《電機(jī)技術(shù)應(yīng)用》課件 1.2.5 變壓器的運(yùn)行特性

變壓器的運(yùn)行特性變壓器

標(biāo)幺值

在工程計(jì)算中，各物理量除了采用實(shí)際值來(lái)表示和計(jì)算外，有時(shí)也用標(biāo)幺值。標(biāo)幺值就是某一物理量的實(shí)際值與選定對(duì)應(yīng)物理量的基值之比。

標(biāo)幺值為相對(duì)值，無(wú)量綱。在進(jìn)行電路計(jì)算時(shí)，四個(gè)基本物理U、I、S、Z，兩個(gè)基值任選，另外兩個(gè)的基值按電路理論計(jì)算。一般選取電壓和電流的基值Ub、Ib，其他兩個(gè)量的基值由計(jì)算得到。對(duì)單相系統(tǒng)，功率和阻抗基值分別為：注意：功率基值即是有功功率也是無(wú)功功率的基值，也是視在功率的基值。阻抗基值即是電阻基值又是電抗基值

在變壓器和電機(jī)中，通常選擇額定電壓和額定電流作為基值。此時(shí)額定電壓、電流和額定視在功率的標(biāo)幺值為1，更簡(jiǎn)潔。以額定相電壓UNφ和額定相電流INφ作為相電壓和相電流基值時(shí)，有：一次和二次側(cè)相電壓的標(biāo)幺值：一次和二次側(cè)相電流的標(biāo)幺值:

各量的標(biāo)幺值在三相電路中，相電壓和線電壓的標(biāo)幺值恒相等，相電流和線電流的標(biāo)幺值恒相等。功率的基值：可見(jiàn)，一、二次側(cè)具有相同的功率基值

各量的標(biāo)幺值單相三相（UNφ：相電壓）一次和二次側(cè)阻抗的標(biāo)幺值：

標(biāo)幺值的特點(diǎn)(1)用標(biāo)幺值表示時(shí)，不論變壓器或電機(jī)容量的大小，各個(gè)參數(shù)和典型性能數(shù)據(jù)通常都在一定范圍以?xún)?nèi)，因此便于比較和分析。如電力變壓器的短路阻抗標(biāo)幺值Zk*=0.03~0.10，如果求出的短路阻抗標(biāo)幺值不在此范圍內(nèi)，就應(yīng)核查一下是否存在計(jì)算或設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

(2)用標(biāo)幺值表示時(shí)，原、副邊各物理量不需進(jìn)行折算，便于計(jì)算。(3)采用標(biāo)幺值能直觀地表示變壓器的運(yùn)行情況。如一臺(tái)變壓器端電壓和電流為35kV、20A，從這些數(shù)據(jù)不能判斷變壓器的情況，但從Uk*=1.0、Ik*=0.6，說(shuō)明這臺(tái)變壓器欠載運(yùn)行。

標(biāo)幺值的特點(diǎn)(5)標(biāo)幺值的缺點(diǎn)是沒(méi)有量綱，無(wú)法用量綱關(guān)系來(lái)檢查。(4)用標(biāo)幺值表示時(shí),可使物理性質(zhì)不同的量用相同的數(shù)值表示，公式可以得到簡(jiǎn)化，比如

電壓變化率

由于變壓器內(nèi)部存在著電阻和漏抗，負(fù)載時(shí)產(chǎn)生電阻壓降和漏抗壓降，導(dǎo)致次級(jí)電壓隨負(fù)載電流變化而變化。電壓變化率是指變壓器一次繞組加額定電壓，負(fù)載的功率因數(shù)一定，空載與額定負(fù)載時(shí)二次側(cè)端電壓之差（U20-U2）與額定電壓U2N的比值。電壓變化率是變壓器的一個(gè)重要指標(biāo)，它的大小反映了供電電壓的穩(wěn)定性。電壓變化率的大小與負(fù)載大小、性質(zhì)及變壓器的本身參數(shù)有關(guān)。

忽略勵(lì)磁電流時(shí)：

電壓變化率

一般的電力變壓器，cosφ2≈1時(shí)，ΔU%≈2％～3％；cosφ2≈0.8時(shí)，ΔU%≈4％～6％。一般情況下照明電源電壓波動(dòng)不超過(guò)±5％，動(dòng)力電源電壓波動(dòng)不超過(guò)+10％～—5％。β=I1/I1N=I2/I2N=I1*=I2*————變壓器的負(fù)載系數(shù)

外特性

變壓器空載運(yùn)行時(shí)，若一次側(cè)電壓U1不變，則二次側(cè)電壓U2也不變。變壓器加上負(fù)載之后，隨著負(fù)載電流I2的增加，I2在二次繞組內(nèi)的阻抗壓降也會(huì)增加，使二次側(cè)的電壓U2隨之發(fā)生變化。定義：U1、cosφ

2為常數(shù)時(shí)，副邊電壓隨副邊電流變化的關(guān)系曲線U2=f(I2)

另一方面，由于一次側(cè)電流I1隨I2增加，因此一次側(cè)漏阻抗的壓降也增加，一次側(cè)電動(dòng)勢(shì)E1和二次側(cè)電動(dòng)勢(shì)E2會(huì)有所下降，也會(huì)影響二次側(cè)的輸出電壓U2。1、阻感性負(fù)載：

2>0，cos

2>0，sin

2>0∵Rk*cos

2>0，Xk*sin

2>0∴

U>0，說(shuō)明：1）負(fù)載后U2<U20=U2N；2）隨著I2↑→U↑，U2↓，外特性曲線向下傾斜。2、阻容性負(fù)載：

2<0，cos

2>0，sin

2<0∵Rk*cos

2>0，Xk*sin

2<0，Rk*<<Xk*；一般情況│Rk*cos

2│<│Xk*sin

2│,∴

U<0,說(shuō)明：1）負(fù)載后U2>U20=U2N；2)隨著I2↑→│

U│>0↑,U2↑，外特性曲線向上傾斜。

外特性3、純阻性負(fù)載：

2=0，cos

2=1，sin

2=0，

∵Rk*很小∴隨著I2↑→

U很小，外特性曲線稍向下傾斜。

外特性

負(fù)載功率因數(shù)性質(zhì)不同，對(duì)主磁通的影響不同，變壓器的端電壓變化亦不同。純電阻負(fù)載，端電壓變化較小，電壓變化率基本為零；感性負(fù)載時(shí)主磁通Φ呈去磁作用，為了維持Φ不變，必須使原邊電流增加，同時(shí)短路阻抗壓降也增加，其結(jié)果造成副邊電壓下降，電壓變化率為正值；容性負(fù)載對(duì)主磁通Φ呈增磁作用，為了維持Φ不變，必須減小原邊電流，除了補(bǔ)償短路阻抗壓降外，其余部分使副邊電壓增高，電壓變化率為負(fù)值。變壓器的損耗鐵耗

包括基本鐵耗和附加鐵耗。基本鐵耗為變壓器鐵芯中的磁滯損耗和渦流損耗。附加損耗包括由鐵心疊片間絕緣損傷引起的局部渦流損耗、主磁通在結(jié)構(gòu)部件中引起的渦流損耗等。鐵損耗可近似認(rèn)為與Bm2或U12成正比，由于變壓器的一次電壓保持不變,故鐵耗可視為不變損耗。

變壓器運(yùn)行時(shí)將產(chǎn)生損耗，變壓器的損耗分為銅耗和鐵耗兩類(lèi)。每一類(lèi)又包括基本損耗和附加損耗。變壓器的損耗銅耗

包括基本銅耗和附加銅耗?；俱~耗是電流在一、二次繞組電阻上的損耗；附加損耗包括因集膚效應(yīng)引起的損耗以及漏磁場(chǎng)在金屬結(jié)構(gòu)部件引起的渦流損耗等。銅損耗大小與負(fù)載電流平方成正比，故也稱(chēng)為可變損耗。

效率是指變壓器的輸出功率與輸入功率的比值，效率大小反映變壓器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性能的好壞，是表征變壓器運(yùn)行性能的重要指標(biāo)之一。其中效率效率特性定義：在功率因數(shù)一定時(shí)，變壓器的效率與負(fù)載電流之間的關(guān)系η=f(β),稱(chēng)為變壓器的效率特性。工程上常用間接法來(lái)計(jì)算效率，即測(cè)出銅耗和鐵耗,再計(jì)算效率。公式如下:

從效率特性可見(jiàn),當(dāng)負(fù)載達(dá)到某一數(shù)值時(shí),效率將達(dá)到最大值ηmax，發(fā)生最大效率時(shí)，變壓器的銅耗恰好等于鐵耗，最大效率為：變壓器的效率與變壓器的功率等級(jí)有密切關(guān)系，通常功率越大，損耗與輸出功率比就越小，效率也就越高；反之，功率越小，效率也就越低。變壓器的效率一般在95%以上，為了提高變壓器的運(yùn)行效益，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使變壓器的鐵耗小些。變壓器長(zhǎng)期工作在額定電壓下，但不可能長(zhǎng)期滿(mǎn)載運(yùn)行，為了提高運(yùn)行效率,設(shè)計(jì)時(shí)取βm=0.4～0.6→P0/PkN=3～6；我國(guó)新S9系列配電變壓器pkN/P0=6～7.5?！⌒碗娏ψ儔浩?ηN

=80%

～90%；

大型電力變壓器:ηN

=98%

～99%。效率特性1、三相變壓器，U1N/U2N=10kV/3.15kV，Y，d11連接，I2N=183.3A，每匝電壓為14.189V。求（1）原副方線圈匝數(shù)；（2）原邊電流及額定容量；（3）變壓器運(yùn)行在額定容量且功率因數(shù)cosφ=1、0.9（超前）、0.8（滯后）時(shí)的負(fù)載功率。解：（1）原方相電壓：副方相電壓：所以（2）思考與練習(xí)（3）因P2=SNcosφ2，則cosφ2=1時(shí)，P2=1000W當(dāng)cosφ2=0.9時(shí)，P2=900W當(dāng)cosφ2=0.85時(shí)，P2=850W2、一單相變壓器，SN=3kVA，U1N/U2N=230/115V，R1=0.3Ω，R2=0.5Ω，PFe=45W，X1σ’=0.8Ω，X2σ’=0.1Ω，額定負(fù)載時(shí)PCu=85W。求：

副方功率因數(shù)為0.9（滯后）時(shí)的電壓變化率。解：所以：思考與練習(xí)故副方cosφ2=0.8(滯后)時(shí)電壓變化率3、三相變壓器的額定值為SN＝1800kVA，U1N/U2N＝6300/3150V，Y，d11聯(lián)結(jié)，空載損耗P0＝6.6kW，短路損耗Pk＝21.2kW，求：（1）當(dāng)輸出電流I2＝I2N，cosφ2=0.8時(shí)的效率；（2）效率最大時(shí)的負(fù)載系數(shù)βm。解：（1）2、當(dāng)Pcu＝PFe時(shí)效率最大，