电力变压器的基本工作原理和结构

第三章变压器3.1变压器的基本工作原理和结构3.2单相变压器的空载运行3.3单相变压器的负载运行3.4变压器的参数测定3.5标么值3.6变压器的运行特性3.7三相变压器3.8变压器的并联特性变压器是一种静止电器,它通过线圈间的电磁感应,将一种电压等级的交流电能转换成同频率的另一种电压等级的交流电能.第三章变压器3.1变压器的基本工作原理和结构3.1.1基本工作原理和分类一、基本工作原理变压器的主要部件是铁心和套在铁心上的两个绕组。两绕组只有磁耦合没电联系。在一次绕组中加上交变电压，产生交链一、二次绕组的交变磁通，在两绕组中分别感应电动势。1u1e2e2u1i2iΦ1U2U1u2uLZ1212dΦe=-NdtdΦe=-Ndt只要(1)磁通有变化量;(2)一、二次绕组的匝数不同，就能达到改变压的目的。第三章变压器二、分类按用途分：电力变压器和特种变压器。按绕组数目分：单绕组（自耦）变压器、双绕组变压器、三绕组变压器和多绕组变压器。按相数分：单相变压器、三相变压器和多相变压器。按铁心结构分：心式变压器和壳式变压器。按调压方式分：无励磁调压变压器和有载调压变压器。按冷却介质和冷却方式分：干式变压器、油浸式变压器和充气式变压器。第三章变压器3.1.2基本结构一、铁心变压器的主磁路，为了提高导磁性能和减少铁损，用厚为0.35-0.5mm、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。变压器的电路，一般用绝缘铜线或铝线绕制而成。油浸式变压器的器身浸在变压器油的油箱中。油是冷却介质，又是绝缘介质。油箱侧壁有冷却用的管子（散热器或冷却器）。将线圈的高、低压引线引到箱外，是引线对地的绝缘，担负着固定的作用。二、绕组四、油箱三、绝缘套管此外，还有储油柜、吸湿器、安全气道、净油器和气体继电器。第三章变压器连接发电机与电网的升压变压器连接发电机的封闭母线与电网相连的高压出线端返回第三章变压器三相干式变压器接触调压器第三章变压器电源变压器环形变压器控制变压器第三章变压器3.1.3型号与额定值一、型号型号表示一台变压器的结构、额定容量、电压等级、冷却方式等内容，表示方法为如OSFPSZ-250000/220表明自耦三相强迫油循环风冷三绕组铜线有载调压，额定容量250000kVA，高压额定电压220kV电力变压器第三章变压器二、额定值此外，额定值还有额定频率、效率、温升等。指铭牌规定的额定使用条件下所能输出的视在功率。额定容量NS(kVA)指长期运行时所能承受的工作电压额定电压12NNU/U(kV)是指一次侧所加的额定电压，是指一次侧加额定电压时二次侧的开路电压。在三相变压器中额定电压为线电压。1NU2NU三者关系：1122112233NNNNNNNNNNSUIUISUIUI单相：三相：指在额定容量下，允许长期通过的额定电流。在三相变压器中指的是线电流额定电流12NNI/I(A)第三章变压器3.2单相变压器的空载运行3.2.1电磁关系一、物理情况1U1EσE120U0I2(I)11U2U1u2u02E10RI1U0I100NIFσ1E0Φ1σΦ1E2E第三章变压器二、各电磁量参考方向的规定1）性质上：与成非线性关系；与成线性关系；2）数量上：占99%以上，仅占1%以下；3）作用上：起传递能量的作用，起漏抗压降作用。0000I0I111主磁通与漏磁通的区别一次侧遵循电动机惯例，二次侧遵循发电机惯例。强调：磁通与产生它的电流之间符合右手螺旋定则；电动势与感应它的磁通之间符合右手螺旋定则。第三章变压器三、感应电动势分析1.主磁通感应的电动势——主电动势ωtsinΦΦm设0011112-9090mmdΦeNπfNΦsin(ωt)Esin(ω)dtt则114.44mEfNΦ有效值114.44mEjfNΦ相量同理，二次主电动势也有同样的结论。可见，当主磁通按正弦规律变化时，所产生的一次主电动势也按正弦规律变化，时间相位上滞后主磁通。主电动势的大小与电源频率、绕组匝数及主磁通的最大值成正比。090第三章变压器2.漏磁通感应的电动势——漏电动势漏电动势也可以用漏抗压降来表示，即根据主电动势的分析方法，同样有1114.44σσmEjfNΦ1114.44σσEfNΦ11001σσEjωLIjIX由于漏磁通主要经过非铁磁路径,磁路不饱和,故磁阻很大且为常数,所以漏电抗很小且为常数,它不随电源电压负载情况而变.1X第三章变压器3.2.2空载电流和空载损耗一、空载电流1.作用与组成2、性质和大小性质：由于空载电流的无功分量远大于有功分量，所以空载电流主要是感性无功性质——也称励磁电流；大小：与电源电压和频率、线圈匝数、磁路材质及几何尺寸有关，用空载电流百分数I0%来表示：00N100II%%I空载电流包含两个分量，一个是励磁分量，作用是建立磁场，另一个是铁损耗分量，主要作用是供铁损耗。0IaI0rI0第三章变压器t0i3211230i3、空载电流波形由于磁路饱和，空载电流与由它产生的主磁通呈非线性关系。当磁通按正弦规律变化时，空载电流呈尖顶波形。当空载电流按正弦规律变化时，主磁通呈尖顶波形。实际空载电流为非正弦波，但为了分析、计算和测量的方便，在相量图和计算式中常用正弦的电流代替实际的空载电流。第三章变压器二、空载损耗对于已制成变压器，铁损与磁通密度幅值的平方成正比，与电流频率的1.3次方成正比，即空载损耗约占额定容量的0.2%~1%，而且随变压器容量的增大而下降。为减少空载损耗，改进设计结构的方向是采用优质铁磁材料：优质硅钢片、激光化硅钢片或应用非晶态合金。21.3mFePBf。，PP，RI。RIP,PFeFe耗即空载损耗近似为铁损所以均很小和由于和绕组铜损耗耗供给铁损电源吸收少量有功功率变压器空载时一次侧从0101200第三章变压器3.2.3空载时的电动势方程、等效电路和相量图一、电动势平衡方程和变比1、电动势平衡平衡方程（1）一次侧电动势平衡方程1110110101110σUEEIREIRjIXEZI1114.44mUEfNΦ忽略很小的漏阻抗压降，并写成有效值形式，有11114.444.44mEUΦfNfN则可见，影响主磁通大小的因素有电源电压和频率，以及一次线圈的匝数。重要公式第三章变压器（2）二次侧电动势平衡方程220EU2、变比定义112112022NNUUENkENUU对三相变压器，变比为一、二次侧的相电动势之比，近似为额定相电压之比，具体为Y，d接线NNU3Uk21NNUU3k21D，y接线第三章变压器二、空载时的等效电路和相量图1、等效电路100mmmEI(RjX)IZ一次侧的电动势平衡方程为01101011I)jX(RI)jX(RZIEUmm空载时等效电路为即等效用电阻所以还要引入一个在铁心中引起铁损由于降表示也用电抗压感应的电动势表示法基于,PRI,R,P,E,XIjEFemmFe201101第三章变压器mmmZ,X,R励磁电阻、励磁电抗、励磁阻抗。由于磁路具有饱和特性，所以不是常数，随磁路饱和程度增大而减小。mmmjXRZ11XX,RRmm由于，所以有时忽略漏阻抗，空载等效电路只是一个元件的电路。在一定的情况下，大小取决于的大小。从运行角度讲，希望越小越好，所以变压器常采用高导磁材料，增大，减小，提高运行效率和功率因数。mZmZ0I0ImZ1U0I第三章变压器2、相量图根据前面所学的方程，可作出变压器空载时的相量图：（1）以为参考相量mΦ（2）与同相，滞后，mΦar0III00090aI0rI01E（3）滞后，；090mΦ21E,E1001XIj,IR（4）1U（5）mΦaI0rI00I1E1E2E10XIj01IR1U第三章变压器空载运行小结（1）一次侧主电动势与漏阻抗压降总是与外施电压平衡,若忽略漏阻抗压降，则一次主电势的大小由外施电压决定.（2）主磁通大小由电源电压、电源频率和一次线圈匝数决定，与磁路所用的材质及几何尺寸基本无关。（3）空载电流大小与主磁通、线圈匝数及磁路的磁阻有关，铁心所用材料的导磁性能越好，空载电流越小。（4）电抗是交变磁通所感应的电动势与产生该磁通的电流的比值，线性磁路中，电抗为常数，非线性电路中，电抗的大小随磁路的饱和而减小。第三章变压器3.3单相变压器的负载运行3.3.1负载运行时的电磁关系变压器一次侧接在额定频率、额定电压的交流电源上，二次接上负载的运行状态，称为负载运行。1U1Eσ1E2U1I2I1m2EAXaxLZ22E第三章变压器11IR11E22IR22E1U1I2I2U111FNI222FNI010FNI01E2E用图示负载运行时的电磁过程第三章变压器3.3.2基本方程一、磁动势平衡方程120FFF或112210NININI电磁关系将一、二次联系起来,二次电流增加或减少必然引起一次电流的增加或减少.:,,,U,U.FF;F,因此有磁动势平衡方程大小基本不变由空载到负载不变保持只要大小主要取决于共同作用产生次磁动势和二负载时一次磁动势产生主磁通一次磁动势空载时011002100用电流形式表示LII)kI(II)NN(II102021201。,I;,I::L作用它起平衡二次磁动势的另一个是负载分量产生主磁通它用来一个是励磁电流两个分量变压器的负载电流包括表明10第三章变压器二、电动势平衡方程根据基尔霍夫电压定律可写出一、二次侧电动势平衡方程111111111ZIEXIjRIEU222222222ZIEXIjRIEULZIU22负载运行时,忽略空载电流有:1221211或NNkIIkII表明，一、二次电流比近似与匝数成反比。可见，匝数不同，不仅能改变电压，同时也能改变电流。第三章变压器3.3.3等效电路及相量图一、折算折算原则：1）保持二次侧磁动势不变；2）保持二次侧各功率或损耗不变。22122EkEEUkU22IIk2222222LLrkrxkxZkZ方法：（将二次侧折算到一次侧)折算：将变压器的二次（或一次）绕组用另一个绕组(N2=N1)来等效，同时对该绕组的电磁量作相应的变换，以保持两侧的电磁关系不变,用一个等效的电路代替实际的变压器。第三章变压器折算后的方程式为111111111ZIEXIjRIEU222222222ZIEXIjRIEU021III12EE01IZEmLZIU22第三章变压器二、等效电路根据折算后的方程，可以作出变压器的等效电路。T型等效电路：近似等效电路1R1X2R2XmRmX1U2ULZ2I1I0I1R1X2R2X21IIL1I1U2ULZ第三章变压器简化等效电路：其中121SS2SSSRRRXXXZRjX分别称为短路电阻、短路电抗和短路阻抗。由简化等效电路可知，短路阻抗起限制短路电流的作用，由于短路阻抗值很小，所以变压器的短路电流值较大，一般可达额定电流的10~20倍。1U2ULZ2II1SRSX第三章变压器三、相量图作相量图的步骤——对应T型等效电路，假定变压器带感性负载。0190)6Em超前0)7I)()8201III11)11IjX1)12U22I)223RI)224IXj)12)5EE1)9E21U)11)10RI第三章变压器作相量图的步骤（假定带感性负载）——对应简化等效电路212112212SSUIZIIUUIRjXI