电机学 课件第2章.ppt

34138 02a 主编 BJ1 TIF 第2章 2 1变压器的工作原理和基本结构2 2变压器的空载运行2 3变压器的负载运行和基本方程2 4变压器的等效电路2 5等效电路参数的测定2 6三相变压器2 7标幺值2 8变压器的运行特性2 9变压器的并联运行2 10三绕组变压器 自耦变压器和仪用互感器 2 1变压器的工作原理和基本结构 1 变压器的工作原理2 变压器的基本结构3 额定值 1 变压器的工作原理 1 一次绕组和二次绕组为完全耦合 即链过一次和二次绕组的磁通为同一磁通 2 铁心磁路的磁阻为零 铁心损耗也等于零 3 一次和二次绕组的电阻都等于零 满足这三个条件的变压器 称为理想变压器 图2 1理想变压器 2 变压器的基本结构 变压器中最主要的部件是铁心和绕组 它们构成了变压器的器身 铁心变压器的铁心既是磁路 又是套装绕组的骨架 铁心由心柱和铁轭两部分组成 心柱上套装着绕组 铁轭将心柱连接起来 使之形成闭合磁路 绕组绕组是变压器的电路部分 绕组用纸包或纱包的绝缘扁线或圆线绕成 其中输入电能的绕组称为一次绕组 输出电能的绕组称为二次绕组 它们通常套装在同一心柱上 2 变压器的基本结构 图2 2单相心式变压器 2 变压器的基本结构 图2 3单相壳式变压器 2 变压器的基本结构 图2 4三相油浸电力变压器a 外形图b 器身装配图 3 额定值 1 额定容量SN在铭牌规定的额定状态下 变压器输出视在功率的保证值称为额定容量 2 额定电压UN铭牌规定的各个绕组在空载 指定分接开关位置下的端电压称为额定电压 3 额定电流IN根据额定容量和额定电压算出的电流称为额定电流 以安 A 表示 4 额定频率fN我国的标准工频规定为50赫 Hz 2 2变压器的空载运行 1 空载运行时的物理情况2 主磁通和激磁电流3 激磁阻抗和激磁方程 1 空载运行时的物理情况 图2 5变压器的空载运行 1 空载运行时的物理情况 2 主磁通和激磁电流 2 主磁通和激磁电流 2 主磁通和激磁电流 图2 6变压器的空载相量图 2 主磁通和激磁电流 2z6 tif 3 激磁阻抗和激磁方程 3 激磁阻抗和激磁方程 3 激磁阻抗和激磁方程 图2 8铁心绕组的等效电路a 并联电路b 串联电路 2 3变压器的负载运行和基本方程 1 负载运行时的磁动势方程2 漏磁通和漏磁电抗3 电压方程 2 3变压器的负载运行和基本方程 图2 9变压器的负载运行 变压器的一次绕组接到交流电源 二次绕组接到负载阻抗ZL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2 9所示 1 负载运行时的磁动势方程 2 漏磁通和漏磁电抗 图2 10变压器中漏磁场的分布 实际变压器的一次和二次绕组不可能完全耦合 所以除了通过铁心 并与一次和二次绕组相交链的主磁通 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合的漏 磁 通 2 漏磁通和漏磁电抗 3 电压方程 29A TIF 3 电压方程 负载运行时 变压器内部的磁动势 磁通和感应电动势 可归纳如下 此外 一次和二次绕组内还有电阻压降i1R1和i2R2 这样 根据基尔霍夫电压定律和图2 9中所示的正方向 即可列出一次和二次绕组的电压方程为 3 电压方程 若一次和二次的电压 电流均随时间正弦变化 则相应的相量形式为 3 电压方程 电压方程和磁动势方程 激磁方程合在一起 统称为变压器的基本方程 2 4变压器的等效电路 1 绕组归算2 T形等效电路3 近似和简化等效电路 1 绕组归算 为建立等效电路 除了需要把一次侧和二次侧漏磁通的效果作为漏抗压降 主磁通和铁心线圈的效果作为激磁阻抗来处理之外 还要解决如何把两个具有不同电动势和电流 在电的方面没有直接联系的一次和二次绕组连接在一起的问题 为此需要进行绕 组 归 算 1 绕组归算 1 绕组归算 1 绕组归算 2 T形等效电路 图2 11根据归算后的基本方程画出的部分等效电路 2 T形等效电路 图2 12变压器的T形等效电路 2 T形等效电路 图2 13T形等效电路的形成过程a 实际变压器b 把绕组的电阻和漏磁 铁心的磁阻和铁耗分离出来 使变压器成为理想变压器c 绕组归算 把二次绕组的匝数从 变换为 d 抽去 的理想变压器 得到T形等效电路 3 近似和简化等效电路 图2 14变压器的近似和简化等效电路a 近似等效电路b 简化等效电路 2 5等效电路参数的测定 1 开路试验开路试验也称空载试验 试验的接线图如图2 15所示 试验时 二次绕组开路 一次绕组加上额定电压 测量此时的输入功率P0 一次电压U1和电流I0 即可算出激磁阻抗 2 短路试验短路试验亦称为负载试验 图2 16表示试验时的接线图 试验时 把二次绕组短路 一次绕组上加一可调的低 电 压 调节外加的低电压 使短路电流达到额定电流 测量此时的一次电压Uk 输入功率Pk和电流Ik 即可确定漏阻抗 1 开路试验 图2 15开路试验的接线图 1 开路试验 2 短路试验 1 开路试验时 由于电压加在低压侧 所以测出的激磁阻抗为归算到低压侧的值 2 归算到高压侧时的T形等效电路如图2 17所示 图中R1 75 3 90 R 2 75 Rk 75 R1 75 2 551 X1 X2 1 2Xk 29 22 Rm 3026 Xm 32082 2 短路试验 图2 16短路试验的接线图 2 短路试验 2 短路试验 表格 图2 17例2 1变压器的T形等效电路 2 6三相变压器 1 三相变压器的磁路2 三相变压器绕组的联结和组号3 绕组接法和磁路结构对二次电压波形的影响 1 三相变压器的磁路 图2 18三相变压器组及其磁路 1 三相变压器的磁路 1 三相变压器的磁路 图2 19三相心式变压器的磁路a 三相星形磁路b 三相主磁通的相量图c 实际心式变压器的磁路 2 三相变压器绕组的联结和组号 图2 20三相心式变压器的绕组 2 三相变压器绕组的联结和组号 图2 21三相绕组的联结法a 星形联结b 三角形联结 2 三相变压器绕组的联结和组号 图2 22高 低压绕组的同名端和相电压的相位关系a 和b 首端为同名端 与 同相c 和d 首端为非同名端 和 反相 2 三相变压器绕组的联结和组号 图2 23Yy0联结组a 绕组联结图b 高 低压电压相量图 2 三相变压器绕组的联结和组号 图2 24Yd11联结组a 绕组连接图b 低压侧电压的相量图c 由高 低压线电压三角形确定组号 3 绕组接法和磁路结构对二次电压波形的影响 3 绕组接法和磁路结构对二次电压波形的影响 图2 25主磁路饱和时 正弦激磁电流产生的主磁通波形 3 绕组接法和磁路结构对二次电压波形的影响 图2 26三相变压器组连接成Yy联结组时 和 的波形 3 绕组接法和磁路结构对二次电压波形的影响 图2 27三相心式变压器中三次谐波磁通的路径 3 绕组接法和磁路结构对二次电压波形的影响 图2 28Yd联结组中三角形内部的三次谐波环流 2 7标幺值 应用标幺值的优点为 1 不论变压器或电机容量的大小 用标幺值表示时 各个参数和典型的性能数据通常都在一定的范围内 因此便于比较和分析 2 用标幺值表示时 归算到高压侧或低压侧时变压器的参数恒相等 故用标幺值计算时不必再进行归算 2 7标幺值 2 7标幺值 2 7标幺值 2 8变压器的运行特性 1 外特性和电压调整率2 效率和效率特性 2 8变压器的运行特性 图2 29变压器的外特性 外特性外特性是指变压器的一次绕组接至额定电压 二次侧负载的功率因数保持一定时 二次绕组的端电压与负载电流之间的关系 即U1 U1N cos 2 常值 U2 f I2 外特性是一条反映变压器二次侧供电质量的特性 1 外特性和电压调整率 1 外特性和电压调整率 1 外特性和电压调整率 图2 30用简化等效电路及其相量图求 ua 简化等效电路b 相量图 2 效率和效率特性 损耗和效率变压器运行时将产生损耗 变压器的损耗分为铜 耗 pCu和铁 耗 pFe两类 每一类又包括基本损耗和杂散损耗 2 效率和效率特性 2 效率和效率特性 图2 31变压器的效率特性 2 效率和效率特性 2 9变压器的并联运行 1 变压器的理想并联运行2 并联运行时变压器的负载分配 2 9变压器的并联运行 图2 32两台变压器的并联运行a 单线图b 等效电路图 1 变压器的理想并联运行 变压器的理想并联运行是指 1 空载时并联的变压器之间没有环流 2 负载时能够按照各台变压器的额定容量来合理地分担负载 3 负载时各变压器所分担的电流应为同相 为达到理想并联运行 分析表明 各变压器应满足下列条件 1 各变压器的额定电压和电压比应当相等 2 各变压器的联结组号必须相同 3 各变压器的短路阻抗标幺值要相等 阻抗角要相同 2 并联运行时变压器的负载分配 为简单计 以两台变压器的并联运行为例来说明 设两台变压器的联结组号相同但电压比不相等 第一台为k 第二台为k 且k k 其中下标 和 分别表示变压器 和 2 并联运行时变压器的负载分配 2 并联运行时变压器的负载分配 2 并联运行时变压器的负载分配 2 并联运行时变压器的负载分配 1 设以第一台变压器的额定容量SNI作为基值 1 设以第一台变压器的额定容量SNI作为基值 图2 33Yy0与Yd11的三相变压器并联时 二次空载电压的电压差 标幺值 2 10三绕组变压器 自耦变压器和仪用互感器 1 三绕组变压器2 自耦变压器3 仪用互感器 1 三绕组变压器 图2 34三绕组变压器的磁通示意图 1 三绕组变压器 三绕组变压器的磁通示意图三绕组变压器的主磁通由三个绕组的磁动势共同激励所产生 按照图2 34所示正方向 并将二次绕组和第三绕组归算到一次绕组 可得三绕组变压器的磁动势方程为 1 三绕组变压器 1 三绕组变压器 图2 35三绕组变压器的T形等效电路 1 三绕组变压器 图2 36三绕组变压器的简化等效电路a 把有互感的星形电抗化成无互感的等效星形电抗b 简化等效电路 1 三绕组变压器 1 三绕组变压器 图2 37把两绕组变压器连接成降压自耦变压器a 接线图b 绕组布置 2 自耦变压器 变压器的一次和二次绕组中有一部分绕组是公共绕组的 称为自耦变压器 如图2 37所示 把一台两绕组变压器的一次和二次绕组串联起来 把二次绕组作为公 共 绕 组 一次绕组作为串 联 绕 组 公共绕组加上串联绕组作为新的一次绕组 公共绕组兼作新的二次绕组 这样就构成了一台降压自耦变压器 2 自耦变压器 2 自耦变压器 图2 38例2 7的升压自耦变压器 3 仪用互感器 图2 39电压互感器的接线图 电压互感器