变压器运行特性分析

1、课程设计名称：电机与拖动课程设辻.题目：.变压器运彳亍扌寺性分析辻算专 业:姓 名:学 号:课程设计成绩评定表学期2011 2012学年第一学期姓名专业班级课程名称电机与拖动论文题目评疋标 准评定指标分值得分知识创新性20理论正确性20内容难易性15结合实际性10知识掌握程度15书写规范性10工作量10总成绩100评语：任课教师时间年 月曰备注课程设计任务书一、设计题目变压器运行特性分析与计算二、设计任务给定单相变压器： S=100kVA, Un/L2n=380/220V , ri=0.14 Q, r2=0.035 Q, xi=0.22 Q, X2=0.055 Q, rm=30Q, r2=31

2、0 Q,畐灿负载阻抗 Z=4+3j。完成变压器空载，变压器负载 运行，变压器副边突然短路时的分析与计算。三、设计计划第1天，查资料；第2天，熟悉题目；第3天，方案分析；第4天，具体按步骤进行设计及整理设计说明书；第5天，准备答辩；四、设计要求指导教师：教研室主任：时 间：2013年6月20日摘要变压器在我们的生活中无处不在， 为了适应不同的使用目的和工作条件， 现 实生活中有很多种类型的变压器， 常用的变压器有： 电力变压器、 特殊用途的电 源变压器、测量用变压器、 控制变压器，且这些类型的变压器在结构和性能上的 差别也很大。 虽然这些变压器有所不同， 但是它们的基本原理是相同的。 本设计 通

3、过对变压器的变换关系即电压变换、 电流变换、 阻抗变换，分析研究出变压器 运行时的基本方程式， 并通过相应的折算得出变压器的等值电路， 从而完成对变 压器空载， 变压器负载运行， 变压器空载合闸， 变压器副边突然短路时的分析与 计算。为了简化计算、减少计算量，本设计在相应的计算上使用MATLA软件进行辅助。通过本设计的研究计算能对变压器的分析和计算方法有初步的了解， 对 变压器出现空载、负载运行、空载合闸、副边突然短路时的电压、电流变化有准 确的认识。关键词：变压器；基本方程式；折算；等值电路；MATLAB算目录1变压器结构及其组成部分 11.1变压器的基本结构11.1.1 铁芯11.1.2

4、绕组11.1.3油箱和冷却装置 21.1.4绝缘套管 21.1.5其他构件 21.2变压器的额定值22变压器的变换关系 42.1电压变换 42.2电流变换 42.3阻抗变换 53变压器等值电路及其折算关系 64变压器空载时的分析与计算 85变压器负载运行时的分析与计算 96变压器副边突然短路时分析计算 107结论 118心得体会 12参考文献 131变压器结构及其组成部分1.1变压器的基本结构电力变压器主要由铁芯、绕组、变压器油、油箱、绝缘套管组成组成。铁芯 和绕组是变压器的主要部分，二者装配到一起称为变压器的器身。 图1-1为油浸 式变压内部结构示意图。图1-1油浸式变压内部结构示意图1.1

5、.1铁芯铁芯是变压器的主磁路，又是变压器器身的骨架。铁芯由铁芯柱、铁轭和夹件 组成。变压器铁芯可以分为心式铁芯和壳式铁芯两大类，为了提高磁路的导磁性 能和降低铁芯的磁滞及涡流损耗，铁芯通常用厚0.35mm或0.5mm且表面涂有绝缘漆的硅钢片叠制而成。为了保证良好的导磁性能，减少励磁电流，通常是把铁 芯柱和铁轭的硅钢片一层层的交错重叠。1.1.2绕组绕组是变压器的电路部分，通常是用包有绝缘的铝导线或铜导线绕制而成。 根据高、低压绕组在铁芯柱上排列方式的不同，变压器绕组可以分为同芯式和交叠式两种。通信式的高、低压绕组同心地套装在铁芯柱上。 交叠式绕组交替套在 铁芯柱上。这种绕组高、低压之间的间隙较

6、多，绝缘比较复杂，但是漏电抗小， 引线方便，机械强度好，主要用在电炉和电焊等特种变压器中。如图1-2 o1.1.3油箱和冷却装置油浸式变压器的器身放置在充满变压器油的油箱内。变压器油是从石油中分馏出来的一种矿物油，起绝缘和冷却的作用。油箱的结构与变压器的容量有关。 变压器的容量越大，发热问题就越严重。1.1.4绝缘套管变压器的引线从油箱内穿过油箱盖时， 必须进过绝缘套管，以使带电的引线 和接地的油箱绝缘。绝缘套管由中心套杆和瓷套俩部分组成。 导杆下端经过分接 开关与绕组端子连接，上端与外电路连接。图1-2电力变压器绝缘套管1.1.5其他构件电力变压器除了上述几种基本结构外，还有储油柜、气体继电

7、器、分接开关、 测温装置、安全气道、油表等。1.2变压器的额定值额定电压Un/U2n （kV或V） o指变压器长期运行时的所能承受的额定电压。 一次侧的额定电压Un是指规定加到原绕组的电压；二次侧的额定电压U2n是指当 原绕组上加额定电压时，副边绕组空载时的开路电压。对于三相变压器指的均是 线电压。额定电流I 1n/I 2N （kA或A）o指变压器在额订容量下，各绕组长期运行时允 许通过的电流。额定容量Sn（ KVA或 VA。它是变压器在额定工作条件下输出能力的保证值， 是变压器的视在功率。单相变压器的额定容量为三相变压器的额定容量为2NSN 3U1N I1N =S.-，3U2N 1额定频率f

8、N。我国规定标准的工业用电频率为 50Hz。2变压器的变换关系变压器是利用电磁感应原理将某一电压的交流换成频率相同的另一电压的 交流电的能量的变换装备。变压器的主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组，如图2-1所示。一个绕组接电源，称为原绕组（一次绕组、初级），另一个接负载，称为副绕组（二 次绕组、次级）。当交流变压器U加到一次侧绕组，同时也穿过二次侧绕组，它 分别在两个绕组中产生感应电动势。这时如果二次侧与外电路的负载接通，便有 交流丨2流出，负载端电压即为 U。原绕组各量用下标1表示，副绕组各量用下 标2表示。原绕组匝数为Ni，副绕组匝数为N2。2.1电压变换图2-1变压器工作原理图Ei

9、=j4.44N f伸 mE2=j4.44N 2f伸 mE14.44N f 神 mE24.44N 2f 神 m(2.1.1 )(2.1.2 )(2.1.3 )在忽略Z1和Z2的情况下，山E1，U2- E2，故变压器的变比还可以近似地认为等于变压器一、二次绕组的电压比，即U1U2(2.1.4 )只要适当选择一二次绕组的匝数比，就可以把一次绕组的电压变换到所需的 二次绕组电压。2.2电流变换当外加电压U1和其频率f1 一定时，主磁通基本保持不变，因此有变压器负载运行时的磁势平衡方程式:I1N1 l2N2=lmN（2.1.5 ）通过相应的化简和等效可得一、二次电流有效值之比为21 N2 _ 丄17 =

10、 "N7 = lk（2.1.6）这就是变压器实现电流变换的原理。2.3阻抗变换变压器除了具有电压和电流的变换作用之外，还有阻抗的变换作用UiU2N1/N2I2N2/ Ni/ Ni、2 U22（兀）nr=k zl（2.1.7）由此可见，负载经过变压器后，其阻抗模相对于电源而言增加了绕组你匝比 的平方倍。3变压器等值电路及其折算关系通过计算可以得出变压器的二次侧折算到一次侧后二次侧参数会发生改变， 折算后二次侧的阻抗为原来的k方倍，二次侧的感应电动势为原来的k倍，二次 侧负载上的电压为原来的k，二次侧电流变为原来的1/k倍。并且可以得到图3-1 变压器的“ T”形等值电路。图3-1 变压

11、器的“ T”形等值电路在实际应用中励磁电流很小，因此在一次绕组阻抗上产生的压降很小，故 可以忽略，这样便可以将“ T”形等值电路中的励磁支路从中间移出来，并联在 电压源的端点上形成“r”形等值电路。门x1r 2x 2IZZIV %IZZ' /AIl I 2八ImrmU 2图3-2 变压器的r形等值电路变压器负载运行时ll>>lm,可以把励磁电流忽略不计，于是将励磁支路去掉 就可以得到简化等值电路。rkXk11 I 2U1图3-3变压器的简化等值电路rkr1 r 2XkX1 X 2zk z1 z 2 rk jxk其中为短路电阻；X为短路电抗；Zk为短路阻抗。由此可见使用等值电

12、路来计算单相变压器的参数带来了很大的方便。4 变压器空载时的分析与计算当在变压器一次侧加额定电压380V时，二次侧开路，即Zl为无穷大，根据 变压器的“T”形等效电路，可得此时电路的方程式：I 2 0AU2E2 = E1Im =I1 I2 =I1E1 = I1*z m= Im(rm+jx m)U1 = E1 I1 z1E1 I1(r1 jx1)通过MATLAB件算出上述参数的具体值：E1 = 379.72 j0.14395VU2 = E1 =379.72 j0.14395AI1=Im =0.1179 j1.2135A通过计算可得， 当二次侧开路时， 二次侧电压几乎等于一次侧电压， 励磁电 流即

13、为一次侧的电流，且励磁电流也很小，几乎为0。5变压器负载运行时的分析与计算由于UJU2n=380V/220V,所以可以算出该电压器的变比 k=1.727。将二次侧的数值折算到一次侧时，电压、电流、阻抗的变换关系：' | 2 ' | 2Zl k Zl ； Z2 k Z26=22 ； 12=2其中：Zl =4+3j ； Z2=0.035+0.055j给变压器两侧加上380V电压，让变压器带负载运行时，且负载阻值 乙=4+3j 时，根据变压器的“ T”形等效电路，可以得出下列方程式：Ui = Ei Ii Z!IIIIU 2 E2 I 2 Z2II 1 I m |2IEi E2EiI

14、m ZmIIIU2 I2ZL其中：U=380V通过MATLAB件算出上述参数的具体值：4Ei = 380 4.5269*10 jIi=0.0070.0i43jIm=0.ii75i.2i44jI2=0.ii05i.2002jU2380.2O.iO67 j通过上述具体值可以得出，该变压器在额定输入电压下带负载 ZL=4+3j时, 一次侧电流较小，且负载上的实际电压方向与假定的方向相反， 实际电流方向与 假定的电流方向相同，励磁电流等于一次侧和二次侧的电流之和。6 变压器副边突然短路时分析与计算在第五小节中已经算出了电压器的的变比 k=1.727 ，并且二次侧折算到一次 侧后阻抗、电流、电压的变换关

15、系都有了详细的介绍。当变压器带负载运行时，变压器副变突然短路时，即Zl ' =0,根据“T”形等效电路可以得出下列方程式：U1= E1 I1 z1IIIE2 I 2 z2'II1 I m I2E1 E2E1 I m zm 其中： U1=380V通过MATLAB件算出上述参数的具体值：Im 0.3413 3.5681 jI1 3076.7 4843.7 jI2 Im I13077 4847.2 jE1 1116.3 1.2442 j通过上述计算可得知： 变压器在正常带负载运行时， 若副变突然短路， 则该 变压器的励磁电流会略微减小， 但是会瞬间产生一个很大的一次侧电流， 从而产

16、生很大的感应电动势，二次侧也会瞬间有一个较大的与参考方向相反的电流产 生。所以只要副边短路， 对运行中的变压器都会造成很大的伤害。 特别是当变压 器的一次侧接在容量较大的电网上时， 如果保护设备不切断电源， 副边短路一次 侧仍能继续送电， 这种情况下如不立即排除短路故障或切断电源， 变压器将很快 被烧毁。这是因为当变压器副边短路时，将产生一个高于额定电流2030倍的短路电流。 根据磁势平衡式可知， 副边电流是与原边电流反相的， 副边电流对原 边电流产生的主磁通起去磁作用， 由于电磁的惯性原理， 一次侧要保持主磁通不 变，必然产生一个很大的电流来抵消副边短路的去磁作用， 这样二种因素的大电 流汇

17、集在一起作用在变压器的铁芯和线圈上， 在变压器中将产生一个很大的作用 力。这个力作用在线圈上， 可以使变压器线圈发生严重的畸变和崩裂， 另外产生 出允许温升几倍的温度，致使变压器在很短时间内烧毁。7 结论本设计基于给定的单相变压器： Sn=100kVA Un/U2n=380/220V, ri=0.14 Q, r 2=0.035 Q, xi=0.22 Q, X2=0.055 Q, r n=30Q, r2=310Q,副边负载阻抗 Z=4+3j。 完成了当变压器空载,变压器负载运行,变压器副边突然短路时的分析与计算。变压器在空载运行时二次侧电压几乎等于一次侧电压, 励磁电流即为一次侧 的电流, i

18、2=0,且励磁电流也很小,几乎为 0 。故变压器空载时,铁芯中的主 磁通是由空载电流产生的磁势建立的。当变压器带给定的负载时, 一次侧电流较小, 且负载上的实际电压方向与假 定的方向相反, 实际电流方向与假定的电流方向相同, 励磁电流等于一次侧和二 次侧的电流之和。变压器在正常带负载运行时, 若副变突然短路, 则该变压器的励磁电流会略 微减小,但是会瞬间产生一个很大的一次侧电流,从而产生很大的感应电动势, 二次侧也会瞬间有一个较大的与参考方向相反的电流产生。 所以只要副边短路, 对运行中的变压器都会造成很大的伤害。 特别是当变压器的一次侧接在容量较大 的电网上时, 如果保护设备不切断电源, 副边短路一次侧仍能继续送电, 这种情 况下如不立即排除短路故障或切断电源,变压器将很快被烧毁。8 心得体会通过将近一周的课程设计， 使我基本掌握了单相变压器的分析方法。 同时对 于变压器空载、变压器正常带负载， 以及变压器副边短路时变压器各项指标的变 化有了初步的认知和了解。 对于变压器副边短路的危害有了深刻的体会， 提高了 自己安全生产的认识。同时我学会了使用 MATLAB件，对其中的一些原件有了 一些初步的掌握，对其基本性能也有所了解，能够编写一些简单的语句。回顾本次课程设计的过程， 我