分析變壓器內(nèi)部電磁過(guò)程講訴.ppt

1、第 6 章 變壓器的基本理論,分析變壓器內(nèi)部的電磁過(guò)程。 分析電壓、電流、磁勢(shì)、磁通、感應(yīng)電 勢(shì)、功率、損耗等物理量之間的關(guān)系。 建立變壓器的等效電路模型和相量圖。 利用等效電路計(jì)算分析變壓器的各種性能。,6.1變壓器的空載運(yùn)行,電磁關(guān)系,一、物理情況,一次側(cè)接額定電壓U1N，二次側(cè)開(kāi)路的運(yùn)行狀態(tài)稱為空載運(yùn)行（i2=0）。 空載時(shí)一次側(cè)繞組中的電流i0為空載(或叫激磁)電流，磁勢(shì)F0=I0N1叫勵(lì)磁磁勢(shì)。 F0產(chǎn)生的磁通分為兩部分，大部分以鐵心為磁路（主磁路），同時(shí)與一次繞組N1和二次繞組N2匝鏈，并在兩個(gè)繞組中產(chǎn)生電勢(shì)e1和e2，是傳遞能量的主要媒介，屬于工作磁通，稱為主磁通。 另一部分磁通

2、僅與原方繞組匝鏈，通過(guò)油或空氣形成閉路，屬于非工作磁通，稱為原方的漏磁通1。 鐵心由高導(dǎo)磁硅鋼片制成，導(dǎo)磁系數(shù)為空氣的導(dǎo)磁系數(shù)的2000倍以上，所以大部分磁通都在鐵心中流動(dòng)，主磁通約占總磁通的99以上，而漏磁通占總磁通的1以下。 e1= -N1 d/dte2= -N2 d/dte1= -N1 d1/dt,各電磁量參考方向的規(guī)定,1）性質(zhì)上： 與 成非線性關(guān)系； 與 成線性關(guān)系； 2）數(shù)量上： 占99%以上， 僅占1%以下； 3）作用上： 起傳遞能量的作用， 起漏抗壓降作用。,主磁通與漏磁通的區(qū)別,強(qiáng)調(diào)：磁通與產(chǎn)生它的電流之間符合右手螺旋定則；電動(dòng)勢(shì)與感應(yīng)它的磁通之間符合右手螺旋定則。,二、感應(yīng)

3、電動(dòng)勢(shì)分析,1.主磁通感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)主電動(dòng)勢(shì),設(shè),則,有效值,相量,同理，二次主電動(dòng)勢(shì)也有同樣的結(jié)論。,可見(jiàn)，當(dāng)主磁通按正弦規(guī)律變化時(shí)，所產(chǎn)生的一次主電動(dòng)勢(shì)也按正弦規(guī)律變化，時(shí)間相位上滯后主磁通 。主電動(dòng)勢(shì)的大小與電源頻率、繞組匝數(shù)及主磁通的最大值成正比。,2.漏磁通感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)漏電動(dòng)勢(shì),漏電動(dòng)勢(shì)也可以用漏抗壓降來(lái)表示，即,根據(jù)主電動(dòng)勢(shì)的分析方法，同樣有,由于漏磁通主要經(jīng)過(guò)非鐵磁路徑,磁路不飽和,故磁阻很大且為常數(shù),所以漏電抗 很小且為常數(shù),它不隨電源電壓負(fù)載情況而變.,三.變壓器的變比k 和電壓比K,a) 變比k：指變壓器1、2次繞組的電勢(shì)之比。 k=E1/E2=(4.44fN1m)/(4.4

4、4fN2m)=N1/N2 變比k等于匝數(shù)比。 一次繞組的匝數(shù)必須符合一定條件： U1 4.44 f N1m 4.44 f N1BmS N1U1/4.44fBmS Bm的取值與變壓器性能有密切相關(guān)。 Bm熱軋硅鋼片1.111.5T；冷軋硅鋼片1.51.7T b)電壓比K：指三相變壓器的線電壓之比 在做三相變壓器聯(lián)結(jié)繞組試驗(yàn)時(shí)用到電壓比K進(jìn)行計(jì)算。K=(UAB/uab+UBC/ubc+UCA/uca)/3,空載電流和空載損耗,一、空載電流,1. 作用與組成,2、性質(zhì)和大小,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；,大小：與電源電壓和頻率、線圈匝數(shù)、磁

5、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：,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)，另一個(gè)是鐵損耗分量 ，主要作用是供鐵損耗。,二、空載損耗,對(duì)于已制成變壓器，鐵損與磁通密度幅值的平方成正比，與電流頻率的1.3次方成正比，即,空載損耗約占額定容量的0.2%1%，而且隨變壓器容量的增大而下降。為減少空載損耗，改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的方向是采用優(yōu)質(zhì)鐵磁材料：優(yōu)質(zhì)硅鋼片、激光化硅鋼片或應(yīng)用非晶態(tài)合金。,四、 空載時(shí)的電動(dòng)勢(shì)方程、等效電路和相量圖,電動(dòng)勢(shì)平衡方程和變比,1、電動(dòng)勢(shì)平衡平衡方程,（1）一次側(cè)電動(dòng)勢(shì)平衡方程,忽略很小的漏阻抗壓降，并寫成有效值形式，有,則,可見(jiàn)，影響主磁通

6、大小的因素有電源電壓和頻率，以及一次線圈的匝數(shù)。,重要公式,（2）二次側(cè)電動(dòng)勢(shì)平衡方程,2、變比,定義,對(duì)三相變壓器，變比為一、二次側(cè)的相電動(dòng)勢(shì)之比，近似為額定相電壓之比，具體為,Y，d接線,D，y接線,空載時(shí)的等效電路和相量圖,1、等效電路,一次側(cè)的電動(dòng)勢(shì)平衡方程為,空載時(shí)等效電路為,Xm的物理意義是：主磁通的電抗，反映了變壓器（電機(jī)）鐵心的導(dǎo)磁性能，代表了主通對(duì)電路的電磁效應(yīng)。 Rm是用來(lái)代表鐵耗的等效（虛擬的）電阻，稱為勵(lì)磁電阻。Rm+jXm= Zm則稱為勵(lì)磁阻抗。 用一個(gè)阻抗(Rm+jXm)表示主磁通對(duì)變壓器的作用，用另一個(gè)阻抗(R1+jX1)一次側(cè)繞組電阻R1和漏抗X1的作用，即可得

7、到空載時(shí)變壓器的等效電路。 R1和X1受飽和程度的影響很小，基本上保持不變。 Rm和Xm是隨著飽和程度的增大而減小。 變壓器正常工作時(shí)，由于電源電壓變化范圍小，鐵心中主磁通的變化不大，勵(lì)磁阻抗Zm也基本不變。,由于 ，所以有時(shí)忽略漏阻抗，空載等效電路只是一個(gè) 元件的電路。在 一定的情況下， 大小取決于 的大小。從運(yùn)行角度講，希望 越小越好，所以變壓器常采用高導(dǎo)磁材料，增大 ，減小 ，提高運(yùn)行效率和功率因數(shù)。,2、相量圖,根據(jù)前面所學(xué)的方程，可作出變壓器空載時(shí)的相量圖：,（1）以 為參考相量,（2） 與 同相， 滯后 ，,（3） 滯后 ， ；,（4）,（5）,空載運(yùn)行小結(jié),（1）一次側(cè)主電動(dòng)勢(shì)與

8、漏阻抗壓降總是與外施電壓平衡,若忽略漏阻抗壓降，則一次主電勢(shì)的大小由外施電壓決定.,（2）主磁通大小由電源電壓、電源頻率和一次線圈匝數(shù)決定，與磁路所用的材質(zhì)及幾何尺寸基本無(wú)關(guān)。,（3）空載電流大小與主磁通、線圈匝數(shù)及磁路的磁阻有關(guān)，鐵心所用材料的導(dǎo)磁性能越好，空載電流越小。,（4）電抗是交變磁通所感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)與產(chǎn)生該磁通的電流的比值，線性磁路中，電抗為常數(shù)，非線性電路中，電抗的大小隨磁路的飽和而減小。,6.2 變壓器的負(fù)載運(yùn)行,負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電磁關(guān)系,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、變壓器負(fù)載磁勢(shì)平衡方程,正方向規(guī)定： a.負(fù)載支路，電

9、流正方向與壓降正方向一致；電源支路，電流正方向與電動(dòng)勢(shì)正方向一致。 b.磁通正方向與產(chǎn)生它的電流的正方向符合右手螺旋定則。 c.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的正方向與產(chǎn)生它的磁通正方向符合右手螺旋定則。 E1和 E2正方向指電位升的方向。,一次側(cè)接電源U1，二次側(cè)接負(fù)載ZL，此時(shí)二次側(cè)流過(guò)電流I2。一次側(cè)電流不再是I0， 而是變?yōu)镮1，這就是變壓器的負(fù)載運(yùn)行情況。 負(fù)載后，二次側(cè)電流產(chǎn)生磁勢(shì)F2=N2I2，該磁勢(shì)將力圖改變磁通，而磁通是由電源電壓決定的， 也就是說(shuō)基本不變。 要維持不變，一次繞組的電流將由原來(lái)的I0變?yōu)镮1。I1產(chǎn)生磁勢(shì)F1= I1N1，F(xiàn)1與F2共同作用產(chǎn)生， F1+F2的作用相當(dāng)于空載磁勢(shì)F

10、0，也即激磁磁勢(shì)Fm。,用圖示負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電磁過(guò)程,磁動(dòng)勢(shì)平衡方程,或,電磁關(guān)系將一、二次聯(lián)系起來(lái),二次電流增加或減少必然引起一次電流的增加或減少.,用電流形式表示,二、電動(dòng)勢(shì)平衡方程,根據(jù)基爾霍夫電壓定律可寫出一、二次側(cè)電動(dòng)勢(shì)平衡方程,負(fù)載運(yùn)行時(shí),忽略空載電流有:,表明，一、二次電流比近似與匝數(shù)成反比。可見(jiàn)，匝數(shù)不同，不僅能改變電壓，同時(shí)也能改變電流。,6.3 等效電路及相量圖,一、折算,折算原則：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。,方法：（將二次側(cè)折算到一次側(cè)),折算：將變壓器的二次（或一次）繞組用另一個(gè)繞組(N2=N1)來(lái)等效，同時(shí)對(duì)該繞組的電磁量作相應(yīng)的變換，以

11、保持兩側(cè)的電磁關(guān)系不變,用一個(gè)等效的電路代替實(shí)際的變壓器。,兩個(gè)繞組可以合并成一個(gè)繞組，看作有勵(lì)磁電流流過(guò)Im=I1+I2I0相當(dāng)于一個(gè)鐵心電感線圈，等值阻抗Zm = (Rm+jXm)代替，消耗R1 ，R2功率損耗分別代表原副繞組的銅損耗，消耗Rm功率損耗代表鐵損耗，U1I1輸入視在功率；U2I2輸出視在功率 E1I1=E2I2=E2I2原邊通過(guò)電磁感應(yīng)傳遞給副邊的電磁視在功率。,折算后的方程式為,二、變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)的等效電路,根據(jù)折算后的方程，可以作出變壓器的等效電路。,T型等效電路：,近似等效電路,簡(jiǎn)化等效電路：,由簡(jiǎn)化等效電路可知，短路阻抗起限制短路電流的作用，由于短路阻抗值很小，所以

12、變壓器的短路電流值較大，一般可達(dá)額定電流的1020倍。,三、相量圖,作相量圖的步驟對(duì)應(yīng)T型等效電路， 假定變壓器帶感性負(fù)載。,作相量圖的步驟（假定帶感性負(fù)載）對(duì)應(yīng)簡(jiǎn)化等效電路,由等效電路可知,根據(jù)方程可作出簡(jiǎn)化相量圖,思考題,作出變壓器帶上不同性質(zhì)負(fù)載時(shí)的簡(jiǎn)化相量圖?,6.4 變壓器的參數(shù)測(cè)定,一、空載實(shí)驗(yàn),1、目的：通過(guò)測(cè)量空載電流和一、二次電壓及空載功率來(lái)計(jì)算變比、空載電流百分?jǐn)?shù)、鐵損和勵(lì)磁阻抗。,2、接線圖,3、要求及分析,1）低壓側(cè)加電壓，高壓側(cè)開(kāi)路；,4）求出參數(shù),5）空載電流和空載功率必須是額定電壓時(shí)的值，并以此求取勵(lì)磁參數(shù)；,6）若要得到高壓側(cè)參數(shù)，須折算；,7）對(duì)三相變壓器，各

13、公式中的電壓、電流和功率均為相值；,二、 短路實(shí)驗(yàn),1.目的：通過(guò)測(cè)量短路電流、短路電壓及短路功率來(lái)計(jì)算變壓器的短路電壓百分?jǐn)?shù)、銅損和短路阻抗。,2. 接線圖,3. 要求及分析,1）高壓側(cè)加電壓，低壓側(cè)短路；,3）同時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)室的室溫；,4）由于外加電壓很小，主磁通很少，鐵損耗很少，忽略鐵損，認(rèn)為 。,5）參數(shù)計(jì)算,對(duì)T型等效電路：,四、短路電壓,短路時(shí)，當(dāng)短路電流為額定值時(shí)一次所加的電壓，稱為短路電壓，記作,短路電壓也稱為阻抗電壓。,6）溫度折算：電阻應(yīng)換算到基準(zhǔn)工作溫度時(shí)的數(shù)值。,8）對(duì)三相變壓器，各公式中的電壓、電流和功率均為相值；,7）若要得到低壓側(cè)參數(shù)，須折算；,短路電壓常用百分值表

14、示,短路電壓的大小直接反映短路阻抗的大小，而短路阻抗又直接影響變壓器的運(yùn)行性能。,從正常運(yùn)行角度看，希望短路電壓小些，這樣可使副邊電壓隨負(fù)載波動(dòng)小些；從限制短路電流角度，希望它大些，相應(yīng)的短路電流就小些。,三、 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,1、定義,2、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)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）、,3、優(yōu)點(diǎn),4、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

15、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,6.5變壓器運(yùn)行時(shí)二次側(cè)電壓的變化和調(diào)壓裝置,一、 電壓變化率,用相量圖可以推導(dǎo)出電壓變化率的表達(dá)式：,定義：是指一次側(cè)加50Hz額定電壓、二次空載電壓與帶負(fù)載后在某功率因數(shù)下的二次電壓之差，與二次額定電壓的比值，即,電壓變化率是表征變壓器運(yùn)行性能的重要指標(biāo)之一,它大小反映了供電電壓的穩(wěn)定性。,由表達(dá)式可知，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)。,用標(biāo)幺值的簡(jiǎn)化等值電路,感性負(fù)載簡(jiǎn)化相量圖, 和 的夾角, 的阻抗角,時(shí)， 稱

16、為額定電壓調(diào)整率，標(biāo)志著變壓器的輸出電壓的穩(wěn)定程度。,思考：感性和容性負(fù)載時(shí) 的正負(fù),變壓器的短路阻抗 越小， 也越小，供電電壓越穩(wěn)定。,二、 電壓調(diào)整,為了保證二次端電壓在允許范圍之內(nèi),通常在變壓器的高壓側(cè)設(shè)置抽頭,并裝設(shè)分接開(kāi)關(guān),調(diào)節(jié)變壓器高壓繞組的工作匝數(shù),來(lái)調(diào)節(jié)變壓器的二次電壓。,分接開(kāi)關(guān)有兩種形式：一種只能在斷電情況下進(jìn)行調(diào)節(jié)，稱為無(wú)載分接開(kāi)關(guān)-這種調(diào)壓方式稱為無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓；另一種可以在帶負(fù)荷的情況下進(jìn)行調(diào)節(jié)，稱為有載分接開(kāi)關(guān)-這種調(diào)壓方式稱為有載調(diào)壓。,中、小型電力變壓器一般有三個(gè)分接頭，記作UN 5%。大型電力變壓器采用五個(gè)或多個(gè)分接頭,例UN 2x2.5%或UN 8x1.5%。,

17、負(fù)載所消耗的功率是變壓器從電源吸收電功率后，經(jīng)原、副邊傳遞過(guò)來(lái)的，在能量傳遞過(guò)程，變壓器本身要有損耗。,功率關(guān)系 (Power),6.6 變壓器損耗、效率及效率特性,鐵損耗與外加電壓大小有關(guān)，而與負(fù)載大小基本無(wú)關(guān)，故也稱為不變損耗。,一、變壓器的損耗,銅損耗分基本銅損耗和附加銅損耗。基本銅損耗是在電流在一、二次繞組直流電阻上的損耗；附加損耗包括因集膚效應(yīng)引起的損耗以及漏磁場(chǎng)在結(jié)構(gòu)部件中引起的渦流損耗等。,變壓器的損耗主要是鐵損耗和銅損耗兩種。,鐵損耗包括基本鐵損耗和附加鐵損耗?；捐F損耗為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。,銅損耗大小與負(fù)載電流平方成正比，故也稱為可變損耗。,變壓器的效率 (Efficiency of transformer),其中:,變量 P2 代表 副邊輸出的有功功率；,變量 P1 代表 原邊輸入的有功功率；,代表 變壓器的總損耗。,單相變壓器：,三相變壓器：,P2的計(jì)算:,若忽略副邊端電壓在負(fù)載時(shí)的變化，則：,以上兩式的結(jié)果是一樣的,，計(jì)算：,變壓器的效率公式：, 一定時(shí)，, 一定時(shí)， 效率特性曲線。,通常， 條件下，中小型變壓器的效率約為