变压器原理基本结构

变压器,变压器,本章重点(1)变压器工作原理(2)变压器的基本方程式和电磁关系(3)变压器的等效电路本章难点(1)变压器的等效电路及参数含义(2)三相变压器的联结组判别,电力系统中变压器的使用,变压器是通过电磁感应原理，或者利用互感作用从一个电路向另一个电路传递能量的电器。两个互相绝缘的绕组套在同一铁心上，他们之间有磁的耦合，没有电路的直接联系。当原边接到交流电源时，原边有交流电流并在铁心中产生交变磁通，根据电磁感应定律，原、副边绕组分别感应电势e1、e2,副边有了电势可向负载供电，实现能量传递，调节变比k即可达到变压的目的。,变压器的工作原理及基本结构,(1)按用途电力变压器、整流变压器、仪用变压器、特种变压器(2)按相数单相、三相、多相变压器(3)按结构双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器、自耦变压器等(4)按冷却方式干式、油浸式、充气式变压器,变压器的分类,电子变压器,干式变压器,电源变压器,电力变压器,电力变压器,电力变压器绕组和装配,变压器的基本结构和主要部件,主要部件：铁心和绕组（构成器身）；还有油箱、绝缘套管、分接开关、安全气道等,三相油浸式电力变压器,三相变压器,既是磁路，也是套装绕组的骨架包括：心柱（套有绕组）和铁轭（形成闭合磁路）由0.350.5mm厚硅钢片叠成或非晶合金制成结构上分为：心式和壳式，电力变压器主要用心式,铁心,心式变压器,低压绕组,高压绕组,(a)单相心式变压器示意图,（b）心式变压器,单相壳式变压器,绕组,是变压器的电路部分，用纸包或纱包的绝缘扁线或圆线绕成高压绕组匝数多，导线细；低压绕组匝数少，导线粗依照高低压绕组的相对位置分为：同心式，交叠式,同心式绕组,交叠式绕组,油箱及其他附件,油箱储油柜呼吸器冷却器绝缘套管分接开关压力释放阀气体继电器,变压器铭牌和额定值,(1)额定电压U1N/U2N指空载电压的额定值。即当U1=U1N时,U20=U2N如铭牌上标注:电压10000/230V对三相变压器是指线电压。(2)额定电流I1N/I2N指满载电流值，即长期工作所允许的最大电流。三相变压器是指线电流。,指视在功率的额定值。单相变压器：SN=U2NI2N=U1NI1N三相变压器：,(4)额定频率fN一般：fN=50Hz（工频）,(5)额定相数，效率，温升，短路电流，运行方式，冷却方式，接线图，连接组别等等。,变压器铭牌和额定值,变压器的空载运行,原边加额定电压，副边开路、负载电流为零时的运行情况，称为变压器的空载运行。,一、电磁关系分析,m,e1,e2,e1,1,u1,u2,i0,i2=0,变压器空载运行,正方向规定（1）原边绕组内电流的正方向与电源电压正方向一致；（2）按右手螺旋关系，正方向的电流产生正方向的磁通；（3）感应电势正方向与产生该电动势的磁通方向之间符合右手螺旋关系，故感应电势与电流正方向一致。副边：（1）副边绕组感应电势正方向与产生该电动势的磁通正方向之间符合右手螺旋关系；（2）副边绕组电流正方向与副边绕组电动势正方向一致；（3）副边绕组端电压的正方向与电流正方向一致。,主、漏磁通的区别,(1)性质上0与I0成非线性关系，1与I0成线性关系；(2)数量上0占99%以上，1仅占1%以下；(3)作用上0起传递能量的作用，1起漏抗压降作用。,设=msint，则,电磁关系分析,忽略漏阻抗压降后有效值：,故：,电势有效值,电压平衡方程式,正方向规定如前，注意：（1）正方向规定可以任意（2）通常原边按电动机惯例对待，副边按发电机惯例（3）习惯上，端电压U表示电压降，电势E表示电压升,1、电压平衡方程式,副绕组：空载时，I2=0,原绕组：,漏电抗,激磁电流,磁化电流（无功分量），铁耗电流（有功分量）。,i,iFe,定义：产生主磁通所需要的电流，叫激磁电流，im表示。空载时，一次侧空载电流就是激磁电流。包含两分量：,磁路不饱和：磁化曲线线性，i正弦变化，与感应电势相差90度，为纯无功电流。,（1）磁化电流,i,t1,t2,t,t1,t2,t,i,i,t,i,磁化电流图解法,铁芯饱和时：磁通正弦变化，磁化电流为尖顶波。,i,t1,t2,t,t1,t2,t,i,i,t,i,磁化电流2,铁芯饱和时：当磁通为平顶波，磁化电流为正弦波。,（2）铁耗电流（有功分量）,iFe,与铁心损耗对应，铁耗电流iFe与-e1同相位，为有功电流。,空载电流作用和性质,一方面：用来励磁，建立磁场-无功分量另方面：供变压器空载损耗-有功分量,性质：主要是感性无功性质-也称励磁电流；大小：与电源电压和频率、线圈匝数、磁路材质及几何尺寸有关。,激磁阻抗,类同前面漏电抗的推导，主磁通、感应电势、磁化电抗：,另，铁耗电流与电势-E1同相：,若i随时间作正弦变化，上式用复数表示：,等效电路,忽略漏阻抗压降后有效值：,故：,可知：影响主磁通大小的因素是电源电压、电源频率和一次侧线圈的匝数，与铁芯的材质和几何尺寸无关。,电势方程：,相量图,可更好地表达电压、电势、电流之间关系。依据电压平衡方程式。m作为基准相量。,小结,（1）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。,（2）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。,（3）电抗是联系电气量（电动势)与磁场量（磁通）的桥梁。感应电动势可用电抗压降的形式表示。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。,变压器的负载运行,原边接入电源、副边接负载阻抗ZL时的运行情况，称为变压器的负载运行。,一、电磁关系分析,m,E1,E1,1,U1,U2,I1,I2,变压器负载运行,.,.,.,.,.,.,E2,E2,.,.,2,.,.,ZL,变压器负载运行时的磁动势、磁通、电动势之间的关系,磁动势,磁通,电动势,一次绕组,二次绕组,U1,.,I1,.,r1,E1,.,变压器负载时的电路图,r2,U2,.,E2,.,由图可见：变压器一、二次绕组的电路是独立的，只有磁的联系，没有电的联系，不便于计算。,x,1,o1,o2,变压器等效电路,变压器参数的测定,变压器中的等效参数励磁阻抗Zm和短路阻抗Zk，对变压器的运行性能有直接影响，知道了变压器的参数，就可绘出等效电路，然后应用等效电路分析计算。对已经制成的变压器，可以通过空载试验测出励磁阻抗，短路试验测出短路阻抗。,一、空载试验（开路试验）,条件：为试验安全和仪器接线方便，一般在低压侧做空载实验。试验时，低压侧加额定电压，二次绕组开路。,U1,.,-U2,.,rk,Xk,短路试验时，绕组温度与实际运行时不一样。需要折算到75度时的值。若绕组为铜线，可按课本上的公式2-53进行换算。,短路试验时，使电流达到额定值时所加的电压Uk称为阻抗压降或短路电压。一般用额定电压的百分值表示。它也是变压器铭牌数据之一。,(3)短路电阻,(4)短路电抗,A,B,C,三相组式铁心变压器,三相变压器,三相变压器概述,X,Y,Z,A,.,C,.,B,.,A,.,C,.,B,.,A,B,C,三相心式铁心的形成,绕组连接方式和连接组别,国家标准规定五种连接组别：Y，Yn12；YN，y12；Y，y12；YN，d11；Y，d11,星形接法（Y），或者带中性点（YN）三角形接法（D）,三相绕组原边、副边采用不同的连接方式时，高压侧线电压与低压侧线电压之间可以形成不同的相位。为表明这种高低压线电压之间的关系，采用“时钟表示法”。,A,B,C,U,AB,.,a,b,c,ab,.,U,Y,y12连接组,时钟法组别判定,UAB相量作为时针指向12点，固定不动；uab相量作为分针，其指向的点数即为连接组号。,A,B,C,U,AB,.,a,b,c,ab,.,u,Y,y6连接组,A,B,C,c,a,b,ab,.,u,Y,y4连接组,A,B,C,U,AB,.,a,b,c,ab,.,u,Y,d11连接组,注意：对D形接法，线电压等于相电压,标幺值,在工程计算中，各物理量除了采用实际值来表示和计算外，有时也用标幺值来表示和计算。,标幺值就是某一物理量的实际值与选定对应物理量的基值之比。标幺值=实际值/基值,某一物理量A，基值用Ab，则标幺值为：A*=A/Ab,标幺值为相对值，无量纲。对电路计算，四个基本物理U,I,S,Z中，其中两个基值任选，另外两个按电路理论计算。,一般选取电压和电流的基值Ub、Ib，其他两个量的基值由计算得到。对单相系统，功率和阻抗基值分别为：,注意：功率基值即是有功功率也是无功功率的基值，也是容量的基值。阻抗基值即是电阻基值又是电抗基值,在同一电压基值下，阻抗的标幺值与对应的功率基值成正比。,此即为不同功率基值下的阻抗、功率标幺值换算关系。,应用标幺值的优点:,(1)不论变压器或电机容量的大小，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。,(2)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。,(3)标幺值的缺点是没有量纲，无法用量纲关系来检查。,变压器的运行性能,运行性能：外特性、效率特性。一.外特性和电压调整率当U1、cos2为常数时U2=f(I2),外特性。,(1)电压调整率的定义,uN5%,额定负载、功