电机学课件,变压器原理变压器.ppt

,第2章变压器,1,第2章 变压器,第2章变压器,2,变压器的工作原理与结构 单相变压器的空载运行 单相变压器的负载运行 变压器的运行特性 三相变压器 自耦变压器和仪用互感器,2.2,2.3,2.4,2.5,2.6,2.1,3,第2章变压器 变压器是一种将一个等级的交流电压变换成另一个等级的交流,电压的静止交流电机。,第2章变压器,4,变压器在电力系统中起着重要作用,变压器(transformer，tr),5,2.1.1 变压器工作原理,n1,n2,+,-,u1,第2章变压器 2.1 变压器的工作原理与结构,i1,e1,e2,i2,-,+,z l u2,d dt,e1 n1,d dt,e2 n2,n1n2降压变压器 n1n2升压变压器,第2章变压器,6,按用途分类,2.1.2 变压器的分类 电力变压器, 仪用互感器,按绕组数目分类, 特种变压器 双绕组变压器, 三绕组变压器 多绕组变压器 自耦变压器, 芯式变压器,按铁心结构分类,第2章变压器,按相数分类, 单相变压器 三相变压器,按冷却方式分类, 油浸式变压器, 干式变压器,按容量大小分类, 充气式变压器 小容量：10630kva, 中容量：8006300kva 大容量：800063000kva, 壳式变压器,7,第2章变压器,9,2.1.3 变压器基本结构,铁心：硅钢片叠成的铁心构成变压器磁路,绕组：用铜线或铝线组成的线圈构成绕组绕在铁芯上,构成变压器电路,绝缘套管：引出线由绕组到箱外的绝缘体 油箱及附件：油箱、储油柜、安全气道,第2章变压器,10,第2章变压器 1. 变压器铁心,作用：主磁路+机械骨架,材料：(冷/热轧)硅钢片，0.350.5mm+0.010.13mm漆膜。,型式：心式（绕组包铁心）、壳式（铁心包绕组的顶、底和,侧面） 11,第2章变压器,12,心式变压器,1铁心柱 2铁轭,3高压绕组 4低压绕组,第2章变压器,13,壳式变压器,1铁心柱 2铁轭 3绕组,第2章变压器,14,2. 变压器绕组,作用：电路部分，完成能量转换 材料：铜或铝绝缘导线 型式：同心式、交叠式,第2章变压器,2.1.4 额定值,主要有：sn, u1n, u2n, i1n, i2n, fn等,额定电压,变压器在空载运行时，高、低压绕组电压的额定 值(v、kv)。,额定电流,变压器在满载运行时，允许的电流(a、ka),三相变压器中 u1n, u2n, i1n, i2n都为线值,额定容量,变压器视在功率的额定值(va、kva),单相双绕组变压器： sn u1 n i1 n u2 n i2 n,3u2 n i2 n,三相双绕组变压器：sn ,3u1 n i1 n ,型号、相数、温升、组号、效率等 15,第2章变压器,16,例21 三相变压器y，y接， sn=180kva， u1n/ u2n=10/0.4kv,求 i1n、 i2n。,i1 n,s n 3u1 n,3, 10.4a,180 103 3 10 10,i2 n,sn 3u2 n,3, 259 .8a ,180 103 30.410,17,流为零的工作状态称为空载运行。,第2章变压器 2.2 单相变压器的空载运行 分析步骤：电磁关系基本方程等效电路相量图 变压器原绕组接交流电源，副绕组开路，负载电,2.2.1 空载运行电磁关系,n1,- x,+ a u1,i0,n2, 1,e1,e 1,e2,x +,a - u20,第2章变压器,i 10,n1,n2, m,e 2 u 2,u 1,e 1 e 1, 1,漏磁通： 仅与绕组,自身交链,注意：空载时的磁场仅由一次电流确定 思考：主磁通与漏磁通的区别？ 考虑三方面：作用、数量、性质 18,主磁通:通过铁心同时 与原、副绕组交链,第2章变压器,19,主磁通和漏磁通 性质：主磁通磁路由铁磁材料组成，具有饱和特性，m与i0呈非线性关系；漏磁通磁路由非铁磁材料组成，磁路不饱和，1与i0呈线性关系。,数量：铁心磁导率大，磁阻小，主磁通远大于漏磁通,漏磁通仅占总磁通的0.1%0.2%。 作用：主磁通在二次绕组感应电动势，起传递能量的媒介作用；漏磁通仅在一次绕组中感应漏磁电动势， 仅起漏抗压降的作用。,第2章变压器,正方向规定,i10,n1,n2, m,e 2 u 2,u1,e1 e 1, 1,1)原绕组按电动机惯例,2)副绕组按发电机惯例,3)磁通正方向与产生它的电流的正方向符合右手关系 4)感应电动势与产生它的磁通的正方向符合右手关系 20,u1 n1i10,dm,u20 e2 n2,第4章变压器,21,i10,n1,n2, m,e 2 u 2,u1,e1 e 1, 1, n1,u1 i10r1 e1 e1 i10r1 n1,dt,i10 r1 e1 e1 e2, 1 m dm dt,n 1 n 2,f0 d1 dt,第2章变压器,2.2.2 电压、电动势和磁通的关系,23,第2章变压器 2. 分析漏磁通的影响 由于漏磁通的路径主要是空气，磁路不饱和，因此漏磁通,第2章变压器,u1 e1,第2章变压器,4.变压器的变比,变压器原副边相电势之比称为变比,n 1 n 2,k u 20 e2 u1 e1,影响主磁通大小的因素是电源电压u1、 电源频率f和原方线圈匝数n1，与铁心材质 及几何尺寸基本无关。 25,变比又称匝数比 u1 e1 4.44 fn1m,u 1 4.44 fn 1, m ,. .,i0 ,第2章变压器,26,2.2.3 空载电流和空载损耗 1. 忽略铁耗,0,i0,0, t,当为正弦波时 i0为尖顶波,用一等效正弦波代替i0，与 同相位，为纯无功电流。,i0,第2章变压器,27,2. 考虑铁耗 ,0,i0 0,i0 ,用一等效正弦波i0代替尖顶波 i0，并超前，这个正弦波电流含无 功电流分量i0r和有功电流分量ioa。,与i0按磁滞回线变化 i0变化比快。 t,当为正弦时 i0为畸形尖顶 波,ioa,ior,i0,第2章变压器,2.2.4 空载运行时的相量图和等效电路,第2章变压器,第2章变压器,30,例22一台单相变压器，额定容量sn=210kva，额定电压 un1/un26000/230v，原绕组漏阻抗z1=r1+jx1=(2.1j9)，励 磁阻抗zm=rm+jxm(720j7200)。计算：,(1)变压器原边额定电流in1及空载电流i0所占额定电流的百分比,(2)原边空载感应电势e1及漏阻抗压降i0z1,首先计算原边额定电流： 计算空载电流 原边空载电势近似为额定电压 计算漏阻抗压降 空载电流占额定电流的百分比为,第2章变压器,2.3 单相变压器的负载运行 ,第2章变压器,n2,n1,zl,+,. u 1,2.3.1 磁势平衡关系,变压器原绕组接通电源, 副绕 组接负载的工作状态称为负载运行。,- 空载运行时原边电流i1i0很小,副边i2=0。 负载运行时,原副边都有电流。 负载时副边回路电流i2的数值反映了负 载zl的大小，称为负载电流。原边电流i1随 i2的变化而变化。 32,第2章变压器,34,2.3.2 基本方程式 原边漏磁通的影响,d1 dt,e1 n1,x1 l 1 2fl 1,e 1 jx 1 i1,副边漏磁通的影响,e2,d2 dt, n2 ,x2 l2 2fl2,e 2 jx 2 i2,第2章变压器,第2章变压器,2.3.3 绕组折算,第2章变压器,第2章变压器 折算原则：保持能量传递不变(不变),即折算前后绕 组产生的磁势不变。折算后的物理量用“”来表示,第2章变压器,第2章变压器,2.3.4. 等效电路和相量图,第2章变压器,i1,-,+ u 1,+,i 2 - u 2 zl,jx 2,jx 1,r1,r2,由于i0很小，所以励磁支路可以忽略不计。,i1,+ u1,+ - 41,i2 - u2 z l,jx sh,rsh,rsh r1 r2,x sh x1 x 2 z sh z1 z 2 rsh jx sh,第2章变压器,第2章变压器,第2章变压器,44,例2-3单相变压器， un1/un2220/110kv，高压侧漏电抗为 0.3，折算到低压侧后大小为,a. 0.3,b. 0.6,c. 0.15 ,d. 0.075,例2-4单相变压器,un1/un2220/110kv,短路阻抗zsh=0.01+j0.05 负载阻抗为0.6+j0.12，从一次侧看进去的总阻抗为：,a. 0.61j0.17,b. 0.16j0.08,c. 2.41j0.53,d. 0.64j0.32,解：【例2-3】根据已知条件可得单相变压器变比k=2,由变压器折 算规律高压侧向低压侧折算阻抗降低k2倍，因此答案为d。 【例2-4】短路阻抗为z1+z2，显然这是在折算到高压侧之后的结 果，负载阻抗属于低压侧未折算部分，因此应该是负载阻抗乘以 变比的平方加上短路阻抗。即4* (0.6+j0.12)+zsh=2.41+j0.53, 显然答案为c。,45,第2章变压器 2.3.5 变压器的参数测定及标么值,1. 参数测定,(1)空载实验,实验目的：计算k，pfe，zm,实验条件 低压侧加额定电压，高压侧开路,实验线路,表中读数分别为u0、i0、p0和u20,w,a,*,*,v,k,un1,n1,n 2,a,x,a,x,v u20,第2章变压器,46,计算,-,i0 + u1,e1,r1,jx 1,rm jx m,-,+ u1,i0,e1,rm jxm,p0 pfe,p0 (i0)2,rm ,zm,u0 i0,2 2,xm zm rm,u0 u20,k ,注意,以上参数均为在低压侧的参数，主要考虑在 低压侧测量比较安全，因此测量的参数要归 算到高压侧，比如xm和rm都要乘以变比的 平方,r1和x1都远小于rm和xm,第2章变压器,47,1）等效电路中的参数是单相值；对于三相变压器实验所测的,u0，i0是线值，功率是三相总功率，需将其化为相值，再计,算参数。,2）该线路测得的rm，xm是低压侧值，折算到高压侧，要乘,以k2 。,3）rm，xm与铁芯饱和程度有关，所以空载实验时要加额定,电压。,总结,第2章变压器 (2)短路实验,实验目的 实验条件,计算pcu，zsh 高压侧加低压，一般为额定电压的5%10%, 低压侧短路， 且使i1 =i1n,实验线路,a,* w,*,v,n1,n2,ush,a,a,x x 表中读数分别为ush、ishi1n、psh、室温tc 负载试验时，外加短路电压很低，铁芯中的磁通很小，激磁电流 可以忽略，这样变压器短路时候的等效电路就变为下图所示。 48,psh i sh rsh pcu,xsh zsh rsh,zsh75c sh75c sh75c,49,计算,第2章变压器 jxsh,i1,+ u 1,rsh,2,psh ish,1 ,- rsh r r2 ,z sh,u sh i sh,2,将电阻换算到值75c,rsh,234 .5 75 234 .5 ,rsh75c,重新计算短路阻抗, (r )2 (x )2,使用t型等效电路分析计算变压器，需要分别考虑一、二 次绕组的铜耗时,1 ,r r2,x1 x2,z1 z2,2,ush 100% 100%,50,第2章变压器 总结 等效电路中的参数是单相值；对于三相变压器实验所测的 ush，in1是线值，功率是三相总功率，需将其化为相值，再计 算参数。 该线路测得的rsh，xsh是高压侧值，折算到低压侧，要除以 k2 。 短路实验时，原边所加电压应使短路电流达到额定值，这 时原边电压为额定电压的510。,在基准工作温度下，短路电流为额定值时,ush=in1zsh75c，称为 变压器的短路电压或阻抗电压。用额定电压百分值ush表示。,u n 1 u n 1,u sh in 1 zsh 75c,反映额定运行时变 压器的电压损耗,第2章变压器,51,(1)概念,(2)基准值,电压额定值un1相，un2相,电流额定值in1相，in2相,原边阻抗基值,u n 1 i n 1,z n 1 ,单相功率基值,三相功率基值,物理量的实际值与基准值之比叫该物理量的标么值。,z n 2,u n 2 i n 2,副边阻抗基值,2. 标么值,s n u n 1 i n 1 u n 2 i n 2,sn 3un1in1 3un 2 in 2,u ,u 2 ,i ,i2 ,z ,r1 1 ,r1,x,z ,r2 2 ,r2,x,52,第2章变压器 (3)标么值表示法 物理量右上角加“*”。,*,* 1,u1 u n 1,u 2 u n 2,* 1,i1 * i2 in1 in 2,* 1 * 2,* * * *,z1 z n 1 z 2 z n 2,z n 1 z n 2,x 1 z n 1 x 2 z n 2,第2章变压器 (4)采用标么值的优点,第2章变压器,2.4 变压器的运行特性,2,i1 i2,第2章变压器 ,额定电压时u1*=1,rsh,u u i (r jx ),u1,2 u 2 ,-,c,i x sh d,u ad ac ab bc, i1 2,i1 i 2, i,i,+,u 2,z l,jx sh, 1,u1,o,* * * * *,1 2 1 sh sh,a i1 rsh i1*rsh*cos2,b 2 i1*xsh*sin2, , i1 rsh cos 2 i1 x sh sin 2,引入电流系数又称负载系数,*,i1 n i 2 n, ,u rshcos2 xshsin2 55,*,*,*,第2章变压器,56,影响电压变化率的因素 u rshcos2 xshsin2,负载大小 短路阻抗,负载性质 变压器所带负载大小相同，但负载性质不同，其电压变化 率也不相同。,感性负载下，20，u0,u2=f(i2),0,i 2*,容性负载下，20 u 2* 2. 外特性,1,纯电阻负载,感性负载,容性负载,第2章变压器,57,-, ,+,i2 - u2,r2 e1 e2,jx 2,zl,i0 rm jx m,jx 1,2.4.2 损耗与效率 i 1 r1 + u1,1,变压器容量 输入功率 输出功率 变压器损耗,2,1 2,su1i1 u2 i2 p u1 i1 cos 1 p u2 i2 cos2 pcu pfe p p,第2章变压器,第2章变压器,59,60,第2章变压器 2.5 三相变压器 2.5.1 磁路系统 三相变压器的磁路系统按铁芯结构分类，可分为磁路系统 彼此无关和磁路系统彼此相关两类。,1. 磁路系统彼此无关（组式变压器）,由三台完全相同的单相变压器组成，各自磁路独立。,第2章变压器,61,2. 磁路系统彼此相关（心式变压器） 每相磁通借助另外两相磁路闭合。,第2章变压器,62,2.5.2 电路系统,1. 三相绕组的联结方法,(1) 首末端表示,abc表示高压绕组的首端,xyz表示高压绕组的末端,a,b,c,x,y,z,abc表示低压绕组的首端 xyz表示低压绕组的末端,a,b,c,x,y,z,绕组的首末端可以任意指定。,(2) 联结方法,星形接法y和三角形(d)接法两种,a,b,c,x,y,z,y接将末端联 结在一起,a,b,c,x,y,z,d接将三相绕组 串联起来,第2章变压器,63,三相绕组联结的表达方式,高压绕组用大写y、yn和d表示 低压绕组用小写y、yn和d表示,高压边联结，低压边联结,国标：y，yn；y，d；yn，d；y，y和yn，y,(3)变压器的连接原则,三相变压器每个绕组的电压和电流称为相电压和相,电流,三相变压器从三相电源输入的电压和电流以及向负载输 出的电压和电流称为线电压和线电流,第2章变压器 2. 变压器的联结组别 (1)同名端（同极性端） 原、副绕组与同一磁通交链时，感应电势相同的极性端称,eax,x a x, eax,e ax,eax,x a x,为同名端（同极性端），用“”表示。 a e ax a,eax,e ax,e ax,首端为同名端时，原副方电势同相位； 首端为异名端时，原副方电势反相位。 64,第2章变压器,(2)时钟表示法,65,第2章变压器,66,(3) 联结组的判断方法,三相变压器的联结组标号,用时钟法表示高压线电动势 e ab 与,低压线电动势 e ab 的相位关系,a b c ,x,y,z,a,x,y,z, b c ,a b c ,x,y,z,a,b,c,x, y z ,67,第2章变压器 1）y，y接法的联结组号,a.画高压侧相电动势相量图；确定eab相量。,b.将aa重合，画低压方相电动势相量图。注意与高压方相电动势,的关系：与高压方哪相电动势同相或反相。,c.根据时钟表示法判断连接组号。,y，y12,b,b,c,c,eab,eab aa,a,b,c,x,y,z,eax,eby ecz,x,y,z,a eax,b eby,c ecz,第2章变压器,68,y，y6,a,b,c,a,c,eab b,eab,a,b,c,x,y,z,eax,eby ecz,c,a,b,z,x,y,ecz,eax,eby,第2章变压器,69,2) y，d接法的联结组号,c,y，d11,b eab a a,c,eab b,a eax x,b c eby ecz y z,a,b,c,eax x,eby y,ecz z,小结：三相变压器联结组号判断,第2章变压器,70,1、画出高压方的相电动势相量图，顶点abc应为顺时针 排列。,2、将aa重合画出低压方的相电动势相量图，顶点abc应 为顺时针排列。注意与高压方相电动势的关系：与哪一相 电动势同相或反相。,3、根据 eab ,eab 的相位关系，确定联结组号。,上下对应的两个绕组在同一个铁心柱上，当绕组首端是同名端则电势相位方向相同；否则当绕组首端是异名端时电势相位方向相反。,71,高低压共用一部分绕组的变 压器称为自耦变压器。,第2章变压器 2.6 自耦变压器和仪用互感器,2.6.1 自耦变压器,72,i,n1,i1,e1,i2,u1,u2,i,i1,e2,i2,u2,u1,e2 n2 降压自耦变压器,e1 升压自耦变压器,第2章变压器 1. 特点 (1)高低压绕组既有磁的联系，又有电的联系。 (2)能量传递，既有通过磁场传递的，又有直接传递的。,n1,第2章变压器,73,a,xx,+,u1 -,i1,- u2 +,a i2 i,n1=nax, n2=nax (共用绕组),e1 e 2, k n 2,2. 高低压方电压关系 与双绕组变压器一样,降压自耦变压器的变比k大于1,a,第2章变压器 +,74,2,-,-,75,第2章变压器 降压变压器 k 1，故i与i2同相位：i = i2i1 4. 容量关系 sn = u1ni1n = u2ni2n 输出容量：s2 = u2i2 = u2( i1i ) = u2i1u2i,传导功率,电磁功率,第2章变压器,76,5. 自耦变压器的特点,(1)省材料，体积小,nax为共用绕组，且电流小，可用细导线。,能量除磁场传递外，还可直接传递，与同容量双绕组,变压器比较，铁芯体积可以减小。,(2)与双绕组比较， zsh*小， ish*大。,(3)高低压绕组有电路上直接联系，低压绕组容易产生 高压，一般需要接地使用。,77,用途：测量大电流,本质：双绕组变压器,第2章变压器 4.6.2 仪用互感器 1. 电流互感器,第2章变压器 (1) 连接方法,u,负载,i1,i2 a 大电流绕组（匝数少）n1与被测量线路串联， 小电流绕组（匝数多）n2与电流表串联。 (2)工作原理 利用变压器改变电流的原理,将大电流变为小电流进行测量。 电流比ki = n2 / n1 1 被测电流i1 = kii2 78,第2章变压器,为了测量标准化，电流互感器副边额定电流规定为5a,电流互感器型号有：100/5，200/5，300/5，500/5等。,(3)测量误差 由于,测量存在幅值误差和不严格差180的相位误差。,(4)使用注意事项 副方绕组和铁芯要接地使用 副绕组不能开路，必须通过电流表或导线短接使用 79,第2章变压器,80,2. 电压互感器,本质：双绕组变压器 用途：测量高电压,81,第2章变压器 (1) 连接方法,电压比ku = n1 /n2,被测电压u1 = kuu2,u1,负载,u2 v