第四章变压器ppt课件

第四章 4 1变压器的类别 基本结构和额定值 下页 上页 返回 变压器是一种静止的电能变换装置 它利用电磁感应作用 把一种形式的交流电能转换为另一种形式的同频率的交流电能 变压器只能对交流电的电压 电流进行变换 而不能改变交流电的频率 简单的电力系统图 高压输电 4 1变压器的分类 结构及额定值 所有变压器的基本原理都相同 下页 上页 返回 4 1 1变压器的分类 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 芯式变压器和壳式变压器 按冷却介质和冷却方式分 干式变压器 油浸式变压器和气体绝缘变压器 4 电源变压器 电力变压器 控制变压器 接触调压器 三相干式变压器 下页 上页 返回 下页 上页 返回 下页 上页 返回 4 1 2变压器的基本结构 铁心绕组其他部件 变压器的基本结构 1 铁心 磁路部分 又是套装绕组的骨架 组成部分 由心柱和铁轭两部分组成 每部分作用心柱用来套装绕组 铁轭将心柱连接起来 使之形成闭合磁路 材料为减少铁心损耗 铁心用厚0 30 0 35mm的硅钢片叠成 片上涂以绝缘漆 以避免片间短路 铁轭 心柱 下页 上页 返回 4 1 2变压器的基本结构 下页 上页 返回 下页 上页 返回 心式变压器 结构心柱被绕组所包围 如图2 1所示 特点心式结构的绕组和绝缘装配比较容易 所以电力变压器常常采用这种结构 壳式变压器 结构铁心包围绕组的顶面 底面和侧面 如图2 2所示 特点壳式变压器的机械强度较好 常用于低电压 大电流的变压器或小容量电讯变压器 按照铁心的结构 变压器可分为心式和壳式两种 下页 上页 返回 2 绕组 定义 变压器的电路部分 用纸包或纱包的绝缘扁线或圆线 铜或铝 绕成 一次绕组 输入电能的绕组 原边 一次侧 二次绕组 输出电能的绕组 副边 二次侧 异同点 一次和二次绕组具有不同的匝数 电压和电流 其中电压较高的绕组称为高压绕组 电压较低的称为低压绕组 从高 低压绕组的相对位置来看 变压器的绕组可分为同心式和交迭式 同心式 结构 同心式绕组的高 低压绕组同心地套装在心柱上 特点 同心式绕组结构简单 制造方便 国产电力变压器均采用这种结构 交迭式 结构 交迭式绕组的高 低压绕组沿心柱高度方向互相交迭地放置 为了绝缘方便 一般最上层和最下层的两个绕组都是低压绕组 漏电抗小 机械强度高 引线方便 较大型的电炉变压器常采用这种结构 特点 交迭式绕组用于特种变压器中 3 绕组和铁心的结构关系 下页 上页 返回 4 其它部件 变压器油增强绝缘程度改善散热效果防潮 下页 上页 返回 器身 铁心 绕组 油箱 变压器油 典型的油浸电力变压器 散热器 绝缘套管 分接开关 继电保护装置等部件 油浸式电力变压器 1 信号式温度计2 吸湿器3 储油柜4 油位计5 安全气道6 气体继电器7 高压套管8 低压套管9 分接开关10 油箱11 铁心12 线圈13 放油阀门 散热器 下页 上页 返回 套管瓷质引出导线 使其对地绝缘做成多级伞形 下页 上页 返回 3 变压器的额定数据 额定值 变压器设计 制造时的确定数值 其值规定为指定的工作条件下 变压器的发热 绝缘情况所允许的最大值 在额定状态下运行时 变压器能长期可靠稳定工作 且性能优越 额定容量SN VA 一次绕组额定电压U1N 线值 二次绕组额定电压U2N 线值 额定电流I1N和I2N 线值 额定频率fN50赫 Hz 下页 上页 返回 单相变压器三相变压器 4 2变压器的空载运行 1 空载运行时的电磁物理现象 下页 上页 返回 是指变压器一次绕组接在额定电压的交流电源上 而二次绕组开路时的工作情况 主磁通和漏磁通在性质上有明显的差别 磁路性质不同 主磁路由铁磁材料构成 可能出现磁饱和 所以主磁通与建立主磁通的空载电流之间可能不成正比关系 漏磁路绝大部分由非铁磁材料构成 无磁饱和问题 则一次绕组漏磁通与空载电流之间成正比关系 由于主磁路磁阻小 所以主磁通占总磁通绝大部分 而漏磁路磁阻大 漏磁通很小 仅占0 1 0 2 功能不同 主磁通通过电磁感应将一次绕组能量传递到二次绕组 起能量传递作用 漏磁通只在一次绕组感应电势 不起传递功率作用 电磁关系 u1 i0 im i0N1 1 i0r1 e1 e2 u20 e1 下页 上页 返回 4 2 2 正方向规定 正电流与正磁通成右手螺旋定则 正磁通与感应电势成右手螺旋定则 i e 遵循惯例 下页 上页 返回 u1与i0取关联方向i0与 1 符合右手螺旋定则 与e1 e2符合右手螺旋定则e2与u20方向相反 下页 上页 返回 4 2 3 电压平衡方程及相量图 原边 副边 下页 上页 返回 1 感应电动势与主磁通 变压器的变比 变压器电阻压降和漏电势很小 可忽略 下页 上页 返回 忽略饱和与磁滞 感应电动势与主磁通关系 相位上 滞后主磁通900电角度 变压器的电压比和变比是否近似相等 理想变压器的变比等于多少 下页 上页 返回 变压器的电源电压不变 仅改变副边匝数 主磁通是否改变 为什么 下页 上页 返回 常数 下页 上页 返回 2 漏磁通 漏电动势和漏电抗 实际空载电流为非正弦波 为了便于计算 通常用一个有效值与之相等的等效正弦波电流来代替非正弦激磁电流 空载电流 励磁电流 分析 电力变压器磁路都是饱和 空载电流与由它产生的主磁通呈非线性关系 因此 当主磁通按正弦规律变化时 空载电流呈尖顶波形 磁路不饱和时 励磁电流为正弦波 电网电压为正弦波 主磁通也为正弦波 用相量表示 表征漏磁通对一次绕组电磁效应的参数 常数与i0无关 仿照漏磁电动势的处理方法 引入励磁阻抗 反映主磁电动势与励磁电流之间的关系 3 主磁通 主磁电动势和励磁阻抗 i0 励磁电抗是表征铁心磁化性能的参数 励磁电阻是对应铁心损耗的虚拟电阻 下页 上页 返回 非常数 非常数 随饱和程度的增加而减小 我们希望小 大 励磁电流 产生主磁通所需要的电流 用表示 空载运行时 空载电流就是励磁电流 即 励磁电流包括两个分量 一个是磁化电流 一个是铁耗电流 磁化电流激励铁心中的主磁通 是无功分量 铁耗电流是从电源吸收铁耗功率的反映 是有功分量 基本方程式及等效电路 下页 上页 返回 相量图 下页 上页 返回 变压器的一次绕组接到交流电源 二次绕组接到负载阻抗时 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 1 负载运行时的电磁物理现象 4 3变压器的负载运行 下页 上页 返回 图2 8变压器的负载运行 下页 上页 返回 i1 u2 变压器负载时电磁关系 下页 上页 返回 3 磁动势平衡方程式 负载运行时 仍然有 电源电压不变 因此负载运行和空载运行时的主磁通近似相等 主磁路饱和程度不变 磁阻相等 负载运行和空载运行时的磁动势相等 下页 上页 返回 忽略励磁电流分量 则 负载电流分量 一次侧电流由励磁电流分量和负载电流分量构成 上式二次侧电流的增加或减少必然引起一次侧电流的增加或减少 表明通过电磁作用 变压器将能量从一次侧传递到二次侧 即变压器为能量传递装置 下页 上页 返回 2 变压器负载运行时电压平衡方程式 变压器负载运行时磁动势 磁通 电动势之间的关系 2 变压器负载运行时电压平衡方程式 下页 上页 返回 在研究变压器的运行问题时 希望有一个既能正确反映变压器内部电磁关系 又便于工程计算的等效电路 来代替具有电路 磁路和电磁感应联系的实际变压器 下面从变压器的基本方程出发 导出此等效电路 4 4变压器的等效电路及相量图 1 基本方程组 利用这些方程式可以进行定量计算 从而能精确的研究和分析变压器的各种运行性能 但是变压器的一次 二次绕组的匝数不等 且有六个未知数 使得这组方程的求解变得相当的繁琐 各物理量均为相值 下页 上页 返回 变压器的等效电路 1 绕组归算 A 方法通常是把二次绕组归算到一次绕组 也就是假想把二次绕组的匝数变换成一次绕组的匝数 而不改变一次和二次绕组原有的电磁关系 建立等效电路 除了需要把一次和二次侧磁通的效果作为漏抗压降 主磁通和铁心绕组的效果作为激磁阻抗来处理外 还需要进行组归算 归算的目的 仅仅为了简化变压器的研究方法 B 原则 只要归算前后二次绕组的磁动势保持不变 则对一次绕组来说 变换是等效的 即一次绕组将从电网吸收同样大小的功率和电流 并有同样大小的功率传递给二次绕组 变压器的等效电路 归算原则 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 电流的归算 归算前 后二次绕组的磁动势保持不变 可得 2 电势的归算 归算前 后二次绕组的磁动势保持不变 则铁心中的主磁通保持不变 可得 3 阻抗的归算 归算前 后二次绕组的传输功率 损耗保持不变 可得 电压类 折算值 实际值 k 电流类 折算值 实际值 k 阻抗类 折算值 实际值 k2 总结 归算后 变压器的基本方程变为 2 变量代换法 所谓变量代换 是指在进行定量计算时 用新的变量取代方程组中原来的部分变量 新的变量和被代换掉的变量之间存在一定的比例关系 从而使得新的方程组中没有了变比k 方程得到了简化 最终方便了计算 下页 上页 返回 基本方程式的方程个数由六个减为五个 方程组得到简化 计算量大大降低 下页 上页 返回 电压类 折算值 实际值 k 将二次绕组的物理量用新变量代换掉 而一次绕组的物理量均不变 这种代换称之为将二次侧折算到一次侧 或者二次侧向一次侧折算 电流类 折算值 实际值 k 阻抗类 折算值 实际值 k2 二次侧向一次侧折算 k N1 N2 一次侧向二次侧折算 k N2 N1 变量代换的一般规律 下页 上页 返回 3 T形等效电路 由基本方程式推导等效电路 下页 上页 返回 下页 上页 返回 记住T形等效电路的画法 然后根据等效电路列写出所有的基本方程式 T形等效电路 下页 上页 返回 4 形等效电路 T型等效电路虽然能准确的反映变压器运行时内部的电磁关系 但它含有串联 并联支路 运算较为复杂 下页 上页 返回 5 简化等效电路 在分析变压器重载或者满载时 可以进一步忽略励磁电流 短路阻抗 下页 上页 返回 4 5变压器的参数测定 1 问题的提出 变压器的使用者在计算分析变压器的运行情况时 需要知道变压器的参数 如k Z1 Z2 Zm等 但是在变压器的产品目录和铭牌上通常是没有这些参数的 而且对变压器具体的材料型号和尺寸大小也不清楚 所以只能通过试验测定法来测定这些参数 下页 上页 返回 2 变压器的空载试验 通过变压器的空载试验 可以测量出一次侧加额定电压U1N时二次侧开路电压U2 空载损耗P0 空载电流I0 从而计算出变比k 励磁阻抗Zm 实验目的 实验接线图 下页 上页 返回 实验原理 下页 上页 返回 三个注意点 对于三相变压器 试验测定的电压 电流都是线值 计算时必须根据绕组的联结方式 换算成相值 测出的功率是三相的总功率 除以三 取一相的功率进行计算 变压器的励磁电阻不是真实电阻 而是用来等效变压器铁耗的模拟电阻 不存在随温度变化的问题 不需要进行温度折算 下页 上页 返回 Zm与饱和程度有关 电压越高 磁路越饱和 Zm越小 所以应以额定电压下测读的数据计算励磁参数 3 变压器的短路试验 通过变压器的短路试验 可以测量出额定短路电流I1N时一次侧电压UK 短路损耗Pk 从而计算出短路阻抗Zk 实验目的 实验接线图 下页 上页 返回 温度折算 以铜线变压器为例 下页 上页 返回 实验原理 两个注意点 三相变压器试验测定的电压 电流都是线值 计算时必须根据绕组的联结方式 换算成相值 测出的功率是三相的总功率 除以三 取一相的功率进行计算 阻抗电压或者短路电压 变压器的短路试验时 当绕组中的电流达到额定值 加在高压绕组上的电压Uk 若用高压绕组额定电压的百分数来表示 则为 下页 上页 返回 4 6标幺值 1 定义 下页 上页 返回 所谓标幺值就是某一物理量的实际值与选定的基值之比 若U1 150V U2 250V 若取100V作为两电压的基值 则 标幺值实质 基值标为一 幺即为一 后 该物理量的相对值 2 基值的选取原则 选取的基值必须遵循物理关系的约束 对于单相电路的计算而言 U I Z和S四个基本物理量的基值中 只要选定两个 剩下的两个基值可以根据下式来确定 下页 上页 返回 一般取各物理量的相额定值作为基值 单相变压器一次侧各物理量的基值为 三相变压器一次侧各物理量的基值可以按如下方法选择 一次绕组为星形联结 一次绕组为三角形联结 下页 上页 返回 同一侧电路的同类物理量要用同一个基值 二次绕组向一次绕组折算后 就和一次侧绕组属于同一电路 因此 二次侧绕组各物理量的折算值以一次侧绕组相应物理量的相额定值作为基值 电压类 U1 E1 E1 U2 E2 E2 的基值均为U1b 电流类 I1 Im I2 的基值均为I1b 阻抗类 Z1 Zm R1 Rm X1 Xm Z2 R2 X2 的基值均为Z1b 不同侧电路的物理量要用不同的基值 变压器的一次侧物理量的基值用一次侧的额定值 二次侧物理量的基值用二次侧的额定值 下页 上页 返回 3 标幺值计算的优点 采用标幺值表示电压 电流时 可以直观的看出变压器的运行情况 不论变压器容量是大是小 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以内 因此便于比较和分析 下页 上页 返回 在不知道它的额定值的情况下 是无法判定其运行工况的 变压器出于额定电压下一半额定电流运行 满载运行 半载运行 1 4负载运行 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 某些物理量的标幺值将具有相同的数值 4 标幺值的缺点是没有量纲 无法用量纲关系来检查 4 7变压器的运行特性 有外特性U2 I2 和效率特性 I2 而变压器的主要性能指标是电压变化率 4 7 1外特性和电压变化率变压器外特性是指当U1 U1N cos 2 常数时 副边端电压随负载电流变化的规律 即 U2 I2 曲线 4 7变压器的运行特性 1 电压变化率 电压变化率是表征变压器运行性能的重要指标之一 它大小反映了供电电压的稳定性 下页 上页 返回 定义 当一次侧电压保持为额定 负载功率因数为常值 从空载到负载时二次侧电压变化的百分值 用 u表示 通常约为5 2 电压调整率的实用计算公式 下页 上页 返回 2 b 假设为感性负载 0 a c p d b 0 a c p d 下页 上页 返回 2 外特性 若为常数 则 下页 上页 返回 2 效率和效率特性 定义 计算方法 1 直接负载法 不准确 对于大型变压器 负载不具备 2 间接法 准确 简单方便 下页 上页 返回 变压器的损耗主要是铁损耗和铜损耗两种 铁损耗与外加电压大小有关 而与负载大小基本无关 故也称为不变损耗 铜损耗大小与负载电流平方成正比 故也称为可变损耗 下页 上页 返回 下页 上页 返回 效率特性 变压器的空载试验测得 短路试验测得 当铜损耗等于铁损耗 可变损耗等于不变损耗 时 变压器效率最大 下页 上页 返回 负载系数 4 8三相变压器 1 磁路系统 组式变压器 心式变压器 特点 三相磁路彼此无关联 适用于巨型变压器 特点 三相磁路彼此有关联 耗材少 价格低 占地少 维护简单 下页 上页 返回 2 电路系统 变压器的连接法 表1绕组端头标号 星形连接 Y y 三角形连接 D d 国产变压器常用Y yn Y d YN d三种连接法 下页 上页 返回 高 低压绕组的相电动势相位关系 1 同名端的判别 1 观察绕向法 2 直流电流法 互为同名端的两个端点在任意时刻极性都相同 且同名端总是成对出现的 假设分别从高 低压绕组的一个端点中流入直流电流 从而分别在铁心中产生恒定磁通 如果两个恒定磁通的方向相同 那么这两个端点互为同名端 否则不是同名端 下页 上页 返回 2 高低压绕组相电动势相位关系的确定 高 低压绕组相电动势的正方向统一规定为从绕组的首端指向末端 若高 低压绕组的首端 或末端 互为同名端 则相电动势同相位 若高压绕组的首端 或末端 和低压绕组的末端 或首端 互为同名端 则相