第四章变压器1

第四章变压器 变压器 是一种静止的电机 它利用电磁感应原理将一种电压 电流的交流电能转换成同频率的另一种电压 电流的电能 换句话说 变压器实现电能在不同等级之间的转换 4 1变压器的基本结构 工作原理及分类一 变压器的基本结构 电力变压器的基本构成部分有 铁心 绕组 绝缘套管 油箱及其他附件等 其中铁心和绕组是变压器的主要部件 称为器身 下图是油浸式电力变压器的结构图 油浸式电力变压器 简化图 1 铁心和绕组 最主要的部件 构成变压器的器身 铁心 构成变压器的磁路 同时又是套装绕组的骨架 铁心由铁心柱和铁轭两部分构成 铁心柱上套绕组 铁轭将铁心柱连接起来形成闭合磁路 铁心材料 为了提高磁路的导磁性能 减少铁心中的磁滞 涡流损耗 铁心一般用高磁导率的磁性材料 硅钢片叠成 硅钢片有热轧和冷轧两种 其厚度为0 35 0 5mm 两面涂以厚0 02 0 23mm的漆膜 使片与片之间绝缘 铁心型式 心式 壳式和渐开线式等形式 壳式结构的特点 铁心包围绕组的顶面 底面和侧面 心式结构的特点 铁心柱被绕组包围 壳式变压器 心式变压器 壳式结构的机械强度较好 但制造复杂 心式结构比较简单 绕组的装配及绝缘比较容易 电力变压器的铁心主要采用心式结构 铁心叠装 一般由剪成一定形状的硅钢片叠装而成 为了减小接缝间隙以减小激磁电流 一般采用交错式叠法 使相邻层的接缝错开 铁心截面 铁心柱的截面一般做成阶梯形 以充分利用绕组内圆空间 容量较大的变压器 铁心中常设有油道 以改善铁心内部的散热条件 绕组 绕组是变压器的电路部分 它由铜或铝绝缘导线绕制而成 一次绕组 原绕组 输入电能二次绕组 副绕组 输出电能一次和二次绕组通常套装在同一铁心柱上 具有不同的匝数 通过电磁感应作用 一次绕组的电能就可传递到二次绕组 且使一 二次绕组具有不同的电压和电流 两个绕组中 电压较高的称为高压绕组 电压较低的称为低压绕组 从高 低压绕组的相对位置来看 变压器的绕组又可分为同心式 交叠式 由于同心式绕组结构简单 制造方便 所以 国产电力变压器均采用这种结构 交叠式主要用于特种变压器中 2 其他部件 除器身外 典型的油浸式电力变压器中还有油箱 变压器油 绝缘套管及继电保护装置等部件 二 变压器的工作原理 工作原理 其中 可见 只要改变线圈的匝数 就能达到改变电压的目的 若 三 变压器的分类 变压器的种类很多 可按其用途 结构 相数 冷却方式等不同来进行分类 1 按用途分类 电力变压器 主要用在输配电系统中 又分为升压变压器 降压变压器 联络变压器和厂用变压器 仪用互感器 电压互感器和电流互感器 特种变压器 如调压变压器 试验变压器 电炉变压器 整流变压器 电焊变压器 等 2 按绕组数目分类 有双绕组变压器 三绕组变压器 多绕组变压器 自耦变压器 3 按铁心结构分类 有心式变压器和壳式变压器 4 按相数分类 有单相变压器 三相变压器和多相变压器 5 按冷却介质和冷却方式分类 有油浸式变压器 包括油浸自冷式 油浸风冷式 油浸强迫油循环式 干式变压器 充气式变压器 6 电力变压器按容量大小通常分为 小型变压器 容量10 630kVA 中型变压器 容量800 6300kVA 大型变压器 容量8000 63000kVA 特大型变压器 容量90000kVA及以上 四 额定值 额定值是制造厂对变压器在指定工作条件下运行时所规定的一些量值 额定值通常标注在变压器的铭牌上 变压器的额定值主要有 额定容量SN额定运行时的视在功率 以VA kVA或MVA表示 由于变压器的效率很高 通常一 二次侧的额定容量设计成相等 额定电压U1N和U2N正常运行时规定 加在一次侧的端电压称为变压器一次侧的额定电压U1N 二次侧的额定电压U2N是指变压器一次侧加额定电压U1N时二次侧的空载电压 额定电压以V或kV表示 对三相变压器 额定电压是指线电压 额定电流I1N和I2N 根据额定容量和额定电压计算出的线电流 称为额定电流 以A表示 对单相变压器 对三相变压器 额定频率fN 我国工频50HZ 除额定值外 变压器的相数 绕组连接方式及联结组别 短路电压 运行方式和冷却方式等均标注在铭牌上 额定状态是变压器的理想工作状态 具有优良的性能 可长期工作 4 2变压器的空载运行 一 空载运行的物理现象 1 空载运行 是指变压器一次绕组接到额定电压 额定频率的电源上 二次绕组开路时的运行状态 2 物理现象 主磁通漏磁通 变压器的空载运行 主磁通和漏磁通的区别 1 由于铁磁材料有饱和现象 主磁路的磁阻不是常数 主磁通与建立它的电流之间呈非线性关系 而漏磁通的磁路大部分是非铁磁材料组成 所以漏磁路的磁阻基本上是常数 漏磁通与产生它的电流呈线性关系 2 主磁通在一次 二次绕组中均感应电动势 当二次方接上负载时便有电功率向负载输出 故主磁通起传递能量的作用 而漏磁通仅在一次绕组中感应电动势 不能传递能量 仅起压降作用 因此 在分析变压器和交流电机时常将主磁通和漏磁通分开处理 二 正方向的规定 从理论上讲 正方向可以任意选择 因各物理量的变化规律是一定的 并不依正方向的选择不同而改变 但正方向规定不同 列出的电磁方程式和绘制的相量图也不同 在电机学科中通常按习惯方式规定正方向 称为惯例 具体原则如下 1 在负载支路 电流的正方向与电压降的正方向一致 而在电源支路 电流的正方向与电动势的正方向一致 2 磁通的正方向与产生它的电流的正方向符合右手螺旋定则 3 感应电动势的正方向与产生它的磁通的正方向符合右手螺旋定则 电压u1 u2的正方向表示电位降低 电动势e1 e2的正方向表示电位升高 在一次边 u1由首端指向末端 i1从首端流入 当u1与i1同时为正或同时为负时 表示电功率从一次方输入 称为电动机惯例 在二次方 u2和i2的正方向由e2的正方向决定 即i2沿e2的正方向流出 当u2和i2同时为正或同时为负时 电功率从二次方输出 称为发电机惯例 三 空载时的电磁关系 1 电动势与磁通的关系 设主磁通按正弦规律变化 即 msin t根据电磁感应定律 一 二次绕组中感应电动势的瞬时值为 式中 注意 从表达式可以看出 电动势总是滞后于产生的他的磁通90 相量 2 电动势平衡方程式 根据对正方向的规定 可以得到空载时电动势平衡方程式 将漏感电动势写成压降的形式 式中Z1 R1 jx1 一次绕组的漏阻抗 对于电力变压器 空载时一次绕组的漏阻抗压降I0Z1很小 其数值不超过U1的0 2 将I0Z1忽略 则上式变成 在二次方 由于电流为零 则其感应电动势等于二次方的空载电压 即 3 变压器的变比 一次 二次绕组的感应电动势E1和E2之比称为变压器的变比 用K表示 即 当变压器空载运行时 由于U1 E1 U20 E2 故可近似地用空载运行时一次 二次方的电压比来作为变压器的变比 即 对于三相变压器 变比是指一次 二次方相电动势之比 即额定相电压之比 4 空载电流 变压器空载运行时 i0主要用来产生磁场 又称为励磁电流 不考虑铁心损耗时 励磁电流是纯磁化电流 用i 来表示 由于磁路饱和现象 磁化电流i 与产生它的磁通 之间的关系是非线性的 当磁通按正弦规律变化时 励磁电流为尖顶波 根据谐波分析方法 尖顶波可分解为基波和3 5 7 次谐波 除基波外 三次谐波分量最大 这就是说 由于铁磁材料磁化曲线的非线性关系 要在变压器中建立正弦波磁通 励磁电流必须包含三次谐波分量 为了在相量图中表示励磁电流i 可以用等效正弦波电流来代替非正弦波励磁电流 其有效值为 从上图中 可以看出励磁电流i 与磁通 是同相位的 当考虑铁心损耗时 励磁电流i0中还必须包含铁耗分量 即iFe 这时激磁电流i0将超前磁通一相位角 或 四 空载时的向量图和等效电路 1 空载时的向量图 我们已知 Zm称为变压器的激磁阻抗 这样 变压器一次边的电动势方程可写成 令 R1是一次绕组的电阻 x1 是对应一次绕组的漏磁电抗 它们数值很小且为常数 Rm xm却受铁心饱和度的影响 不是常数 当频率一定时 若外加电压升高 则主磁通增大 铁心饱和度程度增加 磁导 m下降 减小 同时铁耗pFe增大 但pFe增大的程度比I02增大的程度小 由pFe I02Rm 则Rm亦减小 反之 若外加电压降低 则Rm xm 增大 即Zm随铁心饱和度程度增加而减小 但通常外加电压是一定的 在正常运行范围内 从空载到满载 主磁通基本不变 磁路的饱和程度也基本不变 因而Rm xm可近似看着常数 从上面的分析可以总结出 Rm是表征铁心损耗的一个参数 而Xm是表征主磁通磁化性能的一个参数 Zm随铁心饱和程度增加而减小 2 变压器空载时的等效电路 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 4 3变压器的负载运行 当变压器一次边接入交流电源 二次边接上负载时的运行方式称为变压器的负载运行 一 负载运行时的物理情况 即从空载电流0变为负载时的电流1 一次绕组的磁动势也从空载磁动势F0变为F1 I1N1 负载时的主磁通 m就是由一次 二次绕组的合成磁动势产生的 即 变压器的负载运行 负载运行时的电磁关系 二 电动势平衡方程式 在一次方 电动势平衡方程式为 在二次方 电动势平衡方程式为 式中 Z2 R2 jx2 二次绕组的漏阻抗 R2 x2 分别为二次绕组的电阻和漏电抗 三 负载运行时的磁动势平衡方程式负载运行时的磁动势平衡方程式可写为 将上式进行变化 可得 或 这说明变压器负载运行时通过磁动势平衡 使一次 二次方的电流紧密地联系在一起 二次方通过磁动势平衡对一次方产生影响 二次方电流的改变必将引起一次方电流的改变 电能就是这样从一次方传到了二次方 四 变压器参数的折算 由于一次 二次绕组的匝数 感应电动势 1 2不相等 给分析变压器的工作特性和绘制相量图增加了困难 为了克服这个困难 常用一假想的绕组来代替其中一个绕组 使之成为变比k 的变压器 这样就可以把一次 二次绕组联成一个等效电路 简化变压器的分析计算 这种方法称为绕组折算 折算后的量在原来的符号上加一个上标号 以示区别 折算目的 获得等效电路 简化计算 画相量图 折算方法 二次方折算到一次方 折算原则 和二次侧的各功率保持不变 1 二次方电流的折算值 2 二次方电动势的折算值 折算前后主磁通和漏磁通均未改变 根据电动势与匝数成正比的关