电机与拖动课件--第2章变压器

1、第2章 变压器 2 . 1 变压器的结构和铭牌数据 2 . 2 变压器的空载运行 2 . 3 变压器的负载运行 2 . 4 用试验方法测定变压器的参数 2 . 5 变压器的运行特性 2 . 6 三相变压器及联结组标号 2 . 7 三相变压器的并联运行 2 . 8 特种变压器 第2章 变 压 器2.1 变压器的结构和铭牌数据 2 . 1 . 1 变压器的结构(1) 在右上图三相油浸式电力变压器外形图 中:1 .铭牌 2 .信号式温度计 3 .吸湿器 4 . 储油柜 5.油表 6 .安全气道 7 .气体继电器 8 .高压套管 9 .低压套管 10 .分接开关 11 .油箱 12 . 铁心 13 .

2、绕组 14 .放油阀门 。变压器主要部件有 铁心、 绕组和油箱。铁心用很薄的硅钢片叠装而成,叠装时为使铁心磁路不形成间隙,相邻两层铁心叠片的接缝要互相错开,如 右下图所示,可以减少铁心磁路的磁阻, 减少励磁电流。（a）第1、3、5、7层 （b）第2、4、6、8层2 . 1 . 1 变压器的结构(2) 图2 . 3 三相心式变压器的铁心与绕组 1 .铁轭 2 .铁心柱 3 .高压绕组 4 .低压绕组绕组是变压器的电路部分。双绕组变压器的每个铁心柱上放置两个绕组,接电源的绕组称为一次绕组,接负载的绕组称为二次绕组。绕组采用同心式绕组,低压绕组在里面,高压绕组在外面。 2 . 1 . 2 变压器的铭

3、牌数据 变压器的型号是由汉语拼音字母和数字组合起来的,字母表示类型;数字分别表示额定容量和高压侧的额定电压。例如S L 1 000 / 10表示其额定容量为 1 000 kV A及高压侧额定电压为10 kV的三相铝线变压器。变压器的额定数据有: 1 .额定容量 ,额定容量就是变压器的额定视在功率,单位为V A或kV A; 2 .额定电压 ,都是指线电压,表示一次、二次绕组线电压的额定值; 3 .额定电流 ,是变压器在额定运行时一次、二次绕组中的线电流。 对单相变压器有 对三相变压器有NS2N1NU/U2N1NI /I2N2N1N1NNIUIUS2N2N1N1NNIU3IU3S2.2 变压器的空

4、载运行2 . 2 . 1 变压器空载运行时的物理状况 上图是变压器空载运行原理图,匝数为 的二次绕组 开路,匝数为 的一次绕组 接到电压为 的交流电源上,便有空载电流,亦称励磁电流 流过,产生励磁磁动势 ,励磁磁动势产生主磁通 和漏磁通 。主磁通经过铁心磁路,同时与一次、二次绕组相交链,会在一次、二次绕组中产生感应电动势 及 ;漏磁通只与一次绕组相交链,只在一次绕组中产生漏感电动势 。 2N21uu1N21UU1U0I0I1Nm1E2E1E12 . 2 . 2 电磁量参考方向的习惯规定 1 .电源电压 的参考方向自一次绕组的首端 指向末端 。 2 . 一次绕组电流 的参考方向为顺电压降 的方向

5、,即自 点流入,经一次绕组由 点流出。 3.用右手螺旋定则 ,由 的参考方向确定 和 的参考方向。 4.用右手螺旋定则,由 的参考方向确定 和 的参考方向。同理,可由 确定 的参考方向。1U1U2U0I1U1U2U0Im1m1E2E11E2 . 2 . 3 变压器绕组的感应电动势 假设变压器中的主磁通按正弦规律变化, 其在一次绕组中产生的感应电动势为 (2.6) (2.7) 上式表明绕组中感应电动势的有效值与磁通幅值成正比,与磁通交变频率及绕组匝数成正比。 将上两式结合,用相量表示即为 (2.8) 同样有 一次、二次绕组感应电动势有效值之比,就是变压器的变比 (2.11) 变比等于一次、二次绕

6、组匝数之比。由 可知变比也等于空载时一次、二次绕组电压之比。tsinmdtdNe11)90-t(sinNtcosN0m1m1)90t(sinE2)90t(sinE0101m2/fN22/N2/EEm1m11m1m144fN. 4m1144fN.j4Em2244fN.j4E21m2m121N/N)44fN. 4/(44fN. 4E/EKKE/EU/U21212 . 2 . 4 励磁电流 在忽略绕组电阻和漏磁通时, 空载运行的变压器一次、二次电压为 空载运行变压器的相量图如右上图所 示。 空载运行时表示励磁电流、主磁通和感应电动势之间关系相量图如右下图。 的无功分量电流 与 同相位;有功分量电流

7、与 同相位。 ,就大小而言, 可以忽略,所以也就把励磁电流 称为磁化电流了。 11EU2202EUU0I0rIm0aI1U0a0r0III0r0a01I. 0I0I2 . 2 . 5 空载运行时电压平衡方程式 漏磁通经过的是线性磁路,其大小与励磁电流成正比,且两者相位相同,当用 表示漏磁通的幅值时,则 表示单位励磁电流产生的漏磁链,是漏电感 ,为常数。类似式(2.8),就有 (2.17) 是一次绕组的漏电抗。 考虑一次绕组的电阻和漏电抗,可得到一次绕组的电压平衡方程式为 (2.19) 是一次绕组的漏阻抗,二次绕组没有电流流过,其电压表达式仍为 1)I 2/(NL011s111111N)2/(

8、j44fN.j4E010s10011IjXILj)I/I (N)2/( js11LX11011EEIRU101101101101EIZEI )jXR(IjXEIR111jXRZ2202EUU2 . 2 . 6 空载运行时的相量图及等值电路 变压器空载运行时的相量图如 右上图所示。可以认为 是 在某一电路如 电路上的电压降,这样 可以表示为 (2.20)将上式代入式(2.19)得到变压器空载运行时的等值电路如右下图。空载运行的方程组为1E0ImmmjXRZ1E0m0mm1IZI )jXR(E0m10m011011I )ZZ(IZIZEIZU1011EIZU0m1IZE220EUKN/NE/EU/

9、U2121212.3 变压器的负载运行2.3.1负载运行时的物理状况及磁动势平衡方程式 如图所示,一次绕组接电源,二次绕组接负载阻抗 的运行方式是变压器的负载运行。这时, 一次绕组电流 产生主磁通 和漏磁通 , 二次绕组有负载电流 流过,产生主磁通 和漏磁通 。由 可知,电源电压不变时,负载运行中铁心的合成主磁通就等于空载时的主磁通 ,即根据磁路的欧姆定律,就有即 (2.25)负载与空载时的磁动势相等。 LZ1I112I22m11144fN. 4EUmm21ZZZRINRINRIN/012211012211INININ2 . 3 . 2 负载运行时的基本方程式 一次电流 产生的漏磁通 会在一次

10、绕组中产生感应电动势 ;同理, 二次电流 产生的漏磁通 会在二次绕组中产生感应电动势 ; 对一次绕组,当流过的电流为 时,由式(2.22)可知其电压平衡方程式为 对二次绕组,其感应电动势之和 减去绕组电阻压降 ,就是二次绕组输出电压,于是有 综合起来, 变压器负载运行时的基本方程组为 1I1111IjXE2I2222IjXE1I1111EIZU)EE(222222222222IRIjXEIREEU2222222IZEI )jXR(E1111EIZU2222IZEU012211INININ0m1IZE2L2IZUKE/E212 . 3 . 3 变压器的折算法 折算法是在保持原有电磁关系不变的前提

11、下,把二次绕组的匝数变换为一次绕组的匝数,对二次电磁量进行折合的算法。 由 有 即二次电流的折算值是原值的1/K倍。 由 可知二次绕组感应电动势(或电压)的折算值是原值的K倍。同理有 根据铜损耗不变求二次绕组电阻的折算值 由 有 同样有 阻抗的折算值是原值的 倍。 2221ININK/IN/INI21222212EKEE22UKU222222)I (RIR2222222RKR)I /I (R222XKX 222ZKZ L2LZKZ 2K2.3.4 折算后的基本方程式和等值电路(1) 二次绕组向一次绕组折算后, 变压器负载运行时基本方程组就变为 由上述的方程组可以推导出与之等效的等值电路如下图,

12、等值电路由4个阻抗串并联组成,即 与 串联后与 并联,然后再与 串联接至电源电压 ,从电源吸收电流 ,图中 、 及 所在的三条支路呈T 字形,故称为T形等值电路。 1111EIZU0m1IZE2222IZEU21EE021III2L2IZU2ZLZmZ1Z1U1I1ZmZ2Z2.3.4 折算后的基本方程式和等值电路(2) 图2 . 11 简化等值电路 图2 . 12 用短路阻抗表示的等值电路在T形电路中 ,去掉 支路不会有大的误差,这样,T形电路就简化为一字形的等值电路,如图2 .11所示。令 称为变压器的短路阻抗, 为变压器的短路电阻, 为变压器的短路电抗,用短路阻抗表示的简化等值电路如图2

13、 .12所示。 )ZZ(ZL2mmZKK21KjXRZZZ21KRRR21KXXXKZKRKX2 . 3 . 5 变压器负载运行时的相量图 由负载运行时的基本方程式和T形等值电路画出的相量图如右上图。可将二次侧参数向一次侧折算,首先画出 ;由 画出 ; 由 画出 即 ;在 超前 方位画出 ;画出 ;由 画出 ;由 画出 ;由 画出 。右下图(a)和图(b)是分别带电感性负载和电容性负载时的简化相量图。 依据的方程式是 2UL22Z/UI2I222222IXjIRUE2E1E1E090m1Em10Z/EI0I)I(II2011I1U111111IjXIREU21II2L2IZU1KK21I )j

14、XR(UU2 . 3 . 6 标么值 所谓标么值就是物理量的实际值与其基值之比,即标么值=实际值/基值。一般都把额定值选作基值, 和 分别是一次侧电压和电流的基值; 和 分别是二次侧电压和电流的基值;这样,一次、二次绕组漏阻抗的基值分别为 与 。 一次侧、二次侧电压标么值为 一次侧、二次侧电流标么值为一次绕组漏阻抗标么值为二次绕组漏阻抗标么值为短路阻抗的标么值为短路阻抗的标么值等于短路电压的标么值。 1NI1NU2NU2NI1N1N1NI /UZ 2N2N2NI /UZ 1N11U/UU 2N22U/UU 1N11I /II 2N22I /II 1N11N1N1N11N11U/ZI)I /U/

15、(ZZ/ZZ2N22N2N2N22N22U/ZI)I /U/(ZZ/ZZK1NKN1NK1N1NKKUU/UU/ZIZ/ZZ2.4 用试验方法测定变压器的参数2 . 4 . 1 空载试验 变压器在空载状态下进行的试验称为空载试验, 右上图和右下图分别是单相及三相变压器空载试验接线图。由于 则空载时的阻抗 为 可求得由于空载电流小,铜损耗可以忽略,则有 若试验是在一次侧进行, 则一次绕组接额定电压 ,二次绕组开路。可求得1mZZ 0Zmm10ZZZZ010mI /UZZ20mFeFecu01IRPPPPP201NU/UK01NmI /UZ 200mI /PR 2m2mmRZX2 . 4 . 2

16、短路试验 做短路试验时,一侧短路,另一侧加降低了的短路电压,使短路电流等于额定电流,图(a)和(b)分别是单相和三相变压器短路试验接线图。上右图是短路试验简化等值电路。由于短路试验电压大大低于其额定电压,可以忽略铁损耗,认为短路损耗 全部为铜损耗,即结合等值电路可求得KUKNP21NK2KKKNIRIRP1NKNKKKI /UI /UZ21NKN2KKNKI /PI /PR2K2KKRZX（a）单相变压器（b）三相变压器2.5 变压器的运行特性2 . 5 . 1 外特性与电压变化率 二次输出端电压随负载电流变化的规律,称为变压器的外特性,如右上图。二次绕组的开路电压与带负载后的电压差值相对于开

17、路电压的百分比值,称为电压变化率 ,由右下图简化相量图可知, u0020220100U/ )UU(u001N001N21N100)U/ab(100U/ )UU(u001N2K12K1100U/ )sinXIcosRI (001N2K1N2K1N100U/ )sinXIcosRI (1N1I /I2 . 5 . 2 效率及效率特性 变压器运行损耗是铁损耗和铜损耗。铁损耗是不变损耗 ,额定电压下铁损耗等于在额定电压下做空载试验时的空载损耗。铜损耗为 是短路损耗,铜损耗与负载系数的平方成正比,称为可变损耗。 功率平衡方程式为效率为效率特性如右图。令 可求最大效率时的 KN221NK21KcuP)I(

18、RIRPKNPKN202cuFe21PPPPPPP)P/(1P/ )P(P/P21112PPP0ddKNmPP02 . 6 三相变压器及联结组标号 2 . 6 . 1 三相变压器的连接 (1) 图2 . 21 三相组式变压器( Yd联结) 图2 . 22 三相心式变压器( Yy0联结)由三台相同的单相变压器在电路上连接成三相而组成的三相变压器,称为三相组式变压器,如图2 .21所示,这类变压器的各相磁路是独立的;另一种是三相心式变压器,如图2 .22所示,不仅绕组连接成三相电路,而且三相磁路也连接成一个整体,各相磁路不是独立的,而是互相关联的。 2 . 6 . 1 三相变压器的连接 (2)三相

19、变压器绕组连接有三角形联结和星形联结。三角形联结是把一相绕组的末端与另一相绕组的首端依次连接起来构成闭合回路, 如图(a)或(b)所示。星形联结是把三相绕组的三个末端连接在一起作为中性点,三个首端作为出线端,如图(c)所示。三角形联结用D或d表示,星形联结用Y或y表示,一次用大写,二次用小写。 （a）（b）（c）2 . 6 . 2 变压器的联结组标号(1) 图2 . 24 绕组的绕向和出线端标记与感应电动势的相位关系 常用联结组标号来表示一次 、二次绕组的接线方法和一次、二次线电动势的相位差。表示一次、二次绕组线电动势的相位差用时钟表示法。联结组标号的书写形式是:用大、小写字母分别表示一次、二

20、次绕组的连接方法,星形联结用Y或y表示,三角形联结用D或d表示,在最后的字母后边写上标号数。 图(a)中同极性端 作首端, 联结组标号为110;图(b)中异极性端 作首端, 联结组标号为116（a）（b）2 . 6 . 2 变压器的联结组标号(2)右上图是三相变压器的接线图,画对应的电势相量图时,先画等边三角形 ,三条边表示一次绕组的三相线电动势,由顶点到中点的三条线段表示相电动势;将 与 重合,根据接线图画等边三角形 ,由顶点到中点的三条线段表示二次绕组的相电动势,三条边表示三相线电动势。用时钟表示法 确定联结组标号的标号数时,将一次的线电动势 指向钟面上的“ 12 ”, 二次的线电动势 指

21、向钟面上的钟点数就是标号数,图中 与 重合,标号数是12,12即为0。一次、二次接为星形,联结组标号是111WVU1u1U111wvuUVEuvEuvEUVEYy02 . 6 . 2 变压器的联结组标号(3) 三相变压器为Yd联结 如右上图。画等边三角形 ,三条边表示一次绕组的三相线电动势,由顶点到中点的三条线段表示相电动势;将 与 重合,根据接线图画等边三角形 ,三条边表示二次绕组的三相线电动势,如右下图,当 指向钟面上的“ 12 ”, 指向“ 11 ”,联结组标号是 。 规定三相电力变压器的五种标准联结组标号是: Yyn0 ; Yd11 ; YNy0 ; Yy0 ; YNd11 。单相是1

22、10。111WVU1u1U111wvuUVEuvEYd112.7 三相变压器的并联运行(1) 多台变压器,它们的一次、二次绕组都分别接到一次、二次侧的公共母线上,共同向负载供电的运行方式,称为变压器的并联运行,如右上图所示。变压器并联运行的条件是: 1 .各一次侧额定电压、各二次侧额定电压分别相等,即变比相同;2 .联结组标号相同;3 .短路阻抗标么值相等。右下图表示Yy0与Yd11并联时二次侧电压差很大,不允许并联。2.7 三相变压器的并联运行(2) 变压器和并联运行的简化等值电路图如下图。 (2.69) 上式运算复杂,可用简化的代数方程式替代为 (2.70) 由 有 代入式(2.70)有 即IZIZKKIZIZKK1NI /II1NI /II1N1NK1N1NK1NKKU/IZ)I /U/(ZZ/ZZ1N1NKKU/IZZ1NII 1NII 1N1NKKI /UZZ1N1NKKI /UZZKKZZKKZ/Z/2.8 特种变压器2 . 8 . 1 自耦变压器和接触式调压器