电机学2变压器

第1章变压器的用途、分类基本结构和额定1.1变压器的用途和分类变压器是一种静止的电机。利用电磁耦合把电能或信号从一个电路传到另一个电路中，它对电能的经济传输，灵活分配和安全使用起着重要作用，在电能测试、控制和特殊用电设备上应用广泛。在电力系统中，把一种电压的交流电变成同一频率的另一电压交流电，在通讯系统中，主要用于传递信息及阻抗变换，此外在调压，变压，变流等都有其用处。常用的变压器有用于电力系统传输电能的电力变压器、给锅炉供电的电炉变压器，用于电力机车供电的整流变压器，及电压互感器，电流互感器等。变压器在电能传输过程中的地位。变压器的总容量大致相当于发电机容量的6_8倍。输电过程中，通常先将电压升高，通过高压电线传到远方的城市，然后经过降压变压器降为10KV电压，在经配电变压器送给分配给用户，电压为6KV或380/220V。按用途分：电力变压器、特种变压器、互感器。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。1.2变压器的结构一主要结构部件（油浸式电力变压器）主要由铁芯、线圈、油箱和绝缘套管等组成。铁芯：主磁通经过的磁路部分，用硅钢片涂绝缘漆（可提高磁路的导磁性能和减少涡流损耗）叠压或卷压而成，分叠片和渐开线式两种，叠片又分为芯式和壳式。芯式用铁量少，结构简单，散热好，大多数采用此种结构，壳式用铜量少，适用于小容量变压器。渐开线式（规格渐开线形状硅钢片插装而成），优点节省硅钢片。硅钢片也采用不同的排法，因为铁心磁回路不能有间隙，这样才能减少变压器的励磁电流，即相邻两层铁心叠片的接缝要互相错开。线圈：变压器的电路部分，用绝缘的铜线和铝线制成，用同心式和交迭式两种，根据绕制特点又分为很好。油箱：机械支撑，冷却散热和保护作用。油：绝缘和冷却作用。套管：绝缘作用。用作高压线圈：电压高，电流小，导线细，匝数多，圆线绕成多层圆筒式线圈。用作低压线圈：电压低，电流大，导线截面大，匝数少，采用扁线绕成单层或双层。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三相干式变压器接触调压器电源变压器环形变压器控制变压器1.3、型号与额定值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)1.4、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。原边：一次绕组，原绕组副边：二次绕组（次级线圈），副边绕组注感应电动势的正方向与磁通正方向符合右手螺旋关系。原理：原边从电源吸取电功率，通过磁场（电磁感应）传到付边绕组，然后后将电功率传送到负载原、副过感应电动势之比等于匝数之比，其与原、副边电压比接近，所以改变匝数就可以变换电压。变压器的工作原理；原边绕组从电源吸取电功率，借助磁场媒介，根据电磁感应原理，传递到副过绕组，然后在将电功率传递到负载第2章变压器的运行分析变压器空载运行变压器的负载运行变压器参数的测定标幺值变压器的运行特性2.1变压器的空载运行1物理情况1U1EσE12U0I2(I)11U2U1u2u02E10RI1U0I100NIFσ1E0Φ1σΦ1E2E变压器空载运行时的物理情况空载运行状态：原边接电压，副边开路的运行状态，此时为空载运行状态，原边的电流为空载电流i。，空载磁动势i0N1，建立空载磁场。主磁通，在铁芯中闭合流通，同时交链原、副绕组，是实现能量转换和传递的主要因素。漏磁通通过非磁性介质（空气或变压器油）只与原边相交链，占一小部分。交变的磁通会产生感应电动势。dtdNe11dtdNe22dtdNe111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。2感应电动势（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（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.1X3电动势平衡方程和变比(1)电动势平衡平衡方程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4.励磁电流空载运行时，由空载电流建立主磁场，所以空载电流又叫激磁电流。空载电流即励磁电流：电流和磁通的关系（1）铁心磁路不饱和且无铁损时B-H线性关系，B（Φ）-H（I）线性关系。（2）磁路饱和，不计铁损时，磁通为正弦波，电流为尖顶波。（3）磁路饱和且考虑铁损时，为尖顶波且励磁电流超前磁通一个小角度t0i3211230i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。实际的磁通与磁化电流曲线是一条磁滞回线。励磁电流为不对称的尖顶波，超前于主磁通一个角度，励磁电流可以分解为两个分量：磁化电流与主磁通同相位用以建立磁场；另一分量为超前主磁通900，即与外施电压同相位的有功电流，即原边绕组向电源吸收电功率用以供给磁滞损耗。实际电路中还有涡流损耗即还有一个有功电流分量iW，则iFe=ih+iW，实际空载电流i0=iU+iFe。实际中用正弦波代替尖顶波，等效条件为两者的频率相等；有效值相等；等效电流的相位应保证向电源吸取的有功功率等于铁耗。(1)iU磁化电流：空载电流的无功分量，单纯的磁化作用。当外加正弦电压时，感应电动势为正弦波，主磁通为正弦波时，磁化电流的波形畸变为尖顶波。磁化电流的大小和波形取决于铁芯的饱和程度，即取决于磁通密度Bm的大小。(2)iFe铁耗电流：空载电流的有功分量，对应磁滞损耗和涡流损耗。铁损包括磁滞损耗和涡流损耗一般的电力变压器磁化电流远大于铁耗电流。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。RIPPFe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010120Fe0,5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,,,,,201101FemmFePRIRPEXIjE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(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空载运行小结（1）一次绕组漏抗Z1=R1+jXδ1，X反映感应电动势的作用。是常数（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。变压器的外特性：指副边端电压与负载电流的关系叫做变压器的外特性。实际运行中，电力变压器带的负载通常都是电感性负载，所以端电压通常下降的。电压变化率：反应供电电压稳定性的指标。变压器原边接额定电压，副边开路时，副边端电压U20就是副边额定电压U2N，接上负载之后，副边电压为U2，与U20的差与U2N的比值就叫电压变化率。用简化等效电路表示变压器在额定负载下的工作情况其电压变化率为，当不在额定负载下运行时，2.2单相变压器的负载运行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.1I2I1m2EAXaxLZ22E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2基本方程磁动势平衡方程电磁关系将一、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.:,,,,.;,112100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