变压器-9章-特性

第二篇变压器第7章变压器概述第8章变压器的运行原理第9章变压器的特性第10章三相变压器第11章特殊变压器-----不要求各章简称：概述、原理、特性、三变、特变。华南理工大学电力学院程小华第9章变压器特性9.1基本特性9.2运行特性9.1变压器的基本特性9.1.1空载特性9.1.2短路特性9.1.1变压器的空载特性1空载特性定义2空载试验接线3空载特性曲线4空载特性本质5空载试验用途1空载特性定义副边空载（即电流I2=0）时，原边的电流和输入功率与外加电压U1之间的关系I0=f(U1)和P0=f(U1)称为空载特性。U1的变化范围是【0，1.15U1N】。2空载试验接线原则：被测阻抗、邻接仪表阻抗尽量拉开距离2续1：为什么空载试验在低压侧加电源？答：电源电压U1的变化范围是【0，1.15U1N】，即电源电压要加到超过额定电压。高压侧额定电压高，不安全，也不便于选择仪表。从电流角度看：励磁阻抗较大，导致空载电流较小。一般只占额定电流的百分之十左右。所以，空载试验选在低压侧加电源。3空载特性曲线：用调压器调节外加电压U1，使U1从零逐步升到1.15U1N为止4空载特性本质空载特性曲线I0=f(U1)实质上是磁化曲线。当电压较低时，磁通较小，I0~U1是线性关系；当电压较高时，磁路逐渐饱和，I0增加较U1快。因此励磁阻抗Zm并非常值，而是随饱和程度的增高而减小。变压器总是在额定电压附近运行，因此，一般只要求额定电压时的Zm值。5空载特性用途：求励磁阻抗Zm原边漏阻抗比励磁阻抗小得多，可忽略不计。励磁阻抗为：原边电阻较励磁电阻小得多，可忽略不计。励磁电阻为：于是，励磁电抗为：1m0UZI0m20PRI22mmmXZR5续1：励磁阻抗的归算由于空载试验在低压侧进行，故测得的数据为归算到低压侧的值。如果低压侧为副方，则需把计算结果归算到高压侧，各参数应乘以电压比的平方，即k2。如果低压侧为原方，则计算结果无须归算。9.1.2变压器的短路特性1短路特性定义2短路试验接线3短路特性曲线4空载特性本质5短路试验用途1短路特性定义副边短路时，原边的电流和输入功率与外加电压之间的关系Ik=f(U1)和Pk=f(U1)称为短路特性。Ik的变化范围：【0，1.2I1N】。U1的变化范围：从简化电路可知，是【0，1.2I1N*Zk】。变压器的短路阻抗很小，额定负载时的短路压降一般只有额定电压的百分之十左右。因此，短路试验所加电压不高。2短路试验接线原则：被测阻抗、邻接仪表阻抗尽量拉开距离2续1：为什么短路试验在高压侧加电压？答：短路试验所测电流最大值为额定电流I1N的1.2倍。降压变原边（高压侧）的额定值：压高流小；升压变副边（高压侧）的额定值：压高流小。所以，从电流角度看，短路试验应在高压侧加电压进行。如果选择在低压侧做短路试验，则由于低压侧额定电流大，选择仪表不便。定义短路特性时已说明：短路试验时所加电压不高。只是短路压降的1.2倍。所以，无论从电流还是从电流角度，短路特性都应在高压侧加电压。3短路特性曲线：用调压器调节外加电压U1，使U1从零逐步升到使Ik达到1.2I1N为止4短路特性本质短路特性曲线实质上反映的是短路阻抗的特性。5短路特性用途：求短路阻抗Zk短路时所加电压只有额定电压的百分之十左右，故主磁通较小，励磁电流很小，可采用简化等效电路计算。短路阻抗为：短路电阻为：短路电抗为：kkkUZIkk2kPRI22kkkXZR5续1：短路电阻的分离上式中Rk是已折算到原边的短路电阻；R1和R2’是待分离的原、副边绕组的电阻，是交流电阻；r1和r2’是原、副边绕组的直流电阻，可用电桥测量。解上述联立方程，即可分离短路电阻。121122kRRRRrRr5续2：短路电抗的分离短路电抗无法用实验方法分离。只好近似按上式处理。12k2XXX5续3：短路阻抗的归算由于短路试验在高压侧进行，故测得的数据为归算到高压侧的值。如果高压侧为副方，则需把计算结果归算到原方-----低压侧-----因为短路特性是在原方定义的。归算方法：各参数应乘以电压比的平方，即k2。5续4：短路电阻的温度换算75°是标准温度。θ是实验温度。kk(75C)234.575234.5RR5续5：短路电压的概念短路电压-----通以额定电流时，短路阻抗上的电压，也叫阻抗电压。它是变压器的一个很重要的性能指标。从正常角度，希望它小些-----降低电压调整率；从故障角度，希望它大些-----限制短路电流。上式表明：短路电压=短路阻抗的标幺值。kNNkkkkNNjkUIZuZRXUU9.2变压器的运行特性9.2.1外特性9.2.2效率特性9.2.1外特性1外特性定义2外特性表达式的推导3外特性图形4外特性的指标-----电压调整率1外特性定义定义-----在电源电压额定、负载功因恒定的条件下，副边电压随电流变化的规律称为外特性，记为U2＝f(I2)。若用标幺值表示，则为：U1*＝1，cosφ2=常值时，U2*＝f(I2*)。2外特性表达式的推导Step1画简化电路图----副边电压、电流之正向与以前不同。Step2采用标幺值''2222221112'121211''2222221112NNNNNNNNNNIkIIIIIIIIkIIIIIIIIUkUUUUUUUUkUStep3画标幺值形式的简化电路图。Step4画简化相量图（感性负载）注意：1）副边压、流正向已变。2）所有量（变量、参数）都已采用标幺值。Step5用几何关系求解Step5续1：略去二次项，得到外特性表达式**2()UfI****k2k21(cossin)IRIX可见，外特性是一条直线，其斜率为（Rk*cosφ2+Xk*sinφ2）,它可能为正，可能为负，亦可能为零。图形见下。----------推导完毕。***k2k21(cossin)RXI3外特性图形4外特性的指标-----电压调整率定义：电压调整率，也叫电压变化率-----原边加额定电压时，副边从空载到额定负载电压变化与副边额定电压的比率。常用百分比表示。记为Δu。据定义，并据前面推导的外特性表达式U2*=f(I*)，有：20220222121*2k22100%100%100%(1)100%(cossin)100%NNNNkUUuUUUUUUUUIRX4续1：电压调整率的三个决定因素电压调整率表达式：三个决定因素：1）负载程度β，β=I*。2）负载性质φ2。3）变压器的内部阻抗：短路电阻Rk*、短路电抗Xk*。当负载为感性时，φ2正，Δu正，ULU20。当负载为容性时，φ2负，Δu可能负，UL可能U20。当负载为阻性时，φ2正，Δu正，ULU20。k22(cossin)100%kuIRX4续2：五种典型负载下的电压变化率1）当负载为感性时，φ2正，Δu正，ULU20。2）当负载为阻性时，φ2正，Δu正，ULU20。3）当负载为容性时，φ2负，Δu可能负，UL可能U20。4）当负载为容性，且容到一定程度时，φ2足够负，Δu变负，ULU20。5）当负载为容性，且容到刚好使Rk*cosφ2+Xk*sinφ2=0时，φ2负，Δu=0，UL≡U20。k22(cossin)100%kuIRX4续3：电压调整率的图形φ24续4：什么叫额定电压调整率？------额定负载时的电压调整率。额定负载时I*=1。额定电压调整率是变压器的主要性能指标之一。通常ΔuN约为5%左右。所以，一般电力变压器的高压绕组均有±5%的抽头，以便进行电压调节。Nk221k22(cossin)100%(cossin)100%kIkuIRXRX9.2.2效率特性1变压器效率之定义2效率的伴侣-----损耗3变压器效率特性之定义4变压器效率特性表达式的推导5效率特性图形6最大效率7额定效率8例题9-21变压器效率之定义定义-----变压器输出功率P2与输入功率P1之比。2效率之伴侣-----损耗变压器损耗分类按物理标准分-----铜耗、铁耗：原副边绕组均有电阻，该电阻上的损耗pcu1=I12R1、pcu2=I22R2即为铜耗。因为绕组一般由铜线制成，故有此谓。变压器铁芯处于交变磁场中，会产生磁滞损耗、涡流损耗，此二者合成铁芯损耗，简称铁耗。按数学标准分-----可变损耗、不变损耗：铜耗随电流大小而变，是可变损耗；铁耗随电压大小而变，而变压器工作时电压基本不变，故称铁耗为不变损耗。3变压器效率特性之定义定义-----变压器效率特性是指原边加额定电压、副边功因不变时，变压器效率随负载电流变化的规律，即η＝f(I2)。4效率特性表达式的推导Step1基于定义得到初始表达式，如右：Step2假设：副边电流变化时，副边电压不变，即忽略副边电压变化对效率特性的影响。再考虑输出、损耗与副边电流的关系，得最终表达式，如右：211112222022FeCu2Fe2k202222022Fe2k1cos,coscosPPppPPPPPpPmUImppppmIRmUImUIpmIR是相数，折算到副边5效率特性的图形6变压器的最大效率将效率特性两边对I2求导，并令之等于零，得最大效率条件：22kFemIRp上式表明：当变压器取得最大效率时，铜耗=铁耗，即，可变损耗=不变损耗。考虑到：铁耗基本等于空载损耗，铜耗基本等于短路损耗，并且负载电流采用标幺值，我们有：6最大效率：续1考虑到：铁耗基本等于空载损耗，铜耗基本等于短路损耗，并且负载电流采用标幺值，我们有：右边pkN代表副边电流达额定值I2N时的短路损耗。22k2222Nk2N22kN22kN002kN()()*(),mIRImIRIIpIpppIp6最大效率：续2一般电力变压器的p0/pkN=1/4~1/3，相应的最大效率发生在I2*=0.5~0.6左右。不将变压器设计成满载（I2*=1）时达到最大效率，是因为变压器并非经常满载运行。铜耗随时变化，铁耗恒定存在。故常设计成较小铁耗。这对提高总体效率有利。02kNpIp7额定效率202222022Fe2k2202N22N2222202N2Fe2Nk2N2N2N222N202kNcoscos()()cos()()cos()()coscosmUImUIpmIRImUIIIImUIpmIRIIISISpIp7续12N222N202kN2NN2NN20kNN2maxN200kNNmaxcoscos=1coscoscoscos2,ISISpIpISSppSSppp令，得额定效率：7续2额定效率ηN是变压器的另一个主要性能指标。前一个是什么？-----电压调整率。通常电力变压器的额定效率ηN≈95%~99%。8例题9-2自看。四极脉振磁场示意图TheEnd