电机学 第1篇 变压器

第二篇变压器第二篇变压器序第一章变压器的基本作用原理与理论分析第三章三相变压器及分析第四章三相变压器不对称运行及瞬变过程第五章电力系统中的特种变压器2020/1/20河海大学电气学院31序•本课程主要分析电力变压器•变压器的作用：改变电压等级•分类：*按电压升降†升压变压器；降压变压器*按相数：†单相变压器、†三相变压器、†多相变压器*按绕组个数：†双绕组变压器、†三绕组变压器、†单绕组变压器（自耦变压器）2020/1/20河海大学电气学院41第二章变压器的基本作用原理与理论分析第一节变压器的基本结构和额定值第二节空载运行第三节负载运行第四节标么值第五节参数测定方法第六节运行性能2020/1/20河海大学电气学院51第一节变压器的基本结构和额定值一、电力变压器的基本结构•五大部分：铁芯、绕组、变压器油、油箱、绝缘故套管。•1.铁芯*磁路部分*硅钢片叠成（减少涡流损耗），彼此绝缘*铁芯柱*铁轭*冲片2020/1/20河海大学电气学院612.绕组•电路部分•分类：按绕组在铁芯中的排列分两大类*铁芯式、铁壳式•电力变压器都用铁芯式•低压绕组靠近铁芯——为绝缘方便•绕组的基本形式：*同芯式：高低压绕组均做成圆筒形，同心地套在铁芯上*交叠式（饼式绕组）：做成线饼，交错排列。2020/1/20河海大学电气学院71•3.变压器油*散热：将热量传递到变压器外壳表面*绝缘•4.油箱及附件*隔离空气：减少氧化*油箱的散热*油枕（储油器）*气体继电器*安全气道•5.绝缘套管*油箱内的线圈与外电路连接2020/1/20河海大学电气学院81二、额定值•额定容量：SN•额定电压：线电压：U1N、U2N•额定电流：线电流：I1N、I2N•单相：I1N＝SN／U1N；I2N＝SN／U2N•三相：•定额频率：fN=50Hz•相数•额定效率NNNNNNUSIUSI22113,32020/1/20河海大学电气学院912020/1/20河海大学电气学院101第二节变压器的空载运行预备知识•分析方法：*电磁关系*平衡方程*等值电路*相量图•述语：初级、次级；原方、副方•空载：原方接电源，副方空载2020/1/20河海大学电气学院111•下标约定：*单相变压器†单下标：原方：1；副方：2†双下标：原方：AX；副方：ax†空载：下标加0*三相变压器†原方：首端ABC，末端XYZ，零线N†副方：首端abc，末端xyz，零线n†空载：下标加02020/1/20河海大学电气学院121一、电磁物理现象•1.交变的：•2.因为空载：*所以：i0全部用于激磁:•3.主磁通与漏磁通*主磁通：(同时交链N1和N2)，磁路磁阻小，易饱和*漏磁通：(只交链N1或N2(或其部分))，磁路磁阻大，不饱和•4.i0产生电阻压降：i0r110112210100122101001rieueeiNFiuueeiNFiu0iimii02020/1/20河海大学电气学院1312020/1/20河海大学电气学院141二、参考方向•u,i,e等均交变，应规定参考正方向。•正方向任意假定，但一般约定俗成如下：•U1：参考方向，任意假定，*注意：电压从高电压指向低电位。•I1（I0）：“负载惯例”，由U1决定•：由I1（I0）根据右手定则•：与方向一致：手螺旋关系（课上画图讲解）*注意：电势从低电压指向高电位。•U2：由E2决定•I2：与E2一致或“负载惯例”21,EE:U:E2020/1/20河海大学电气学院151三、感应电势、电压变比•空载：很小，所以：mmmmmfmmmfmmmmmmmmmNfEENfEEisRMSandfNNEfNNEDeftEtNtNdtdNdtdetEtNtNdtdNdtdeThenwtIf2221112222121122222211111144.4244.42:22.90sin90sincos90sin90sincos:sin:110,ErI11EU2020/1/20河海大学电气学院161•变比：•方向：电势滞后磁通90度。•不计损耗：or:U1＝E1，U2＝E2，*则：k=U1/U20kNNEE21212211,EUEU2020/1/20河海大学电气学院171四、励磁电流及其三个分量•1.磁路饱和的影响*如不计饱和，磁通为正弦波，电流也为正弦波。*由于B-H关系的非线性，当Φ为正弦波时，I一定为尖顶波，反之当I为正弦波则Φ为平顶波*尖顶波分解为基波与若干谐波的叠加（主要是三次谐波）*磁化电流：尖顶波与正弦波有等效的有效值的电流。?.)2(44.4:0,0,sin:)1(0111111IIThenContUifUSoNfEUThenEIrtIfmmmm2020/1/20河海大学电气学院181图：作图法求励磁电流2020/1/20河海大学电气学院191（二）铁耗电流•2.磁滞影响：励磁电流为不对称尖顶波。•含磁滞损耗电流分量为。(简称：磁滞电流分量)•3.涡流影响•涡流损耗电流分量为（简称：涡流电流分量）•是有功分量与电势（）同方向•称为磁化电流，不包括有功分量。•铁耗电流•励磁电流heII,1EeIhIheFeIIIIIIFemI2020/1/20河海大学电气学院2012020/1/20河海大学电气学院211五、励磁电路模型•••分别为：激磁电阻、激磁电抗、激磁阻抗及对应的激磁电流压降。•分别为变压器的铁耗、励磁无功功率。•激磁电阻并非实质电阻，是为计算铁耗引入的模拟电阻。mmmmmjxrIZIEDef1.mmmmmmmmmZIxIrIZxrWhere,,,,,:mmmmxIrI22,2020/1/20河海大学电气学院221六、漏抗•漏磁通产生漏电势，把漏电势也写成阻抗压降形式：•分别为：初级绕组的漏电势、漏电抗、漏电感。•空载时：1111111,,:.LLxEWhereLIjxIjEDefmm01IIIm2020/1/20河海大学电气学院231七、电压平衡方程•电磁关系中找所有与“电压量纲相同的量”。•注意方向•原方：•副方：101101010111110110111.ZIEjxrIErIxIjEUxvizxxIjErIEEU220EU2020/1/20河海大学电气学院241八、等效电路与相量图•等效电路•相量图（课上演示相量图的画法）•1111111jxrIjxrIjxrIEUjxrIZIEmmmmmmmmmm2020/1/20河海大学电气学院251第三节、变压器负载运行•负载运行：I2≠02020/1/20河海大学电气学院261一、负载运行时的物理现象•1空载：I2=0Φ由F1产生Fm=F1，平衡；•2负载I2≠0F2=N2I2≠0，打破原来平衡，迫使I1发生变化。•磁势平衡方程：Fm=F1+F2•电流平衡方程：*式中：为初级电流部分的负载分量。•结论：变压器负载运行原方电流中包括两个分量*（1）激磁电流分量——产生主磁场*（2）负载电流分量——通过副方提供给负载LmmmIIINNIIINININ12121221112121INNIL2020/1/20河海大学电气学院271漏电势、漏抗：•原副方均有电流、有磁势、有漏电势。•把漏电势写成阻抗压降形式：•电阻压降：•电磁关系：2222211111..xvizxxIjExvizxxIjE2211,rIrI2020/1/20河海大学电气学院281电磁关系2020/1/20河海大学电气学院291二、基本方程LmmmmZIUEEkINNIINININIZIEjxrIErIEEUjxrIErIEEU22212211122111222122122111111111)()()()(LLLmmmjxrZjxrZjxrZjxrZ2221112020/1/20河海大学电气学院301三、归算•目的:便于利用等效电路计算•原则:折算前后不改变平衡方程•方法：一般将副方归算到原方•1.电流*原则：归算前后磁势不变•2.电压、电势*电压归算原则：归算前后S（视在功率）不变。*电势归算原则：归算前后电磁功率不变kIINNININIFF/22122221222222222kUUIUIU222222kEEIEIE2020/1/20河海大学电气学院311三、归算•3.电阻:r2•原则：pcu2不变（副方绕组的铜耗）•4.漏抗•原则：Q2不变•同理•总结：*电流：除k*电压、电势：乘k*电阻、电抗、阻抗：乘k222'2222222rkrrIrI222222222xkxxIxI222ZkZ2020/1/20河海大学电气学院321四、归算后的方程•将归算关系代入即可，为便于比较，列出归算前方程：*归算前归算后''2'222212121212111'222'2'2222221111111111)()()()()()()(LLmmmmmmmmZIUZIUEEEkEIIIINNIIjxrIEjxrIEIrxjEUIrjxEUIrjxEUIrjxEU2020/1/20河海大学电气学院331五、T形等效电路•讲课时解释平衡方程与等效电路的关系2020/1/20河海大学电气学院341六、相量图•表示变压器各参量（相量）之间相位关系•步骤：等选参考方向，一般选U21111111901'2'2'2'2'2'2'21'21'22'2'22UxIjrIIIEExIjrIIUEIIImmZIUELoadmFe2020/1/20河海大学电气学院351七、近似电路与简化电路•近似电路：简化计算，励磁支路移到前面。•简化电路：进一步简化，不计励磁支路影响。•短路电阻与短路电抗*近似电路与简化电路均有误差，简化电路误差更大。'21'21'21ZZZxxxrrrkkk2020/1/20河海大学电气学院361思考题•Xm的物理意义，希望Xm大好还小好？•若用空气芯而不用铁芯，则Xm是增加还是减小？•若原方绕组增加5%，其余不变，则Xm将如何变化？•若副方绕组增加5%，其余不变，则Xm将如何变化？•若原副方绕组各增加5%，其余不变，则Xm将如何变化？•将铁芯面积增加5%，其余不变，则Xm将如何变化？•将铁芯气隙增加5%，其余不变，则Xm将如何变化？•电源频率增加20%，其余不变，则Xm将如何变化？2020/1/20河海大学电气学院371第四节标么值•1.定义*标么值＝实际值／基值*右上角“*”表示•2.基值*即基准值，下标“b”表示。*一般取额定量作基值*原副方有不同的基值*线电压(流)、相电压(流)均有对应的基值。*UN作电压基值：U1b=U1N,U2b=U2N*SN作容量基值；Sb=SN*电流、阻击基值通过计算求得：†I1b=S1b/U1b；I2b=S2b/U2b†Z1b=U1b/I1b；Z2b=U2b/I2b*三相系统有相电压、相电流基值和线电压、线电流基基值。2020/1/20河海大学电气学院381•3.标么值：下标用“＊”表