华中科技大学-电机学-第三章-变压器---ppt

电机学ElectricMachinery（第三章变压器）变压器结构、空载及负载运行3.1概述3.2变压器的运行原理与特性3.3三相变压器变压器的分类变压器的基本结构变压器的额定值空载运行负载运行等效电路参数测定标幺值三相变压器磁路三相变压器电路对空载电动势的影响运行特性3.4变压器并联运行变比不等变压器并联运行连接组号不同变压器并联运行短路阻抗不等变压器并联运行电气工程与自动化学院3※重点与难点重点:1.变压器的基本方程和等效电路;2.等效电路参数的测定;3.标幺值;4.变压器的运行性能。难点:1.变压器的运行原理和运行性能;2.三相变压器。电气工程与自动化学院4变压器是静止电气设备，根据电磁感应原理，将一种形态（电压、电流、相数）的交流电能，转换成另一种形态的交流电能。3.1概述一、变压器的分类电气工程与自动化学院5电源变压器电力变压器环形变压器接触调压器控制变压器三相干式变压器电气工程与自动化学院6⑵按相数分为：单相变压器三相变压器多相变压器1U1U2U2U2I1I0I⑴按绕组分为：双绕组变压器三绕组变压器自耦变压器电气工程与自动化学院7(4)按冷却方式：油浸自冷变压器(3)按用途分为：油浸水冷变压器干式空气自冷变压器油浸风冷变压器升压变压器降压变压器隔离变压器电气工程与自动化学院8二、变压器的基本结构变压器的基本结构可分为：铁心、绕组、油箱、套管。1、铁心铁心是变压器的磁路，分为芯柱和铁轭。为了减少交变磁通在铁心中产生磁滞损耗和涡流损耗，变压器铁心由厚度为0.27mm、0.3mm、0.35mm的冷轧高硅钢片叠装而成。电气工程与自动化学院9铁芯的交叠装配单相变压器铁心叠法，偶数层刚好压着奇数层的接缝，从而减少了磁路和磁阻，使磁路便于流通——接逢处气隙小，可以避免涡流在钢片之间流通。三相芯式变压器的铁心排列法，主要使叠缝相互交叠，从而减少磁路的磁阻。电气工程与自动化学院10心柱截面是内接于圆的多级矩形，铁轭与心柱截面相等。电气工程与自动化学院11小型变压器铁心电气工程与自动化学院12电气工程与自动化学院132、绕组绕组是变压器的电路部分，由包有绝缘材料的铜(或铝)导线绕制而成。装配时低压绕组靠着铁心，高压绕组套在低压绕组外面，高低压绕组间设置有油道(或气道)，以加强绝缘和散热。将绕组装配到铁心上成为器身。电气工程与自动化学院14单相和三相芯式变压器电气工程与自动化学院153、油箱除了干式变压器以外，电力变压器的器身都放在油箱中，箱内充满变压器油，其目的是提高绝缘强度(因变压器油绝缘性能比空气好)、加强散热。电气工程与自动化学院164、套管变压器的引线从油箱内穿过油箱盖时，必须经过绝缘套管，以使高压引线和接地的油箱绝缘。绝缘套管一般是瓷质的，为了增加爬电距离，套管外形做成多级伞形，10kV～35kV套管采用充油结构，如图所示。电气工程与自动化学院17三、变压器的额定值额定值是选用变压器的依据，主要有：(1)额定容量SN：是变压器的视在功率。由于变压器效率高，设计规定一次侧、二次侧额定容量相等。(2)一次侧、二次侧额定电压U1N、U2N。二次侧额定电压U2N是当变压器一次侧外加额定电压U1N时二次侧的空载电压。对于三相变压器，额定电压指线电压。(3)一次侧、二次侧额定额定电流I1N、I2N。对于三相变压器，额定电流指线电流。电气工程与自动化学院18112233NNNNNSUIUI112233NNNNNSUIUI3NNNNUUIIY接：Y-connectionABCXYZYZ3NNNNUUII接：ABCX变压器额定数据之间的关系3.2变压器运行原理与特性3.2.1变压器的空载运行变压器的一次侧绕组AX接在电源上、二次侧绕组ax开路，此运行状态称为空载运行。基本电磁关系感应电动势电压变比空载电流空载等效电路电路方程相量图电气工程与自动化学院20一、空载运行时的磁通主磁通Φ：其磁力线沿铁心闭合，同时与一次侧绕组、二次侧绕组相交链的磁通。e2电气工程与自动化学院21一次侧绕组的漏磁通Φ1σ：其磁力线主要沿非铁磁材料(油、空气)闭合，仅为一次侧绕组相交链的磁通。e2电气工程与自动化学院22空载运行时基本电磁关系10u0i010FNi1e2e11e20u1001uiR与e2电气工程与自动化学院23主磁通和漏磁通的区别：所经磁路的磁阻不同：主磁通沿铁心闭合，磁阻为非常数，存在饱和现象，Φ与i0呈非线性关系；漏磁通主要沿非铁磁材料(油、空气)闭合，磁阻为常数，Φ1σ与i0呈线性关系。所起的作用不同：主磁通同时与一次侧绕组、二次侧绕组相交链，起能量传递媒介的作用；漏磁通Φ1σ仅与一次侧绕组相交链，不能传递能量，仅起电压降的作用。大小不同：主磁通占总磁通的绝大部分；漏磁通只占很小的一部分。电气工程与自动化学院24假定正向：Φ与i呈右手螺旋关系；e与i同方向。感应电动势瞬时值主磁通在一次绕组（匝数N1）、二次绕组（匝数N2）中感应电动势的瞬时值为：e1=-N1dΦ／dte2=-N2dΦ／dt二、空载运行时的感应电动势电气工程与自动化学院25感应电动势有效值设空载电流i0的频率为f，Φ=Φmsinωt，Φm表示主磁通的最大值，则感应电动势为：其中，幅值和有效值分别为：用相量表示，则正弦稳态下感应电动势可表示为1112222904.442904.44mmmmENfjNfENfjNf)90sin(cos)90sin(cos22221111tNtNdtdNetNtNdtdNemmmmmmmmmmmmmmfNEEfNNEfNEEfNNE22222211111122/222/2电气工程与自动化学院26漏电动势一次绕组漏磁通漏磁通Φ1σ在一次侧绕组中感应漏电动势为则正弦稳态下表示为：10111102sin(90)ddieNLLItdtdt一次侧绕组的漏电感式中Λ1σ为漏磁通路磁导110101090ELIjLIjXI211110LNi电气工程与自动化学院27结论：11,mENf、、22mENf、、①②主磁通决定了感应电动势的大小。m1E③感应电动势落后于主磁通。90m1E漏电动势即空载电流在一次绕组漏电抗产生负压降1E0I1X1E0I90漏电动势在相位上落后于。④⑤电气工程与自动化学院28三、电压方程式和变比在假定正向下，根据电路基尔霍夫第二定律可得一、二次侧电压平衡方程式u1=-e1-e1σ+i0R1u2=e2则相量形式为：式中，Z1=R1+jX1σ为一次绕组漏阻抗。11101110110122UEEIREjIXIREIZUEe2电气工程与自动化学院29变比：一次绕组的电动势E1与二次绕组的电动势E2之比，用k表示：k=E1／E2=N1／N2空载运行：E1≈U10,E2=U20k=E1／E2≈U10／U20注意：在三相变压器中，k指相电动势之比；即，变比k常用下式计算：单相变压器：k=U1N／U2N三相变压器：k=U1Nφ／U2Nφ电气工程与自动化学院30四、空载电流1、空载电流的波形电源电压为正弦波，铁心中主磁通亦为正弦波。dtdNe11110111eRieeudtdNu11NiHlFBA曲线＝f(i)与磁化曲线B＝f(H)一致，呈非线性电气工程与自动化学院31空载电流波形若磁路不饱和（Bm1.3T），曲线＝f(i)呈线性，空载电流i0也是正弦波。若磁路开始饱和，曲线＝f(i)呈非线性，空载电流i0为尖顶波，尖顶的大小取决于饱和程度。对尖顶波进行波形分析，除基波分量外，包含有各奇次谐波。其中以3次谐波幅值最大。电力变压器，Bm=1.4T～1.73T，铁心饱和。电气工程与自动化学院322.励磁电流和主磁通的相位关系考虑主磁通磁滞效应时，可见，磁通在相位上落后于励磁电流一定的相位角度。称为铁耗角。如果考虑铁磁材料的饱和及磁滞,磁通为正弦波时,励磁电流为不对称的尖顶波。0i电气工程与自动化学院33等效正弦波励磁电流由于励磁电流不是正弦波，不能用相量表示，工程上用等效正弦波概念来表征实际励磁电流，并用相量表示。0I等效条件：1）等效正弦波电流角频率等于实际励磁电流基波角频率；2）等效正弦波电流有效值为：3）等效正弦波电流相位等于实际励磁电流基波相位。222010305IIII电气工程与自动化学院340I1m1U1E1E3.空载运行等效电路Rm和Xm都不是常数，随铁心饱和程度变化。当电压升高时，铁心更加饱和。因此Rm和Xm都随外施电压的增加而减小。实际上，当变压器接入的电网电压在额定值附近变化不大时，可以认为Zm不变。101EIX10mEIZmmmZRjXRm－励磁电阻（等效铁耗电阻）Xm－励磁电抗Zm－励磁阻抗电气工程与自动化学院35电压平衡方程式为1101001mUEIZIZIZ可以得到与上式对应的等效电路图。等效电路表明，变压器空载运行时，它就是一个电感线圈，它的电抗值等于X1σ＋Xm它的电阻值等于R1＋Rm。电气工程与自动化学院36作相量图的主要过程:选参考向量---主磁通相量；m&根据一次主电动势和励磁电流关系分解励磁电流有功分量和无功分量。0aI&0rI&1E0I2E1E画出感应主电动势、；0I画出空载励磁电流；m&1E220EU0I0rI&0aI&1E01IR01jIX1U00根据一次侧电压方程画出。1U4.变压器空载运行的相量图电气工程与自动化学院37110101UEIRjIX114.44mEjfN01IR1E0Im1E2E202UE0变压器空载运行的相量图224.44mEjfN110mmmEEIZRjX20U001jIX1U电气工程与自动化学院381XmX是一个常数，不随变压器运行状态的改变而改变是一个变数，因为铁心中的主磁通会出现磁饱和现象。也就是说激磁电抗随铁心中磁密的变化而变化；由于磁密的大小决定于励磁电流，励磁电流的大小又决定于电压。所以根本上激磁电抗的大小受所施加电压幅值的影响：通常电压越高激磁电抗会减小。1UmX思考一次漏电抗和激磁电抗有何区别？3.2变压器运行原理与特性3.2.2变压器的负载运行变压器的一次侧绕组AX接在电源上、二次侧绕组ax接负载，此运行状态称为负载运行。绕组折算相量图等效电路u2电磁物理过程磁动势平衡方程电压平衡方程绕组归算相量图电气工程与自动化学院40一、负载运行时的电磁过程e、i同方向,i的方向与Φ的方向符合右手螺旋定则。二次侧采用如图假定方向。电气工程与自动化学院41变压器负载运行时电磁关系返回电气工程与自动化学院42111110UEIZII负载时一次绕组：负载时：0Fm1E111IZE一次电流从空载到负载时，由于比较小，仍有：1Z所以：11UE1100110011()UEIZEIRjX空载时一次绕组：空载时：10NI0m10E由于比较小，也比较小，所以有：0I1Z110UE二、磁动势平衡方程式电气工程与自动化学院43负载时，一次绕组漏阻抗压降I1Z1很小，仍有U1≈E1=4.44fN1Φm铁心中与E1相对应的主磁通Φm近似等于空载时的主磁通，从而产生Φm的合成磁动势Fm与空载磁动势F0近似相等，负载时的励磁电流与空载电流I0也近似相等，有：120FFF112210NININI电气工程与自动化学院44将上一页的第二个式子同除以N1，得2120121001()()LNIIINIIIIIk变压器一次侧电流有两个分量：，。是励磁电流用于建立变压器铁心中的主磁通；是负载分量用于建立磁动