第三章变压器

第三章变压器第一节变压器的用途、分类与结构内容提要：1.变压器的用途、分类2.变压器的主要结构部件3.变压器的发热温升4.变压器的额定数据一、变压器的用途、分类1、变压器的用途：变压器是静止电器，由铁心(磁路)及两个或两个以上的绕组(电路)组成，绕组之间由铁心中交变磁通联系(磁耦合)实现从一种电压(电流)变为另一种电压(电流)。⑴按绕组分为：双绕组变压器三绕组变压器自耦变压器⑵按相数分为：单相变压器三相变压器多相变压器2、变压器的分类：1U1U2U2U2I1I0I升压变压器降压变压器隔离变压器(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油浸风冷变压器二、变压器的主要结构部件1、一次绕组（原绕组）－电源侧2、二次绕组（副绕组）－负载侧3、变压器铁心－磁路部分3.1非晶合金铁心变压器的特点非晶合金与硅钢片变压器相比，空载损耗下降70%至80%，空载电流下降80%，节能效果显著。非晶合金片厚度极薄，填充系数较低，采用磁密低，产品的设计受材料限限制程度较高，非晶合金对机械应力非常敏感，张引力和弯曲应力都会影响磁性能，结构设计特殊。3.2立体卷铁心变压器的特点铁心和线圈需在专用设备上卷制，减少了由人工制造造成的质量波动，质量稳定可靠;卷铁心与叠铁心相比可减少工序，生产效率高，自动化程度高；立体卷铁心的退火效果更好，能更有效降低空载损耗和空载电流。铁轭的截面积为心柱截面积的一半，即节能又省材。卷铁心是连续绕制而成，可使噪声降低。3.3叠铁心变压器的特点铁心制造工艺简单，制造工时短，降低了制造成本变压器制造厂具有成熟的叠铁心工艺，成熟的质量控制管理体系不需要卷制铁心和线圈的专用设备，降低了产产品的制造成本铁心材料较“R型”卷铁心利用率高，能降低产品的制造成本。3.4平面卷铁心变压器的特点铁心和线圈需在专用设备上卷制，减少了由人工制造造成的质量波动，质量稳定可靠；卷铁心在经过退火处理后，空载损耗和空载电流可大幅度下降；卷铁心与叠铁心相比可减少工序，生产效率较高，自动化程度较高；卷铁心是连续绕制而成，可使噪声降低。三、变压器的发热温升由于绕组里有铜耗、铁耗及各种附加损耗，一方面影响效率；一方面转变为热能，因此导致变压器的温度升高，并使绝缘材料老化。四、变压器的额定数据2、额定电压（线电压）1、额定容量（视在功率）3、额定电流（线电流）1NNUU*一次绕组额定电压NS，单位为VA或kVA12/NNUU，单位为V或kV二次绕组额定电压是当1NNUU202NUU时，二次绕组开路电压112233NNNNNSUIUI112233NNNNNSUIUI,单位A12/NNII3NNNNUUIIY接：ABCXYZYZ3NNNNUUII接：ABCX第二节变压器的运行分析本节内容体现了变压器的基本电磁关系，着重研究变压器稳态运行的数学模型。*以单相变压器为例来介绍变压器的运行分析及数学模型等，这些结果同样适用于三相变压器对称稳态运行分析主要内容：1.基本方程式、相量图和等效电路图2.变压器的折合算法3.标么值4.运行性能LZ1I1UAX1E2Exa1N2N2U2I**m变压器各物理量的参考方向按电动机惯例，吸收电功1U1I和1、按发电机惯例，发出电功2U2I和5、均由同名端流入1I2I和6、3、、和符合右手螺旋定则1E2Em2、和符合右手螺旋定则1Im4、和符合右手螺旋定则2Im一、变压器空载运行*、都是最大值，一般*、都是由励磁磁动势产生的。m1S1(0.1%0.2%)Smm1S1.主磁通、漏磁通010fNi0I1sE1UAX1E2E20Uxam1s1N2N变压器正常运行时，设电源电压为正弦变化，则主磁通的瞬时值为sinmt根据电磁感应定律111sin(90)mdeNNtdt2.主磁通感应电动势11114.4422mmmENEfN则电动势的有效值为224.44mEjfN同理：取参考向量，因落后主磁通，0mmm1E090114.44mEjfN则：4.漏磁通感应电动势111102SSSNLI110SSEjLI3.主磁通感应电动势结论：11mENf22mENf①,1122ENkEN②变比③主磁通决定了感应电动势E1的大小。1112SSNEj4.1定义式11110SSXLEjXI4.2一次绕组漏电抗X1的分析一次绕组漏电抗*漏电抗X1为常数，即X1不随电流大小而变化。21111SSXLN令一次绕组漏电抗*把漏磁通感应电动势看成在漏电抗X1上的负压降形式。11011111202()UEIRjXZRjXUE1sE1UAX1E2Exa1s1N2Nm20U0I5.空载运行电压方程式其中为一次绕组的电阻为一次绕组的漏电抗为一次绕组的漏阻抗1R1X1Z1112202NNUEUkEUU空载时的变比为：由可知，当电源电压随时间按正弦规律变化，则电动势、磁通必定都按正弦规律变化。根据铁磁材料的磁化曲线可知，磁通和励磁电流成饱和曲线关系，即呈非线性关系。0()fi1UE6.励磁电流0i0(1)当磁通为正弦波，由于此路饱和，励磁电流为尖顶波。(2)磁通与励磁电流同相位。(3)励磁电流可以分解为基波和三次谐波。6.1饱和对励磁电流的影响10mRNimFelRS100()FeSNiCil根据磁路欧姆定律0FeCi当计磁路饱和时，随着结论：由于铁损耗的存在，使励磁电流半波波形非对称，使励磁电流波形超前主磁通波形的角度称铁耗角，用表示。由于励磁电流波形的非正弦，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0i思考：单相变压器220V/110V，如错把低压边接为220V时，问的变化？0i6.2铁损对励磁电流的影响因为空载功率因数很小，所以变压器空载运行时从电源吸收很大的滞后性无功功率。11011()UEIRjX114.44mEjfN从相量图可知：与()同相位从电网吸收有功功率供铁耗用；落后()90°从电网吸收滞后性无功功率建立磁场；0aI1E0rI1E11jIX11IR1U1E0Im1E220EU7.变压器空载运行的相量图202UE00其中Rm－励磁电阻；Xm－励磁电抗Zm－励磁阻抗000001001()()ararIIIIGEIjBEG0－励磁电导B0－励磁导纳8.变压器空载运行的等效电路0100010000()()mmmIEGjBIERjXIIZGjB所以8.变压器空载运行的等效电路Rm－励磁电阻,它是反映变压器铁耗大小的等效电阻，不能用伏安法测量。Xm－励磁电抗，反映了主磁通对电路的电磁效应。2mmXN0ImRmjX1U1R1jX1E结论：Rm、Xm都随磁路的饱和程度增加而减小。磁路饱和，XmRmX1R1，，一般01(0.0020.01)NII1mZZ0FemXiX1是与一次绕组漏磁通对应的电抗；Xm是与主磁通对应的电抗X1是常数，Xm与磁路饱和有关，是一个变化量。1I1s1sE1U2U2I2E2sELZ2sm1N2NAXxa**1E二、变压器的负载运行1.一二次电流关系（磁动势平衡方程式）负载时电压与电流的关系：1.2磁动势和根据安培环路定律，此时一二次绕组的磁动势合成产生主磁通。即，其中为合成磁动势。11IN22IN120FFF0F0I1I1.1一次侧电流㈠能量的观点㈡用电磁关系来解释一次绕组的电流由变成111110UEIZII负载一次绕组一次电流从空载到负载时，有：11NII011111IZEIZE从大小关系来看，从空载到满载，因为电源电压不变，所以一次绕组的感应电动势变化不大，。所以基本不变。1U1E1114.44mUEfNm11011mUEIZZZ1.3空载一次绕组空载时主磁通是由励磁电流产生，112201INININ0I001FIN120FFF22101001LIIIIIIIIkk——为一次电流的负载分量1LI12NkN——变压器变比11220LININ当仅考虑数量关系时，一次磁动势等于二次磁动势，即，所以利用磁动势平衡的概念来定性分析变压器负载运行时，可得如下结论：电流之比等于匝数之比，。1122ININ12kII由一次电流负载分量所建立的磁动势与二次电流磁动势相平衡。11220ININ0I当略去时，11NII22NII当时，即一次电流达到满载时，也达到额定值。2.负载时二次电压、电流的关系22222SUEEIR222SEjIX22222()UEIRjX22LUIZ3.变压器的基本方程式1111UEIZ12EkE10mEIZ2222UEIZ210IIIk22LUIZ1I1sE1UAX1E2E2Uxa1s1N2N2I2sE2s**mLZ4.折合算法①目的:a、使一、二次绕组“有”电的连接等效电路，这样就用电路知识来解题了。b、画相量图方便（定量画法）。2F1F②解决方法（算法根据）保持不变，就不会影响的变化。③定义：保持一个绕组的磁动势不变而改变其电流和匝数的算法称为归算法（折合算法）。⑤折合值：二次向一次折合为例。④定义：如果保持二次绕组磁动势不变，而假想它的匝数与一次绕组匝数相同的折合算法，称为二次绕组折合成一次绕组或简称二次向一次折合。2221ININ221IIk⑴∵∴22EkE224.44mEjfN214.44mEjfN⑵电动势222ZkZ2LLZkZ⑶阻抗22UkU⑷负载电压说明：折合算法其结果不改变变压器运行的物理本质，既不改变功率，不影响阻抗抗角。如果则一次向二次折合值为：11IkI00IkI111UUk112RRk112XXk2mmRRk2mmXXk12NkN1111222222LUEIZUEIZUIZ1210102mEEEIZIII5.等效电路㈠折合后的六个基本方程式:100()mmmEIZIRjX0ImRmjX1E'12EE'2E11111111()UEIZEIRjX1I1R1jX1U'''''22222222()EUIZUIRjX'2U'2R'2jX2I22LUIZLZ102III变压器“T”型等值电路㈡“T”型等效电路.111112||mLUIIZZZZ☆“一”字型等效电路不适用空载，适用正常负载运行和稳态短路。㈣“一”字型等效电路1I1R1jX1U'2U'2R'2jX2ILZ是、的夹角，进而可求出。111UI2I0I2U1U1I㈢由“T”型等效电路可得：是、的夹角，是的阻抗角，因为求复数阻抗比较繁，所以专业上常常把励磁支路提前。222II222UILZ2U2I㈤简化等效电路121212kkkZZZXXXRRR叫短路阻抗，短路电阻，短路电抗kZkRkX12IIkR1U'2U'kjXLZ★一般情况没给励磁阻抗，只给短路阻抗就用简化等值电路。kZmZ6、相量图'2U'2I2''22IR''22jIX'12EE0I1I'2I1E11IR11jIX1U11111UEIZ''2222EUIZ22LUIZ12EE01/mIEZ102III已知：、、、2U2I2coskmkVA,V,Y,y0联接，，，副边Y接，750NS12/10000/400NNUU1.4Kr6.48Kx0.200.07LZj求：已