电机与拖动 第3章 变压器幻灯片.ppt

大连理工大学电气工程系,3.4标幺值,3.9特殊变压器,3.8三相变压器的并联运行,3.7三相变压器的联结组,3.6变压器的运行特性,3.5变压器的参数测定,3.2变压器的工作原理,3.1变压器的基本结构、分类与额定值,第3章变压器,3.3变压器的等效电路与相量图,电机与拖动,大连理工大学电气工程系,3.1变压器的基本结构、分类和额定值,变压器的主要部件铁心和套在铁心上的绕组。其他部件如器身、散热器等,三相干式变压器,油浸式电力变压器,大连理工大学电气工程系,一、主要部件,(1)铁心:,由硅钢片叠成或非晶合金制成。,奇数层,偶数层,(2)绕组用绝缘圆导线或扁导线绕成。(3)其他外壳、油箱、油、油枕、绝缘套管等。,大连理工大学电气工程系,(1)按用途分类电力变压器、电炉变压器、整流变压器、仪用变压器等。(2)按相数分类单相变压器、多相变压器。(3)按每相绕组的个数分类双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器、自耦变压器等。(4)按冷却方式分类干式、油浸式。(5)按结构形式分类：心式变压器和壳式变压器。,二、主要种类,大连理工大学电气工程系,铁心柱,铁心柱,铁轭,铁轭,心式变压器,低压绕组,高压绕组,大连理工大学电气工程系,单相壳式变压器,大连理工大学电气工程系,单相壳式变压器,大连理工大学电气工程系,油浸式电力变压器,大连理工大学电气工程系,S9型配电变压器（10kV）,大连理工大学电气工程系,大型电力油浸变压器,大连理工大学电气工程系,大型电力油浸变压器,大连理工大学电气工程系,干式变压器,大连理工大学电气工程系,自耦变压器,大连理工大学电气工程系,三、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。,大连理工大学电气工程系,指视在功率的额定值。单相变压器：SN=U2NI2N=U1NI1N三相变压器：,(3)额定功率（额定容量）SN,(4)额定频率fN一般：fN=50Hz（工频）,大连理工大学电气工程系,【例31】某三相变压器，YN,d联结，容量SN=500kVA，额定电压U1N/U2N=35/11kV。求该变压器在额定状态下运行时，高、低压绕组的线电流和相电流。,解：(1)高压绕组的额定线电流,因高压绕组为Y形联结，额定相电流为I1NP=I1N=8.25A,大连理工大学电气工程系,(2)低压绕组额定线电流,因高压绕组为形联结，额定相电流为,大连理工大学电气工程系,3.2变压器的工作原理,一、变压器各电磁量的参考方向,u2,一次绕组,二次绕组,施加：u1i1N1i1,1,e1,e1e2,u2i2,N2i2,2,e2,L1L2,大连理工大学电气工程系,变压器各物理量的参考方向,u1和i1按电动机惯例，吸收电功,e1、e2和符合右手螺旋定则,i1和符合右手螺旋定则,u2和i2符合欧姆定律(ZL为负载),e2和i2按发电机惯例，发出电功；i2和右手螺旋,大连理工大学电气工程系,二、变压器的空载运行,1.主磁通、感应电动势,u20,msint,主磁通同时交链一、二次绕组,e1=E1msin(t-90),e2=E2msin(t-90),一次绕组,二次绕组,大连理工大学电气工程系,2.漏磁通、漏电抗,11msint,漏磁通1只交链一次绕组，漏磁路不饱和,漏电抗X12fL1,漏磁通产生的漏电动势可用漏抗压降表示,u20,大连理工大学电气工程系,3.电压方程,一次侧电路,R1：一次绕组电阻。X1：一次绕组漏电抗。Z1：一次绕组漏阻抗。忽略Z1，则：,u20,空载电流即励磁电流，决定于一次绕组的电压U1,大连理工大学电气工程系,3.电压方程,一、二次绕组的电动势之比称为电压比:,二次侧电路,u20,大连理工大学电气工程系,4.空载运行等效电路,空载时对电路的作用:产生感应电动势，形成绕组电感。因为m常数，可用一个等效的线性电感L来代替，即,励磁电抗：Xm=L,产生铁损耗该损耗可以用等效电阻Rm来代替，即励磁电阻：,励磁阻抗：Zm=Rm+jXm,大连理工大学电气工程系,一次绕组的电动势用励磁阻抗压降来表示，即,空载等效电路,大连理工大学电气工程系,三、变压器的负载运行,1.电压平衡方程式,二次绕组,u2,R2、X2、Z2：二次绕组的电阻、漏电抗、漏阻抗。,大连理工大学电气工程系,u2,2.磁动势平衡方程：,一次绕组,大连理工大学电气工程系,u2,i2的大小由什么决定？i1的大小由什么决定？I2由|ZL|决定；I1取决于I2。I1随I2变化的原因：能量守恒。,电流变化关系：,励磁分量,负载分量,大连理工大学电气工程系,3.3变压器的等效电路和相量图,等效电路,R1jX1,jX2R2,一、二次绕组只有磁联系，无电联系,大连理工大学电气工程系,一、二次绕组的折算,折算条件：N2I2不变、P2不变。用一个匝数为N1的假想绕组代替N2，使：,折算后的二次绕组电流N1I2=N2I2,大连理工大学电气工程系,折算后的二次绕组电动势和电压,匝数相同:,输出视在功率不变:U2I2=U2I2,=kU2,大连理工大学电气工程系,折算后二次绕组的阻抗,有功功率不变:,R2I22=R2I22,=k2R2,无功功率不变:,X2I22=X2I22,=k2X2,因而,Z2=k2Z2ZL=k2ZL,折算实质上是在功率和磁通势保持不变的条件下，对绕组的电压、电流所进行的一种线性变换。,大连理工大学电气工程系,变压器的T型等效电路,大连理工大学电气工程系,简化等效电路,该电路用于满载或接近满载运行时的分析、计算。短路电阻：RS=R1+R2短路电抗：XS=X1+X2短路阻抗：ZS=RS+jXS,I0很小，I1I2,大连理工大学电气工程系,【例32】一台单相变压器，U1N/U2N=380/190V，Z1=(0.4j0.8)，Z2=(0.15j0.3)，Zm=(600j1200)，ZL=(7.5j4.75)，当一次绕组加上额定电压线380V时，试分别用T型等效电路和简化等效电路求负载电流和电压的实际值。,解：(1)用T型等效电路,Z2=k2Z2=22(0.15j0.3)=(0.6j1.2)ZL=k2ZL=22(7.5j4.75)=(30j19),大连理工大学电气工程系,电路总阻抗,大连理工大学电气工程系,I2=kI2=210.27A=20.54A,U2=|Z2|I2,(2)用简化等效电路ZS=Z1Z2=(1.0j2.0),=182.35V,I2=kI2=210.15A=20.3AU2=|Z2|I2=180.22V,大连理工大学电气工程系,二、基本方程式,大连理工大学电气工程系,三、相量图,电感性负载,大连理工大学电气工程系,1.基值的选取基值(用下标b表示)对于电路计算而言，四个基本物理量U、I、Z和S中，有两个量的基值可以任意选定，其余两个量的基值可根据电路的基本定律导出。,3.4标幺值,标幺值某一物理量的实际值与选定的基值之比。,大连理工大学电气工程系,2.标幺值计算变压器或电机的稳态问题时，常用额定值作为相应的基值。此时一次和二次相电压的标幺值为:,一次和二次相电流的标幺值为:,大连理工大学电气工程系,归算到一次侧时，等效漏阻抗的标幺值为：,在三相系统中，线电压和线电流亦可用标幺值表示，此时以线电压和线电流的额定值为基值。相电压和线电压的标幺值相等，相电流和线电流亦相等。三相功率的基值取为变压器(电机)的三相额定容量，即：,大连理工大学电气工程系,3.应用标幺值的优缺点,(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。,(4)标幺值的缺点是没有量纲，无法用量纲关系来检查。,(3)在三相系统中，相电压和线电压的标幺值相等，相电流和线电流亦相等。,大连理工大学电气工程系,3.5变压器的参数测定,1.空载试验测量:k、PFe、Zm,A,实验数据：U1N、I0、P0、U20。,(1)铁损耗P0=PFePCu=RmI02R1I02PFeP0(2)励磁阻抗模|Zm|Z1+Zm|,大连理工大学电气工程系,(3)励磁电阻,RmR1+Rm,(4)励磁电抗,(5)电压比,(6)折算如果变压器是降压变压器，则Rm、Xm和Zm需要折算。实际值为：,大连理工大学电气工程系,2.短路试验,测量：PCu、短路参数。,实验方法：逐渐增加U1，使电流达到额定值：I1=I1N。,A,U1=(5%10%)U1N,实验数据：US=U1、IS=I1N、PS。(1)铜损耗PCuPSPFePS(2)短路阻抗模,大连理工大学电气工程系,(3)短路电阻,(4)短路电抗,(5)阻抗电压,US=|ZS|I1N,铭牌上的标注方法：用百分数表示:,用标幺值表示:,电压、电流与阻抗（电阻和电抗）的基值:U1N、I1N、U2N、I2N、,大连理工大学电气工程系,阻抗电压的标么值：,用短路阻抗模的标幺值表示:,=|ZS*|,中、小型电力变压器：|ZS*|=0.040.105大型电力变压器：|ZS*|=0.1250.175(6)温度折算正常工作温度取：75,铜线：,铝线：,大连理工大学电气工程系,三相变压器的空载实验和短路试验,三相变压器的空载实验,三相变压器的短路实验,大连理工大学电气工程系,求折算至高压侧的|Zm|、Rm、Xm和|ZS|、RS、XS。解：,【例33】一台三相变压器，SN=1000kVA，U1N/U2N=10000/231V，I1N/I2N=43.3/1874A。Y,d联结。室温为20oC，绕组为铜线，试验数据如下表：,(1)由空载试验求得：,=3.85,=0.35,大连理工大学电气工程系,=3.83,=25,折算至高压侧:Zm=2523.85=2406Rm=2520.35=219Xm=2523.83=2394(2)由短路试验求得：,=5.87,=1.94,大连理工大学电气工程系,=5.54,折算至75:,=2.36,XS=5.54,大连理工大学电气工程系,【例题3-4】一台三相变压器，Y,d联结，SN=1000kVA,U1N/U2N=10/6.3kV。当外施额定电压时，变压器的空载损耗P0=4.9kW，空载电流为额定电流的5%。当短路电流为额定电流时，短路损耗Ps=15kW（已换算到75度时的值），短路电压为额定电压的5.5%。试求归算到高压侧的励磁阻抗和漏阻抗的实际值和标幺值.,解:(1)励磁阻抗和漏阻抗标幺值:,大连理工大学电气工程系,(2)归算到高压侧时励磁阻抗和漏阻抗的实际值高压侧的额定电流I1N和阻抗基值Z1b为:,大连理工大学电气工程系,于是归算到高压侧时各阻抗的实际值:,大连理工大学电气工程系,3.6变压器的运行特性,运行特性：外特性、效率特性。1.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,VR5%,电力变压器的高压绕组均有5%的抽头。,大连理工大学电气工程系,(2)折算至一次侧的公式,(3)利用短路参数的公式,大连理工大学电气工程系,2.效率特性(1)功率电源输入变压器的有功功率：P1=U1I1cos1变压器输出的有功功率：P2=U2I2cos2损耗P1P2=PCuPFe铜损耗PCu=R1I12R2I22=R1I12R2I22（用T型等效电路）,大连理工大学电气工程系,I1=I1N时的短路损耗,PCu=RSI12=RSI22（用简化等效电路）=2PS（用短路试验）,式中:,负载系数。,由于:PcuI2,可变损耗。,铁损耗：PFe=RmI02（用T型等效电路）=P0（用空载试验）由于:PFem、f等，,当U1、f均不变时，,PFe不变（与I2大小无关）不变损耗。,大连理工大学电气工程系,(2)效率,因VR不大，则若忽略VR，则U2=U2NP2=U2I2cos2=U2NI2cos2,=SNcos2,大连理工大学电气工程系,当U1=U1N、cos2为常数时：=f(I2)或：=f(),(3)效率特性,求得：P0=2PS即：PCu=PFe时=max,效率特性。,令：,小型电力变压器:N=80%90%大型电力变压器:N=98%99%,大连理工大学电气工程系,3.7三相变压器的联结组,联结组：联结方式+联结组号。联结组号：要表示出高、低压绕组线电动势之间的相位差。1.相电动势的相位关系同名端,U1U2u1u2,相位关系:,大连理工大学电气工程系,2.三相变压器,(1)三相变压器的种类三相组式变压器、三相心式变压器。三相组式变压器,U1U2,u1u2,V1V2,v1v2,W1W2,w1w2,特点：三相之间只有电的联系，没有磁的联系。,大连理工大学电气工程系,三相心式变压器特点：三相之间既有电的联系，又有磁的联系。,U1U2u1u2,V1V2v1v2,W1W2w1w2,大连理工大学电气工程系,联结方式高压绕组低压绕组星形有中性线YNyn星形无中性线Yy三角形DdGB:Y,yn、Y,d、YN,d、Y,y、YN,y,(2)三相绕组的联结方式：,最常用的三种,大连理工大学电气工程系,(2)三相变压器的联结组,时钟表示法：高压绕组的线电动势（任取一个）作分针，指向12点；低压绕组对应的线电动势作时针，它们所确定的钟点数即为联结组号。2.联结组判断方法(1)由联结图确定联结方式。(2)在联结图上标出高、低压绕组的线电动势和相电动势；规定正方向：首端指向末端。(3)画出高压绕组的电动势相量图。星形联结时相电动势画成Y形，三角形联结时相电动势画成形。U、V、W三相电动势在空间按顺时针排列。,大连理工大学电气工程系,(4)画出低压绕组的电动势相量图。,先画相电动势相量，再画线电动势相量。(5)判断联结组号，写出联结组。找出某个对应的高、低压绕组的线电动势的相位差，确定钟点数。典型的联结组：Y,yn0、Y,d11、YN,d11。三角形联结的两种方式：,顺接,逆接,大连理工大学电气工程系,判断按下图方式联结的三相变压器的联结组。,联结组号:Y,yn6,大连理工大学电气工程系,判断按下图方式联结的三相变压器的联结组。,联结组号:D,d6,大连理工大学电气工程系,各种联结组的应用场合,(1)Y,yn0联结组：二次侧组成三相四线制。用于配电变压器时可兼供动力和照明负载。(2)Y,d11联结组：用于二次侧电压超过400V的线路中。(3)YN,d11联结组：用于高压输电线路中，使电力系统的高压侧可以接地。变压器的某一侧接成三角形，对运行有利。,大连理工大学电气工程系,3.8三相变压器的并联运行,负荷容量很大，一台变压器不能满足要求；负荷变化较大，用多台变压器并联运行可以随时调节投入变压器的台数；可以减少变压器的储备容量。,T1T2,大连理工大学电气工程系,(1)空载时各台T的I2=0，各变压器之间无环流；(2)负载运行时，各台T分担的负载与它们的容量成正比；(3)各台T同一相上输出的电流同相位，使得总输出电流：I2=Ii。2.理想并联运行的条件(1)电压比相等，以保证二次侧的空载电压相等；规定：电压比之差0.5%(平均电压比)(2)联结组相同，以保证二次侧空载电压相位相同；(3)短路阻抗标幺值相等。,1.并联运行的理想状态,大连理工大学电气工程系,(3)短路阻抗标幺值相等。,两台并联运行的等效电路,各台T承担的负载与其短路阻抗模成反比；,大连理工大学电气工程系,希望:,负载与容量成正比,即:,当ZS模的标幺值（或US的标幺值）相等时，各台T承担的负载与其容量成正比；当各台T的ZS的阻抗角相等时，各台T的输出电流同相位。即当：S=S有：IL=ILILS=SS如果：SS20，则可以不考虑相位。,大连理工大学电气工程系,【例35】两台电压比和联结组相同的变压器并联行。知：SN=100kVA，SN=100kVA，,试求当总负载为200kVA时，两台变压器各自分担的负载是多少？为了不使两台变压器过载，最大负载应是多少？,解：(1),SS=SL=200,S=106kVA，S=94kVA,(2)应当使：S=100kVA则：,=89kVA,SLmax=S+S=189kVA,大连理工大学电气工程系,3.9特殊变压器,1.自耦变压器的结构只有一个绕组。,手柄,接线柱,一、自耦变压器,大连理工大学电气工程系,2.自耦变压器的工作原理,降压自耦变压器,升压自耦变压器,(1)电压关系忽略漏阻抗，则,大连理工大学电气工程系,(2)电流关系,忽略I0，则,大小关系：,相位关系：,大连理工大学电气工程系,在降压变压器中，k1，,I=I2I1,（k越接近1，I越小）,在升压变压器中，k1，,I=I1I2,（k越接近1，I越小）,(3)功率关系,SN=U2NI2N=U1NI1N,S2=U2I2,变压器容量:,对于降压变压器，输出视在功率:,=U2(I1I)=U2I1U2I=StSi,大连理工大学电气工程系,对于升压变压器，