第二章 变压器

第二章变压器 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 2 1变压器的基本工作原理和结构 2 1 1基本工作原理和分类 一 基本工作原理 变压器的主要部件是铁心和套在铁心上的两个绕组 两绕组只有磁耦合没电联系 在一次绕组中加上交变电压 产生交链一 二次绕组的交变磁通 在两绕组中分别感应电动势 只要一 二次绕组的匝数不同 就能达到改变压的目的 二 分类 按用途分 电力变压器和特种变压器 按绕组数目分 单绕组 自耦 变压器 双绕组变压器 三绕组变压器和多绕组变压器 按相数分 单相变压器 三相变压器和多相变压器 按铁心结构分 心式变压器和壳式变压器 按调压方式分 无励磁调压变压器和有载调压变压器 按冷却介质和冷却方式分 干式变压器 油浸式变压器和充气式变压器 2 1 2基本结构 一 铁心 变压器的主磁路 为了提高导磁性能和减少铁损 用0 35mm厚 表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成 变压器的电路 一般用绝缘铜线或铝线绕制而成 油浸式变压器的器身浸在变压器油的油箱中 油是冷却介质 又是绝缘介质 油箱侧壁有冷却用的管子 散热器或冷却器 将线圈的高 低压引线引到箱外 是引线对地的绝缘 担负着固定的作用 二 绕组 三 油箱 四 绝缘套管 此外 还有储油柜 吸湿器 安全气道 净油器和气体继电器 2 1 3型号与额定值 一 型号 型号表示一台变压器的结构 额定容量 电压等级 冷却方式等内容 表示方法为 如OSFPSZ 250000 220表明自耦三相强迫油循环风冷三绕组铜线有载调压 额定容量250000kVA 高压额定电压220kV电力变压器 二 额定值 三者关系 此外 额定值还有额定频率 效率 温升等 2 2 1电磁关系 一 空载运行时的物理情况 2 2单相变压器的空载运行 主磁通与漏磁通的区别 二 各电磁量参考方向的规定 强调 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 1 性质上 主磁通与电流成非线性关系 漏磁通与电流成线性关系 2 数量上 主磁通占99 以上 漏磁通仅占1 以下 3 作用上 主磁通起传递能量的作用 漏磁通起漏抗压降作用 三 感应电动势分析 1 主磁通感应的电动势 主电动势 设 则 有效值 相量 可见 当主磁通按正弦规律变化时 所产生的一次主电动势也按正弦规律变化 时间相位上滞后主磁通90度 主电动势的大小与电源频率 绕组匝数及主磁通的最大值成正比 同理 二次主电动势也有同样的结论 10 2 漏磁通感应的电动势 漏电动势 漏电动势也可以用漏抗压降来表示 即 根据主电动势的分析方法 同样有 由于漏磁通主要经过非铁磁路径 磁路不饱和 故磁阻很大且为常数 所以漏电抗很小且为常数 它不随电源电压负载情况而变 2 2 2空载电流和空载损耗 一 空载电流 1 作用与组成空载电流包含两个分量 一个是励磁分量 作用是建立磁场 产生主磁通 无功分量 另一个是铁损耗分量 作用是供变压器铁心损耗 有功分量 2 性质和大小 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 用空载电流百分数来表示 13 二 空载损耗 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 空载损耗约占额定容量的0 2 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 变压器空载时 一次侧从电源吸收少量的有功功率 用来供给铁损和绕组铜损 由于和均很小 所以 即空载损耗近似等于铁损 负载时的电磁过程 负载时的基本方程式 负载时的等效电路 教学内容 掌握变压器负载时的电磁过程 教学要求 掌握变压器负载时的基本方程式和等效电路 2 3单相变压器的负载运行 一 负载时的电磁过程 负载运行 变压器一次侧接在额定频率 额定电压的交流电源上 二次侧接上负载的运行状态 3 2单相变压器的负载运行 电磁过程关系图 与平衡 与平衡 二 负载时的基本方程式 电势平衡方程式 一次侧 二次侧 漏磁通感应电动势用漏电抗压降表示 一 二次绕组漏阻抗 2 磁势平衡方程式 因此可得磁动势平衡方程式 可见 电磁关系将一 二次联系起来 二次电流 或功率 增加或减少必然引起一次电流 或功率 的增加或减少 从而实现了电能由一次侧向二次侧的传递 磁势平衡方程式可用电流表达为 一个是用来建立负载主磁通的励磁电流 一个是与二次绕组电流相平衡的负载分量电流 综合空载和负载电磁过程分析 可归纳出变压器负载运行时的基本方程式 基本方程式综合地反映了变压器内部的电磁关系 利用它可以对变压器进行定量计算 但是求解复数方程组是相当困难和繁琐的 对变压器进行定量计算 通常采用变压器的等效电路 三 负载时的等效电路 一次电路二次电路 根据方程式可以画出变压器的一 二次等效电路 1 绕组折算 折算目的 将变比为k的变压器等效成变比为1的变压器 从而可以把一 二次两个分离的电路画在一起 通常是把二次绕组折算成一次绕组 1 折算的物理解释 折算原则 保持折算前 后二次绕组产生的电磁作用不变 即保持变压器内部的电磁关系不变 就是二次绕组产生的磁动势 有功损耗 无功损耗 视在功率以及变压器的主磁通等均保持不变 折算的概念可从物理意义和数学变换解释 根据折算前 后磁动势不变 可得 根据折算前 后二次绕组有功 无功损耗不变 可得 根据折算前 后主磁通不变 可得 二次绕组向一次绕组折算有如下规律 单位为V的物理量 其折算值等于实际值乘以k 单位为A的物理量 其折算值等于实际值除以k 单位为的物理量 其折算值等于实际值乘以 2 绕组折算的数学解释 从数学意义上来说 将二次绕组折算成一次绕组 就是对二次侧方程式进行变量替换 将二次侧方程式两边同时乘以k 作变量替换 与折算关系相同 对二次绕组折算后 变压器的基本方程式为 根据这组方程式 可以地画出变压器的等效电路 T型等效电路 近似等效电路 简化等效电路 短路阻抗是变压器的重要参数 大 稳态短路电流小 小 内阻抗压降小 输出电压稳定 由于短路阻抗值很小 所以变压器的短路电流较大 一般可达额定电流的10 2