变压器教程.

变压器注册电气工程师执业资格考试专业基础——电气工程4.6.1三相变压器的结构特点•三相组式变压器体积小重量轻用于超高压、特大容量场合•三相芯式变压器材料省效率高经济分析要点：铁芯结构磁路特点励磁电流和磁通情况了解4.6.1.1组式——各相磁路彼此独立•各相主磁通以各自铁芯作为磁路。——铁芯独立，磁路不关联•各相磁路的磁阻相同，当三相绕组接对称的三相电压时，各相的激磁电流和磁通对称。由三台完全相同（容量、变比）的单相变压器按三相连接方式连接而成三相组成变压器4.6.1.2芯式——各相磁路彼此相关•通过中间三个芯柱的磁通等于三相磁通的总和。•当外施电压为对称三相电压，三相磁通也对称，其总和A+B+c=0，即在任意瞬间，中间芯柱磁通为零。•在结构上省去中间的芯柱三相三铁芯柱变压器•三相铁心互不独立•三相磁路互相关联•中间相的磁路较短，令外施电压为对称三相电压，三相激磁电流也不完全对称，中间相激磁电流较其余两相为小。•与负载电流相比激磁电流很小，如负载对称，三相电流基本对称。中间相磁路短，磁阻小，激磁电流较小（F=ΦR）4.6.2变压器的额定值•额定电压U1N/U2N——由制造厂所规定的变压器在空载时额定分接头上的电压保证值。单位为V或kV。当变压器初级侧在额定分接头处接有额定电压U1N，次级侧空载电压即为次级侧额定电压U2N。对于三相变压器而言，铭牌上的额定电压是指线电压•额定频率——50Hz掌握4.6.2变压器的额定值•额定容量SN——制造厂所规定的在额定条件下使用时输出能力的保证值。单位为VA或kVA。对于三相变压器而言是指三相的总容量——视在功率。•由于效率高，原、副方的额定容量设计得相等，与体积、用铜量有关掌握4.6.2变压器的额定值•额定电流I1N/I2N——额定容量除以各绕组的额定电压所计算出来的线电流值。单位用A或kA。掌握单相变压器三相变压器NNNNNNUSIUSI2211NNNNNNUSIUSI221133注意：对三相变压器，额定电压和电流值均指线值，额定容量为三相的总容量（不是有功功率）4.6.3变压器的变比和参数测定•定义：一次绕组感应电动势E1对二次绕组感应电动势E2之比•实用：了解21212144.444.4NNfNfNEEkmmphphUUNNEEk2012121次级空载时端点电压讲解：升压与降压4.6.3变压器的变比和参数测定•一次绕组匝数N1的确定SfBUNSBfNfNEUmmm44.444.444.4111111Bm——磁密最大值（T），热轧硅钢片1.1-1.475，冷轧片1.5-1.74.6.4变压器的工作原理•空载运行•负载运行•等效电路掌握注意：正方向的规定电压u1与电流i0同方向磁通正方向与电流正方向符合右手螺旋定则e的正方向与电流同方向。e1=－N1dФ/dt•例如正在增加，dФ/dt为正值，e1＝－N1dФ/dt＜0为负值，若外电路能使e1产生电流，其电流方向必与i0正方向相反，该电流产生磁通Ф′，与Ф方向相反，起阻止Ф增加的作用，即符合楞次定律。•箭头方向来表示正方向•规定电流的正方向与该电流所产生的磁通正方向符合“右手螺旋”定则，规定磁通的正方向与其感应电势的正方向符合“右手螺旋”定则。•电流正方向与电势正方向一致。正方向的规定4.6.4.1变压器的空载运行•空载：原边接额定电压u1n电源，副边开路•原边绕组电流i0为空载电流，产生空载励磁磁势F0=I0×N1——产生磁通•磁通分为两部分主磁通Φ流径闭合铁心，同时匝链了原边和副边绕组,并感应出电势e1和e2。是变压器传递能量的主要媒介漏磁通Ф1σ，仅与原边绕组匝链，通过变压器油或空气形成闭路。变压器铁心由高导磁材料硅钢片制成（导磁系数μr2000)，大部分磁通都在铁心中流动，主磁通约占总磁通的99％以上，而漏磁通占总磁通的1％以下。掌握4.6.4.1变压器的空载运行•空载：原边接额定电压u1n电源，副边开路•原边绕组电流i0为空载电流，产生空载励磁磁势F0=I0×N1——产生磁通•空载激磁电流Im：磁化电流分量I0w:产生磁通，超前电势E190°，无功性质铁耗电流分量I0r：供给涡流损耗和磁滞损耗，有功性质•空载电势E1:掌握mmmmmmZIXIjRIE14.6.4.1变压器的空载运行•空载电势E1:掌握mmmmmmZIXIjRIE11ERm励磁电阻——等效铁耗Xm励磁电抗——反映主磁通I0wI0rjImxmImrm-铁耗角空载相量图4.6.4.2负载运行N1N2变压器的初级、次级绕组没有电的联系，功率传递依靠互感。在功率传递过程中应满足能量守恒，在电路上需满足电压平衡、磁路上需满足磁势平衡。负载时的磁势平衡——二次电流的影响•次级电流的存在、建立起次级磁势，它也作用在铁芯磁路上。试图改变原有的磁势平衡状态，迫使主磁通变化，导致电势也随之改变。电势的改变又破坏已建立的电压平衡，迫使原电流随之改变，直到电路和磁路又达到新的平衡为止。•（磁势平衡式）•负载时作用在主磁路上的全部磁势应等于产生磁通所需的激磁磁势。u1≈4.44fN1Φm1012211021NINININIFFFFmm空载磁势，励磁磁势•当有负载电流时：初级电流I1应包含有二个分量。其中I0用以激励主磁通。I1L所产生负载分量磁势I1LN1，用以抵消次级磁势I2N2对主磁路的影响。•激磁电流的值决定于主磁通m，即决定于E1或端电压U1。.1.0.2.0.1LIIkIII02211NINIL初级、次级电流间的约束关系忽略激磁电流：kNNIIIkIIm10122121负载时的电势平衡4.6.4.3变压器的等效电路•变压器的绕组归算归算为1：1的变压器P289图4-53•等效电路变压器的归算•绕组归算——用一假想的绕组替代其中一个绕组使成为k＝1的变压器。•归算量在原符号加上标号区别，归算后的值称为归算值或折算值。•原则：归算不改变实际变压器内部的电磁平衡关系kINNINNIININI/2122'222'222'2'222'22'2kEEIIE2222'22'2rkrIIr负载后的等效电路注意：由等效电路写出电势平衡式——正方向了解各参数的含义近似等效电路•把激磁支路移至端点处。计算时引起的误差不大：变压器的激磁电流(即空载电流)为额定电流的3％-8％，（大型变压器不到1％）。短路阻抗短路电抗短路电阻kkkkkjxrZxxxrrr2121简化等效电路•简化等效电路：略去激滋电流（支路）常用于定性分析4.6.5变压器电压调整率的定义•由于变压器内部存在着电阻和漏抗(原因)，负载时产生电阻压降和漏抗压降，导致次级侧电压随负载电流变化而变化（结果）。电压变化程度通常用电压变化率表示•设外施电压为额定电压，取空载与额定负载两种情况下的次级侧电压的算术差与空载电压之比定义为电压变化率(又称电压调整率)掌握%100'%100%1001212222220NNNNNUUUUUUUUUU电压变化率与负载性质•U与负载电流的功率因数有关•与负载电流的大小也有关4.6.6变压器空载合闸时产生冲击电流的原因•现象：合闸瞬间有超过额定电流的冲击电流（大大超过正常的空载电流）•原因：铁芯的饱和现象和剩磁的存在。•影响：使保护误动作，影响合闸了解1.合闸瞬间的励磁电流励磁电流瞬时值im：磁化曲线回路电压方程)(sin211111mmiftUirdtdN忽略r1im。假设电感为常数Lav，则：avmmavLNiiNL1111)sin(21111111tULNrdtdNav的线性方程1.合闸瞬间的励磁电流)sin(21111111tULNrdtdNav的线性方程磁通的解，包括稳态分量1´和瞬态分量1´´：tLrmtLravavetCetNU11cos90sin90sin211''1'11(1)接通电源瞬间=0(2)接通电源瞬间=90º电流立即进入稳态，无冲击tmsin1流很大磁路高度饱和，激磁电半周期后磁通最大tLrmmavet1cos1暂态磁通与合闸相角有关；考虑剩磁（20%-30%）后，磁通最大值更大。由磁化曲线确定需要的激磁电流p291(图4-57)2.空载合闸过电流的影响数倍于额定电流，小于短路电流，对变压器本身无直接危害合闸开始后数周期内的冲击电流可能使变压器的保护装置误动作措施：合闸使串如限流电阻，（1）限制冲击电流；（2）使其快速衰减。4.6.7变压器的效率的最大效率了解•定义：输出功率与输入功率之比•输入功率应该是输出功率与全部损耗之和•转换能量过程中同时产生损耗：初级绕组铜耗pcu1=I12r1次级绕组铜耗pcu2＝i22r2铁芯损耗pFe＝Im2rm全部损耗为p•=P2/P1=P2/(P2+p)=(P1-p)/P1间接法计算效率_损耗分离法•由空载试验和短路试验测出空载和额定电流时的短路损耗,可计算出任意给定负载时的效率12'2121212'2221'21)(rIrIrIIIIIIImmm效率大小与负载大小和功率因数有关0222coscosppSSkNNN意义：当可变损耗等于不变损耗时效率达到最大最大效率的极值条件：kNpp20kNPP0max4.6.8三相变压器不同连接组中的电势和电流波形激磁要求：磁通和电势为正弦波形；励磁电流：尖顶波形，含有谐波（3次最大）关键：若三次谐波电流在绕组中不能流通，则产生的磁通和感应的电势为非正弦形了解3次谐波电流的性质240sin2120sin2sin2tIiCtIiBtIiAcba相相相基波：tItIiCtItIiBtIiAcba3sin22403sin23sin21203sin23sin233333333相相相三次谐波：大小相等相位一致连接组与3次谐波电流Y形：i3a+i3b+i3c=0=i3a=i3b=i3c=0YN形：i3a+i3b+i3c=i0=i3a=i3b=i3c=1/3i0D形：i3a=i3b=i3c4.6.8.1YN,y或D,y连接组三次谐波电流可以在原边流通，则三相磁通和感应电势均呈（接近）正弦波形4.6.8.2Y,y连接组•初级为Y连接，激磁电流中所必需的三次谐波电流分量不能流通——磁化电流正弦形•磁通波近似于平顶波•在各次谐波磁通中以三次谐波磁通幅度最大分析：3次谐波磁通能否流通及其影响•三次谐波磁通与基波磁通有相同磁路，其磁阻较小，相电势中三次谐波电势相当大。其振幅可达基波振幅的50％一60％。•导致电势波形严重畸变。所产生的过电压有可能危害线圈绝缘。•规定：三相变压器组不能接成Y，y运行。33344.4mNfE思考：相电势中存在三次谐波电势，则线电势的波形如何？三次谐波电势，大小相等，相位一致，则线电势中相互抵消。线电势呈正弦形1三相组式变压器2三相铁芯式Y，y连接•三次谐波电流不能流通，有三次谐波磁通存在磁路特点：三相铁芯式变压器的三相磁路彼此相关，各相的三次谐波磁通在时间上是同相位三次谐波磁通的路径——铁芯周围的油、油箱壁和部分铁轭特点：磁阻较大，三次谐波磁通及其三次谐波电势很小磁通接近正弦，相电势接近于正弦波形•三相铁芯式变压器可以接成Y，y•三次谐波磁通经过油箱壁，在其中感应电势，产生损耗，会引起油箱壁局部过热•容量限制在1800kVA以下4.6.8.3三相变压器Y，d连接•次级侧三角形接法：对三次谐波电势短路，在三角形电路中产生的三次谐波电流（环流）。该环流（供给励磁电流中所需的3次谐波电流分量）对原有的三次谐波磁通起去磁作用，三次谐