变压器工作原理

2020/4/121电力变压器的工作原理一、变压器基本原理二、变压器空载特性三、变压器负载特性四、电力变压器的型号五、三相变压器2020/4/122变压器发展史1884年匈牙利人制造出世界第一台变压器。（闭合铁心式）1917年我国上海华生电器制造厂生产出我国第一台变压器1953年我国沈阳变压器厂制造出第一台仿苏13500/110单相变压器。1954年我国沈阳变压器厂制造出第一台单相规格20000/154变压器。1958年8月我国沈阳变压器厂制造出第一台单相仿苏40000/220变压器。1960年3月我国沈阳变压器厂制造出第一台330kV变压器。1979年12月我国沈阳变压器厂制造出第一台单相500kV型号DFPS-250000/500变压器。2005年4月2日保定天威通过750kV型号ODFPS-500000/750变压器试验。2009年1月6日特变电工沈阳变压器公司生产的1000kV型号ODFS-1000000/1000变压器投入运行。2020/4/123世界上第一台闭合铁心变压器我国第一台交流1000kV变压器2020/4/124一、变压器基本工作原理变压器是一种静止电器,它通过线圈间的电磁感应,将一种电压等级的交流电能转换成同频率的另一种电压等级的交流电能.变压器是利用电磁感应原理工作，它是由相互绝缘且匝数不等的两个绕组（构成电路），套装在有良好导磁性能材料叠成的铁心上(构成磁路），两绕组之间只有磁的耦合而没有电的联系。2020/4/125变压器的一次绕组（一次绕组）与交流电源接通后，经绕组内流过交变电流产生磁动势，在这个磁动势作用下，铁芯中便有交变磁通，即一次绕组从电源吸取电能转变为磁能，在铁芯中同时交（环）链原、副边绕组（二次绕组），由于电磁感应作用，分别在原、二次绕组产生频率相同的感应电动势。如果此时二次绕组接通负载，在二次绕组感应电动势作用下，便有电流流过负载，铁芯中的磁能又转换为电能。这就是变压器利用电磁感应原理将电源的电能传递到负载中的工作原理。E1=4.44fN1BmS×10-4E2=4.44fN2BmS×10-42020/4/126在主磁通的作用下，两侧的线圈分别产生感应电势，电势的大小与匝数成正比，K为变压器变比。变压器匝数多的一侧电流小，匝数少的一侧电流大。变压器的原、副线圈匝数不同，起到了变压器作用。变压器一次侧为额定电压时，其二次侧电压随着负载电流的大小和功率因素的高低而变化。变压器电流之比与一、二次绕组的匝数成反比，即2020/4/127二.变压器的空载特性变压器一次绕组接电源，二次绕组开路，负载电流为零，这种情况即为变压器的空载运行。N1和N2为一、二次绕组的匝数分别绕在两个铁心柱上。2020/4/128主磁通与漏磁通的区别1）性质上：Φm与I0成非线性关系；ΦL1与I0成线性关系；2）数量上：Φm占99%以上，ΦL1仅占1%以下；3）作用上：起传递能量的作用，起漏抗压降作用。各电磁量参考方向的规定一次侧遵循电动机惯例，二次侧遵循发电机惯例。磁通与产生它的电流之间符合右手螺旋定则；电动势与感应它的磁通之间符合右手螺旋定则。2020/4/129空载电流和空载损耗一、空载电流作用与组成空载电流I0包含两个分量，一个是励磁分量I0a，作用是建立磁场，另一个是铁损耗分量I0r，主要作用是供铁损耗。性质：由于空载电流的无功分量远大于有功分量，所以空载电流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，用空载电流百分数I0%来表示：00N100II%%I2020/4/1210t0i3211230i3、空载电流波形由于磁路饱和，空载电流与由它产生的主磁通呈非线性关系。当磁通按正弦规律变化时，空载电流呈尖顶波形。当空载电流按正弦规律变化时，主磁通呈尖顶波形。实际空载电流为非正弦波，但为了分析、计算和测量的方便，在相量图和计算式中常用正弦的电流代替实际的空载电流。2020/4/1211变压器空载时一次侧从电源吸收少量的有功功率P0，供给铁心损耗PFe和绕组损耗IR由于I和R均很小，所以即空载损耗近似为铁心损耗对于已制成变压器，铁损与磁通密度幅值的平方成正比，与电流频率的1.3次方成正比，即空载损耗空载损耗约占额定容量的0.1%-1%，而且随变压器容量的增大而下降。为减少空载损耗，改进设计结构的方向是采用优质铁磁材料：优质硅钢片、激光化硅钢片或应用非晶态合金。2020/4/1212可见，影响主磁通大小的因素有电源电压和频率，以及一次线圈的匝数。U1=-E1-E1δ+I0R1=-E1+I0R1+jI0X1=-E1+Z1I0一、电动势平衡方程和变比空载时的电动势方程、等效电路和相量图1.电动势平衡方程1.1一次侧电动势平衡方程忽略很小的漏阻抗压降，并写成有效值形式，有U1≈E1=4.44fN1Φm则2020/4/12132、变比定义112112022NNUUENkENUU对三相变压器，变比为一、二次侧的相电动势之比，近似为额定相电压之比，具体为Y，d接线NNU3Uk21NNUU3k21D，y接线(2)二次侧电动势平衡方程U2=E22020/4/1214空载时的等效电路和相量图等效电路一次侧的电动势平衡方程为空载时等效电路为基于E1δ=-jI0X1δ表示法，Φ感应的电动势E1也用电抗压降表示，由于Φ在铁心引起铁损PTE，所以还要引入一个电阻Rm,用I20Rm等效PTE,即E1=I0(Rm+jXm)U1=-E1+I0Z1=I0(Rm+jXm+I0(R1+jX1)2020/4/1215mmmZ,X,R励磁电阻、励磁电抗、励磁阻抗。由于磁路具有饱和特性所以不是常数，随磁路饱和程度增大而减小。mmmjXRZ11XX,RRmm由于，所以有时忽略漏阻抗，空载等效电路只是一个元件的电路。在一定的情况下，大小取决于的大小。从运行角度讲，希望越小越好，所以变压器常采用高导磁材料，增大，减小，提高运行效率和功率因数。mZmZ0I0ImZ1U0I2020/4/12162、相量图根据前面所学的方程，可作出变压器空载时的相量图：（1）以为参考相量mΦ（2）与同相，滞后，mΦar0III00090aI0rI01E（3）滞后，-E1；090mΦ21E,E1001XIj,IR（4）1U（5）mΦaI0rI00I1E1E2E10XIj01IR1U2020/4/1217空载运行小结（1）一次侧主电动势与漏阻抗压降总是与外施电压平衡,若忽略漏阻抗压降，则一次主电势的大小由外施电压决定.（2）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。（3）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。（4）电抗是交变磁通所感应的电动势与产生该磁通的电流的比值，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。2020/4/12182.变压器的负载运行一次侧接交流电源，二次侧接负载，二次侧中便有负载电流流过，这种情况称为负载运行。2020/4/1219单相变压器的负载运行负载运行时的电磁关系变压器一次侧接在额定频率、额定电压的交流电源上，二次接上负载的运行状态，称为负载运行。1U1Eσ1E2U1I2I1m2EAXaxLZ22E2020/4/122011IR11E22IR22E1U1I2I2U111FNI222FNI010FNI01E2E用图示负载运行时的电磁过程2020/4/1221基本方程一、磁动势平衡方程120FFF或112210NININI电磁关系将一、二次联系起来,二次电流增加或减少必然引起一次电流的增加或减少.:,,,U,U.FF;F,因此有磁动势平衡方程大小基本不变由空载到负载不变保持只要大小主要取决于共同作用产生次磁动势和二负载时一次磁动势产生主磁通一次磁动势空载时011002100用电流形式表示LII)kI(II)NN(II102021201。,I;,I::L作用它起平衡二次磁动势的另一个是负载分量产生主磁通它用来一个是励磁电流两个分量变压器的负载电流包括表明102020/4/1222二、电动势平衡方程根据基尔霍夫电压定律可写出一、二次侧电动势平衡方程111111111ZIEXIjRIEU222222222ZIEXIjRIEULZIU22负载运行时,忽略空载电流有:1221211或NNkIIkII表明，一、二次电流比近似与匝数成反比。可见，匝数不同，不仅能改变电压，同时也能改变电流。2020/4/1223等效电路及相量图一、折算折算原则：1）保持二次侧磁动势不变；2）保持二次侧各功率或损耗不变。22122EkEEUkU22IIk2222222LLrkrxkxZkZ方法：（将二次侧折算到一次侧)折算：将变压器的二次（或一次）绕组用另一个绕组(N2=N1)来等效，同时对该绕组的电磁量作相应的变换，以保持两侧的电磁关系不变,用一个等效的电路代替实际的变压器。2020/4/1224折算后的方程式为111111111ZIEXIjRIEU222222222ZIEXIjRIEU021III12EE01IZEmLZIU222020/4/1225二、等效电路根据折算后的方程，可以作出变压器的等效电路。T型等效电路：近似等效电路1R1X2R2XmRmX1U2ULZ2I1I0I1R1X2R2X21IIL1I1U2ULZ2020/4/1226简化等效电路：其中121SS2SSSRRRXXXZRjX分别称为短路电阻、短路电抗和短路阻抗。由简化等效电路可知，短路阻抗起限制短路电流的作用，由于短路阻抗值很小，所以变压器的短路电流值较大，一般可达额定电流的10~20倍。1U2ULZ2II1SRSX2020/4/1227三、相量图作相量图的步骤——对应T型等效电路，假定变压器带感性负载。0190)6Em超前0)7I)()8201III11)11IjX1)12U22I)223RI)224IXj)12)5EE1)9E21U)11)10RI2020/4/1228电力变压器的型号特殊使用环境代号额定电压额定容量特殊用途和特殊结构代号设计序号调压方式导线材料绕组数油循环方式冷却方式相数产品类别2020/4/12291、产品类别代号O-自耦变压器，通用电力变压器不标H-电弧炉变压器C-感应电炉变压器Z-整流变压器K-矿用变压器Y-试验变压器2020/4/12302、相数D-单相变压器S-三相变压器2020/4/12313、冷却方式F-风冷式S-水冷式注：油浸自冷式和空气自冷式不标注2020/4/12324、油循环方式自然循环(不标注）P―强迫循环2020/4/12335、绕组数S―三绕组注：双绕组不标注2020/4/12346、导线材料L―铝绕组注：铜绕组不标注**—表示半铝、半铜2020/4/12357、调压方式Z―有载调压注：无励磁调压不标注2020/4/12368、性能水平代号（设计序号）性能水平代号电压等级kV性能参数空载损耗负载损耗76、10符合GB/T6451组Ⅱ符合GB/T6451≥35符合GB/T645186、10符合GB/T6451组Ⅰ≥35比GB/T6451平均下降10%96、10配电变压器符合表A26、10电力变压器比GB/T6451组Ⅰ平均下降10%比GB/T6451平均下降10%≥35比GB/T6451平均下降20%106、10比GB/T6451组Ⅰ平均下降