电机学(变压器部分)

第一章变压器的用途、分类与结构1.变压器的用途、分类2.变压器的主要结构部件3.变压器的发热温升4.变压器的额定数据内容提要：第一节变压器的用途、分类变压器是静止电器，由铁心(磁路)及两个或两个以上的绕组(电路)组成，绕组之间由铁心中交变磁通联系(磁耦合)实现从一种电压(电流)变为另一种电压(电流)。一、变压器的用途⑵按相数分为：单相变压器，三相变压器，多相变压器⑴按绕组分为：双绕组变压器,三绕组变压器，自耦变压器二、变压器的分类1122-3344(4)按冷却方式：油浸自冷变压器(3)按用途分为：油浸水冷变压器干式空气自冷变压器油浸风冷变压器升压变压器降压变压器隔离变压器第二节变压器的主要结构部件2、二次绕组（副绕组）－负载侧3、变压器铁心－磁路部分1、一次绕组（原绕组）－电源侧：它是变压器用作导磁的磁路，也是器身的机械骨架，由铁心柱、铁轭和夹紧装置组成。为了减小铁心中的磁滞和涡流损耗，铁心用0.35~0.5mm厚的硅钢片叠成，每层钢片接缝错开，从而减小变压器的励磁电流。相邻两层铁心叠片铁心铁心柱截面绕组：它是变压器的电路部分，按照高低电压绕组之间的布置，可以分为同心式和交叠式两种绕组，同心式结构简单，制造方便，交叠式机械强度好，引出线的布置和焊接都较方便，漏电抗小。同心式绕组高压低压高压低压高压低压高压低压交叠式绕组非晶合金与硅钢片变压器相比，空载损耗下降70%至80%，空载电流下降80%，节能效果显著。非晶合金片厚度极薄，填充系数较低，采用磁密低，产品的设计受材料限限制程度较高，非晶合金对机械应力非常敏感，张引力和弯曲应力都会影响磁性能，结构设计特殊。补充1：非晶合金铁心变压器的特点铁心和线圈需在专用设备上卷制，减少了由人工制造造成的质量波动，质量稳定可靠;卷铁心与叠铁心相比可减少工序，生产效率高，自动化程度高；立体卷铁心的退火效果更好，能更有效降低空载损耗和空载电流。铁轭的截面积为心柱截面积的一半，即节能又省材。卷铁心是连续绕制而成，可使噪声降低。补充2：立体卷铁心变压器的特点铁心制造工艺简单，制造工时短，降低了制造成本变压器制造厂具有成熟的叠铁心工艺，成熟的质量控制管理体系不需要卷制铁心和线圈的专用设备，降低了产品的制造成本铁心材料较“R型”卷铁心利用率高，能降低产品的制造成本。补充3：叠铁心变压器的特点铁心和线圈需在专用设备上卷制，减少了由人工制造造成的质量波动，质量稳定可靠；卷铁心在经过退火处理后，空载损耗和空载电流可大幅度下降；卷铁心与叠铁心相比可减少工序生产效率较高，自动化程度较高；卷铁心是连续绕制而成，可使噪声降低。补充4：平面卷铁心变压器的特点变压器的发热与温升由于绕组里有铜耗、铁耗及各种附加损耗，一方面影响效率；一方面转变为热能，因此导致变压器的温度升高，并使绝缘材料老化。第三节变压器的型号及额定数据1额定容量（视在功率）NS，单位为kVA或MVA3额定电流（线电流），单位A12/NNII12/NNUU，单位为V或kV2额定电压（线电压）一、变压器的额定数据二次绕组额定电压是当时，二次绕组开路电压12NNUU202NUU112233NNNNNSUIUI112233NNNNNSUIUI3NNNNUUIIY接ABCXYZYZ3NNNNUUII接ABCX二、变压器额定数据之间的关系三、何谓额定负载当变压器接在电压频率为额定频率，大小为额定电压的电网上，若副边电流为，原边电流为时，称为额定运行状态，此时的负载为额定负载。Nf1NU2NI1NI第二章变压器的运行分析*以单相变压器为例来介绍变压器的运行分析及数学模型等，这些结果同样适用于三相变压器对称稳态运行分析基本思路:已知部分运行数据求其它数据主要内容:分析物理过程,列方程,化简方程,得到等效电路(数学模型)主要分析方法:主磁通漏磁通分析法本章内容体现了变压器的基本电磁关系，着重研究变压器稳态运行分析方法。AXax1U2U1E1sE2sE2Em1s2s1N2N1I2I§2-1变压器各电磁量正方向按电动机惯例，吸收电功率1U&1I&和1)按发电机惯例，发出电功率2I和4)3)、和；、和、符合右手螺旋关系1E&2E&m&2)、和符合右手螺旋关系m&1I&2U&电磁量规定正方向惯例总结2I2sE1sE1s2s§2-2变压器空载运行AX1U1E1sE0I1smxa2E20U变压器空载运行时基本电磁关系（一）变压器空载运行时基本电磁关系（二）1U0I010FNIm1E2E1s1sE20U101UIR与*、都是最大值，一般*、都是由励磁磁动势产生的。m1S1(0.1%0.2%)Smm1S010fNi假设主磁通正弦变化为sinmt根据电磁感应定律111sin(90)mdeNNtdt一、主磁通感应电动势11114.4422mmmENEfN电动势有效值224.44mEjfN同理：114.44mEjfN得：结论：③主磁通决定了感应电动势的大小。11mENf、、22mENf、、①1122ENkEN②变压器变比m1E④感应电动势落后于主磁通。90m1E二、漏磁通感应电动势1101100102SSSNIEjjLIjIXI111114.442SSSNEjjfN用相量表示11111sin(90)ssdeNNtdt根据电磁感应定律对一次漏电抗的总结：漏磁通感应的漏电动势可以用空载电流在一次绕组漏电抗产生的负压降表示，在相位上落后于电角度。211101111100(2)22SssNNINXNII1S1sE0I1X1sE0I9001jIX11011111202()UEIRjXZRjXUE三、空载运行电压方程式其中为一次绕组的电阻1112202NNUEUkEUU变比近似表示为：AX1U1E1sE0I1smxa2E20U1R1X1Z为一次绕组的漏电抗为一次绕组的漏阻抗四、励磁电流的波形及和主磁通的关系由可知，当电源电压随时间按正弦规律变化，则电动势、磁通必定都按正弦规律变化。根据铁磁材料的磁饱和特性可知，主磁通和励磁电流成饱和曲线关系。即呈非线性关系。0()fi1UE思考：主磁通是正弦波时，励磁电流应该是什么波形？0i1.励磁电流的波形结论：励磁电流的波形应该为尖顶波。0i思考：单相变压器220V/110V，如错把低压边接为220V空载运行，问的变化？0i2.励磁电流和主磁通的相位关系考虑主磁通磁滞效应时，可见，磁通在相位上落后于励磁电流一定的相位角度。称为铁耗角。3.等效正弦波励磁电流的概念由于励磁电流不是正弦波，不能用相量表示，工程上用等效正弦波概念来表征实际励磁电流，并用相量表示。等效条件：1）等效正弦波电流角频率等于实际励磁电流角频率；2）等效正弦波电流有效值为：3）等效正弦波电流相位上超前主磁通相量角。0I0I222010305IIII五、励磁电流及其感应电动势的关系和变压器的参数主磁通感应了主电势，而主磁通是由励磁电流产生，根据前面的分析，可从画出的相量图中看到各物理量的相位关系。特别注意电压降（负电动势）和励磁电流两个电气量的相位关系。思考：从电路物理概念出发，如何表征图中电压降和其电流的相位关系？m1E0I1E0ImmE10I0I1E000rI0aI0I1sm1U1E1sE0I1U1sE1Em1jX1R1U0I1R1jX1E1sEmRmjX无漏磁超导铁心线圈1U0I1R1jX1E1sEmRmjX10()mmEIRjX如下图，可得到：，物理意义：mRmjXmR——等效铁耗电阻，又称激磁电阻mjX——称激磁电抗20mFeIRpmX其大小反映了一定励磁电流激励主磁通的能力。2111sXN由于：同理可得：2211FemmmmAXNNl思考：说说一次漏电抗和激磁电抗有何区别？1XmX1mXX1XmX是一个常数，不随变压器运行状态的改变而改变是一个变数，因为铁心中的主磁通会出现磁饱和现象。也就是说激磁电抗随铁心中磁密的变化而变化；由于磁密的大小决定于励磁电流，励磁电流的大小又决定于电压。所以根本上激磁电抗的大小受所施加电压幅值的影响：通常电压越高激磁电抗会减小。1UmX思考：一开始分析变压器空载运行时假设主磁通是正弦变化，请通过到现在为止的学习证明变压器空载运行时其主磁通确实是正弦变化的。11RXmmRX11mmRjXRjX1mZZ1U0I1R1jX1E1sEmRmjX1011010()mUIZEIZIZ11UE六、变压器空载运行的基本方程、相量图和等效电路变压器空载运行的基本方程1101UEIZ220EU10()mmEIRjX1112220ENUkENU114.44mEjfN224.44mEjfN作相量图的主要过程:选参考向量---主磁通相量；m&根据一次主电动势和励磁电流关系分解励磁电流有功分量和无功分量。0aI&0rI&1E0I2E1E画出感应主电动势、；0I画出空载励磁电流；m&1E220EU0I0rI&0aI&1E01IR01jIX1U00根据一次侧电压方程画出。1U变压器空载运行的相量图－励磁电阻（等效铁耗电阻）；－励磁电抗－励磁阻抗mRmZ变压器空载运行的等效电路主要参数:ImRmjX1U1R1jX1E0mRmjX1R1jX1EmX作业习题：1-1,2-1,2-2思考：1-1~1-42-1~2-8变压器原边接电源，副边接负载的运行状态称为负载运行1s1s1sE1sE1I1U1I1112U2U2I2I2E2E2sE2sELZLZ2s2smm1N2NAXxa****1E1E§2-3变压器负载运行1U1I111FNIm1E2E1s1sE222UIR与平衡101UIR与平衡2I222FNImF2s2sE二次接上一定负载阻抗后LZ变压器负载时基本电磁关系图一、负载时一次绕组回路电压方程11111sUEEIR111SEjIX11111111()UEIRjXEIZ二、负载时二次绕组回路电压方程222()LLLUIZIRjX22222sUEEIR222sEjIX22222222()UEIRjXEIZ二次负载阻抗电压方程：二次绕组回路电压方程：和一次漏电势采用负电抗压降表示一样，二次漏电势也可表示为下式最后得二次绕组回路电压方程：1s1s1sE1sE1I1U1I1112U2U2I2I2E2E2sE2sELZLZ2s2smm1N2NAXxa****1E1E1U1I111FNIm1E2E2222()UIRjX与＋平衡1011()UIRjX与平衡2I222FNImF二次接上一定负载阻抗后LZ根据全电流定律得：(磁动势平衡关系)三、负载时磁动势及一、二次电流的关系1122111122()mmNINININININI111FNI222FNI12mFFF上式称为电流形式的磁动势平衡关系式。理解：一次磁动势由两部分组成：一为励磁磁动势，产生主磁通；另一部分，用来平衡二次绕组产生的磁动势。111FNI1mmFNI22NI222FNIm11221mNININI上式电流形式的磁动势平衡关系，体现了变压器负载运行时，一二次电流之间的关系。分析：11122121111mmNININIIIINNNk12111()mmLIIIkIII理解：变压器负载运行时，一次侧的输入电流其中一部分是励磁电流分量，用来激励主磁场；另一部分是取决于二次侧负载电流大小的负载分量。1ImI2I121LIIk1111UEIZ负载一次绕组：1mZZ空载一次绕组：1101U