《变压器运行分析》PPT课件

变压器的运行分析,2-1变压器各电磁量正方向,2-2变压器空载运行,2-4标幺值,2-5变压器参数的测定,2-6变压器的运行性能,2-3变压器负载运行,变压器中各个电磁量的大小和方向都随时间交变，选好正方向，才能列写相量式。,2-1变压器各电量正方向,正方向是人为规定的，有任选性，而各电磁量的实际方向都由电磁定律决定。,A,X,a,x,i2,u2,e2,u1,e1,i1,变压器运行示意图,取磁通与电动势的正方向符合右螺旋关系（参考正方向）,当d/dt0，由楞次定律可知此时的实际方向应与正方向相反。,的实际方向与正方向相反,产生的电流是阻碍增加的,增大,减弱,正方向与实际方向相反,正方向与实际方向相同,一次边接电网，i1与u1方向相同，说明变压器从电源吸收电功率。这样规定i1与u1方向称为“电动机惯例”。i2与u2方向相反，输出电功率。二次边和2也符合右手螺旋关系。,按规定的正方向，根据基尔霍夫第二定律，瞬间一次边电动势平衡方程式：,2-2变压器的空载运行,A,X,a,x,u20,e2,u1,e1,i0,变压器空载运行示意图,1、空载时的物理现象（不接负载）,主磁通沿铁芯闭合，同时与一、二次绕组相链，是变压器能量交换和传递的主要因素。,2、主磁通和漏磁通,主磁通：,主磁通脉振使无电路连接的一、二次边绕组有磁耦合。,A,X,a,x,u20,e2,u1,e1,i0,变压器空载运行示意图,主磁通与漏磁通比较：,一次边漏磁通：主要通过非磁性介质（空气或油），仅与一次绕组相交链。,漏磁通数量远远小于主磁通，为0.2%，因为漏磁通磁路磁阻大。漏磁通不传递量。,3、感应电动势与变压器变比,一次边：,根据电磁感应定律，当和1s随时间变化时，分别在它们所交链的绕组内感应电动势：,二次边：,电动势瞬变值：,电动势有效值：,电动势相量值：,电动势最大值：,m为主磁通幅值,写成相量形式：,一次边电动势有效值：,m为主磁通幅值,二次边电动势有效值：,变压器变比：,一次侧电动势平衡方程：,对于三相变压器,一次侧星形联结,二次侧三角形联结,采用相电压计算变比,对于三相变压器,一次侧星形联结,二次侧星形联结,两侧电气联结相同时可以采用线电压计算变比,注意：,的运用,的大小由决定,却与无关,例题：变压器铭牌数据为：,高、低压绕组均为星形联结，低压绕组每相匝数为40匝，如果高压侧电压改为1000V，保持主磁通及低压绕组额定电压不变，则新的高、低压绕组每相匝数应是多少？,当：,4、空载相量图,铁芯损耗（即铁芯中磁滞损耗和涡流损耗之和）pFe可表示为：,5、空载电流波形,认为i0与同相位,i0,i0,0,0,0,t1,t3,t1,t2,t2,t3,变压器磁化曲线,尖顶波的励磁电流产生正弦波的磁通,正弦波的励磁电流产生平顶波的磁通,尖顶波可用付氏级数分解为基波，三次谐波，五次谐波等一系列奇次谐波。,基波,三次谐波,尖顶波,分析变压器的功率关系时，一般用等效正弦波（基波）代替尖顶波的空载电流。,若忽略铁耗，等效正弦波i0与主磁通同相位，i0为纯无功电流，无损耗。,存在于一次绕组中,作用是产生主磁通,关于励磁电流：,无功电流，过大时使变压器功率因数下降,相位超前磁通一个很小的铁耗角,也可以近似为和磁通同相位,理想波形为含有三次谐波的尖顶波,6、空载时等效电路,空载I20=0不考虑二次边电路,表示,表示,激磁阻抗,漏电抗,为一次边绕组漏磁路的磁导,引入一个漏抗参数,漏电感,漏电抗参数是一个不随电流变化的常数。,x1的数值基本与磁饱和无关。,空载等效电路,Zm-激磁阻抗xm-对应主磁通的电抗，激磁电抗Rm-代表铁耗的等效电阻,激磁电抗,漏电抗,不是个常数,励磁电阻是一个等效电阻，它反映了变压器铁耗的大小。,当电源电压U1增加时，磁通增加，此时磁路饱和程度提高，铁芯磁导率Fe减小使磁阻增加，而使I0增加得更多，反映在等效电路中的Zm和Xm数值均将减少。,7、变压器空载运行基本方程式：,实际上变压器在运行时其电源电压变化很小。,根据：,所以m的大小与电源电压相关,所以在一定的外施电压下，变压器的空载电流的数值主要取决于激磁电抗Xm的大小。,P24页,铁心里的主磁通虽然由励磁磁动势或励磁电流产生，但其数值大小却由决定。,P24页,主磁路采用了硅钢片，磁导很大，即很大，很小的励磁电流就能产生较大的主磁通。,存在于一次绕组中,作用是产生主磁通,关于励磁电流：,无功电流，过大时使变压器功率因数下降,相位超前磁通一个很小的铁耗角,也可以近似为和磁通同相位,理想波形为含有三次谐波的尖顶波,励磁电流很小,当电压不变时，励磁电流的大小与频率、一次侧绕组匝数、导磁率相关。,课,习,题,变压器习题课,利用：,分析变压器问题,1、当变压器磁路饱和时，其功率因数如何变化？,2、当变压器磁回路为空气时，励磁电流如何变化？,3、当一次侧电压提高10%时，励磁电流是否也提高10%？,励磁电流的增加超过10%,4、日本变压器是否能在中国电网运行？,5、一台变压器电压为,当把一次侧误接在二次侧时，会发生什么问题？,6、如果将的变压器误接在380伏电压上会发生什么情况？,变压器输入电压决定了磁通的变化,过电机磁化曲线饱和点后，励磁电流提高的比列比电压要高,饱和点,7、,各对应什么磁通？,主磁通,漏磁通,8、为什么,9、在制造同一规格的变压器时，若误将变压器铁芯截面积减少了一半问这台变压器在运行时会怎样？,10、两台单相变压器，一次边匝数相等，但空载电流不相等，将两台变压器的一次边顺极性串联起来，加440V电压，两变压器二次边的空载电压是否相等？,11、一台单相变压器，一次、二次侧绕组匝数为，改为，变比不变，变压器是否能正常运行？,2-3变压器的负载运行,1、负载时的物理现象,2、磁动势平衡方程,3、电动势平衡方程,4、等效电路,5、相量图,6、功率关系,A,X,a,x,2,2,2,1,1,1,N1,N2,ZL,负载运行时的示意图,1、负载时的物理现象,比较：空载与负载运行物理现象,负载：I20,空载：I2=0,从空载到负载，一次侧电压是否发生变化？,从空载到负载，产生磁通的磁动势是否发生变化？,从空载到负载，主磁通是否发生变化？,没有变化,没有变化,没有变化,P24页,铁心里的主磁通虽然由励磁磁动势或励磁电流产生，但其数值大小却由决定。,P24页,主磁路采用了硅钢片，磁导很大，即很大，很小的励磁电流就能产生较大的主磁通。,问：空载时产生磁通的磁动势有几个，而负载时有几个？,空载时一个：,负载时两个：,问：空载到负载时磁通是否发生变化？,一次侧电压决定磁通，没有发生变化,2、变压器负载运行时的磁动势平衡方程式,根据全电流定律，可得变压器负载时的磁动势方程式：,磁动势平衡方程：,比较：,空载励磁电流，在一次侧流动,负载励磁电流，在一次侧流动，是一小部分一次侧的电流,负载一次侧电流,负载二次侧电流,负载一次侧部分电流,问：当负载电流增大时，一次侧电流如何变化？,根据磁动势平衡方程式：,一次侧电流自动增加，从一次侧把电能量转递给二次侧。,3、电动势方程式,一次绕组：,二次绕组：,比较变压器空载运行基本方程式：,空载,负载,从变压器基本方程对应的电路可看出一、二次回路是互相独立的，仅通过磁场联系。,若已知各参数要解六个变压器基本相量方程组，得出六个未知数,但是解联立方程相当繁杂，由于变压器的变比K较大，使一、二次侧电压、电流、阻抗相差很大，计算很不方便，画相量图也较困难。,实际在分析变压器时往往用等效电路。,4、折算及等效电路,折算的概念,折算的目的是得出变压器一、二次边具有电联系的等效电路，简化定量计算。,折算就是把二次边绕组的匝数N2变成一次边绕组的匝数N1而不改变其电磁本质。,变压器的电磁本质是：,传递能量的磁动势平衡方程,功率平衡不变,损耗不变,为什么要把二次侧的匝数变为一次侧的？,一次侧电路,二次侧电路,变压器的电磁本质是：,传递能量的磁动势平衡方程,功率平衡不变,损耗不变,传递能量的磁动势平衡方程,折算电流缩小了k倍,折算后：,磁动势平衡方程式：,消去共同的匝数，变成了节点电流方程：,根据损耗不变,二次侧参数的折算,二次侧折算后：,电压或电动势扩大K倍：,电流缩小K倍：,参数扩大K平方倍：,T形等效电路,电流的折算：,参数的折算：,电动势的折算：,T形等效电路只适用于变压器对称、稳态运行,如果运行不对称、动态、故障状态，如绕组匝间短路等，就不能简单地采用T形等效电路,T形等效电路都是指单相或三相中的一相的值,对于三相变压器，应该根据电路上的联结方式值，换算出相电压和相电流再计算。,在变压器中常常把二次边绕组各物理量折算到一次绕组，反过来也可以。,电流的折算：,参数的折算：,电动势的折算：,比较折算前后变压器基本方程式,折算后,折算前,二次边参数转为折算值,利用等效电路对变压器进行定量计算的步骤：,求出总阻抗值,已知U1则：,分流公式可求,形等效电路（可简化计算）,电力变压器中激磁电流I0在I1N中所占比例小，可认为I00,I0支路相当于开路，则：U1E1,简化等效电路,由简化等效电路：,T形等效电路,简化等效电路,形等效电路,短路阻抗：,问短路阻抗大好还是小好？,为了稳定输出电压小点好。,为了限制短路电流略大点好。,5、相量图,表达出方程：,m,1,铁耗角aFe=tg-1(Rm/xm),从相量图可以看U1E1=4.44fN1m，m与U1相关。,思考相量图有什么作用？,1、可以直观反应变压器磁动势、电动势平衡方程各相量间的相位关系。,2、可以定性分析变压器问题（模糊分析）,3、可以定量计算变压器问题,2、简化等效电路对应的相量图,根据：,画出相应的相量图,1,j1Xk,1Rk,利用简化等效电路的相量图可方便求出变压器功率因数cos1。,电感性负载,电容性负载,变压器带超前或滞后性负载时二次侧电压的变化轨迹,6、功率关系,点积,同相位时：,相位正交时：,传递给二次侧的电磁功率,对照等效电路来看，每个电阻参数对应着有功损耗,什么是标么值？,如：,基值与实际值同单位,2-4标么值,单相一次侧阻抗基值：Z1N=U1N/I1N,单相二次侧阻抗基值：Z2N=U2N/I2N,三相二次侧阻抗基值：Z2N=U2xN/I2xN,三相一次侧阻抗基值：Z1N=U1xN/I1xN,单相功率基值：P1N=U1NI1N、P2N=U2NI2N,三相功率基值：,单相电压基值：U1N、U2N,三相电流基值：I1xN、I2xN,三相电压基值：U1xN、U2xN,单相电流基值：I1N、I2N,标幺值的基值是额定值,标幺值反应出实际值为多少倍的额定值,对于三相变压器，线值的基值也是线值，相值的基值是相值。,不同容量变压器参数变化范围小,使用标么值的优点,大变压器基值大，实际值也大，小变压器基值小，实际值也小。所以不同容量变压器标么值表示的参数变化范围小，有可比性。,采用标么值，等效电路中各物理量不需要折算,如：,折算等效电路,采用标么值后，各物理量的数值简化,如：,当I1=I1N时，,当I1=1/2I1N时，,变压器铜耗标幺值：,变压器漏阻抗标幺值：,变压器短路阻抗电压标幺值：,P10额定数据7项,标么值计算举例,已知：一台单相变压器,容量SN=10kVA，U1N/U2N=380V/220V,R1=0.4，R2=0.035X1=0.22,X2=0.055,Rm=30,xm=310ZL=4+j3，当一次侧外施额定电压时，求：cos1,I1N=SN/U1N=10103/380=26.32AI2N=SN/U2N=10103/220=45.45AZ1N=U1N/I1N=380/26.32=14.44Z2N=U2N/I2N=220/45.45=4.48,求标么值的基值,计算各参数标么值,计算各参数标么值,ZL=4+j3,R2=0.035,X2=0.055,求：,求:,求:,还可以用标幺值简化等效电路计算,当一次侧电压额定时：,2-5参数测定,利用等效电路计算及画相量图都需首先已知变压器的参数：R1、xm、R2、X1、Rm、X2、ZL、RL、XL。,这些参数可计算得到，也可以通过（空载、短路）实验测出。,一、空载实验,空载实验的目的是测出：,测铁耗pFe,励磁阻抗Zm及激磁电抗Xm,测变压器的磁化曲线,测出励磁电流,做空载实验时注意几点：,实验在低压侧做（安全和测量方便）,注意功率表的使用（接法及读数）,所加空载电压不能大于额定电压。（避免磁路饱和）,为什么将额定频率的正弦电压加在低压绕组上？（即在低压侧做空载实验？）,如做6000V/230V变压器空载实验，只需230V电源即可。,从安全的角度考虑在低压侧做空载实验，实验人员接触高电压机率小。,在低压边和高压边测出的效果（空载损耗、励磁阻抗）是否相同？,1、测铁损耗,当f=fN、U1=U1N时，p0pFe,功率表中的读数便是铁损耗,铁损耗对应着：,在低压侧测：,在一次侧和二次侧测得的铁损耗是否相同？,在二次侧测空载实验：,在一次侧测的铁耗：,在一次侧和二次侧测得的铁耗相等,在一次侧和二次侧测得的空载励磁电流不相等,还原为一次侧实际励磁电流,在二次侧测得的励磁电流：,2、测激磁阻抗Zm=Rm+jxm,空载运行的等效电路如下：,还原到高压侧：,低压侧：,是电流表读数,在高压侧和在低压侧所测的空载损耗相同。,在高压侧和在低压侧所测的等效电路参数不相同。,一般电力变压器在额定电压时，空载电流约为额定电流的210%，空载损耗约为额定容量的0.21.0%。,实验室所测空载损耗较大。,铁损耗：,空载实验用功率表测,计算：,定性分析：,二、短路实验,1、短路实验的目的,测变压器参数,测短路铜耗pk,2、试验线路及等效电路,短路时：ZL被短路IK,为了限制IK=I1NUKU1N=5%U1NUK4.44fN1m则:U1mI0,一般I0为I1N的210%或者更小,当UK=5%U1N时，可以认为I0支路断路,3、根据仪表读数计算参数,若测短路实验测出Xk、RK,这在工程上足够精确。,一般变压器基准工作温度为75,4、电阻与温度的关系,实验温度下测出Rk,Rk,例题：实验时，环境温度=30，Rk30测出为0.85。求：Rk75,空载实验和短路实验收获：,电机的磁化曲线,六个参数,铁损耗和铜损耗,可测算突然短路的稳态短路电流,三、短路电压,短路电压一般用额定电压的百分数表示,Uk=I1NZk,基值Z=U1N/I1N,短路电压又称阻抗电压,一般电力变压器Uk510%U1N,2-6变压器的运行性能,反映变压器的运行性能主要有两个指标：,二次边电压的变化率,变压器效率,一、二次边电压变化率的计算,二、变压器的损耗和效率,二次边电压变化的原因是由于漏阻抗压降的影响，使变压器的二次边电压随负载变化而变化。,一、二次边电压变化率的计算,1、电压变化率的定义：,一次侧施加额定频率、额定电压时，二次侧空载电压与某一功率因数下额定负载时的二次侧电压之差对二次侧额定电压的百分值。,1、电压调整率的定义：,一次侧施加额定频率、额定电压时，二次侧空载电压与某一功率因数下额定负载时的二次侧电压之差对二次侧额定电压的百分值。,2、通过变压器简化等效电路的相量图推导U计算公式,阻抗三角形,为的阻抗角,感性负载,负载因数：,带额定负载,带50%额定负载,带20%额定负载,满载,过载50%,容性负载,外特性,容性，超前,电阻负载,感性，滞后,3、通过电压变化率分析变压器外特性,希望U愈小愈好，但U是会受诸多因数影响,负载大小I2,负载性质（cos2大小及2的正负）,短路阻抗Rk、xK,42页,变压器短路阻抗虽小，但直接影响变压器的性能，是一个非常重要的参数，其值在国家有关标准中有规定，并在铭牌上标注。,供电电压越稳定,利用：,计算出满载时电压调整率：,利用：,计算出负载率,若已知：,因为变压器二次侧电压随负载变化，那么，要使变压器在不同负载下保持其二次侧电压稳定，必须进行电压调整。可以通过调节高压绕组的匝数来调节二次侧电压。,有载分接开关（通电调压）,无载分接开关（断电调压）,二、变压器的损耗和效率,附加铁耗：叠片间绝缘损伤引起局部涡流损耗、在结构部件的涡流损耗和在绝缘材料中的介质损耗。附加铁耗占基本铁耗的1520%。,基本铁耗：磁滞损耗、涡流损耗,（一）损耗,1、铁耗（又称为空载损耗）,2、铜耗,基本铜耗：指变压器绕组的直流电阻损耗,附加铜耗,集肤效应,环流损耗（双绕组）,漏磁场在结构件和油箱壁引起的涡流损耗,集肤效应：漏磁场产生电抗，阻碍电流流通，使电流通往导线表层，相当于绕组截面积S减小，电阻R1增大，产生附加电阻铜耗。,漏磁场在结构件和油箱壁引起的涡流损耗占基本铜耗的0.55%。,（二）效率,一般变压器的容量较大且效率较高，往往用间接法求效率。,总损耗：p=p0+pcua,铜耗,铁耗,最大效率对应的负载因数：,结论：当不变损耗等于可变损耗时，变压器的效率达最大值。,效率达最大值发生在铁耗等于铜耗处,最大效率发生在：,最大效率负载因数：,为什么铁耗与负载电流无关？,因为变压器空载和负载时铁心中的磁通由一次侧电压决定，基本不变。,例题:SN=80KVA；U1N/U2N=6000V/230V；cos2=0.8；空载实验得p0=600W；短路实验得pk=1800W,求max,解：最大效率时,I2=0.5774I2N,空载实验和短路实验的收获：,电机的磁化曲线,六个参数,铁损耗和铜损耗,可测算突然短路的稳态短路电流,课,习,题,习题课,1、如何从T形等效电路看变压器功率传递和内部损耗？,单相输入视在功率：,单相输入有功功率：,传递给二次侧的有功功率：,是之间的夹角,铁耗：,铜耗：,忽略励磁电流：,输出有功功率：,负号代表输出功率,2、变压器电抗参数各对应什么磁通？用什么样的实验可求得？,对应主磁通,用空载实验求得,对应一次侧漏磁通,用短路实验求得,对应二次侧漏磁通,用短路实验求得,3、变压器希望激磁电抗大点还是小点好？,为了减小希望大。,4、变压器一次侧接直流电源后电流怎样变化？,5、为什么变压器空载实验测得的是铁损耗？在短路实验时测得的是铜损耗？,铁损耗：,铜损耗：,空载实验对应的等效电路？,短路实验对应的等效电路？,6、变压器运行时哪些损耗是基本不变，哪些又是随负载而变的？,铁耗：,铜耗：,铁耗基本不变，铜耗随负载而变。,7、短路实验测出的铜耗是否会随负载变化而变？负载率为0.2时的铜耗为多少短路实验测出的铜耗？,短路实验测出的铜耗对应的是额定电流，是个常数，不会随负载而变。,负载率：,8、带额定负载时，变压器的效率最大吗？,效率最大发生在：,带额定负载时：,只有当：,带额定负载时，变压器的效率才会最大。,9、一台电力变压器，负载性质一定。当负载大小分别为：试比较各对应效率的大小。,10、变压器负载增大时，一、二次绕组电流如何变化？一、二次绕组没有电气联结，电能如何传递？,负载增加,不变,变压器的磁动势平衡方程反应了一次侧电能自动传递给二次侧负载。,11、当负载增加时，一次侧电流,A、不变,B、调节增加,C、自动增加,根据磁动势平衡方程,12、变压器有多少种等效电路？各等效电路适用于什么场合？,T形等效电路,简化等效电路,形等效电路,T型等效电路适合一次绕组加交流额定电压时各种运算情况。而且计算比较精确。,型等效电路适合一次绕组加交流额定电压时近似计算。无法计算出各绕组感应电动势。,型等效电路中,简化等效电路只适合变压器负载运行时计算一、二次电流和二次侧电压的场合，也可以计算电压调整率和分析电压变化率等问题。,简化等效电路不能计算励磁电流大小。,若大，供电不稳定,若小，不利于限制短路电流,14、电力变压器空载运行时功率因数高吗？这时输入变压器的功率主要消耗在何处？,功率因数低,这时输入功率主要消耗在,15、变压器励磁电流和一次侧电流,A、同相位,C、反相位,B、励磁电流滞后于一次侧电流，几乎滞后一次侧电压90度,16、用简化等效电路对应的相量图分析，为什么电力系统中要加入电容,电力系统中负载绝大多数是电感性质的负载，这样的负载会使二次侧电压下降。,根据：,画出相应的相量图,1,j1Xk,1Rk,感性负载,容性负载,电力系统中负载绝大多数是电感性质的负载，这样的负载会使二次侧电压下降。,在电力系统中加电容，可以提升下降的电压。,17、使变压器二次侧电压下降的原因有哪些？二次侧带什么性质负载时有可能使电压调整率为零？,负载大小I2,负载性质（cos2大小及2的正负）,短路阻抗Rk、xK,二次侧带容性负载时有可能使电压调整率为零,18、作空载实验时，在低压侧测的等效电路参数和在高压侧测的参数是否相同？,属于一次侧的参数，如在二次侧则是折算值,二次侧往一次侧折算,电流缩小k倍,电压扩大k倍,一次侧往二次侧折算,电流扩大k倍,电压缩小k倍,参数扩大倍,参数缩小倍,属于一次侧的参数，如在二次侧则是折算值,所以在一次侧测和在二次侧测的值是不同的,一次侧测得的是实际值,二次侧测得的是折算值,要把在二次侧测得的折算值还原成实际值,19、作空载实验时，在低压侧测的铁损耗和在高