第四章 变压器

李小鹏副教授天津工程师范学院,变压器,变压器,接触调压器,电源变压器,4.1变压器的类别、基本结构、额定值,变压器基本工作原理,4.1.1变压器基本工作原理,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。,变压器基本工作原理,根据电磁感应定律则有：,式中k为变压器变比。,若忽略绕组内阻和漏磁通，原、副绕组端电压近似为：,变压器基本工作原理,变压器基本工作原理,连接发电机与电网的升压变压器,电机与电力拖动基础,变压器基本工作原理,变压器基本工作原理,接触调压器,变压器基本工作原理,4.1.2变压器分类,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。,变压器基本工作原理,4.1.3变压器基本结构,三相干式变压器,铁芯是变压器的磁路部分，由铁芯柱（柱上套装绕组）、铁轭（连接铁芯以形成闭合磁路）组成，为了减小涡流和磁滞损耗，提高磁路的导磁性，铁芯采用0.35mm0.5mm厚的硅钢片涂绝缘漆后交错叠成。,小型变压器铁芯截面为矩形或方形，大型变压器铁芯截面为阶梯形，这是为了充分利用空间。,变压器基本工作原理,变压器基本工作原理,小型变压器铁芯截面为矩形或方形，大型变压器铁芯截面为阶梯形，这是为了充分利用空间。,铁芯,硅钢片叠法,变压器基本工作原理,是变压器的电路部分，采用铜线或铝线绕制而成，原、副绕组同心套在铁芯柱上。为便于绝缘，一般低压绕组在里，高压绕组在外，但大容量的低压大电流变压器，考虑到引出线工艺困难，往往把低压绕组套在高压绕组的外面。,三相干式变压器,绕组,变压器基本工作原理,器身是指铁芯和绕组装在一起的整体。油箱是装器身和变压器油的，为了便于散热，有的箱壁上焊有散热管。变压器油的作用是绝缘和冷却。,变压器基本工作原理,4.1.4变压器铭牌数据和主要系列,每台变压器都有一铭牌，上面标注着型号、额定值及其它数据，便于用户了解变压器的运行性能。,电力变压器产品型号SL7315/10产品编号额定容量315kVA使用条件户外式额定电压10000/400V冷却条件ONAN额定电流18.2/454.7A短路电压4%额定频率50Hz器身吊重765kg相数三相油重380kg联接组别Yyno总重1525kg制造厂生产日期电力变压器铭牌示意图,变压器基本工作原理,额定容量SN它是变压器额定工作条件下输出能力的保证值，是额定视在功率，单位：伏安（VA）或千伏安（kVA）或兆伏安（MVA）。一般容量在630kVA以下的为小型电力变压器；8006300kVA的为中型电力变压器；800063000kVA为大型电力变压器；90000kVA及以上的为特大型电力变压器。,额定电压U1N/U2N均指线值电压。原边额定电压U1N是指电源加在原绕组上的额定电压；副边额定电压U2N是指原边加额定电压副边空载时副绕组的端电压，单位有：伏（V）或千伏（kV）。,额定电流I1N/I2N均指线值电流。原、副边额定电流是指在额定容量和额定电压时所长期允许通过的电流，单位有：安（A）额定频率fN指工业用电频率，我国规定为50Hz。,变压器基本工作原理,变压器基本工作原理,各量之间关系,变压器的额定容量、额定电压、额定电流之间的关系为：,单相变压器,三相变压器,变压器的空载运行,变压器空载运行也称无载运行，它是指原边加电源电压，副边开路的运行状况。,4.2.1变压器空载运行时的工作原理,变压器的空载运行,漏磁通s1只占主磁通的(0.10.2)%，主磁通m与i0之间呈非线性关系，能向副边传递能量；而漏磁通s1与i0之间呈线性关系，不能向副边传递能量。,变压器的空载运行,4.2.2变压器各电磁量正方向,规定各电磁量的正方向原则为：原绕组是电源的负载，则原边各量按电动机惯例；副绕组是电源，则副边各量按发电机惯例。具体规定如下：1.由于u1是交流电，先任意规定1的正方向；2.正方向的1确定了0的正方向；,变压器的空载运行,3.m、s1正方向与0的正方向之间符合右手螺旋定则；4.E1、Es1正方向分别与m、s1正方向之间符合右手螺旋定则；5.E2正方向与m正方向之间符合右手螺旋定则；6.E2正方向与2的正方向相反。,变压器各电磁量正方向,变压器的空载运行,4.2.3忽略绕组电阻及漏磁通时的电压与电动势的关系,1.电势与主磁通的关系,电源电压为正弦交流量，则主磁通也是正弦交流量，设主磁通瞬时值为：,式中：,根据电磁感应定律，原边感应电势为：,变压器的空载运行,电势与主磁通的关系,同理可得副边感应电势为：,用相量式表示为：,可见，感应电势的大小与匝数和主磁通幅值成正比，相位滞后于主磁通相量90。,变压器的空载运行,2.忽略绕组内阻和漏磁通时原副边电压关系,设忽略原绕组内阻r1和原边漏磁通s1，则有：,当k1为降压变压器；k1为升压变压器。,变压器的空载运行,忽略绕组内阻和漏磁通时空载运行相量图,感应电势相位滞后于主磁通相量90。,变压器的空载运行,3.考虑绕组内阻和漏磁通时的电压方程式,设原绕组内阻为r1，当绕组内通过电流时会产生压降I0r1，同时考虑漏磁通的影响，原边电压方程为：,漏感电势计算如下：,根据则有：,又根据电感定义可得：,变压器的空载运行,中Ls1为原绕组漏电感，由于漏磁路中变压器油和空气这些非导磁物质，所以磁阻基本为常数，即漏磁路为线性磁路，则漏电感也为常数。,电压方程式：,式中x1=Ls1为原绕组的漏电抗，它是一个常数。所以，z1=r1+jx1为原边的漏阻抗，它也是个常数。一般电力变压器中，存在I0r1E1，则1-1，在研究1和1时，为了分析问题方便，往往忽略I0r1的影响。,变压器的空载运行,4.考虑空载损耗时的空载电流,空载损耗中主要是铁损，铜损只占空载损耗的2%。考虑空载损耗时，变压器的空载电流I0包含两个分量：一个是磁化电流I起励磁作用，另一个是铁损电流IFe，是有功分量,它与-1同相位。空载电流用相量表示为：,变压器的空载运行,空载电流、主磁通和感应电势的相量图如下图所示。电力变压器空载电流只占额定电流的（0.55）%，随着容量增大，空载电流相对越小。,空载电流中磁化电流是主要的，它一般约比铁损电流大10倍，所以铁损角Fe很小。,变压器的空载运行,4.2.4变压器空载运行时相量图与等值电路,相量图,实际上0r1和j0 x1都很小，为了能清楚表示它们之间的相位关系，将这两相量放大画了，一般漏阻抗压降小于0.5%UN，1-1，图中为0与1之间的夹角，称为空载时的功率因数角，cos090，所以变压器一般不空载运行，因为功率因数很低。,变压器的空载运行,等值电路,变压器中既有电路、磁路问题，又有电与磁之间相互联系问题。为了分析问题方便，在不改变变压器电磁关系条件下，工程上常用一个线性电路来代替变压器这种复杂的电磁关系，这个线性电路就称为等值电路。,等值电路的推导,由原边AX端看存在：,式中,变压器的空载运行,等值电路,变压器的空载运行,励磁参数,它们可通过实验测得，由于铁芯有饱和现象，rm和xm不是常数，是随铁芯饱和程度增大而减小的参数，但实际上，电源电压可近似认为稳定，故励磁参数也可近似认为常数。,变压器的负载运行,变压器负载运行是指原边接电源，副边接负载zL时的工作状态。如下图所示，这时副边有负载电流I2通过，原边电流为I1，各量正方向规定与空载运行时相同。,4.3.1变压器负载运行时的工作原理,变压器各电磁量正方向,规定各电磁量的正方向原则为：原绕组是电源的负载，则原边各量按电动机惯例；副绕组是电源，则副边各量按发电机惯例。具体规定如下：1.由于u1是交流电，先任意规定1的正方向；2.正方向的1确定了0的正方向；,变压器的负载运行,4.3.2正方向的规定,3.m、s1正方向与0的正方向之间符合右手螺旋定则；4.E1、Es1正方向分别与m、s1正方向之间符合右手螺旋定则；5.E2正方向与m正方向之间符合右手螺旋定则；6.E2正方向与2的正方向相反。,变压器的负载运行,变压器各电磁量正方向,变压器负载运行时电磁关系,变压器的负载运行,变压器的负载运行,4.3.3负载运行时的磁势平衡方程式,从负载运行的电磁关系分析可知，由于副边出现了负载电流I2，在副边要产生磁势F2=I2N2，使主磁通发生变化，从而引起E1、E2的变化，E1的变化又使原边从空载电流I0变化为负载电流I1，产生的磁势为F1=I1N1，它一方面要建立主,磁通m，另一方面要抵消F2对主磁通的影响。由于负载时的I1z1很小，约占6%U1N，忽略I1z1时有1-1，则可认为空载时主磁通与负载时主磁通近似相等。,变压器的负载运行,磁势平衡方程式,将上式两边同除于N1，得：,变压器的负载运行,说明,负载时原边负载电流由两部分组成：一部分是励磁分量0，用以产生负载时的主磁通，它基本不随负载变化；另一部分是负载分量-2/k，用以抵消副边电流2对主磁通产生的影响，它随负载变化而变化。由于0I202r2，故可忽略空载铜耗，认为P0pFe=I202rm。,变压器参数的实验测定,接线图,要求及分析,1）低压侧加电压，高压侧开路；,变压器参数的实验测定,5）空载电流和空载功率必须是额定电压时的值，并以此求取励磁参数；,6）若要得到高压侧参数，须折算；,7）对三相变压器，各公式中的电压、电流和功率均为相值；,4）求出参数,变压器参数的实验测定,4.5.2变压器短路实验,一、目的：通过测量短路电流、短路电压及短路功率来计算变压器的短路电压百分数、铜损和短路阻抗。,变压器参数的实验测定,变压器短路实验一般在高压侧做，即原边加电压，副边短路。应注意的是，由于变压器的短路阻抗zk一般很小，当原边的电流达到额定值时，原边所加的电压很低，所以在短路实验时，变压器的高压绕组前接自耦变压器，将自耦变压器的输出电压由零开始慢慢升高，直至短路电流为额定电流为止，记录原边的短路电压Uk、电流I1和输入功率Pk数据。,短路实验说明1,变压器参数的实验测定,短路实验时，变压器副边无功率输出，输入功率全部消耗在内部，由于当绕组中短路电流为额定值时，原边所加的电压很低，主磁通比正常运行时小很多，铁芯损耗pFe与铜损pCu相比可忽略，短路损耗中主要是原、副边的铜损，即有：PkpCu=pCu1+pCu2。,短路实验说明2,变压器参数的实验测定,短路参数计算,根据测得的短路实验数据可计算单相变压器的参数短路阻抗：短路电阻：短路电抗：根据规定，测得的电阻应换算到国标规定的75时的数值，换算公式为：对于铜线：对于铝线：式中为实验时的环境温度（）。,变压器参数的实验测定,说明,在75时的短路阻抗为：（4-26）对于三相变压器应注意用相值计算，所得的参数也是每相值。如果要将原、副边参数分开，可近似认为：r1r2；x1x2；z1z2。,标幺值,标幺值是指某个物理量的实际值与其所选定的同一单位的固定值的比值，即：为了与实际值区分，标幺值都用在其右上角加“*”号表示。基值的选取是任意的，在变压器中，一般选额定值作为各物理量的基值，但存在有相互关系的几个物理量中，所选基值的个数并不是任意的，当某几个物理量的基值已被确定，其它物理量的基值也就跟着确定了。如单相变压器，当选定原边的额定电压和额定电流作为电压和电流的基值时，原边每相阻抗的基值也就确定了，应为额定电压除以额定电流，即：z1N=U1N/I1N。,4.6标幺值,标幺值,在变压器和电机的工程计算中，为了分析和运算的方便，往往采用标幺值。变压器原、副边电压、电流、阻抗的标幺值为：采用标幺值时，变压器的短路阻抗标幺值与额定电流下的短路电压标幺值相等，即有：,标幺值,用标幺值来表示各物理量的优点,1.采用标幺值时，不论变压器的容量大小，变压器的参数和性能指标总在一定的范围内，便于分析和比较。例如电力变压器的短路阻抗标幺值zk*=0.050.10，如果求出的短路阻抗标幺值不在此范围内，就应核查一下是否存在计算或设计错误。2.采用标幺值能直观地表示变压器的运行情况。例如已知一台运行着的变压器端电压和电流为35kV、20A，从这些实际数据上判断不出什么问题，但如果已知它的标幺值为Uk*=1.0、Ik*=0.6，说明这台变压器欠载运行。3.采用标幺值时，原、副边各物理量不需进行折算，便于计算。例如副边电压向原边折算为：，采用标幺值时为：,变压器的运行特性,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、电压变化率和外特性,变压器外特性是指当U1=U1N，cos2=常数时，副边端电压随负载电流变化的规律，即：U2=(I2)曲线。,为了表征电压随负载电流变化的程度，可用电压变化率U*表示。电压变化率是指在原边加额定电压，副边空载电压与某一功率因数下的额定负载的副边电压差值与副边额定电压的比值用百分数来表示，即有：,变压器的运行特性,电压变化率反映了变压器电压的稳定性，是一项重要的性能指标。,可根据简化等值电路的相量图,推导出电压变化率的公式为：式中=I1/I1N=I2/I2N，称为变压器的负载系数。,变压器的运行特性,用标幺值表示时电压变化率公式,用标幺值表示时，电压变化率公式为：从上式可见，变压器的电压变化率与短路参数rk和xk、负载系数、负载功率因数角2有关，当负载为电阻性或感性时，电压变化率U*0，且电阻性负载电压变化率小于感应负载的电压变化率；当负载容性时，一般情况下，|rkcos2|1时，则有21，在节点a上的电流有效值为：I=I2-I1。,其他用途变压器,自耦变压器中存在变压器容量和绕组容量这两个容量。变压器容量是指原边输入容量或副边输出容量，又称通过容量，数值上等于额定电压与额定电流的乘积。绕组容量是指该绕组的电压与电流的乘积，又称电磁容量。,容量关系,其他用途变压器,接触调压器,其他用途变压器,对于双绕组变压器，功率是全部通过原、副绕组的电磁耦合从原边传送到副边，即有：SN=UN1IN1=UN2IN2所以，变压器的绕组容量就等于原绕组容量或副绕组容量，也就是铭牌上标注的变压器容量。但是自耦变压器的变压器容量与绕组容量却不相等。自耦变压器的额定变压器容量为：SN=UN1IN1=UN2IN2。,自耦变压器优点越突出，故一般变比在1.52之间。自耦变压器在电力系统、工厂、实验室以及家用电器等均有应用。,其他用途变压器,4.9.2互感器,1）电压互感器电压互感器作用是将高电压降为低电压（一般额定值为100V）供电给测量仪表和继电器的电压线圈，使测量、继电保护回路与高压线路隔离，保证人员和设备的安全。电压互感器接线如图所示，原绕组并联在被测的高压线路上，副绕组与电压表、功率表的电压线圈等构成闭合回路。由于副边所接的电压表等负载的阻抗很大，副边电流很小，电压互感器实际上相当于一台空载运行的双绕组降压变压器。,其他用途变压器,电压互感器,为了减少测量误差，设计时应尽量减小短路阻抗和励磁电流，当忽略漏阻抗压降时有：式中ku为电压互感器的变压比。一般与电压互感器相配的电压表，已考虑变比的折算，所以从电压表上可直接读出实际的电压值。,其他用途变压器,其他用途变压器,实际应用中，阻抗压降虽很小但还是存在，会产生一定的误差，所以电压互感器常用精度等级有：0.2、0.5、1.0、3.0。电压互感器在使用时应注意：副边决不允许短路，否则会产生很大的短路电流，烧坏电压互感器；为确保工作人员安全，电压互感器的副绕组以及铁芯应可靠接地；为确保测量精度，电压互感器的副边不宜并接过多的负载。,其他用途变压器,不管电压互感器初级电压有多高，其次级额定电压一般都是100V。这样，与电压互感器次级线圈相连的各种仪表和继电器，都可以统一制造而实现标准化。在理想的电压互感器中，励磁电流为零，线圈的阻抗也不计，这时初、次级电压之比等于它们的匝数之比，相位也没有偏移。但是在实际的电压互感器中，由于励磁电流的存在以及线圈阻抗的影响，总存在有电压误差和角误差。根据电压互感器的允许误差范围，可以把电压互感器的准确度分为0.2级、0.5级、1级和3级，这就是电压互感器的准确度等级。,其他用途变压器,电压互感器在每一准确度等级都有其对应的额定容量，因此同一个电压互感器按照次级负载的大小，可以在不同的准确度等级下工作。例如JDZJ10型电压互感器，在负载功率因数为0.8的情况下，准确度等级为0.5级，其使用容量为50VA；准确度等级为1级，其使用容量为80VA；3级时为200VA。如果不考虑准确度等级，只满足允许发热条件，它的最大容量为400VA。,