变压器工作原理.ppt

30 03 2020 1 电力变压器的工作原理 一 变压器基本原理 二 变压器空载特性 三 变压器负载特性 四 电力变压器的型号 五 三相变压器 30 03 2020 2 变压器发展史1884年匈牙利人制造出世界第一台变压器 闭合铁心式 1917年我国上海华生电器制造厂生产出我国第一台变压器1953年我国沈阳变压器厂制造出第一台仿苏13500 110单相变压器 1954年我国沈阳变压器厂制造出第一台单相规格20000 154变压器 1958年8月我国沈阳变压器厂制造出第一台单相仿苏40000 220变压器 1960年3月我国沈阳变压器厂制造出第一台330kV变压器 1979年12月我国沈阳变压器厂制造出第一台单相500kV型号DFPS 250000 500变压器 2005年4月2日保定天威通过750kV型号ODFPS 500000 750变压器试验 2009年1月6日特变电工沈阳变压器公司生产的1000kV型号ODFS 1000000 1000变压器投入运行 30 03 2020 3 世界上第一台闭合铁心变压器 我国第一台交流1000kV变压器 30 03 2020 4 一 变压器基本工作原理 变压器是一种静止电器 它通过线圈间的电磁感应 将一种电压等级的交流电能转换成同频率的另一种电压等级的交流电能 变压器是利用电磁感应原理工作 它是由相互绝缘且匝数不等的两个绕组 构成电路 套装在有良好导磁性能材料叠成的铁心上 构成磁路 两绕组之间只有磁的耦合而没有电的联系 30 03 2020 5 变压器的一次绕组 一次绕组 与交流电源接通后 经绕组内流过交变电流产生磁动势 在这个磁动势作用下 铁芯中便有交变磁通 即一次绕组从电源吸取电能转变为磁能 在铁芯中同时交 环 链原 副边绕组 二次绕组 由于电磁感应作用 分别在原 二次绕组产生频率相同的感应电动势 如果此时二次绕组接通负载 在二次绕组感应电动势作用下 便有电流流过负载 铁芯中的磁能又转换为电能 这就是变压器利用电磁感应原理将电源的电能传递到负载中的工作原理 E1 4 44fN1BmS 10 4E2 4 44fN2BmS 10 4 30 03 2020 6 在主磁通的作用下 两侧的线圈分别产生感应电势 电势的大小与匝数成正比 K为变压器变比 变压器匝数多的一侧电流小 匝数少的一侧电流大 变压器的原 副线圈匝数不同 起到了变压器作用 变压器一次侧为额定电压时 其二次侧电压随着负载电流的大小和功率因素的高低而变化 变压器电流之比与一 二次绕组的匝数成反比 即 30 03 2020 7 二 变压器的空载特性变压器一次绕组接电源 二次绕组开路 负载电流为零 这种情况即为变压器的空载运行 N1和N2为一 二次绕组的匝数分别绕在两个铁心柱上 30 03 2020 8 主磁通与漏磁通的区别 1 性质上 m与I0成非线性关系 L1与I0成线性关系 2 数量上 m占99 以上 L1仅占1 以下 3 作用上 起传递能量的作用 起漏抗压降作用 各电磁量参考方向的规定 一次侧遵循电动机惯例 二次侧遵循发电机惯例 磁通与产生它的电流之间符合右手螺旋定则 电动势与感应它的磁通之间符合右手螺旋定则 30 03 2020 9 空载电流和空载损耗 一 空载电流 作用与组成 空载电流I0包含两个分量 一个是励磁分量I0a 作用是建立磁场 另一个是铁损耗分量I0r 主要作用是供铁损耗 性质 由于空载电流的无功分量远大于有功分量 所以空载电流主要是感性无功性质 也称励磁电流 大小 与电源电压和频率 线圈匝数 磁路材质及几何尺寸有关 用空载电流百分数I0 来表示 30 03 2020 10 3 空载电流波形 由于磁路饱和 空载电流与由它产生的主磁通呈非线性关系 当磁通按正弦规律变化时 空载电流呈尖顶波形 当空载电流按正弦规律变化时 主磁通呈尖顶波形 实际空载电流为非正弦波 但为了分析 计算和测量的方便 在相量图和计算式中常用正弦的电流代替实际的空载电流 30 03 2020 11 变压器空载时一次侧从电源吸收少量的有功功率P0 供给铁心损耗PFe和绕组损耗IR由于I和R均很小 所以即空载损耗近似为铁心损耗 对于已制成变压器 铁损与磁通密度幅值的平方成正比 与电流频率的1 3次方成正比 即 空载损耗 空载损耗约占额定容量的0 1 1 而且随变压器容量的增大而下降 为减少空载损耗 改进设计结构的方向是采用优质铁磁材料 优质硅钢片 激光化硅钢片或应用非晶态合金 30 03 2020 12 可见 影响主磁通大小的因素有电源电压和频率 以及一次线圈的匝数 U1 E1 E1 I0R1 E1 I0R1 jI0X1 E1 Z1I0 一 电动势平衡方程和变比 空载时的电动势方程 等效电路和相量图 1 电动势平衡方程 1 1一次侧电动势平衡方程 忽略很小的漏阻抗压降 并写成有效值形式 有 U1 E1 4 44fN1 m 则 30 03 2020 13 2 变比 定义 对三相变压器 变比为一 二次侧的相电动势之比 近似为额定相电压之比 具体为 Y d接线 D y接线 2 二次侧电动势平衡方程U2 E2 30 03 2020 14 空载时的等效电路和相量图 等效电路 一次侧的电动势平衡方程为 空载时等效电路为 基于E1 jI0X1 表示法 感应的电动势E1也用电抗压降表示 由于 在铁心引起铁损PTE 所以还要引入一个电阻Rm 用I20Rm等效PTE 即 E1 I0 Rm jXm U1 E1 I0Z1 I0 Rm jXm I0 R1 jX1 30 03 2020 15 由于 所以有时忽略漏阻抗 空载等效电路只是一个元件的电路 在一定的情况下 大小取决于的大小 从运行角度讲 希望越小越好 所以变压器常采用高导磁材料 增大 减小 提高运行效率和功率因数 30 03 2020 16 2 相量图 根据前面所学的方程 可作出变压器空载时的相量图 1 以为参考相量 2 与同相 滞后 3 滞后 E1 4 5 30 03 2020 17 空载运行小结 1 一次侧主电动势与漏阻抗压降总是与外施电压平衡 若忽略漏阻抗压降 则一次主电势的大小由外施电压决定 2 主磁通大小由电源电压 电源频率和一次线圈匝数决定 与磁路所用的材质及几何尺寸基本无关 3 空载电流大小与主磁通 线圈匝数及磁路的磁阻有关 铁心所用材料的导磁性能越好 空载电流越小 4 电抗是交变磁通所感应的电动势与产生该磁通的电流的比值 线性磁路中 电抗为常数 非线性电路中 电抗的大小随磁路的饱和而减小 30 03 2020 18 2 变压器的负载运行一次侧接交流电源 二次侧接负载 二次侧中便有负载电流流过 这种情况称为负载运行 30 03 2020 19 单相变压器的负载运行 负载运行时的电磁关系 变压器一次侧接在额定频率 额定电压的交流电源上 二次接上负载的运行状态 称为负载运行 30 03 2020 20 用图示负载运行时的电磁过程 30 03 2020 21 基本方程 一 磁动势平衡方程 或 电磁关系将一 二次联系起来 二次电流增加或减少必然引起一次电流的增加或减少 用电流形式表示 30 03 2020 22 二 电动势平衡方程 根据基尔霍夫电压定律可写出一 二次侧电动势平衡方程 负载运行时 忽略空载电流有 表明 一 二次电流比近似与匝数成反比 可见 匝数不同 不仅能改变电压 同时也能改变电流 30 03 2020 23 等效电路及相量图 一 折算 折算原则 1 保持二次侧磁动势不变 2 保持二次侧各功率或损耗不变 方法 将二次侧折算到一次侧 折算 将变压器的二次 或一次 绕组用另一个绕组 N2 N1 来等效 同时对该绕组的电磁量作相应的变换 以保持两侧的电磁关系不变 用一个等效的电路代替实际的变压器 30 03 2020 24 折算后的方程式为 30 03 2020 25 二 等效电路 根据折算后的方程 可以作出变压器的等效电路 T型等效电路 近似等效电路 30 03 2020 26 简化等效电路 其中 分别称为短路电阻 短路电抗和短路阻抗 由简化等效电路可知 短路阻抗起限制短路电流的作用 由于短路阻抗值很小 所以变压器的短路电流值较大 一般可达额定电流的10 20倍 30 03 2020 27 三 相量图 作相量图的步骤 对应T型等效电路 假定变压器带感性负载 30 03 2020 28 电力变压器的型号 特殊使用环境代号 额定电压 额定容量 特殊用途和特殊结构代号 设计序号 调压方式 导线材料 绕组数 油循环方式 冷却方式 相数 产品类别 30 03 2020 29 1 产品类别代号O 自耦变压器 通用电力变压器不标H 电弧炉变压器C 感应电炉变压器Z 整流变压器K 矿用变压器Y 试验变压器 30 03 2020 30 2 相数D 单相变压器S 三相变压器 30 03 2020 31 3 冷却方式F 风冷式S 水冷式注 油浸自冷式和空气自冷式不标注 30 03 2020 32 4 油循环方式自然循环 不标注 P 强迫循环 30 03 2020 33 5 绕组数S 三绕组注 双绕组不标注 30 03 2020 34 6 导线材料L 铝绕组注 铜绕组不标注Lb 表示半铝 半铜 30 03 2020 35 7 调压方式Z 有载调压注 无励磁调压不标注 30 03 2020 36 8 性能水平代号 设计序号 30 03 2020 37 9 特殊用途或特殊结构代号Z 低噪声用 L 电缆引出X 现场组装式 J 中性点为全绝缘 CY 发电厂自用变压器K 内置电抗器 30 03 2020 38 10 变压器的额定容量变压器的额定容量 单位为KVA MVA 30 03 2020 39 11 变压器的额定电压变压器的额定容量 单位为KV 30 03 2020 40 电力变压器的型号 例1 一台三相 油浸 风冷 双绕组 无励磁调压 铜导线 20000kVA 110kV级电力变压器产品 其性能水平符合GB T6451规定 该产品的型号为 SF9 20000 110 30 03 2020 41 电力变压器的型号 例2 一台三相 油浸 水冷 强迫油循环 双绕组 有载调压 铜导线 370000kVA 220kV级电力变压器的产品 其性能水平符合GB T6451规定 该产品的型号为 SSPZ9 370000 220 30 03 2020 42 变压器额定值的含义和作用 1 额定容量SN 指变压器的视在功率 对三相变压器指三相容量之和 单位 伏安 VA 千伏安 kVA 兆伏安 MVA 2 额定电压UN U1N指电源加到原边绕组上的电压 U2N是副边绕组开路即空载运行时副绕组的端电压 对于三相变压器一般指线电压值 单位 伏 V 千伏 kV 3 额定电流IN A 指变压器在额定容量下允许长期通过的工作电流 单位 安培 A 额定容量 额定电压 额定电流之间关系为单相变压器SN U1N I1N U2N I2N三相变压器SN 3U1N I1N 3U2N I2N 30 03 2020 43 三相变压器 磁路系统 一 组式磁路变压器 二 心式磁路变压器 特点是 三相磁路彼此无关联 特点是 三相磁路彼此有关联 30 03 2020 44 3 7 2电路系统 一 变压器的端头标号 30 03 2020 45 二 单相变压器的极性 一 二次绕组的同极性端同标志时 一 二次绕组的电动势同相位 一 二次绕组的同极性端异标志时 一 二次绕组的电动势反相位 30 03 2020 46 三 三相变压器的连接组别连接组别 反映三相变压器连接方式及一 二次线电动势 或线电压 的相位关系 三相变压器的连接组别不仅与绕组的绕向和首末端标志有关 而且还与三相绕组的连接方式有关 理论和实践证明 无论采用怎样的连接方式 一 二次侧线电动势 线电压 的相位差总是300的整数倍 因此可以采用时钟表示法 EUV作为时钟的分针 指向12点 Euv作为时钟的时针 其指向的数字就是三相变压器的组别号 组别号的数字乘以300 就是二次绕组的线电动势滞后于一次侧电动势的相位角 30 03 2020 47 连接组别可以用相量图来判断 若高压绕组三相标志不变 低压绕组三相标志依次后移 可以得到Y y4 Y y8连接组别 1 Y y连接 同名端在对应端 对应的相电动势同相位 线电动势EUV和Euv也同相位 连接组别为Y y0 同理 若异名端在对应端 可得到Y y6 Y y10和Y y2连接组别 30 03 2020 48 若高压绕组三相标志不变 低压绕组三相标志依次后移 可以得到Y d3 Y d7连接组别 2 Y d连接 11 同名端在对应端 对应的相电动势同相位 线电动势EUV和Euv相差3300 连接组别为Y d11 同理 若异名端在对应端 可得到Y d5 Y d9和Y d1连接组别 30 03 2020 49 若高压绕组三相标志不变 低压绕组三相标志依次后移 可以得到Y d5 Y d9连接组别 3 Y d连接 1 同名端在对应端 对应的相电动势同相位 线电动势和相差300 连接组别为Y d1 同理 若异名端在对应端 可得到Y d7 Y d11和Y d3连接组别 30 03 2020 50 三相三绕组变压器 三相变压器一般为心式结构每个铁心柱上套有三个绕组 30 03 2020 51 标准接线组别 YN yn0 d11 YN yn0 y0 变压比 KHM NH NM UH UM KHL NH NL UH UL KML NM NL UM UL 30 03 2020 52 自耦变压器 自耦变压器一 二次绕组之间不仅有磁的耦合 而且还有电的直接联系 30 03 2020 53 结构特点 同一铁心柱套有两个绕组 他们在电路