第二章变压器船舶电气,轮机工程

1、第二章 变压器,21变压器的应用与结构 22变压器的基本工作原理 23三相电压的变换 24特殊变压器,说 明,变压器: 是利用电磁感应原理进行工作的，所以将它划在电机的范畴内。由于它没有转动部件，是静止的，因而有人称之为“静止电机”。,学习本章目的： 学习变压器结构原理，平衡方程，运行特性及参数；学习三相变压器极性和判别方法；学习自耦变压器结构原理和互感器使用注意事项。能够进行变压器的基本计算。V/V连接是本章的难点。,21变压器的应用与结构,变压器的应用 变压器的种类 变压器的结构 变压器的铭牌数据 变压器的维护管理,一、变压器的应用,在陆上： 变压器广泛应用于电力传输、电气控制、电气检测等

2、方面。 电力传输： 升、降压。原因减小损耗。电气控制：提供合适的电源。电气检测：得到所需的信号。 在船上： 主要有：照明变压器和控制变压器。要求安全、可靠。,二、变压器的种类,分类的方法： 按用途、按相数、连接方式、按结构形式等分类。 此外，还可按冷却方式进行分类。,按用途分： 电力（包括照明）、电源、控制、仪用、特殊（电解、电焊等）。 按相数分： 单相、三相。 按连接方式分：/、/、/、/等。 按结构形式分：线圈：筒式、盘式， 铁心：心式、壳式。 按冷却方式分：自冷、它冷，风冷、油冷等。,各种不同的分类,注意：,船用变压器为B级绝缘。 见P.251.表16-1-3 船用变压器应该采用干式。,

3、组成：变压器由铁心和绕组组成。 铁心：构成磁路。 绕组：构成电路。位置：低压在里、在边。 绕组按一定规律连接的线圈。,变压器的结构,三、船舶变压器的使用和管理,铭牌数据主要有：Sn、U1n/U2n、I1n/I2n、fn等。 额定容量Sn：注意：因为没有气隙，励磁功率小，没有机械损耗(不动)。所以总损耗小，效率高，输出与输入功率相差较小。因此，Sn既是输入额定值，也是输出额定值。 三相额定电压/电流：注意：额定值都是“线”的量。 三相功率计算：不论是三角形还是星形，“线”量与“相”量关系是电压或电流总有一个相等，一个相差3。 所以不论是三角形还是星形其三相功率计算：用线电压和线电流的乘积再在前面

4、乘3。,1.铭牌,维护管理： 外部保持清洁和干燥，防止漏电； 注意日常检查：温度、电流值、三相平衡情况； 大修过后投入运行前应做检查：绝缘、状态是否良好（有无短路、断路）。,第一节要点： 要求（绕组位置，船用B级）；铭牌数据；冷却方式；维护管理。,2.变压器的维护管理,22.变压器的基本工作原理,本节的主要内容有三大点： 变压器的基本变换功能： 电压和磁势平衡方程： 变压器的等效电路（补充）：, 实际是归纳后的补充,一、变压器的基本变换功能,变压器原理： 原边绕组N1通入交流电，有电流流过原绕组，在磁路中产生交变磁通。交变磁通分别在原、副绕组感应电势e1和e2。,感应电势公式： E1 = 4.

5、44 f N11m； （4.44公式） E2 = 4.44 f N21m。,因原绕组导线电阻很小，且漏感电势e 1很小（漏磁磁路磁阻大，1很小）， U1 E1 ， U2 = E2。根据4.44公式，空载（或副边开路）时有： U1 / U2 E1 / E2 = N1 / N2 = k 在U1相同时，选择不同的k，就可得到不同的U2 。 k 称为变压器的变压比。简称变比。,变压原理,变流原理,当İ20，则原、副绕组产生磁势的矢量和为励磁磁势，共同在磁路中产生磁通。 İ0N1= İ1N1+ İ2N2 矢量和 İ0很小，İ1N1 - İ2N2 ，也就是： İ1 - İ2N2 / N1 = - İ2k

6、I， 其中，k I = N2 / N1 ，称为变压器的变流比。,阻抗变换原理,变压器带负载后，设负载阻抗为Z。这个负载是从变压器的副边看的实际值，但是对于原边变压器的电源，它的阻抗相当于Z。其关系为：,变压器具有阻抗变换作用，常用在电子线路中进行阻抗匹配。 通常可令：kZ=k2 ， kZ称为变压器阻抗变比。,变压器的功能,变压器功能有四个，书上只讲三个： . 电压变换的功能； . 电流变换的功能； . 阻抗变换的功能； 此外（双绕组变压器）还有： . 电气隔离的功能。 电气隔离功能，可保证必要的安全。,二、电压和磁势平衡方程,电磁物理量的正方向,首先必须清楚：交流电量的方向与直流电量方向的区别

7、： 正方向只是一种参考方向，实际上是有相位差的。,惯例正方向：原边以电压为参考，电流与电压相同，磁通与电流符合右螺旋定则，电势与磁通满足电磁感应定律注意电势方向为：从低电位指向高电位。由于电磁感应定律中有个负号，所以变成从高电位指向低电位。副边则以电势为参考。,电压平衡方程,原边电压平衡方程根据基尔霍夫电压定律直接列出P.14.式（2-2-6），其中： 1 = - j İ1X1 满足电磁感应定律,绕组电势1不采用电抗表示是因为带铁心线圈的电抗为非线性的，不是常数，只有进行小范围线性处理后才能采用电抗X1表示。,小范围线性处理：在工作点附近进行。,注意：电势此时的性质是被当作电压降处理(电抗压降

8、)。,磁势平衡方程,İ1是副边电流等效到原边时的等效电流。可以理解为：副边带负载后对原边电流的影响。,注意：因为变压器对电流的变换作用，磁势平衡方程实际上就是电流平衡方程。 P.14.式（2-2-8）。若令电流İ1= -（N1/N2）İ2，则：İ1=İ0+İ1 就是电流的平衡方程。,平衡方程归纳,根据电路和磁路基尔霍夫定律可以得到电压和磁势平衡方程。 原边电压平衡方程：1= (R1+jX1)İ11=İ1Z11 副边电压平衡方程：2=2İ2(R2+jX2)=2İ2Z2 磁势平衡方程： F0 = F1 + F2 或 İ1 = İ0 + İ1 漏磁通的路径是空气，磁路不饱和。漏磁通产生的感应电势大小

9、与产生漏磁电流大小成正比，可用电抗与电流乘积表示： 1 = - j İ1X1 和 2 = - j İ2X2 。而主磁通的路径是铁心，磁路易饱和，通常不用电抗表示。 注意： 平衡方程是分析、计算变压器的工具。,变压器负载后对原边的影响,变压器副边接上负载后，副边绕组有电流流过。负载电流是由穿过副绕组交变磁通感应副边电势产生的，根据电磁感应定律负载电流也会建立负载磁势，具有去磁性质（阻碍穿过副边绕组磁通变化）。 结论：虽然正方向已经设定，但是负载磁势与励磁磁势的实际方向相反。 负载磁势具有去磁性质，为了保证磁路中的磁通不变（才能平衡电源电压），原绕组中将增大电流（电流从I0变化到I1）。,变压器工

10、作过程,原边接u1后，原绕组有 i0流过，在铁心中产生并与原、副绕组交链，副绕组将感应e2，产生u2 。接上负载后，副边绕组有i2 流过。i2 建立负载磁势F2 ，对磁路中有去磁性质。为了保证不变（才能平衡u1 ），原边电流将增大（从i0变化到i1），i2 越大，i1增加越多。变压器就是这样通过磁路磁通将原边的电能传输到副边而工作的。,P.14.复习与思考题（2-2-4）：副边电流增大时，副边磁势的去磁作用增大；这将使主磁通出现减少的趋势。但主磁通的这一趋势，立即引起原边电势的减少，立即使其电流增加，从而使主磁通保持基本不变，反之亦然（若副边电流减小，原边电流也会减小）。也就是说，只要原边电压

11、不变，主磁通是基本不变的。正是主磁通能保持基本不变，原边电流才能随副边电流的增减而增减。,变压器的等效电路(补充),补充的内容理解即可,变压器的等效电路可以通过平衡方程式得到，设：Z为从变压器原边绕组两端看到的整个等效阻抗。 |Z|=U1/I1，U1=I1Z1+E1，|Z|=(I1Z1+E1)/I1=Z1+E1/I1， I1=I0+I1，|Z|=Z1+E1/(I0+I1)=Z1+1/(I0/E1+I1/E1)； 令：Zm=E1/I0为励磁阻抗， E1=kE2，数值上I1=I2 /k, 所以：E1/I1=kE2/I1=E2/I2=U2/I2+Z2=ZL+Z2。因此，Z=Z1+1/1/Zm+1/(

12、 ZL+Z2)=Z1+Zm/(ZL+Z2)。这就是“变压器的等效电路” 。,观看电路图,继续其它内容,采用电路图表示为：,变压器的等效电路变换过程,|Z|=U1/I1, U1=I1Z1+E1, |Z|=(I1Z1+E1)/I1=Z1+E1/I1,I1=I0+I1, E1/I0 =Zm, E1/I1=1/(I0/E1+I1/E1),E1/I1=E2/I2=U2/I2+Z2=ZL+Z2, E2=U2+I2Z2, U2/I2=ZL,返回说明,继续,等效电路的种类：,T形等效电路,形,近似,1.T形等效电路： 比较精确，但运算较复杂，形状象T。 2.形等效电路：运算较简单，但较不精确，形状象。 3.近

13、似等效电路：运算最为简单，但也是最不精确的，主要用来估算变压器的参数及定性分析变压器。,第二节要点： 工作原理；作用（变压、流、阻抗和隔离）；平衡方程。,23. 三相电压的变换,本节的主要内容有三大点：,变压器绕组的极性： 三相变压器的连接： 变压器的运行：,变压器的极性： 介绍极性正确连接的意义，及如何判断。 三相变压器的连接： 介绍三相连接的种类和电量的相位关系。V/V连接是一种特殊的连接方式，是船用照明变压器的一种应急工作方式。 变压器的运行： 介绍变压器的主要运行特性。,一、变压器绕组的极性,概念：所谓极性是指不同绕组工作时其端部的相位关系。相位相同的端称为同极性端，或同名端；相位相反

14、的端称为异极性端，或异名端。 要求：两个以上绕组的变压器，连接（并联运行）时都应该按照正确极性进行连接。 极性错误的危害： 一般将造成短路。从而烧毁变压器。,极性接错的危害,串联连接,并联连接,串联短路,并联短路,将两个线圈反向串联或者并联，如果两个线圈的匝数相等，接上电源后，在铁心磁路中产生的磁通大小相等方向相反，总体磁通 =0。因此两个线圈不会感应电势，电源电压在没有电势平衡的情况下，将造成短路。,极性与线圈的绕向有关，但一台造好的变压器，线圈外面包有绝缘层，实际使用时不可能拆开绝缘层来查看其绕向。为此，就必须采用记号来表示。 当两个线圈在1和3两端通入同相位的电流时，在铁心中各自产生的磁

15、通相位相同，感应的电势的相位也一样。这两个线圈的极性，称1、3为“同名端”或者“同极性端”。并用“”或“” 作为标记。因此，线圈1、2和线圈3、4，在电气原理图上就不需要再画出铁心了。 两个线圈中有两个端子为同名端，则另外两个端子之间也是同名端；而1-4或2-3则称为“异名端”或“异极性端”。所以说，线圈同名端的标记不是唯一的。,极性的标记,同名端的判别(交流法),主要判别方法有：交流法和直流法。,交流法：,交流法接线如右图所示。电压表两端电压 V = U1 U2。 若1、3为同名端，因为U1、U2 同相位，则V U1 ； 若1、3为异名端，因为U1、U2 反向，则V U1 。,直流法：,直流

16、法接线如右图所示。 若1、3为同名端，开关S闭合时，毫安表正偏；若为异名端，则反偏。(因闭合时，感应电势要阻碍电流流入，方向为1、2 ) ；断开时指针偏转方向正好相反。,同名端的判别(直流法),注意：S断开时，1-2之间可能感应较高的电压。,二、三相变压器的连接,连接方法：,星形或三角形，即：Yy, Yd, Dy 和Dd。,连接组别： 连接组别的表示法了解即可,不同的连接副绕组电势相位不同, 副绕组与原绕组相位上的不同关系可用连接组别表示。连接组别以“时钟表示法”表示。 时钟表示法： 分针为原绕组线电势EAB向量，时针为副绕组线电势Eab向量。,Y/y连接：,Y/d连接：,连接组别是用来表示三

17、/单相变压器连接的标准形式的，原副边连接符号之间用“/”号隔开，然后用“-”号引出表示原副边线电势的相位角的“时钟点数”。长针，即分针表示原边线电势相量恒为“12”的位置；短针，即时针表示副边线电势Eab 位置。如：Y/d-11表示，副边线电势Eab滞后原边线电势EAB 30度电角度。,连接组别说明（了解即可）,船用照明变压器及V/V连接,船用照明变压器：,船舶照明变压器是重要的设备，有两种配置方案： 1.两台三相变压器： 互为备用。 2.三台单相变压器： 组成/连接的三相组式变压器。应急时可由两台单相变压器连接成V/V连接继续使用。,注意：必须是三相组式(三台单相)变压器，变压器三相的磁路才

18、是独立的，才不会相互影响。,V/V连接时容量的计算：,每台单相变压器电流额定值不能超过。设，单相变压器额定值：I2n、U2n。V/V连接最大容量为SVL，则和V连接容量分别为： Sn=3U2I2=3U2nI2n SVL=3U2I2=3U2nI2n 因此， V/V连接容量是连接时容量的1/3： SVL/ Sn=1/3 利用系数：SVL/ SVn=3/2,V/V连接,三、变压器的运行特性,运行特性是维护管理变压器的主要依据，是变压器性能的一种体现。,变压器的运行特性主要有： 1.外特性： 作为电源都需要考察的重要特性。 2.效率特性： 任何设备都需要考察的重要特性。,外特性：,外特性(条件)：co

19、s2 不变，U2=f(I2)。是一条下降的曲线。cos2变化，i2的去磁程度不同，外特性形状也不同。 下降原因：阻抗(主要是电抗)压降。 电压变化率：u2%，是作为电源的重要指标。,u2%的计算公式： 书P.17式(2-3-3)。,恒压源都需要考察外特性，都以电压变化率作为其性能指标。,效率特性：,效率特性(条件)：cos2 不变，2=f(P2)。 没有机械损耗，变压器的效率比较高。 铁损等于铜损(60%80%P2n)时效率最高。,一般变压器或电机，都有铁损等于铜损时效率最高。,电机的效率特性的形状基本相同。,要求：,基本条件：,1. 不应有环流； 2. 按容量比例分配负荷。,1. 原副边额定

20、电压分别相等； 2. 连接组别相同； 3. 具有相同的阻抗标幺值。,变压器的并联运行,注意：书P.18遗漏，应该补上“标幺值”三个字。,24特殊变压器,本节的主要内容有两大点：,自耦变压器：,仪用互感器：,主要掌握结构原理。,主要掌握使用注意事项。,一、自耦变压器,结构：,一个有中间抽头的绕组，绕组的两个端子接电源作为原边，中间抽头和其中一个端子作为副边，如图所示。总匝数N1，副边匝数N2。,“自耦” 自己耦合，即有磁耦合，也有电的直接耦合。,原理：,原理：原边接电源绕组有电流I1流进绕组，一部分电流I2通过中间抽头流出经过负载，另一部分电流 I 则通过公共部分。铁心中将产生磁通，并在线圈绕组上感应电势，由于感应电势正比于绕组的匝数，其它情况与双绕组变压器相似。 用途：用在变比k接近于1的场合。变比越接近于1，公共部分的电流 I 就越小。 大部分电流直接经过中间抽头输出。 注意：自耦变压器没有电气隔离作用。,二、仪用互感器,