电机拖动第四章

新编电气与电子信息类本科规划教材电机与拖动基础陈勇陈亚爱主编蔡军罗萍向敏副主编电机与拖动基础——第四章变压器Page2第四章变压器电机与拖动基础——第四章变压器Page3本章教学基本要求1.了解变压器的主要结构、基本工作原理及主要额定值的意义;2.通过变压器的负载运行分析，深入理解负载运行时变压器各物理量之间的关系，绕组折算的物理意义及其计算方法，掌握负载运行时的等效电路、相量图、参数测定及求解电压变化率和效率的方法，学会分析变压器的运行性能；电机与拖动基础——第四章变压器Page4本章教学基本要求3.熟悉三相变压器的联接组别，并能根据绕组接线图判别其联接组别或按照已知的联接组别画出绕组的接线图。电机与拖动基础——第四章变压器Page5重点1.理解在不同运行状态下I0、I1和I2等参数的物理意义2.变压器的基本方程式、等效电路、相量图；3.三相变压器的联接组别。电机与拖动基础——第四章变压器Page6概述变压器（transformer）是一种变换交流电的静止电气设备，下面以双绕组电力变压器(powertransformer)为研究对象。电机与拖动基础——第四章变压器Page7变压器的用途与分类变压器按用途可分：输配电用的电力变压器，包括升、降压变压器等；供特殊电源用的特种变压器，包括电焊变压器、整流变压器、电炉变压器、中频变压器等；供测量用的仪用变压器，包括电流互感器、电压互感器、自耦变压器（调压器）等；用于自动控制系统的小功率变压器；用于通信系统的阻抗变换器等等。电机与拖动基础——第四章变压器Page8变压器基本工作原理在同一铁心上分别绕有匝数为N1和N2的两个高、低压绕组，其中接电源的、从电网吸收电能的AX绕组称为原绕组（一次绕组(primarywinding)），接负载(load)的、向外电路输出电能的ax绕组称为副绕组（二次绕组(secondarywinding)）。N1N2ZLXA图4-1单相变压器基本工作示意图I1U1E1I2E2U2ax电机与拖动基础——第四章变压器Page9变压器基本工作原理当原绕组外加电压U1时，原边就有电流I1流过，并在铁心中产生与U1同频率的交变主磁通Φ，主磁通同时链绕原、副绕组，根据电磁感应定律，会在原、副绕组中产生感应电动势E1、E2，副边在E2的作用下产生负载电流I2，向负载输出电能。电机与拖动基础——第四章变压器Page10变压器基本工作原理根据电磁感应定律则有∴式中k为变压器变比(ratiooftransformation)。dtdNedtdNe2211kNNEE2121电机与拖动基础——第四章变压器Page11变压器基本工作原理如果忽略绕组内阻和漏磁通(leakageflux)，原、副绕组端电压可近似为∴只要改变原、副绕组匝数之比，就可变换电压,满足不同用户的需求，这就是变压器基本工作原理。2211eueukNNEEUU212121电机与拖动基础——第四章变压器Page12变压器主要结构变压器主要有：铁心、绕组、油箱、附件等组成，如图4-2所示。电机与拖动基础——第四章变压器Page13变压器主要结构铁心是变压器的磁路部分，由铁心柱(柱上套装绕组)铁轭(联接铁心以形成闭合磁路)组成，为了减小涡流和磁滞损耗，提高磁路的导磁性，铁心采用0.35mm~0.5mm厚的硅钢片涂绝缘漆后交错叠成。小型变压器铁心截面为矩形或方形，大型变压器铁心截面为阶梯形，这是为了充分利用空间。电机与拖动基础——第四章变压器Page14变压器主要结构奇数层偶数层(a)单相(b)三相图4-2硅钢片的叠法电机与拖动基础——第四章变压器Page15变压器主要结构绕组是变压器的电路部分，采用铜线或铝线绕制而成，原、副绕组同心套在铁心柱上，为便于绝缘，一般低压绕组在里，高压绕组在外，但大容量的低压大电流变压器，考虑到引出线工艺困难，往往把低压绕组套在高压绕组的外面。电机与拖动基础——第四章变压器Page16变压器主要结构器身是指铁心和绕组装在一起的整体。油箱是装器身和变压器油的，为了便于散热，有的箱壁上焊有散热管。变压器油的作用是绝缘和冷却。电机与拖动基础——第四章变压器Page17变压器铭牌数据电机与拖动基础——第四章变压器Page18变压器铭牌数据额定容量SN它是变压器额定工作条件下输出能力的保证值，是额定视在功率，单位：伏安(V•A)或千伏安(kV•A)或兆伏安(MV•A)。电机与拖动基础——第四章变压器Page19变压器铭牌数据一般容量在630kV•A以下的为小型电力变压器；800~6300kV•A为中型电力变压器；8000~63000kV•A为大型电力变压器；90000kV•A及以上为特大型电力变压器。电机与拖动基础——第四章变压器Page20变压器铭牌数据额定电压U1N/U2N均指线值电压。原边额定电压U1N是指电源加在原绕组上的额定电压；副边额定电压U2N是指原边加额定电压副边空载时副绕组的端电压，单位：伏(V)或千伏(kV)。电机与拖动基础——第四章变压器Page21变压器铭牌数据额定电流I1N/I2N均指线值电流。原、副边额定电流是指在额定容量和额定电压时所长期允许通过的电流，单位：安（A）。额定频率fN是指工业用电频率，我国规定为50Hz。电机与拖动基础——第四章变压器Page22变压器铭牌数据变压器的额定容量、额定电压、额定电流之间的关系有：单相变压器三相变压器NNNNNIUIUS2211NNNNNIUIUS221133电机与拖动基础——第四章变压器Page23变压器的主要系列1）型号说明变压器型号包括：基本代号、额定容量、额定电压以及结构性能特点，例如型号：SL7-630/10，其中“S”代表三相，“L”代表铝导线，“7”代表设计序号“630”代表额定容量为630kV•A，“10”代表高压绕组额定电压为10kV。电机与拖动基础——第四章变压器Page24变压器的主要系列2）主要系列我国生产的各种变压器系列产品有：S7、SL7、S9、SC8等。其中SC8型为环氧树脂浇注干式变压器。电机与拖动基础——第四章变压器Page25【例4-1】一台三相变压器型号为S7-16000/110，额定电压为110/11kV，YNd-1接法，试求高低压额定电流、变压器变比。电机与拖动基础——第四章变压器Page26【例4-1】解：（1）计算高低压额定电流额定视在功率为SN=16000kVA高压侧额定电流为低压侧额定电流为（2）计算变压器变比变比为AUSINNN84101103101600033311AUSINNN8.839101131016000333223.173/1011101103/3321NNUUk电机与拖动基础——第四章变压器Page27变压器空载运行时的磁场变压器空载运行也称无载运行(no-loadconditions)它是指原边加电源电压，副边开路的运行状况。电机与拖动基础——第四章变压器Page28变压器空载运行时的磁场N1、N2分别为原、副绕组匝数；U1为电源电压；I0为原边空载电流；Φm、Φs1分别为主磁通和漏磁通；E1、Es1、E2分别为原边感应电动势、漏感电动势和副边感应电动势；U20为副边空载电压。XA图4-5变压器空载运行原理图U1E1E2I0Es1U20maxs1电机与拖动基础——第四章变压器Page29空载运行时电磁关系dtdNeudtdNedtdNeFNiiusssm111120221101001电机与拖动基础——第四章变压器Page30空载运行时电磁关系漏磁通Φs1只占主磁通的(0.1~0.2)%，主磁通Φm与i0之间呈非线性关系，能向副边传递能量；而漏磁通Φs1与i0之间呈线性关系，不能向副边传递能量。电机与拖动基础——第四章变压器Page31各电磁量正方向为了方便分析研究变压器运行时各电磁量的关系，须规定各电磁量的正方向，原则：原绕组是电源的负载，则原边各量按电动机惯例；副绕组是电源，则副边各量按发电机惯例。电机与拖动基础——第四章变压器Page32各电磁量正方向具体规定如下：1.由于u1是交流电，先任意规定Ù1的正方向；2.正方向的Ù1确定了Ì0的正方向；3.Φm、Φs1正方向与Ì0的正方向之间符合右手螺旋定则；电机与拖动基础——第四章变压器Page33各电磁量正方向4.E1、Es1正方向分别与Φm、Φs1正方向之间符合右手螺旋定则；5.E2正方向与Φm正方向之间符合右手螺旋定则；6.E2正方向与Ù2的正方向相反。电机与拖动基础——第四章变压器Page34各电磁量正方向变压器空载运行时某一时刻各量正方向如图4-5所示。XA图4-5变压器空载运行原理图U1E1E2I0Es1U20maxs1电机与拖动基础——第四章变压器Page35电动势与主磁通的关系由于电源电压为正弦交流量，则主磁通也是正弦交流量，设主磁通瞬时值为根据电磁感应定律，原边感应电动势为式中tmsin)90sin(cos)sin(11111tEtNdttdNdtdNemmmmmNE11电机与拖动基础——第四章变压器Page36电动势与主磁通的关系同理可得副边感应电动势为感应电动势用相量式表示，则有感应电动势的大小与匝数和主磁通幅值成正比且相位滞后于主磁通相量90°。)90sin(cos2222tEtNdtdNemmmmmmfNjNjEfNjNjE22211144.4244.42电机与拖动基础——第四章变压器Page37电动势与主磁通的关系忽略绕组内阻和漏磁通时原、副边电压关系:设忽略原绕组内阻r1和原边漏磁通Φs1，则有∴当k1为降压变压器；k1为升压变压器。忽略绕组内阻和漏磁通时空载运行相量图如图4-6所示。220211EUUEUkNNEEUUUU212120121电机与拖动基础——第四章变压器Page38电动势与主磁通的关系E2,U20E1U1,-E1m图4-6忽略r1,s1时变压器空载运行相量图电机与拖动基础——第四章变压器Page39电动势与主磁通的关系考虑绕组内阻和漏磁通时的电压方程式设原绕组内阻为r1，当绕组内通过电流时会产生压降Ì0r1，同时考虑漏磁通的影响，原边电压方程为式中漏感电动势计算如下：式中x1=ωLs1为原绕组的漏电抗，是一个常数。10111rIEEUs01011112IjxILjNjEsss电机与拖动基础——第四章变压器Page40电动势与主磁通的关系考虑绕组内阻和漏磁通时的电压方程式为式中z1=r1+jx1为原边的漏阻抗，它也是个常数。一般电力变压器中，存在Ì0z1È1，则Ù1≈-È1，在研究Ù1和È1时，为了分析问题方便，往往忽略Ì0z1的影响。101110110111)(zIEjxrIErIEEUs电机与拖动基础——第四章变压器Page41变压器的空载电流1．忽略空载损耗时的空载电流在交流磁路中由于磁滞和涡流的存在会产生铁心损耗，在原绕组内阻上会产生铜损耗，铁损和铜损之和即为变压器空载损耗。如果不考虑空载损耗时，变压器空载电流I0即为建立空载磁场的磁化电流Iμ(magnetizingcurrent)，只起励磁作用，不消耗有功功率，它滞后-È190º，与主磁通同方向。电机与拖动基础——第四章变压器Page42变压器的空载电流一般变压器铁心工作在具有一定饱和程度的状态下，当电源电压为正弦波，感应电动势为正弦波，主磁通为正弦波时，磁化电流为尖顶波。电机与拖动基础——第四章变压器Page43变压器的空载电流2．考虑空载损耗时的空载电流空载损耗中主要是铁损，铜损只占空载损耗的2%。考虑空载损耗时，变压器的空载电流I0包含两个分量：一个是磁化电流Iμ起励磁作用，另一