第3章变压器[1]

第三章变压器 3 1变压器的工作原理 分类及结构 3 2单相变压器的空载运行 3 3单相变压器的负载运行 3 4变压器的等效电路及相量图 3 6三相变压器 3 5变压器的参数测定 3 9自耦变压器及互感器 内蒙古工业大学 3 7变压器的运行特性 3 8变压器的并联运行 第三章变压器 变压器是利用电磁感应的原理 把一种电压 或电流 等级的交流电能 或信号 变换为同频率的另一种电压 或电流 等级的交流电能 或信号 是一种静止的电气变换装置 变压器除了改变电压和电流外 还可以改变阻抗 相位 相数等 内蒙古工业大学 3 1变压器的工作原理 分类及结构 一 变压器的工作原理 一次绕组 原边或初级 与电源相连的一侧吸收交流电能 它的各量用下标 1 表示 内蒙古工业大学 二次绕组 副边或次级 与负载相连的一侧 输出交流电能 它的各量用下标 2 表示 根据电磁感应定律 当不计绕组电阻和铁损耗 并认为两个绕组耦合紧密无漏磁通时 耦合系数Kc 1 称为理想变压器 则 内蒙古工业大学 称为变比 K 1降压变压器 K 1升压变压器 当变压器的电压 电动势 磁通均按正弦规律变化 根据能量守恒原理 二 变压器的分类 1 用途 电力变压器 升 降压 配电 联络 厂用等 试验 用于实验室 调压器 高压试验 测量 电压 电流互感器 特殊 电炉 电焊 整流 同步 脉冲等 内蒙古工业大学 2 相数 单相 三相 多相 3 每相绕组数 单绕组 自耦 双绕组 三绕组 多绕组 分裂 4 铁心形式 5 冷却方式 6 容量 小型 10 630KVA 中型 800 6300KVA 大型 8000 63000KVA 特大型 90000KVA以上 常用芯式 壳式 干式 空气 油浸 充气 变压器的主磁路 由铁心柱和铁轭构成 内蒙古工业大学 三 变压器的结构简介 铁心和绕组构成变压器的器身 铁心 铁心材料用涂有绝缘漆的薄硅钢片迭压而成 厚度一般为0 35 0 5mm 有热轧和冷扎两种 铁心型式 壳式铁心包围绕组的顶面 底面和侧面 如图3 2 机械强度好 制造工艺复杂 铁心用材多 芯式结构特点是铁心柱被绕组包围 如图3 1 结构简单 绕组的装配及绝缘比较容易 2 绕组 变压器的电路部分 由铜或铝的绝缘导线绕制而成 电压高的绕组称为高压绕组 电压低的绕组称为低压绕组 内蒙古工业大学 同心式绕组高 低压绕组同心地套在铁心柱上 如图3 1 结构简单 制造方便 可分为圆筒式 螺旋式和连续式等几种 交叠式绕组高 低压绕组互相交替放置 漏电抗小 机械强度高 引出线方便 如图为一种饼式结构 内蒙古工业大学 3 其它部件 油浸式电力变压器 信号温度计 铭牌 吸湿器 油枕 油位指示器 防爆管 气体继电器 高压套管 低压套管 分接开关 油箱 铁芯 绕组 放油阀 小车 接地端子 内蒙古工业大学 油起绝缘和冷却作用 分接开关调节高压绕组的匝数以调节变压器的输出电压 一般为 5 无载调压 气体继电器 瓦斯继电器 当变压器内部发生故障产生气体或油箱漏油使油面下降过多时 发出报警信号自动切断电源 套管 油箱 油位计等等 4 变压器的额定值 额定运行状态 额定值 铭牌数据 制造厂按国家标准和设计 试验数据规定变压器的正常运行状态 额定运行状态下各物理量的数值 1 额定容量SN 额定运行时的视在功率 或表观功率 内蒙古工业大学 2 额定电压UN U1N 正常运行时加在一次侧的电压 U2N 一次侧加额定电压 二次侧的空载电压 注意 三相变压器额定电压指线电压 3 额定电流IN 额定运行状态下 绕组允许通过的电流 单相变压器 三相变压器 通常一 二次绕组的额定容量设计成相等 单位VA KVA MVA 内蒙古工业大学 4 额定频率fN 工频 我国为50Hz 美国为60Hz 此外还有效率 温升等 内蒙古工业大学 3 2单相变压器的空载运行 原则 从简到繁 由特殊到一般 从空载到负载 先考虑主要因素 然后再考虑次要因素 空载运行 先从变压器的内部电磁关系入手 列出基本方程式 得到等效电路 继而分析其运行性能 方法 一 空载运行时的物理情况 i0 空载电流 励磁电流 i0N1 励磁磁动势 主磁通 一次绕组漏磁通 变压器的一次绕组接到额定交流电源上 二次绕组开路时的运行状态 沿铁心闭合 同时交链一 二次绕组 经过一次绕组周围的非铁磁材料 空气或油 而闭合 只交链一次绕组 内蒙古工业大学 主磁通 与建立它的电流之间呈非线性关系 漏磁通 与建立它的电流之间呈线性关系 起能量传递的作用 起降压作用 不传递能量 二 变压器中各电磁量规定正方向 习惯正方向 将一次绕组看成负载 u1和i1方向关联 二次绕组看成电源u2和i2方向相反 内蒙古工业大学 磁通量与产生它的电流符合右手螺旋关系 感应电动势的方向与电流方向一致 三 基本电势关系 1 感应电动势与主磁通的关系 设主磁通 有效值 内蒙古工业大学 相量式 2 漏磁通与漏电抗 漏磁链 总磁通 式中 称为漏感系数 是常数 设按正弦规律变化 则 式中 称为一次绕组的漏电抗 内蒙古工业大学 在一次绕组中漏电动势对电路的电磁效应 可等效为一个漏电抗上的电压降 3 空载电流 磁化电流 铁损电流 一般电力变压器的空载电流为 0 02 0 1 I1N 只有的1 左右 所以 励磁电流用来表示 即 用来建立磁场的电流 起磁化铁心的作用 无功电流分量 铁心的铁损和一次绕组的铜损称为空载损耗 空载损耗近似认为就是铁损耗 对应的电流称为铁损电流 有功电流分量 内蒙古工业大学 4 电动势平衡方程式 根据图中各量的规定正方向 由KVL可得一次绕组电动势平衡方程式为 为一次绕组电阻 若所有各量均随时间按正弦规律变化 则 称为一次绕组的漏阻抗 常数 内蒙古工业大学 很小 大约0 4 略去不计 在忽略漏阻抗压降的情况下 外加电压主要用来平衡反电动势 当电源电压和频率不变时 主磁通和磁路的饱和程度也基本不变 产生的磁动势也大致恒定 二次绕组 变比 注意 在三相变压器中K为相电压之比 则 内蒙古工业大学 四 相量图及等效电路 1 相量图 以为参考相量的相量图 称为空载运行的功率因数角 变压器空载运行时的功率因数很低 一般在0 1 0 2 2 等效电路 电路在 不变的条件下 与变压器实际电磁关系等值 内蒙古工业大学 励磁阻抗 励磁电阻 反映铁损耗大小 励磁电抗 表征变压器铁心的磁化能力 励磁参数 指出 是常数 不是常数 随铁心饱和程度的增加而减小 变压器的励磁电流主要取决于励磁阻抗的大小 一般设计的比较大 内蒙古工业大学 例题 一台三相电力变压器 Y y接法 额定容量SN 100KVA 额定电压U1N U2N 6000 400V 额定电流I1N I2N 9 62 144 3A 一次绕组每相Z1 R1 jX1 4 2 j9 励磁阻抗Zm Rm jXm 514 j5526 计算 1 励磁电流及其与额定电流的比值 2 空载运行时的功率因数及输入功率 3 一次绕组的相电压 相电动势及漏阻抗压降 并比较它们的大小 解 1 内蒙古工业大学 2 3 一 负载运行时的物理情况 3 3单相变压器的负载运行 内蒙古工业大学 变压器的一次绕组接交流电源 二次绕组接负载时的运行情况 由于 当电压不变时也基本不变 二 负载运行时的基本方程式 内蒙古工业大学 1 磁式平衡方程式 负载时 一次侧的电流由两部分组成 一部分为励磁电流 用来产生主磁通 另一部分为一次侧电流的负载分量 与二次侧电流产生的磁动势相平衡 由于 内蒙古工业大学 2 电势平衡方程式 二次绕组漏感抗 二次绕组漏阻抗 一次绕组 二次绕组 或 内蒙古工业大学 稳态运行基本方程式 三 变压器的相量图 设负载为感性 内蒙古工业大学 3 4变压器的等效电路及相量图 一 绕组归算 二次绕组归算 用一个匝数和一次绕组相同 电磁效应和二次绕组相同的绕组去等效代替原来的二次绕组 等效 归算前后变压器内部的电磁及能量传递关系均保持不变 归算值用原来的符号加 表示 1 电动势和电压的归算 主磁通不变 同理 内蒙古工业大学 2 电流的归算 磁动势不变 3 阻抗的归算 损耗不变 负载阻抗 归算后 变压器的基本方程为 内蒙古工业大学 二 相量图 容性负载相量图 内蒙古工业大学 三 等效电路 1 T型等效电路 k 内蒙古工业大学 2 型等效电路 实际电力变压器中 Zm Z1 I1 Im ImZ1很小 可忽略不计 3 简化等效电路 当二次侧短路 即 短路电阻 短路阻抗 短路电抗 可以忽略不计 注意 空载或负载较小时不能用简化等效电路 内蒙古工业大学 例题 一台三相电力变压器的额定容量SN 750KVA 额定电压U1N U2N 10000 400V Y y接法 已知每相短路电阻rK 1 4 短路电抗XK 6 48 该变压器一次侧接额定电压 二次侧接三相对称负载运行 负载为y接法 每相负载阻抗ZF 0 2 j0 07 计算 1 变压器一 二次侧电流 为线值 2 二次侧电压 3 输入及输出的有功功率和无功功率 4 效率 解 1 略去Im 采用简化等效电路 负载阻抗的归算值 内蒙古工业大学 2 3 4 内蒙古工业大学 例题 某台三相电力变压器SN 600KVA U1N U2N 10000 400V d y接法 ZK 1 8 j5 二次侧带Y接负载 负载每相阻抗ZF 0 3 j0 1 计算 1 一次侧电流I1及其与额定电流I1N的百分比 1 2 二次侧电流I2及其与额定电流I2N的比分比 2 3 二次侧电压U2及其与额定电压U2N降低的百分值 4 变压器的输出容量 解 1 内蒙古工业大学 2 内蒙古工业大学 4 3 例题 一台单相变压器 SN 10KVA U1N U2N 380 220V R1 0 14 R2 0 035 X1 0 22 X2 0 055 Rm 30 Xm 310 负载阻抗ZF 4 j3 当一次侧加额定电压时 试用 T 型等效电路和简化等效电路计算一 二次侧的电流及 二次侧电压 解 1 用T型等效电路计算 内蒙古工业大学 内蒙古工业大学 2 用简化等效电路计算 同 T 型等效电路 从计算结果看 两种等效电路计算结果的误差小于3 因此在工程上 变压器负载运行时用简化等效电路计算即可满足要求 内蒙古工业大学 3 5变压器的参数测定 一 空载试验 测得变压器的变比K和励磁阻抗Zm 高压边开路 在低压边加额定频率的额定电压 测取U1 I10 P0 U20 比较小 内蒙古工业大学 测出的励磁阻抗是低压侧的 若需要高压边的必须要进行归算 即乘以 对于三相变压器 必须将测量值换算为一相的 二 短路试验 测得短路参数 高压边加 5 10 UN 低压边直接短路 测取 内蒙古工业大学 换算到75 C 式中 为温度系数 铜 234 5 铝 228 试验时的环境温度 变压器的阻抗电压 或短路电压 百分数表示 内蒙古工业大学 相对值 标么值 表示 这是变压器很重要的参数之一 中小容量 4 10 5 大容量 12 5 17 5 例题 一台三相铝线变压器 SN 1250KVA U1N U2N 10 0 4KV Y y接法 在室温20 C时的试验记录数据为 空载试验 低压边接电源 U0 400V I0 25 2A P0 2405W短路试验 高压边接电源 UK 440V IK 72 17A PK 13590W 内蒙古工业大学 试求 1 归算到高压边的励磁阻抗和短路阻抗 2 变压器的阻抗电压及其百分值 解 内蒙古工业大学 换算到75 C 2 一 三相变压器的电路系统 联结组 3 6三相变压器 内蒙古工业大学 1 联结法 国标规定高压绕组首端为A B C 末端为X Y Z 中性点为N 低压绕组的首端为a b c 末端为x y z 中性点为n 星形联结用符号 Y 或y 带中线用YN 或yn表示 正方向规定 每相绕组的电压由首端指向末端 两个出线端的电压为线电压 注意 三相电压的相序通常为正相序ABC 三角形联结用符号 D 或d 表示 内蒙古工业大学 三角形D 或d 星形Y 或y 位形图 不仅表示相量间的关系 同时反映接法 X Y Z 内蒙古工业大学 2 联结组 1 单相变压器的联结组 高 低压绕组电位极性相同的两个端点 称为 同名端 用标记 表示 内蒙古工业大学 I I 0表示相位相同 I I 6表示相位相反 2 三相变压器的联结组 时钟表示法 把高压绕组的线电压作为时钟的长针 始终指向 12 低压绕组的线电压作为时钟的短针 它所指的钟点就是变压器的联结组 标号 共有12种 内蒙古工业大学 步骤 1 在绕组结线图上标出各相 线电压正方向 2 按高压绕组的结线方式 画出其位形图 3 根据同一铁心柱上高 低压绕组的相位关系 即同名端 先确定低压绕组相电压的相位 然后按低压绕组的结线方式画出位形图 注意 将A a画在一起 4 根据高 低压边线电压的相位关系 确定联结组标号 内蒙古工业大学 Y y Y y的联结组标号为2 4 6 8 10 0六种 均为偶数 Y y0 Y y6 内蒙古工业大学 Y d Y d11 Y d1 内蒙古工业大学 Y d联结组标号为1 3 5 7 9 11六种 均为奇数 注意 一 二次侧有相同的相序 3 标准联结组 国家标准规定 单相变压器I I0 三相变压器有五种 Y yn0 Y d11 YN d11 YN y0 Y y0 Y yn0三相四线制 用于容量不大的配电变压器 兼供动力和照明负载 二次侧电压为400V Y d11用于二次侧电压超过400V的线路中 对运行有利 YN d11主要用于高压输电线路 内蒙古工业大学 二 三相变压器的磁路系统 铁心的结构形式 1 三相变压器组 各相磁路彼此独立 当一次侧加三相对称电压时 各相的主磁通 空载电流也是对称的 优点 制造运输方便 备用容量小 适用于特大容量的三相变压器 缺点 用铁量多 价格贵 效率低 占地面积大等 内蒙古工业大学 2 三相芯式变压器 各相磁路互相关联 当外加三相对称电压时 三相空载电流中间相最小 两边相较大 优点 消耗材料少 效率高 占地面积小 维护简单 内蒙古工业大学 三 三相变压器电路系统和磁路系统对电动势波形的影响 在磁饱和的情况下 当磁通为正弦波 则励磁电流为尖顶波 如图所示 三次谐波电流 三次谐波电流流通情况与三相绕组的联结方式有关 当磁化电流为正弦波时 磁通为平顶波 含有三次谐波 它的流通情况与铁心的结构形式有关 内蒙古工业大学 1 Y y联结组的三相变压器中电动势的波形 无中线 励磁电流中不含三次谐波分量 近似为正弦波 磁通呈现平顶波 含有三次谐波 1 三相变压器组 三相磁路彼此独立 三次谐波磁通在铁心中闭合 较大 一 二次绕组中的感应电动势为 内蒙古工业大学 三次谐波电动势幅值可达基波电动势的 45 60 相电动势为尖顶波 线电动势仍为正弦波 2 三相芯式变压器 磁路互相联系 三次谐波磁通不可能在铁心中闭合 要经过铁心外油 气隙 油箱壁形成回路 主磁通和相电势接近正弦波 内蒙古工业大学 2 D y或Y d联结的三相变压器中电动势的波形 D y联结励磁电流中含有三次谐波 主磁通是正弦波 相电势也是正弦波 Y d联结励磁电流中无三次谐波 主磁通和感应电动势接近正弦波 3 7变压器的运行特性 内蒙古工业大学 一 变压器负载时二次侧端电压的变化 电压调整率或电压变化率 当一次侧加额定电压 负载功率因数一定时 空载与负载时二次侧电压之差与二次侧额定电压的比值 电压调整率反映了供电电压的稳定性 是变压器的主要运行性能之一 用简化等效电路和相量图计算 设负载为感性 内蒙古工业大学 在一般的电力变压器中 故 o 内蒙古工业大学 负载系数 电压调整率不仅取决于它的短路参数 和负载系数 而且还与负载的功率因数有关 当 与的变化规律 一般 电阻性负载 变压器的外特性 电感性负载 电容性负载 内蒙古工业大学 当时 如图 一般的电力变压器当额定负载时 二 变压器的损耗和效率 一 损耗 1 铁损 不变损耗 2 铜损 可变损耗 空载损耗 负载系数 负载因数 内蒙古工业大学 额定负载下的铜损 二 效率 由于变化较小 单相变压器 三相变压器 内蒙古工业大学 一定时 与的关系 效率特性 令 得 即当可变损耗等于不变损耗时 变压器得效率最高 最大效率通常在范围 效率 内蒙古工业大学 例题 一台三相变压器SN 5600KVA U1N U2N 6000 400V Y d接法 测得75 C时PNK 56KW RK 0 064 XK 0 293 P0 18KW 试求 1 额定负载且时电压变化率 二次侧电压和效率 2 额定负载且时电压变化率 二次侧电压和效率 3 时最高效率及对应得负载系数 解 1 额定负载时 内蒙古工业大学 2 同 1 3 3 8变压器的并联运行 内蒙古工业大学 并联运行 把几台变压器的一 二次绕组的相同标号的出线端联在一起分别接到公共母线上 同时对负载供电 优点 提高供电的可控性 提高运行效率和改善系统的功率因数 减小总的备用容量 内蒙古工业大学 一 并联运行的理想情况和条件 1 理想运行情况 1 空载时 每一台变压器副边电流都为零 各台变压器之间无环流 2 条件 1 变比相同 2 负载后各个变压器所承担的负载电流按其容量的大小成比例分配 3 负载后各个变压器的副边电流相位相同 2 联接组标号相同 3 短路阻抗相对值 标么值 相等 阻抗角也应相同 内蒙古工业大学 变比不等时的并联运行 当K K 产生环流 占据变压器的容量 增加变压器的损耗 规定 并联运行的变压器变比相差不超过1 联接组标号不相同时的并联运行 内蒙古工业大学 环流极大 可达额定电流的5倍以上 短路阻抗不等时的并联运行 当 阻抗基值 由于并联 由 1 2 可得 内蒙古工业大学 并联的变压器分担的负载与容量成正比 即 并联运行的变压器容量间的比一般不超过3 1 如果两台变压器的容量和短路阻抗的标么值不等做并联运行时 希望容量大的一台变压器有较小的阻抗标么值 内蒙古工业大学 例题 有两台三相变压器并联运行 求 1 当负载为1800KVA时 各变压器所承担的负载 2 在不使任一台变压器过载的情况下 并联组所能供给的最大负载 解 1 从等值电路可知 由于额定电压相等 内蒙古工业大学 由于电流与容量成正比 联立求解 1 2 2 当任意一台不过载 让小的先达满载 供给的最大负载 内蒙古工业大学 3 9自耦变压器与互感器 一 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 一 工作原理 1 电压关系 感应电动势 忽略漏阻抗