电机学辜承林(第三版)第3变压器.ppt
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1、电机学辜承林(第三版)第3变压器3.1 变压器的基本结构和额定值变压器的基本结构和额定值变压器变压器是一种静止的是一种静止的电磁装置电磁装置,它利用,它利用电感应原理电感应原理,从一个电路向另一个传递能量或传输信号的一种从一个电路向另一个传递能量或传输信号的一种电气装置。电气装置。常用来将一种常用来将一种交流电压的电能交流电压的电能转换为同频率的转换为同频率的另一种交流电压的电能。另一种交流电压的电能。一、变压器的基本结构一、变压器的基本结构变压器变压器电源变压器电源变压器电力变压器电力变压器环形变压器环形变压器接触调压器接触调压器控制变压器控制变压器三相干式变压器三相干式变压器(三)变压器基
2、本结构(三)变压器基本结构由铁心、绕组及附件组成。由铁心、绕组及附件组成。(一)铁心(一)铁心1、作用:、作用:构成变压器的构成变压器的磁路系统磁路系统,且固定绕组。,且固定绕组。2、构成:、构成:由由0.35mm或或0.5mm厚的冷轧厚的冷轧硅钢片硅钢片叠成叠成,每片每片硅钢片的两面涂绝缘漆膜,且冲压成一定形状。硅钢片的两面涂绝缘漆膜,且冲压成一定形状。铁心分铁心柱、铁轭两部分铁心分铁心柱、铁轭两部分3、装叠工艺:、装叠工艺:采用交叠式,主要使叠缝相互交叠,以采用交叠式,主要使叠缝相互交叠,以减少接逢间隙,从而减少磁路的磁阻。减少接逢间隙,从而减少磁路的磁阻。三相芯式变压器三相芯式变压器示意
3、图示意图绕组上铁轭铁芯柱下铁轭铁心结构示意图铁心结构示意图铁心结构示意图铁心结构示意图铁心结构示意图铁心结构示意图(二)绕组(二)绕组1、作用:作用:构成变压器的电路系统。构成变压器的电路系统。2、构成:构成:绝缘铜线或铝线在绕线模上绕制而成。绝缘铜线或铝线在绕线模上绕制而成。3、结构形式:结构形式:同心式、交叠式。同心式、交叠式。同心式同心式结构结构同心式绕组的高、低压绕组同心地套装同心式绕组的高、低压绕组同心地套装在心柱上在心柱上特点特点同心式绕组结构简单、制造方便,国产电力同心式绕组结构简单、制造方便,国产电力变压器均采用这种结构。变压器均采用这种结构。交迭式交迭式结构结构交迭式绕组的高
4、、低压绕组沿心柱高度交迭式绕组的高、低压绕组沿心柱高度方向互相交迭地放置方向互相交迭地放置,交迭式绕组用于特交迭式绕组用于特种变压器中。种变压器中。(三)附件(电力变压器)(三)附件(电力变压器)包括油箱、气体继电器等。示意图如下:包括油箱、气体继电器等。示意图如下:四、变压器额定值四、变压器额定值铭牌的概念铭牌的概念额定容量额定容量SN(VA,KVA,MVA):):变压器运行时输出能力的保证值,用视在功率表示。变压器运行时输出能力的保证值,用视在功率表示。额定电压(额定电压(VA,KV):):一次侧额定电压:一次侧额定电压:U1N二次侧额定电压:二次侧额定电压:U2N=U20U1=U1N。变
5、压器各绕组在空载变压器各绕组在空载额定分接下端子间电压的保证值,额定分接下端子间电压的保证值,对于三相变压器额定电压对于三相变压器额定电压系指线电压。系指线电压。额定电流(额定电流(A):):I1N、I2N变压器的额定容量除以各绕组的额定电压所计算出来的线电流变压器的额定容量除以各绕组的额定电压所计算出来的线电流值,以值,以A A表示。对于三相变压器额定电流系指线电流。表示。对于三相变压器额定电流系指线电流。关系:关系:I I1N1N=S =S N N/U/U1N1N I I2N2N=S =S N N/U/U2N2N变压器额定容量、电压、电流的关系变压器额定容量、电压、电流的关系单相变压器的一
6、次、二次绕组的额定电流为单相变压器的一次、二次绕组的额定电流为SN=U1N.I1N=U2N.I2NI1N=SN/U1NI2N=SN/U2N三相变压器的一次、二次绕组的额定电流为三相变压器的一次、二次绕组的额定电流为SN=3U1NI1N=3U2NI2N(线值)线值)SN=3U1N.I1N=3U2N.I2N(相值)相值)I1N=SN/3U1N(线值)线值)I2N=SN/3U2N分析思路:分析思路:工作原理工作原理由电磁关系由电磁关系建数学模型建数学模型电路模型电路模型确定参数确定参数从场到路的转换从场到路的转换分析运行性能分析运行性能说明:说明:一次侧(又称原方、原边):一次侧(又称原方、原边):
7、吸受电能的一方,各量吸受电能的一方,各量下标加下标加“1”;二次侧(又称副方、副边):二次侧(又称副方、副边):输出电能的一方,各量输出电能的一方,各量下标加下标加“2”。高压侧、低压侧:高压侧、低压侧:按线电压大小而定。线路最多是三按线电压大小而定。线路最多是三相,存在线、相值之分。大型输电线路为三相三线制,终相,存在线、相值之分。大型输电线路为三相三线制,终端一般为三相四线制;家用电器一般为单相,有零、火线端一般为三相四线制;家用电器一般为单相,有零、火线之分。之分。一、一次和二次绕组的感应电动势,电压比一、一次和二次绕组的感应电动势,电压比1.物理情况物理情况图图24表示单相变压器空载运
8、行的示意图表示单相变压器空载运行的示意图2.电压方程电压方程(3-2)3 32 2 变压器的空载运行变压器的空载运行几个概念:几个概念:空载电流、励磁磁势、主磁通、漏磁通空载电流、励磁磁势、主磁通、漏磁通以及正方向以及正方向的确定的确定变压器的变比及变压原理变压器的变比及变压原理(3-3)3二、主磁通和激磁电流二、主磁通和激磁电流通过铁心并与一次、二次绕组相交链的磁通。通过铁心并与一次、二次绕组相交链的磁通。1主磁通主磁通(3-6)2激磁电流激磁电流产生主磁通所需要的电流产生主磁通所需要的电流(3-7)相应的相量图如相应的相量图如图图25所示。所示。三、激磁阻抗三、激磁阻抗 (3-12)式中,
9、式中,Zm=Rm+jXm称为变压器的激磁阻抗,称为变压器的激磁阻抗,它是表征铁心磁化性能和铁心损耗的一个综它是表征铁心磁化性能和铁心损耗的一个综合参数。合参数。激磁电阻激磁电阻激磁电抗激磁电抗E1ifei0iuRfeRmXm四、磁通与感应电动势关系四、磁通与感应电动势关系1.主磁通与感应电动势主磁通与感应电动势若若u1随时间按正弦规律变化,则随时间按正弦规律变化,则m也按正弦规律变化,设也按正弦规律变化,设则对则对e1有:有:e1(t)=-N1dm/dt=-wN1mcoswt=wN1msin(wt-90)=E1msin(wt-90)而对而对e2有:有:e2(t)=-N2dm/dt=-wN2mc
10、oswt=wN2msin(wt-90)=E2msin(wt-90)所以所以e1和和e2也按正弦规律变化也按正弦规律变化磁通与电势的关系磁通与电势的关系(图图2-tem1)主磁通与感与应电动势主磁通与感与应电动势e1、e2关系关系 时间相位上:滞后于时间相位上:滞后于m的电角度是的电角度是90有效值大小有效值大小:相量表达式:相量表达式:磁通磁通m与电势与电势E1、E2的相量关系的相量关系(图图2-tem2)2.漏磁通与漏电动势、漏电抗漏磁通与漏电动势、漏电抗漏电动势:漏电动势:e1 1s s(t)=-N1d1 1s s/dt有效值:有效值:漏磁通与漏电抗漏磁通与漏电抗由于漏磁通所通过的途径是非
11、磁性物质,其磁导率由于漏磁通所通过的途径是非磁性物质,其磁导率是常数,所以漏磁通的大小与产生此漏磁通的绕组中是常数,所以漏磁通的大小与产生此漏磁通的绕组中的电流成正比关系为:用漏感系数的电流成正比关系为:用漏感系数L1 1s s表示二者关系:表示二者关系:N11 1s s Im即:即:L1 1s s=N11 1s s/2Im又又 E E1 1s s F F1s1s I Im m 且相位互差且相位互差90900 0 x x1 1为一次绕组的漏电抗:为一次绕组的漏电抗:x x1 1=w w L L1s 1s 是常数是常数五、五、空载电流空载电流空载运行时变压器实际上就是一个含铁心的电感器线圈,空载
12、运行时变压器实际上就是一个含铁心的电感器线圈,即非线性电抗器。即非线性电抗器。从能量传递看作为从能量传递看作为电源的负载电源的负载,空载运行时变压器:,空载运行时变压器:(1)一方面从电源吸收无功功率,在铁心中建立磁场,产)一方面从电源吸收无功功率,在铁心中建立磁场,产生主磁通。生主磁通。(2)另一方面从电源吸收有功功率,供铁心损耗(磁滞、)另一方面从电源吸收有功功率,供铁心损耗(磁滞、涡流)、绕组铜损使用。由于是不带负载,所以电源输涡流)、绕组铜损使用。由于是不带负载,所以电源输入少量电功率入少量电功率p0空载电流成分:空载电流成分:空载电流可认为是励磁电流,用空载电流可认为是励磁电流,用I
13、m表示。表示。Im中含有有功分量中含有有功分量IFe(损耗电流)和用以建立磁场的损耗电流)和用以建立磁场的无功无功Iu分量分量(磁化电流)磁化电流),IuIFeim、iu、iFe的时间相位关系的时间相位关系 ImIFeIuE1 ImIFeIuE1 ImIFeIuE1ImIuE1 IFeImIuE1磁通量磁通量 与与电电流流Im的关系的关系励磁励磁电电流有功无流有功无功分量的相量功分量的相量图图磁滞作用与涡流现象磁滞作用与涡流现象使使 (t)=fi(t)(t)=fi(t)的关系复杂化的关系复杂化i im m=i=iu u+i+iFeFe六、励磁阻抗六、励磁阻抗Zm主磁通对变压器的影响:主磁通对变
14、压器的影响:由产生的电势由产生的电势E1与产生的励磁电流与产生的励磁电流Im之间存在关系之间存在关系可以直接用参数形式来表示,故可以直接用参数形式来表示,故-E1可表示为可表示为Im流过一个阻抗时所引起的阻抗压降,即流过一个阻抗时所引起的阻抗压降,即励磁阻抗励磁阻抗Zm=rm+jxm励磁电抗励磁电抗xm励磁电阻励磁电阻rm变压器空载运行时原边电动势平衡方程式如下变压器空载运行时原边电动势平衡方程式如下其中原边漏电抗其中原边漏电抗Z1=r1+jx1 imiuiFexurfe-E1七、空载运行时等值电路七、空载运行时等值电路变压器空载等值电路(图变压器空载等值电路(图2-9)应注意的问题应注意的问
15、题注意注意r1、x1是常量是常量而励磁阻而励磁阻抗的大小和变压器工作点有关,抗的大小和变压器工作点有关,因铁心中存在饱和现象,因铁心中存在饱和现象,rm、xm随着饱和程度的增加而减随着饱和程度的增加而减小,但当电源电压的变化范围小,但当电源电压的变化范围不大,对应铁心中磁通的变化不大,对应铁心中磁通的变化为也不是很大时,为也不是很大时,Zm的值基的值基本上可视为不变。本上可视为不变。八、空载运行时相量图八、空载运行时相量图变压器空载相量图(图变压器空载相量图(图2-8)变压器的一次绕组接到交流电源,二次绕组接到变压器的一次绕组接到交流电源,二次绕组接到负载阻抗时,二次绕组中便有电流流过,这种情
16、负载阻抗时,二次绕组中便有电流流过,这种情况称为变压器的负载运行,如图况称为变压器的负载运行,如图28所示。所示。一、磁动势平衡和能量传递一、磁动势平衡和能量传递磁动势平衡关系磁动势平衡关系 13 33 3变压器的负载运行变压器的负载运行 2 2能量传递能量传递(3-15)上式说明,通过一次、二次绕组的磁动势平衡和上式说明,通过一次、二次绕组的磁动势平衡和电磁感应关系,一次绕组从电源吸收的电功率就电磁感应关系,一次绕组从电源吸收的电功率就传递到二次绕组,并输出给负载这就是变压器传递到二次绕组,并输出给负载这就是变压器进行能量传递的原理。进行能量传递的原理。二、磁动势方程二、磁动势方程(316)
17、正常负载时,正常负载时,i i1 1和和i i2 2都随时间正弦变化,此时磁都随时间正弦变化,此时磁动势方程可用复数表示为:动势方程可用复数表示为:三、漏磁通和漏磁电抗三、漏磁通和漏磁电抗漏磁通漏磁通在实际变压器中,除了通过铁心、并与一次在实际变压器中,除了通过铁心、并与一次和二次绕组相交链的主磁通和二次绕组相交链的主磁通之外,还有少量之外,还有少量仅与一个绕组交链且主要通过空气或油而闭仅与一个绕组交链且主要通过空气或油而闭合的漏磁通。合的漏磁通。(3-17)(3-18)X1和和X2分别称为一次和二次绕组的漏磁电抗,分别称为一次和二次绕组的漏磁电抗,简称漏抗简称漏抗X1=L1,X2=L2漏抗是
18、表征绕组漏磁效应的一个参数。漏抗是表征绕组漏磁效应的一个参数。漏磁电抗漏磁电抗一、变压器的基本方程一、变压器的基本方程3 34 4 变压器的基本方程和等效电路变压器的基本方程和等效电路(319)相应的复数形式相应的复数形式 根据基尔霍夫第二定律,即可写出一次根据基尔霍夫第二定律,即可写出一次和二次侧的电压方程为和二次侧的电压方程为(3-20)变压器的基本方程为变压器的基本方程为(3-21)变压器负载运行时的物理过程和方程式:变压器负载运行时的物理过程和方程式:小结小结小结小结变压器的基本方程:变压器的基本方程:综合分析,综合分析,变压器稳态运行时的六个基本方程式变压器稳态运行时的六个基本方程式
19、各电磁量之间同时满足这六个方程各电磁量之间同时满足这六个方程利用利用,k,Z1,Z2,Zm,ZL求解出求解出,。二、变压器的等效电路二、变压器的等效电路在研究变压器的运行问题时,希望有一个既能正确反映变压在研究变压器的运行问题时,希望有一个既能正确反映变压器内部电磁关系,又便于工程计算的等效电路,来代替具有器内部电磁关系,又便于工程计算的等效电路,来代替具有电路、磁路和电磁感应联系的实际变压器。下面从变压器的电路、磁路和电磁感应联系的实际变压器。下面从变压器的基本方程出发,导出此等效电路。基本方程出发,导出此等效电路。当当k k较大时,较大时,变压器原、副边电压相差很大,为计算和作变压器原、副
20、边电压相差很大,为计算和作图带来不便。图带来不便。变压器原边和副边没有直接电路的联系,只有磁路的联变压器原边和副边没有直接电路的联系,只有磁路的联系。副边的负载通过磁势影响原边。系。副边的负载通过磁势影响原边。因此只有副边的磁因此只有副边的磁势不变,势不变,原边的物理量没有改变。原边的物理量没有改变。这为折算提供了依据。这为折算提供了依据。这种保持磁势不变而假想改变它的匝数与电流的方法,称这种保持磁势不变而假想改变它的匝数与电流的方法,称折合算法折合算法。通常是把二次绕组归算到一次绕组,也就是假想把二次绕通常是把二次绕组归算到一次绕组,也就是假想把二次绕组的匝数变换成一次绕组的匝数,而不改变一
21、次和二次绕组的匝数变换成一次绕组的匝数,而不改变一次和二次绕组原有的电磁关系。组原有的电磁关系。(A)方法)方法建立等效电路,除了需要把一次和二次侧磁通的效果作建立等效电路,除了需要把一次和二次侧磁通的效果作为漏抗压降,主磁通和铁心线的效果作为激磁阻抗来处为漏抗压降,主磁通和铁心线的效果作为激磁阻抗来处理外,还需要进行绕组归算。理外,还需要进行绕组归算。绕组归算绕组归算(B)原则)原则归算前后二次绕组的磁动势保持不变,则一次绕组将从归算前后二次绕组的磁动势保持不变,则一次绕组将从电网吸收同样大小的功率和电流,并有同样大小的功率电网吸收同样大小的功率和电流,并有同样大小的功率传递给二次绕组。传递
22、给二次绕组。.(1)(1)电流的归算电流的归算:(3-22)(2)电势的归算电势的归算:(3-23)(3)阻抗的折算:)阻抗的折算:将二次侧电压方程式乘将二次侧电压方程式乘K得:得:或利用功率平衡或利用功率平衡也可以得到:也可以得到:注意:注意:1)折算前后阻抗角、功率因素)折算前后阻抗角、功率因素不变不变2)折算前后二次侧铜耗不变)折算前后二次侧铜耗不变3)折算前后的输出功率不变)折算前后的输出功率不变归算后,变压器的基本方程变为归算后,变压器的基本方程变为:(3-30)由此可得其相量图如下:由此可得其相量图如下:折算法只是一种折算法只是一种分析的方法分析的方法。凡是单位为。凡是单位为伏伏的
23、物理量(电动的物理量(电动势、电压)的折算值等于原来数值势、电压)的折算值等于原来数值乘乘k;单位为;单位为欧欧的物理量的物理量(电阻、电抗、阻抗)的折算值等于原来数值(电阻、电抗、阻抗)的折算值等于原来数值乘乘k2;电流电流的的折算值等于原来的数值折算值等于原来的数值乘以乘以1/k.(已没有变比k)副边绕组经折算后,副边绕组经折算后,原来的基本方程成为:原来的基本方程成为:小结小结T形等效电路形等效电路 一次和二次绕组的等效电路,如图一次和二次绕组的等效电路,如图2lOa和和b所示;所示;根据第四式可画出激磁部分的等效电路,如图根据第四式可画出激磁部分的等效电路,如图2-10c所示。然后根据
24、所示。然后根据 两式,把这三个电路连接在一起,即可得到变压器两式,把这三个电路连接在一起,即可得到变压器的的T形等效电路,如图形等效电路,如图211所示。所示。近似和简化等效电路近似和简化等效电路 T形等效电路属于复联电路,计算起来比较繁复。对形等效电路属于复联电路,计算起来比较繁复。对于一般的电力变压器,额定负载时一次绕组的漏阻抗于一般的电力变压器,额定负载时一次绕组的漏阻抗压降仅占额定电压的百分之几,加上激磁电流又远小压降仅占额定电压的百分之几,加上激磁电流又远小于额定电流,因此把于额定电流,因此把T形等效电路中的激磁分支从电形等效电路中的激磁分支从电路的中间移到电源端,对变压器的运行计算
25、不会带来路的中间移到电源端,对变压器的运行计算不会带来明显的误差。这样,就可得到图明显的误差。这样,就可得到图212a所示近似等所示近似等效电路。效电路。若进一步忽略激磁电流若进一步忽略激磁电流(即把激磁分支断开即把激磁分支断开)则则等效电路将简化成一串联电路,如图等效电路将简化成一串联电路,如图212b所所示,此电路就称为简化等效电路。在简化等效电示,此电路就称为简化等效电路。在简化等效电路中,变压器的等效阻抗表现为一串联阻抗。路中,变压器的等效阻抗表现为一串联阻抗。(3-31)例见书中。一、开路试验一、开路试验 开路试验亦称空载试验,试验的接线图如开路试验亦称空载试验,试验的接线图如图图2
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