第四章_變壓器.ppt

1、第四章 變壓器,第一節(jié) 變壓器的工作原理,一、變壓器的工作原理,(1)變壓器的主要部件鐵心和套在鐵心上的兩個(gè)繞組。 (2)兩繞組只有磁耦合沒(méi)電聯(lián)系。 (3)在一次繞組中加上交變電壓，產(chǎn)生交鏈一、二次繞組的交變磁通，在兩繞組中分別感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。,構(gòu)成變壓器磁路的主要部分。,當(dāng)鐵心內(nèi)的磁通發(fā)生交變時(shí)，在繞組內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。,理想變壓器模型為,電工慣例：,電工慣例用于規(guī)定變壓器中物理量的正方向。規(guī)定： （1）在同一支路中，電壓和電流的正方向一致； （2）磁通正方向與電流正方向符合右手螺旋法則； （3）由交變磁通量產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)正方向與產(chǎn)生該磁通量的電流正方向一致，并有e=-(d/dt)的關(guān)系。,A X

2、,（1）當(dāng)電流由A流到X時(shí)，A點(diǎn)的電位高于X點(diǎn)的電位,（2）當(dāng)電流由A流到X時(shí)，按照右手螺旋法則確定磁通。,忽略繞組的電阻壓降，則端電壓只能由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)平衡。 u1e1=0,K匝比,忽略鐵心中的損耗，根據(jù)能量守恒定律，有：,認(rèn)為變壓器只是單純的將能量由原邊（一次側(cè)）傳遞到了副邊（二次側(cè)）。 變壓器實(shí)際上是以磁場(chǎng)為介質(zhì)進(jìn)行了電能的轉(zhuǎn)換。,二、變壓器的分類,按用途分：電力變壓器和特種變壓器。,按繞組數(shù)目分：?jiǎn)卫@組（自耦）變壓器、雙繞組變壓器、三繞組變壓器和多繞組變壓器。,按相數(shù)分：?jiǎn)蜗嘧儔浩鳌⑷嘧儔浩骱投嘞嘧儔浩鳌?按鐵心結(jié)構(gòu)分：芯式變壓器和殼式變壓器。,按調(diào)壓方式分：無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓變壓器和有載調(diào)壓

3、變壓器。,按冷卻介質(zhì)和冷卻方式分：干式變壓器、油浸式變壓器和充氣式變壓器。,電源變壓器,電力變壓器,控制變壓器,接觸調(diào)壓器,三相干式變壓器,三、變壓器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介,鐵心變壓器中主要的磁路部分，分為鐵心柱與鐵軛兩部分。變壓器鐵心一般采用0.230.35mm厚的取向硅鋼片疊壓而成。,繞組變壓器中的電路部分。,油浸式電力變壓器,1信號(hào)式溫度計(jì) 2吸濕器 3儲(chǔ)油柜 4油位計(jì) 5安全氣道 6氣體繼電器 7高壓套管 8低壓套管 9分接開(kāi)關(guān) 10油箱 11鐵心 12線圈 13放油閥門,變壓器的額定值,額定容量為變壓器的視在功率（用SN 表示，單位 kVA ，VA）,額定電壓（一次和二次繞組上分別為U1N 和U

4、2N ，單位V, kV）,額定電流（一次和二次繞組上分別為I1N 和I2N ，單位 A , kA）,單相變壓器,三相變壓器,額定頻率fN 我國(guó)的規(guī)定為50Hz,思考：變壓器為什么不將功率作為額定值？,變壓器為什么不將功率作為額定值？,額定頻率：50Hz,額定容量：910kVA,額定電壓（一次側(cè)）：6300V,額定電壓（二次側(cè)）：400/231V,額定電流（一次側(cè)）：83.4A,額定電流（二次側(cè)）：1313A,解：,第二節(jié) 單相變壓器的空載運(yùn)行,一 空載運(yùn)行時(shí)的物理情況,變壓器空載條件： 一次側(cè)加上交流電壓，二次側(cè)開(kāi)路。 （1）一次側(cè)加上交流電壓后，產(chǎn)生交流電流； （2）交流電流在鐵心中產(chǎn)生交變

5、的磁通（含主磁通和漏磁通）； （3）交變的磁通在一次、二次側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；,一次繞組和二次繞組的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式,i0 空載電流；u20 二次繞組的空載電壓；R1 一次繞組的電阻。m 主磁通；1 一次繞組漏磁通。,電感計(jì)算方法： (m ) Fm (1/ Rm 1/ R) e-N1d (m ) /dt = -N12 (1/ Rm 1/ R)(di0 /dt) = - (Lm+ L1 )(di0 /dt)= e1+e1,互感計(jì)算方法： mFm / Rm =N1 i0 / Rm e2-N2(dm /dt) = -N1N2/ Rm (di0 /dt) = -M (di0 /dt),1、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與主

6、磁通,以上兩式說(shuō)明： （1）感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1 和e2 與m的相位關(guān)系：均滯后于的電角度90； （2） e1 和e2 是正弦交變信號(hào)，其有效值與m的關(guān)系為,4.441.414 電機(jī)學(xué)中一個(gè)非常重要的參數(shù)。,2、空載電流,空載電流包含兩個(gè)分量， 一個(gè)是勵(lì)磁分量，作用是建立磁場(chǎng)，產(chǎn)生主磁通無(wú)功分量Iu； 另一個(gè)是鐵損耗分量，作用是供變壓器鐵心損耗有功分量IFe。,性質(zhì)：由于空載電流的無(wú)功分量遠(yuǎn)大于有功分量，所以空載電流主要是感性無(wú)功性質(zhì)也稱勵(lì)磁電流；,大?。号c電源電壓和頻率、線圈匝數(shù)、磁路材質(zhì)及幾何尺寸有關(guān)，用空載電流百分?jǐn)?shù) I0% 來(lái)表示：一般為額定電流的2%-10%,方向： Iu與主磁通同相位；

7、IFe超前主磁通90；所以I0超前主磁通一個(gè)鐵損角,3、漏磁通和漏電抗,漏電動(dòng)勢(shì)E 1,漏電抗是由漏磁通所產(chǎn)生的，它是表征漏磁通對(duì)于變壓器影響所引入的一個(gè)參數(shù)。 漏磁通的磁路為空氣、油等非鐵磁材料，漏磁通與空載電流為線性關(guān)系 主磁通同時(shí)交鏈一、二次繞組，起傳遞能量的作用；漏磁通只交鏈一次繞組，不傳遞能量,漏電感計(jì)算方法： Fm / R =N1 i0 / R e2-N1(d /dt) = -N12 / R (di0 /dt) = - L1 (di0 /dt),二、空載運(yùn)行時(shí)的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式、向量圖及等效電路,研究交流正弦電路的最有效手段就是相量法以及由此引出的向量圖。,變壓器運(yùn)行時(shí)相量形式的電

8、動(dòng)勢(shì)平衡方程式為：,如果不計(jì)變壓器飽和的影響，可以講感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)表示為勵(lì)磁電流流過(guò)一個(gè)阻抗所產(chǎn)生的壓降：,一次繞組漏阻抗,變壓器勵(lì)磁阻抗,變壓器勵(lì)磁電抗,變壓器勵(lì)磁電阻,變壓器的一次繞組阻抗、勵(lì)磁阻抗可以采用如下方式計(jì)算:,根據(jù)變壓器一次側(cè)電動(dòng)勢(shì)平衡方程式，可以畫(huà)出變壓器空載電路圖：,一次繞組電阻,變壓器勵(lì)磁電阻,一次繞組漏電抗,變壓器勵(lì)磁電抗,一次繞組漏阻抗,變壓器勵(lì)磁阻抗,第三節(jié) 單相變壓器的基本方程式,變壓器一次側(cè)接在額定頻率、額定電壓的交流電源上，二次接上負(fù)載的運(yùn)行狀態(tài)，稱為負(fù)載運(yùn)行。,一 負(fù)載運(yùn)行時(shí)的物理情況,條件： 電源電壓恒定，即U1=常數(shù)，則E1常數(shù)，m常數(shù)。 結(jié)果： 新的電動(dòng)勢(shì)

9、平衡的條件是使一次繞組的電流增量所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)與二次繞組電流所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)相抵消，以維持主磁通基本不變，以及由主磁通所感應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)基本不變。,例如一臺(tái)變壓器一次側(cè)額定電壓為10kV，一次側(cè)漏阻抗為7.14歐姆，當(dāng)變壓器工作在額定電流36.4A時(shí)，可知此時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最小值為9740V。,二、負(fù)載運(yùn)行時(shí)的基本方程式,1、磁動(dòng)勢(shì)平衡方程式,變壓器負(fù)載時(shí)一次側(cè)所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)為,變壓器負(fù)載時(shí)二次側(cè)所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)為,變壓器在空載和負(fù)載時(shí)，主磁通近似不變，負(fù)載時(shí)凈的磁動(dòng)勢(shì)應(yīng)等于空載時(shí)的磁動(dòng)勢(shì),磁動(dòng)勢(shì)平衡方程,負(fù)載時(shí)變壓器一次側(cè)電流分為兩個(gè)部分： （1）維持主磁通的勵(lì)磁分量； （2）補(bǔ)償二次側(cè)磁動(dòng)勢(shì)的負(fù)載

10、分量；,2、電動(dòng)勢(shì)平衡方程式,一次、二次繞組的電阻,一次、二次繞組的漏電抗,一次、二次繞組的漏阻抗,變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)基本方程式,(1)磁動(dòng)勢(shì)平衡方程,(2)一次側(cè)電壓平衡方程,(3)二次側(cè)電壓平衡方程,(4)一次側(cè)電動(dòng)勢(shì)方程,(5)變比方程,(6)二次側(cè)負(fù)載方程,(1)磁動(dòng)勢(shì)平衡方程,(2)一次側(cè)電壓平衡方程,(3)二次側(cè)電壓平衡方程,(4)一次側(cè)電動(dòng)勢(shì)方程,(5)變比方程,(6)二次側(cè)負(fù)載方程,這樣處理以后，E1E2 , 這說(shuō)明一、二次繞組（虛擬的二次繞組）具有相同的匝數(shù)。 這可以簡(jiǎn)化變壓器的計(jì)算，所求的虛擬值（如二次側(cè)的電壓、電流、電動(dòng)勢(shì)）乘以一個(gè)系數(shù)后就可以得到真實(shí)值。,二次側(cè)真實(shí)值與虛

11、擬值之間的關(guān)系為,變壓器的變比,第四節(jié) 變壓器的等效電路及相量圖,第四節(jié) 變壓器的等效電路及相量圖,一、繞組歸算,將變壓器的二次（或一次）繞組用另一個(gè)繞組（匝數(shù)變化）來(lái)等效，同時(shí)，對(duì)該繞組的電磁量（電壓、電流、阻抗）作相應(yīng)的變換，以保持兩側(cè)的電磁關(guān)系不變。,歸算原則： 1）保持二次側(cè)磁動(dòng)勢(shì)不變； 2）保持二次側(cè)各功率或損耗不變。,首先利用一個(gè)與一次側(cè)繞組的匝數(shù)相同的繞組來(lái)替代二次繞組，變壓器一次和二次繞組具有同樣的匝數(shù)，即,（一）電動(dòng)勢(shì)和電壓的歸算,在相同的交變主磁通m時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)滿足,歸算系數(shù)為,以“伏”為單位的物理量，歸算值與實(shí)際值的關(guān)系為 歸算值實(shí)際值歸算系數(shù)（變比）,（二）電流的歸算

12、,在采用虛擬繞組替代真實(shí)繞組以后，來(lái)討論一下二次側(cè)虛擬繞組中的電流和二次側(cè)真實(shí)電流之間的關(guān)系。 電流歸算的原則是：兩種繞組內(nèi)二次側(cè)電流所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)不變,得到電流歸算關(guān)系為,以“安”為單位的物理量，歸算值與實(shí)際值的關(guān)系為 歸算值實(shí)際值 / 歸算系數(shù)（變比）,（三）阻抗的歸算,阻抗歸算的原則：歸算前后電阻銅耗及漏感中無(wú)功功率不變。,歸算后變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)的基本方程式變?yōu)槿缦滦问剑?二 、等效電路,若a、b之間的電位差和b、d之間的電位差同相，聯(lián)接a、b和c、d以后不會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。因此省略二次側(cè)繞組，,二次繞組各量均已經(jīng)歸算到一次繞組，即,（1）將一次側(cè)和二次側(cè)的漏阻抗提出以后，一次側(cè)和二次側(cè)繞組（

13、a、c端和b、d端）構(gòu)成了變比為1的理想變壓器； （2）若a、b之間的電位差和b、d之間的電位差同相，聯(lián)接a、b和c、d以后不會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。因此省略二次側(cè)繞組； （3）二次側(cè)繞組省略以后，二次側(cè)電流流入a端。,二 、等效電路,作出變壓器的T形等效電路。,三 、相量圖,根據(jù)T形等效電路，可以畫(huà)出相應(yīng)的相量圖。,四 、近似等效電路圖,一臺(tái)變壓器的參數(shù)為Z13.5，Zm2637 ，Zm 遠(yuǎn)大于Z1，可以將勵(lì)磁支路向前移動(dòng)，得到形等效電路,勵(lì)磁支路前移，不會(huì)對(duì)變壓器的分析的準(zhǔn)確性造成太大影響,rs、xs和Zs分別稱為短路電阻、短路電抗和短路阻抗。,若進(jìn)一步簡(jiǎn)化，可以忽略掉勵(lì)磁支路，得到近似等效電路,省去

14、勵(lì)磁支路,第五節(jié) 等效電路的參數(shù)測(cè)定,一、空載試驗(yàn),通過(guò)測(cè)量:(1)空載電流；(2)一、二次電壓；(3)空載功率 得到的參數(shù)為（1）變比；（2）空載電流百分?jǐn)?shù)；（3）鐵耗和勵(lì)磁阻抗,變壓器空載運(yùn)行時(shí)，可以認(rèn)為輸入功率p0完全用來(lái)抵償鐵耗。,(1)二次繞組的電流較小，可以忽略繞組電阻損耗； (2)電壓等于額定電壓，因此磁通等于額定時(shí)候的磁通，因此此時(shí)的損耗主要為鐵耗，且近似等于額定時(shí)候的鐵耗,從空載運(yùn)行的等效電路得出,變壓器的空載實(shí)驗(yàn)一般是在低壓側(cè)完成，計(jì)算得到的勵(lì)磁阻抗需要折算到高壓側(cè)，即乘以變比的平方。,二、負(fù)載試驗(yàn)(又稱短路試驗(yàn)）,通過(guò)測(cè)量（1）短路電流；（2）短路電壓；（3）短路功率。

15、計(jì)算：（1）變壓器的短路電壓百分?jǐn)?shù)；（2）銅損；（3）短路阻抗。,高壓側(cè)加電壓，低壓側(cè)短路；由于外加電壓很小，主磁通很少，鐵損耗很少，忽略鐵損。,（2）短路阻抗計(jì)算,（1）銅耗計(jì)算,考慮到變壓器運(yùn)行時(shí)的溫升對(duì)參數(shù)的影響，電阻隨著溫度變化，電抗不隨溫度變化。,折算到75時(shí)的數(shù)值,阻抗電壓 負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)繞組中電流達(dá)到額定值，加在一次繞組上的短路電壓。用一次側(cè)額定電壓的百分值表示。,標(biāo)么值,標(biāo)么值,就是指某一物理量的實(shí)際值與選定的同一單位的基準(zhǔn)值的比值,即,一、定義,二、基準(zhǔn)值的確定,1、通常以額定值為基準(zhǔn)值。,2、各側(cè)的物理量以各自側(cè)的額定值為基準(zhǔn)； 線值以額定線值為基準(zhǔn)值，相值以額定相值為基準(zhǔn)

16、值； 單相值以額定單相值為基準(zhǔn)值，三相值以額定三相值為基準(zhǔn)值；,3、,三、優(yōu)點(diǎn),四、缺點(diǎn),標(biāo)么值沒(méi)有單位，物理意義不明確。,3、折算前、后的標(biāo)么值相等。線值的標(biāo)么值=相值的標(biāo)么值； 單相值的標(biāo)么值=三相值的標(biāo)么值；,1、額定值的標(biāo)么值為1。,2、百分值=標(biāo)么值100% ；,4、某些意義不同的物理量標(biāo)么值相等,第六節(jié) 三相變壓器,一、三相變壓器的電路系統(tǒng)聯(lián)結(jié)組,1、聯(lián)結(jié)法,星形聯(lián)結(jié) 三角形聯(lián)結(jié),X,Y,Z,A(Y),C,A(Z),C(Y),B,B(X),A(Y),C(X),B(Z),2 繞在同一鐵心柱上的高、低壓繞組（單相變壓器）電動(dòng)勢(shì)關(guān)系,單相變壓器（三相變壓器的一相）的一次側(cè)、二次側(cè)交鏈同一

17、磁通，當(dāng)主磁通交變時(shí)，某一瞬間，若一次側(cè)所加電壓為正（A端相對(duì)于X端），若隨意標(biāo)注二次側(cè)的a、x端,那么： （1）a端相對(duì)于x端為正；（2）換一種標(biāo)注方法， a端相對(duì)于x端為負(fù) 第一種標(biāo)注方法下，A、a端X、x分別構(gòu)成同名端。 第一種標(biāo)注方法下，A、x端X、a分別構(gòu)成同名端。,三相變壓器連接組標(biāo)號(hào)的確定： 三相繞組，可以采用不同的聯(lián)接，使得變壓器一次、二次電壓之間出現(xiàn)不同的相位差。通常采用“時(shí)鐘法”表示。 畫(huà)連接組的步驟： 畫(huà)出一次側(cè)的連接方式，并標(biāo)注好每一個(gè)端子對(duì)應(yīng)的位置（對(duì)于三角形連接，需注意端子是如何重合的）； 判斷二次側(cè)三相繞組分別與哪一相同相或者反相。若一次側(cè)與二次側(cè)采用同名端抽頭，

18、則一次、二次側(cè)同相，否則反相； 按照順時(shí)針?lè)较?，一次?cè)、二次側(cè)必須要按a、b、c順序出現(xiàn)。,X,Y,Z, (x,y,z),A,C,B,c,a,b,Yy0連接組,Yy0連接組,Yy4連接組,Yy8連接組,Yy6連接組,Yy10連接組,Yy2連接組,A,C,B,c(x),a(y),b(z),A,C,B,c(x),a(y),b(z),Yd11連接組,Yd11連接組,Yd3連接組,Yd7連接組,Yd5連接組,Yd9連接組,Yd1連接組,A(Y),C(X),B(Z),xyz,a,b,c,Dy3連接組,三相變壓器的連接組編號(hào)要標(biāo)注在變壓器的銘牌上，用大小寫(xiě)字母分別表示高壓、低壓繞組的連接形式， 對(duì)于Y聯(lián)接

19、，若有中性點(diǎn)引出需要，用N表示。 例如一臺(tái)變壓器，有高壓、中壓和低壓三套繞組，那么一種連接組編號(hào)可以寫(xiě)為： YNyn0d11,二、三相變壓器的磁路系統(tǒng),a)單相芯式鐵心的合并 b)鐵心的演變 c)三相芯式鐵心,三 三相變壓器的電路系統(tǒng)和磁路系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)勢(shì)波形影響,當(dāng)變壓器一次側(cè)加上正弦交流電壓以后，一次側(cè)端電壓、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、主磁通滿足如下關(guān)系,當(dāng)變壓器所加電壓為正弦變化時(shí)，其主磁通必然為正弦變化,為了保證磁通正弦變化，勵(lì)磁電流必然會(huì)產(chǎn)生畸變。 勵(lì)磁電流中除了含有基波外，還含有一系列諧波分量。,在某些場(chǎng)合，勵(lì)磁電流的三次諧波分量無(wú)法形成回路（在星形連接中，三相的三次諧波處于同相位），不會(huì)在一次側(cè)繞

20、組中出現(xiàn)，這必將導(dǎo)致磁通波形發(fā)生畸變。,Yy聯(lián)接的三相變壓器中的電動(dòng)勢(shì) （1）三相組式變壓器 在三相組式變壓器中，三次諧波磁通也將在變壓器的鐵心中流通，從而感應(yīng)出三次諧波電動(dòng)勢(shì),三次諧波電動(dòng)勢(shì)的幅值計(jì)算為,即使較小的三次諧波磁通，也能產(chǎn)生較大的三次諧波電動(dòng)勢(shì)，可以達(dá)到基波的4560，這在應(yīng)用中必須加以避免,（2）三相芯式變壓器 在三相芯式變壓器中，三次諧波磁通的磁路主要是非鐵磁材料，磁路磁阻較大，三次諧波磁通明顯削弱，對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)影響較小。 但是三相諧波磁通交變頻率較高，會(huì)在其經(jīng)過(guò)的磁路中的鐵磁材料中感應(yīng)較大的渦流，產(chǎn)生較大的附加損耗，降低變壓器效率，引起局部過(guò)熱。,Yd、Dy聯(lián)接的三相變壓器

21、 此時(shí)，三相變壓器能夠 （1）在一次側(cè)形成三次諧波電流通路 （2）或者在二次側(cè)形成三次諧波電流通路， 從而改善變壓器的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),第七節(jié) 變壓器的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行,變壓器的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行有兩種情形，（1）一臺(tái)變壓器單獨(dú)運(yùn)行；（2）多臺(tái)變壓器的并聯(lián)運(yùn)行。 表征變壓器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的主要指標(biāo)有兩個(gè)（1）變壓器帶負(fù)載以后端電壓的變化；（2）變壓器的效率。,一、變壓器帶負(fù)載時(shí)二次側(cè)端電壓的變化 變壓器二次側(cè)接上負(fù)載以后，必然會(huì)有一部分電壓降在變壓器內(nèi)部(變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的漏阻抗)。 變壓器二次側(cè)的端電壓隨負(fù)載變化的規(guī)律用變壓器的外特性表示，變壓器的外特性不僅與變壓器的二次側(cè)電流大小有關(guān)，而且與負(fù)載的功率因數(shù)有關(guān)。,1、變壓器的電壓調(diào)整率,電壓調(diào)整率u規(guī)定為： 一次側(cè)加額定負(fù)載電壓（U1N）、負(fù)載功率因數(shù)為一定值（cos2const），空載與負(fù)載時(shí)二次側(cè)端電壓之差，用二次側(cè)額定電壓的百分值表示，即,電壓調(diào)整率u的計(jì)算方法：,對(duì)變壓器電壓調(diào)整率的說(shuō)明： 決定變壓器的電壓調(diào)整率的幾個(gè)因素為：變壓器的短路參數(shù)（Rk和Xk）、變壓器的負(fù)載系數(shù)（）及負(fù)載的功率因數(shù)有關(guān)。變壓器的短路參數(shù)中， Rk0，但其絕對(duì)值較?。?（2）若負(fù)載為阻感性負(fù)載，cos2、 sin20，u0，但其絕對(duì)值較大； （3）若負(fù)載為容性負(fù)載，cos20、 sin20 都可能存在 ；,變壓器的電壓調(diào)節(jié)特性（外特性）為： 條件：一次側(cè)加額