抗 那么 分别为励磁电阻、励磁电抗、励磁阻抗。mmmZXR,由于磁路具有饱和特性,所以 不是常数,随磁路饱和程度增大而减小。第25页/共75页一次侧的电动势平衡方程为所以,空载时等效电路为 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,
12、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。第26页/共75页结论:结论:(1 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 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 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 4)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27页/共75页2.3 2.3 单相变压器的负载运行单相变压器的负载
13、运行 变压器一次侧接在额定频率、额定电压的交流电源上,二次侧接上负载的运行状态,称为负载运行。一、负载时磁动势及一、二次电流关系变压器带负载时,负载上电压方程为式中,是二次电流,又称负载电流。第28页/共75页 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 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 。为一次绕组磁动势。为二次绕组磁动势。为负载时的励磁磁动势。第29页/共75页 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,
14、二次电流增加或减少必然引起一次电流的增加或减少。用电流形式表示可改写为第30页/共75页负载运行时,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,不仅能变电压,同时也能变电流。二、负载时二次回路电压方程式参考空载时一次漏磁动势的表达形式,二次漏磁动势可写成称为二次绕组漏电抗第31页/共75页三、变压器的基本方程式 根据基尔霍夫定律及二次回路各电量的规定正方向,二次回路电压方程式为第32页/共75页 负载运行时的电磁关系负载运行时的电磁关系第33页/共75页强调:(1)方程式中各量的正方向如图2-1所示;(2)各方程式不仅适用于单相变压器的稳定运行,也适用三相变压器的对称
15、、稳态运行,全部电磁量都是指一相的;(4)励磁电抗很大,漏电抗很小;(5)变压器属于恒压源性质;当减小负载阻抗,则能增大二次电流,而一次电流也相应增加(反之亦然)。(3)主磁通幅值 是由励磁磁动势 或励磁电流 产生,但其数值大小却取决于端电压 的大小;第34页/共75页四、折合算法算折算: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。折算原则:1)保持二次侧磁动势不变;2)保持二次侧各功率或损耗不变。二次绕组折合成一次绕组或简称二次向一次折合第35页/共75页五、折算后的方程式及等效电路第36
16、页/共75页根据折算后的方程,可以作出变压器的等效电路。T型等效电路近似等效电路简化等效电路其中sssssjXRZXXXRRR+=+=+=2121为短路电阻;为短路电抗;为短路阻抗。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。第37页/共75页六、相量图假定变压器带感性负载。作相量图的步骤 第38页/共75页七、功率关系一次侧的有功功率上式表明:一次侧输入有功功率=铁损耗+传给二次侧的电磁功率+一次铜损耗。上式表明:二次侧输出有功功率=一次侧传递给二次侧的电磁功率-二次铜损耗。二次侧的有功功率第39页/共75页
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