电机学第二章变压器.

1变压器变压器：是一种静止的电机，它利用电磁感应原理将一种电压、电流的交流电能转换成同频率的另一种电压、电流的电能。换句话说，变压器就是实现电能在不同等级之间进行转换。2.1.1变压器的工作原理(1)一次绕组和二次绕组为完全耦合，即链过一次和二次绕组的磁通为同一磁通。(2)铁心磁路的磁阻为零，铁心损耗也等于零。(3)一次和二次绕组的电阻都等于零。满足这三个条件的变压器，称为理想变压器。2.1变压器的分类、基本结构、额定值图2-1理想变压器变压器的种类很多，可按其用途、结构、相数、冷却方式等不同来进行分类。2.1.2变压器的分类1、按用途分类，可分为①电力变压器（主要用在输配电系统中，又分为升压变压器、降压变压器、联络变压器和厂用变压器）②仪用互感器（电压互感器和电流互感器）③特种变压器（如调压变压器、试验变压器、电炉变压器、整流变压器、电焊变压器等）2.按绕组数目分3.按铁心结构分4.按相数分双绕组变压器三绕组变压器多绕组变压器自耦变压器心式变压器壳式变压器单相变压器三相变压器多相变压器9油浸式变压器干式变压器充气式变压器小型变压器（容量为10～630kVA）中型变压器（容量为800～6300kVA）大型变压器（容量为8000～63000kVA）特大型变压器（容量在90000kVA及以上）6.电力变压器按容量大小通常分为油浸自冷式油浸风冷式油浸强迫油循环式5.按冷却介质和冷却方式分类，可分为102.1.3变压器的基本结构电力变压器的基本构成部分有：铁心、绕组、绝缘套管、油箱及其他附件等。其中铁心和绕组是变压器的主要部件，他们构成了变压器的器身。典型的油浸式变压器结构讯号式温度计吸湿器储油柜（油枕）油表防爆管瓦斯继电器高压套管低压套管分接开关放油阀门绕组铁心油箱1.铁心铁心构成了变压器的磁路，同时又是套装绕组的骨架。铁心由铁心柱和铁轭两部分构成。铁心柱上套绕组，铁轭将铁心柱连接起来形成闭合磁路。１）铁心材料：为了提高磁路的导磁性能，减少铁心中的磁滞、涡流损耗，铁心一般用高磁导率的磁性材料——硅钢片叠成。硅钢片有热轧和冷轧两种，其厚度为0.35～0.5mm，两面涂以厚0.02～0.23mm的漆膜，使片与片之间绝缘。２)铁心型式变压器铁心的结构有心式、壳式和渐开线式等形式。壳式结构的特点是铁心包围绕组的顶面、底面和侧面，如图所示。心式结构的特点是铁心柱被绕组包围，如图所示。壳式结构的机械强度较好，但制造复杂。心式结构比较简单，绕组的装配及绝缘比较容易，电力变压器的铁心主要采用心式结构。3)铁心叠装:变压器的铁心一般是由剪成一定形状的硅钢片叠装而成。为了减小接缝间隙以减小激磁电流，一般采用交错式叠法，使相邻层的接缝错开。单层双层4)铁心截面:铁心柱的截面一般做成阶梯形，以充分利用绕组内圆空间。容量较大的变压器，铁心中常设有油道，以改善铁心内部的散热条件，如图所示。绕组为什么做成圆形？绕组是变压器的电路部分，它由铜或铝绝缘导线绕制而成。一次绕组（一次侧绕组）：输入电能二次绕组（二次侧绕组）：输出电能同一相的一次绕组和二次绕组通常套装在同一个心柱上，一次和二次绕组具有不同的匝数，通过电磁感应作用，一次绕组的电能就可传递到二次绕组，且使一、二次绕组具有不同的电压和电流。按电压高低，可分为高压绕组和低压绕组。从高、低压绕组的相对位置来看，变压器的绕组又可分为同心式、交迭式。由于同心式绕组结构简单，制造方便，所以，国产的均采用这种结构，交迭式主要用于特种变压器中。2.绕组根据绕制特点,分为:1.圆筒式绕组2.箔式绕组3.连续式绕组3.其它部件除器身外，典型的油浸电力变压器中还有油箱、变压器油、绝缘套管及继电保护装置等部件。额定值是制造厂对变压器在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。额定值通常标注在变压器的铭牌上。变压器的额定值主要有：2.1.4变压器的额定值1.额定容量SN额定容量是指在铭牌规定的额定状态下的视在功率。以VA、kVA或MVA表示。由于变压器的效率很高，通常一、二次侧的额定容量设计成相等。2.额定电压U1N和U2N在铭牌规定的额定运行时加在一次侧的端电压称为变压器一次侧的额定电压U1N。二次侧的额定电压U2N是指变压器一次侧加额定电压、在指定分接开关位置下，二次侧的空载电压。额定电压以V或kV、MV表示。对三相变压器，额定电压是指线电压。3.额定电流I1N和I2N根据额定容量和额定电压计算出的线电流，称为额定电流，以A表示。对单相变压器对三相变压器NNNNNNUSIUSI2211;NNNNNNUSIUSI22113;34、额定频率fN除额定值外，变压器的相数、绕组连接方式及联结组别、短路电压、运行方式和冷却方式等均标注在铭牌上。额定状态是电机的理想工作状态，具有优良的性能，可长期工作。例题：有一台SSP-125000/220三相电力变压器，YN，d接线，，求①变压器额定电压和额定电流；②变压器原、副线圈的额定电压和额定电流。12/220/10.5kVNNUUkVUkVUNN5.10,22021AUSINNN04.3282203125000311解：①.一、二次侧额定电压二次侧额定电流（线电流）一次侧额定电流（线电流）AUSINNN22.687310.53125000322×由于YN，d接线，一次绕组的额定电压11220127.02kV33NNUUAIINN04.32811kV5.1022NNUU226873.223968.2633NNIIA一次绕组的额定电流二次绕组的额定电流二次绕组的额定电压2.2变压器的空载运行2.2.1空载运行时的物理情况1.空载运行：是指变压器一次侧绕组接到(额定)电压、额定频率的电源上，二次侧绕组开路时的运行状态。2.物理现象：磁动势和磁通的情况：一次侧绕组施加电压绕组中有电流（空载电流i0）i0产生磁动势f0=N1i0图2-5变压器的空载运行•2.2.1空载运行时的物理情况•2.2.1空载运行时的物理情况变压器的变比等于一次侧、二次侧绕组的匝数比。当变压器空载运行时，由于U1≈E1，故可近似地用空载运行时原、二次侧的相电压比来作为变压器的变比，即NNOUUUUk2121变压器的变比在变压器中，一次侧、二次侧绕组的感应电动势E1和E2之比称为变压器的变比，用k表示，即：k=E1/E2从理论上讲，正方向可以任意选择，因各物理量的变化规律是一定的，并不依正方向的选择不同而改变。3、正方向的规定为什么要规定正方向？(2)根据计算结果确定实际方向：若计算结果为正，则实际方向与参考方向一致；若计算结果为负，则实际方向与参考方向相反。(1)根据电路的定律、定理，列出物理量间相互关系的代数表达式；欧姆定律：流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比。RIU＋U－IU＝RI（a）＋U－IU＝－RI（b）－U＋IU＝－RI（c）①在负载支路，电流的正方向与电压降的正方向一致，而在电源支路，电流的正方向与电动势的正方向一致②磁通的正方向与产生它的电流的正方向符合右手螺旋定则;③感应电动势的正方向与产生它的磁通的正方向符合右手螺旋定则;正方向规定不同，列出的电磁方程式和绘制的相量图也不同。在电机方向的学科中通常按电工惯例来规定正方向。在一次侧，u1由首端指向末端，i1(i0)从首端流入。当u1与i1同时为正或同时为负时，表示电功率从一次侧输入，称为电动机惯例。在二次侧，u2和i2的正方向是由e2的正方向决定的，即i2沿e2的正方向流出。当u2和i2同时为正或同时为负时，电功率从二次侧输出，称为发电机惯例。1u1e2e2u2i0i各物理量的正方向的规定m12.2.2主磁通和激磁电流2.2.2主磁通和激磁电流图2-6变压器的空载相量图2.2.2主磁通和激磁电流空载电流1.空载电流的波形变压器空载运行时一次侧绕组中的电流主要用来产生磁场，又称为激磁电流。空载电流很小，一般不大于额定电流的2.5％，大型变压器更小。我们重点考察其波形。磁路是否饱和？铁心是否有铁耗若磁路不饱和，则磁化电流和磁通为线性关系若铁心中无铁耗，则励磁电流完全用来励磁，称为磁化电流1）若磁路不饱和，且铁心无铁耗励磁电流为完全用来励磁的磁化电流磁路不饱和，则磁化电流和磁通为线性关系施加的电压为正弦波磁通为正弦波磁化电流为正弦波2）若磁路饱和，且铁心无铁耗励磁电流为完全用来励磁的磁化电流磁路饱和，则磁化电流和磁通为非线性关系施加的电压为正弦波磁通为正弦波磁化电流为尖顶波磁化电流iμ与磁通φ同相位2）若磁路饱和，且铁心无铁耗222135IIIIL为了在相量图中表示励磁电流iμ，可以用等效正弦波电流来代替非正弦波励磁电流，其有效值为磁通为正弦规律变化时，励磁电流为尖顶波，根据谐波分析方法，尖顶波可分解为基波和3、5、7…次谐波。除基波外，三次谐波分量最大。这就是说，由于铁磁材料磁化曲线的非线性关系，要在变压器中建立正弦波磁通，励磁电流必须包含三次谐波分量。从上图中，可以看出励磁电流iμ与磁通Φ是同相位的。3）磁路饱和，铁心有铁耗当考虑铁心损耗时，励磁电流i0中还必须包含铁耗分量iFe，即这时激磁电流io将超前磁通一相位角(为什么？)2220FeIII大小关系：0I&I&FeI&1E&m&2.2.3激磁阻抗和激磁方程121111mmNididideNNLdtdtdtXIjILjE11jXEI12.2.3激磁阻抗和激磁方程FeFeREI1jXREIIIFeFem111图2-8铁心绕组的等效电路a)并联电路b)串联电路2.2.3激磁阻抗和激磁方程mmZEI1mmmmmjXRIZIE1222XRRXXFeFem222XRXRRFeFem2.3变压器的负载运行和基本方程图2-9变压器的负载运行变压器的一次绕组接到交流电源，二次绕组接到负载阻抗ZL时，二次绕组中便有电流流过，这种情况称为变压器的负载运行，如图2-9所示负载时磁动势平衡：(1)接通负载，产生负载电流i2，产生磁动势N2i2(2)副边磁动势作用于铁心磁路，改变原有的磁动势平衡(3)主磁通变化，感应电动势发生改变，电压平衡被破坏(4)导致一次侧电流发生改变，直到电路和磁路达到新的平衡空载时磁路和电路的平衡----负载时磁路和电路的平衡新的平衡关系建立之后，各个量之间的关系合成磁动势可以表示为：2211ININFm1.负载运行时的磁动势方程忽略一次绕组的漏阻抗压降，仍然可以得到那么产生E1的主磁通也应保持不变负载时的合成磁动势Fm与空载相比也应没有变化即与空载相比，一次侧电流增加的分量产生的磁动势与二次侧负载电流产生的磁动势相互抵消。磁动势平衡：11UEmmmINININF1221102211INIINmLmiii1102211iNiNL一次和二次绕组电动势之比为左端负号表示输入功率，右端正号表示输出功率。通过一二次绕组的磁动势平衡和电磁感应关系，一次绕组从电源吸收的电功率传递到二次绕组，输出给负载。磁动势方程2121NNee2211ieieLmiNiNiN12211mLiii1102211iNiNL负载时一次和二次绕组的合成磁动势建立了主磁通。im取决于负载时主磁通的数值，一般说来与空载时的i10稍有差别。磁动势方程用相量表示mINININ122112.漏磁通和漏磁电抗图2-10变压器中漏磁场的分布实际变压器的一次和二次绕组不可能完全耦合，所以除了通过铁心、并与一次和二次绕组相交链的主磁通ϕ之外，还有少量仅与一个绕组交链且主要通过空气或油而闭合的漏磁通。漏磁通1和2随时间交变，分别在一次和二次绕组中感生漏磁电动势e1和e2。和分别为一次和二次漏磁路的磁导。由于漏磁路的主要是空气或油，故漏磁导是常值；相应地，漏感也是常值。dtdiLdtd