第六章 变压器

第六章变压器§6-1概述一、变压器的用途1．改变变流电压考虑绝缘，发电机输出电压6300伏。远离城市需要升压传输。2．改变相数：通过变压器的作用线把三相→六相→十二相或单相→三相（单三相变压器）比如：铁路沿线只有27.5KV的单相交流电，而场站的三相电动机需要三相交流电。因此通过单一三相变压器把单相变为三相满足要求。（也可采用劈相机）3．进行阻抗变换：比如收音机的最后一级往往要经过一台变压器接至喇叭。目的就是实现阻抗匹配使喇叭获得最大功率。4．改变频率：相位及其他（自控系统用得较多）二、变压器的类别1．按原、副边电压关系分类接电源接负载U1U2降压变压器U1U2升压变压器2．按相数分类①单相变压器：输入单相，输出也单相②三相变压器：输入三相，输出也三相③三相—六相；三相—十二相（整流）3．按绕组数目分单绕组变压双绕组变压三绕组变压器4．按容量大小分小型变压器中型变压器大型变压器特大型变压器630KVA以下800~6300KVA8000~63000KVA90000KVA以上我国最大变压器容量为100万千伏安（100万伏超高压）§6-2变压器的结构、额定值、和标幺值一、变压器的结构1．铁心：材料；0.35~0.5毫米厚的硅钢片冲迭而成。功用：构成磁路（磁导率要高，铁心损耗小）迭装方式：（1）对接式—工艺简单拆装方便，存在问题是接缝之间容易片间错开，扩大涡流。扩大涡流范围，接缝处电阻大，发热↑（2）交迭式—避免了片间错开，而且容易夹紧。但工艺复杂，拆装困难。铁芯截面形状①矩形截面工艺简单，但空间利用不充分。（小型变压器线细，绕组可绕成矩形，空间利用也充分）②梯形截面空间利用充分，但硅钢片尺寸较多，工艺复杂阶梯级数最多九级。2．绕组（线圈）功用：构成变压器的电路材料：绝缘导体（铜或铝的绝缘导线）型式：①铁心式（同心式）②铁壳式①铁心式（同心式）②铁壳式铁心式：高低压绕组在铁心柱内外布置，低压绕组在内层（绝缘考虑）。多用于电力系统铁壳式：结构坚固，多用于弱电系统3、其他：油箱（散热、绝缘）瓦斯继电器、测温器二、额定值1．额定容量：厂方提供在额定工作条件下，变压器输出能力的保证值。用Se表示，单位KVA。比如：10，20，30，40，50，63，80…….（部分规定）2．额定电压Ue：绕组空载时，额定分接头下端子间的电压保证值。U1e—原边额定电压，接入规定电源电压U2e—原边电压为U1e时，副边的空载电压三相变压器的额定电压指线电压单位：KV，V额定电压的大小主要受铁心发热的限制，不是怕绝缘击穿。因为B∝U，Pfe∝B²3．额定电流Ie：主要受导线发热的限制I1e：原边额定电流I2e：副边额定电流三相变压器均指线电流单相变压器（忽略损耗）三相变压器eeeS,U,I三者关系：1122eeeeeSUIUI112233eeeeeSUIUI11111111,eeeeUUIIIIII当条件下（过载）；（满载）；（欠载）三、标幺值（相对值）的概念标幺值=实际值/基值优点：1）标幺值概念明确，说明问题清楚比如：有两台变压器，原边实际电流均为50A，很难说清哪一台变压器所带负载较重。若，说明第一台变压器负载轻。2）起到了折算的作用，使计算简化（后面再详细介绍）**121212;;eeUUUUUU**121212;;eeIIIIII12121212eeeeeeeeUUIUUII基值：、、I、**11221121121;eeeeeeIZIZZZZUUUI*'*110.1,0.2II§6-3变压器的空载运行一、空载运行的特点1、空载：变压器原边接额定电压，副边开路2、空载下的磁场11eUU20I011iW主磁通（流经铁心）漏磁通（原边）占（1%）不经过铁心AX1U0iax2U2E20I2W1W1E11E3、正方向的假定惯例1）原边以电动机惯例定向从A到X,则从A经绕组到尾端X,符合右手螺旋定则,遵循电磁感应定律(与同方向)2）副边以发电机惯例定向由上指向下,与同方向(,同时为正或同时为负,功率都为正,即功率自变压器输出,相当于发电机)与反向。1U0i011I、、11,EE0I11111ddewewdtdt2E2I2E2E2I2U2E3）定向具有任意性但电磁规律是一定的,惯例就是大家都承认,讨论问题有共同语言二、感应电势及变比设主磁通则12EE、sinmt11111cossin(90)sin(90)mmmdewdtwtwtEt111111111111902223)4.4422mmmmmmmmwEwEEwfwEEfwfw原边匝数原边感应电势最大值说明：）相位上：感应电势滞后）最大值1mzfHEV主磁通最大值，单位用韦伯电源频率，单位则单位为11122221112224)4.444.444.44mmmeEjfwEfwEjfwEWUkEWU的相量表示同理：变比：11011111111sinsin(90)mmmEEIrtdewwtdt三、漏磁电势和电阻降原边电势平衡:111101101011110mEjwjIxLIjLIZrjxjxI原边电阻原边电抗原边漏电抗原边漏阻抗11101101011011101111()UEEIrEjIxIrEIrjxEIZZUE若忽略，则四、空载电流1）的波形----非正弦0I0I常数原因:铁心磁导率，不是正比关系为正弦波,则为尖顶波同理,用作图法可证明,当磁路饱和时,为平顶波,则为正弦波。0i与0i0i结论:a.为了得到正弦波的感应电势,必须为正弦波,因此励磁电流则为尖顶波。b.若为平顶波,其中包含三次谐波磁通,由此感应三次谐波电势,使总电势e为尖顶波,由此会危机到绕组的绝缘安全,因此必须消除三次谐波电势。0i3因此在后面的分析中仅取其的基波分量进行研究。0i2）分解可分解为两个分量a、磁化分量,主要作用---建立磁场,产生大小:由磁化曲线确定确定相位:与同相b、铁耗分量----供给铁耗大小:与铁耗有关相位:与电压同相位0I0I00pFeqIpI，有功分量，主要产生铁耗建立，磁化分量（无功分量）0qI0()fI0pI0000pqqIIIIopIoIoqI2E1EU五、变压器空载运行的相量图(电压平衡方程的形象化)根据：步骤:1)画出为参考相量2)画出3)超前一个铁心损耗角,4)画5)画6)画110101UEjIxIrm121122,4.444.44mmEEEjfwEjfw0Im1E000qpIII0101jIxIr1Um1E1E0I01Ir01jIx1U22EU0pI0qI0注:放大了,实际上，----空载时的功率因数角(大)，很小。六、空载变压器的等效电路和激磁参数1、等效----与变压器的实际电磁关系等值，与电压方程相适应，目的是为了计算方便。2、等效电路:0101,jIxIr01100.1%,IrU0cos110101UEjIxIr10110001101mEIZUZIIEZIZZ10000()mmmmmEZIrjxIIrjIx其中：----激磁阻抗；----激磁电阻，铁耗等效电阻；----激磁电抗，无功分量等效mZmrmx101()mUIZZ§6-4变压器的负载运行负载----变压器的副边向外供电一、负载后的物理过程20IfzZ副边接上负载送出电流主磁路上增加了一个磁动势力图改变主磁通改变原边电路平衡关系被破坏原边电流从实现新的平衡从而实现了电能的传递能量传递媒介----主磁通2I22IW1114.44mEf01II难点：产生磁通与的关系是去磁关系22IW二、基本电磁关系1、主磁通2、磁势平衡关系m1111111111111114.44mmmUUEjIxIrrjxUEUEfwU当常数时，常数根据若忽略则，，故不变，基本不变01112201IwIwIwIw常数，磁势常数空载时，总磁势负载后，（主磁通不变）式中：为原边电流的负载分量=，即副边负载后在原边引起的电流增量。3、电路平衡关系212012100fzwIIIwIIIIIk电流关系fzI2Ik11111222222()00UEIjxrEEIrUr原边：副边：位升式中：副边绕组电阻原边相当于电动机，吸收电功率副边相当于发电机，送出电功率原副边的联系2222222222222222222222222220fzfzUIZEEjIxxEjIIrUUEjIIrEIZIZZrjx--副边端电压副边漏抗电压，由产生，副边漏电压因此：式中：副边漏电抗122fzEkEIkI4、主磁通与漏磁通1）主磁通----由原副边电流共同产生特点：它沿铁心闭合，交链原副边绕组，基本不变，2）漏磁通m112201mIwIwIw1100)mEEZII常数常数(常数11111112222222IEEjIxxIEEjIxx常数常数三、折算的物理意义和折算的方法1、折算的物理意义折算是一种等效变换，目的是为了得到一个与变压器电磁关系相同的等效电路，从而可使计算简化。变压器存在的问题：原、副是两个独立电路，无电的联系，且，这样一来：1)、存在两个以上数量级(10000/400)，计算不方便2)、存在两个以上独立电路，使电路难以简化办法：设想绕组改变，有这么一台变压器，它的副边绕组匝数，即k=1前提：功率关系不变，主磁通不变折算方法：a、原边不变，改变副边----折算到原边b、原边改变，副边不变----折算到副边1212,wwEE'12ww关键：找出折算值与实际值的关系2、折算的公式讨论：副边折算到原边结论：把副边电势乘以变比k就折算到了原边(相当于)'22122''22''221222'22111)4.444.44()mm办法：电势公式：实际值：折算值：2E2）电流公式磁势不变结论：副边电流除以变比k就是折算到原边的值3）阻抗公式：符合电路规律22'''222122''22''2222211/()fzIWIWIWIWIWWIIIIIWkk实际的副边磁势折算后的副边磁势m不变2I222fzEZZI实际的：要求折算后电路的功率因数不变角相等'''222'2222222'2'2222(),fzfzfzfzEkEZZIIkEkkZZIZkZZkZk折算的：注意：阻抗是乘以'2'22222'2'2fzfzfzfzrkrxkxrkrxkx4）端电压公式总结：1、副边折算到原边2、原边折算到副边'''222222()fzfzfzIUIZkZkIZkUk'22'22'2'222'221fzfzEkEIIkZkZZkZUkU电势：电流：阻抗：电压：''1111''1100''11221111mmEEUUkkIkIIkIZZZZkk电势：电流：阻抗：3、标幺值起到了折算的作用：折算前后的标幺值相同结论：用标幺值表示或计算不必进行折算''**22222'222'*2