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1、第三章 变压器 3-1 变压器的分类、基本结构、额定值 3-2 变压器的空载运行 3-3 变压器负载运行 3-4 变压器的等效电路 3-5 变压器的参数测定 3-6 标幺值 3-7 变压器的运行特性 1电机学 第三章 变压器 n 一种静止的电机将一种电压的电能转换为另一种电 压的电能。 n 用途分类: u电力变压器,电力系统传输电能 u电炉变压器,专给炼钢炉供电 u整流变压器,大型电解电镀、直流电力机车供电 u仪用变压器、控制变压器 u无线电变压器,仅传输信号。 3.1 变压器的分类、基本结构、额定值 一、变压器的分类 2电机学 第三章 变压器 电力变压器 n 变压器的总容量大致相当于发电机容
2、量的三倍。输电过 程中,通常将电压升高,通过高压输电线传送到远方的 城市,经过降压变压器降为10kv电压,再经过配电降压 变压器分配给用户。 n 输送同样的功率,电压低则电流大,一方面由于大电流 在输电线路上引起损耗,另一方面大电流在线路阻抗上 产 生大的压降,受电端电压很低,电能传送不出去。只 有高电压能将电能输送到远方。 配电变压器 3电机学 第三章 变压器 变压器类别-变压方式 n 升压变压器升高电压的变压器 n 降压变压器降低电压的变压器 n 特殊变压器 ,如试验用高压变压器、电炉用变压 器、电焊用变压器、晶闸管线路中的变压器、用于 测量仪表的电压互感器和电流互感器等等 4电机学 第三
3、章 变压器 变压器类别-线圈数目 n 双绕组变压器,在铁芯中有两个绕组,一个为初级 绕组,一个为次级绕组 n 自耦变压器,初级、次级绕组合为一个 n 三绕组变压器,三个绕组连接三种不同电压的线路 n 多绕组变压器,如分裂变压器 5电机学 第三章 变压器 变压器类别-冷却方式 n 油浸式变压器铁芯和绕组都一起浸入灌满了变 压器油的油箱中,可以加强绝缘和改善冷却散热条 件 n 干式变压器 ,能满足特殊要求,如安全 6电机学 第三章 变压器 变压器类别-相数 n 单相变压器 n 三相变压器 7电机学 第三章 变压器 二、电力变压器的基本结构 n 基本结构:油浸式变压器的主要结构部件:铁心、绕组 、油
4、箱、绝缘套管等。 8电机学 第三章 变压器 (一)铁心 由心柱和铁轭两部分组成,心柱用来套装绕组,铁 轭将心柱连接 起来,使之形成闭合磁路为减少铁心 损耗,铁心用厚0.300.50mm的硅钢片叠成,片上 涂以绝缘漆,以避免片间短路。在大型电力变压器 中为提高磁导率和减少铁心损耗,常采用冷轧硅 钢片;为减少接缝间隙和激磁电流,有时还采用由 冷轧硅钢片卷成的卷片式铁心。 9电机学 第三章 变压器 1、心式 心柱被绕组所包围 心式结构的绕组和绝缘装配比较容易,所以电力变 压器常常采用这种结构。 特点 10电机学 第三章 变压器 铁心包围绕组的顶面、底面和侧面。 壳式变压器的机械强度较好,常用于低压、
5、大电 流的变压器或小容量电讯变压器。 特点 2、壳式 11电机学 第三章 变压器 (二)绕组 n 定义:变压器的电路部分,用纸包或纱包的绝缘扁 线或圆线绕成。 n 一次绕组输入电能的绕组 n 二次绕组输出电能的绕组 n 同异点:一次和二次绕组具有不同的匝数、电压和 电流,其中电压较高的绕组称为高压绕组,电压较 低的称为低压绕组。 12电机学 第三章 变压器 从高低压绕组的相对位置来看,变压器绕组可以分 为同心式和交叠式两类。 n 同心式:高低压绕组同心的套在铁心柱上。为便于 绝缘,一般低压绕组在里面高压绕组在外面。 n 交叠式:高低压绕组互相交叠放置,为便于绝缘, 上下两组为低压。 13电机学
6、 第三章 变压器 (三)油箱 n 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)。 n 机械支撑、冷却散热 当变压器出现故障时,产生 的热量使变压器油汽化,气 体继电器动作,发出报警信 号或切断电源。 如果事故严重,变压器油大 量汽化,油气冲破安全气道 管口的密封玻璃,冲出变压 器油箱,避免油箱爆裂。 14电机学 第三章 变压器 (四)绝缘套管 n 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。(瓷质) n 套管外形常做成伞形,电压愈高、级数愈多。 此外,还有储油柜、吸湿器、安全气道、净油器和气体继电器 。
7、 15电机学 第三章 变压器 三、变压器的额定值 1、额定容量SN:额定视在功率 u双绕组变压器,一、二次侧额定容量S1N=S2N ; u三绕组变压器三侧容量不一定相等。对三相变压 器指三相的总容量。 u单位:VA、KVA、MVA。 l容量在630kVA以下的为小型电力变压器; l8006300kVA的为中型电力变压器; l800063000kVA为大型电力变压器; l90000kVA及以上的为特大型电力变压器。 16电机学 第三章 变压器 2、额定电压UN:一次侧额定电压U1N,二次侧额定电压 U2N。 u额定电压均指线电压。 uU2N:一次侧外加额定电压U1N时的二次侧空载电压 。 u单位
8、:V、KV 3、额定电流IN:一次侧额定电流I1N,二次侧额定电流 I2N。 u额定电流均指线电流。 u单位:A 17电机学 第三章 变压器 4、额定频率fN :我国规定为50HZ。 n 单相变压器 n 三相变压器 额定值的关系 18电机学 第三章 变压器 了解:变压器铭牌数据 n 每台变压器都有一铭牌,上面标注着型号、额定值 及其它数据,便于用户了解变压器的运行性能。 电力变压器 产品型号 SL7315/10 产品编号 额定容量 315kVA 使用条件 户外式 额定电压 10000/400V 冷却条件 ONAN 额定电流 18.2/454.7A 短路电压 4% 额定频率 50 Hz 器身吊重
9、 765kg 相 数 三相 油 重 380kg 联接组别 Yyno 总 重 1525kg 制 造 厂 生产日期 图 电力变压器铭牌示意图 19电机学 第三章 变压器 型号说明 n 例如型号为: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630kVA,“10”代表高压绕组额定电 压为10kV。 n 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。 20电机学 第三章 变压器 3-2 变压器的空载运行 电磁关系 图3-7 单相变压器的空载运行 N1N2 21电机学 第三章 变压器
10、一、空载运行时的物理情况 n 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;0、1分别为主磁通和漏磁通; n e1、e1、e2分别为原边感应电势、漏感电势和副边感应电势 ;u2为副边空载电压。 22电机学 第三章 变压器 主磁通与漏磁通的区别 1.性质:0与i0成非线性关系;1与i0成线性关系; 2.路径: 0流径闭合铁心,磁阻小,同时匝链了原边和 副边绕组,并感应出电势e1和e2;1与原边绕组匝链 ,通过变压器油或空气形成闭路,磁阻大。 3.作用:0起传递能量的作用,1起漏抗压降作用。 4.数量:变压器铁心由高导磁材料硅钢片制成(导磁系 数2000),大部分磁通都在铁
11、心中流动, 0约占总 磁通的99强, 1占总磁通的1弱。 23电机学 第三章 变压器 二、变压器各电磁量正方向 n 变压器中的电压、电流、磁通和感应电势的大小和 方向都是随时间变化的,正方向原则是可以任意选 择的,但变压器内部电磁规律却是一定的,表示电 磁规律的方程式必须与选定的正方向相配合。 24电机学 第三章 变压器 n 强调: 1. 在同一支路内,电压降的正方向与电流的正方向 一致; 2. 磁通的正方向与电流的正方向之间遵循右手螺旋定 则; 3. 磁通的正方向与它所感生的感应电势正方向之间遵 循右手螺旋定则。 25电机学 第三章 变压器 一次侧:发电机惯例 i0按u1正向流入一次侧。 二
12、次侧:负载或电动机惯例 i2与u2方向相同。 i、交链,与i成右手关系;感应e,e与成右手关系 。 e1 =-N1d/dt e2 =-N2d/dt e1=-N1d1/dt e与i同方向; e1与i0同方向;e2与i2同方向。 26电机学 第三章 变压器 完整的变压器空载电磁关系 27电机学 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 设 则 有效值 相量 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90 。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。 28电机学 第三章 变压器 同理可得副边感应电势为 相量 29
13、电机学 第三章 变压器 2、漏磁通感应的电动势漏电动势 n 根据主电动势的分析方法,有 漏电动势也可以用漏抗压降表示,即 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. 30电机学 第三章 变压器 四、电压平衡方程、变比 1、电压方程 31电机学 第三章 变压器 2、变比 n 当k1为降压变压器;k1为升压变压器。 n 对于三相变压器变比k是指原、副绕组的相电势(或 相电压)之比。 忽略原绕组内阻R1和原边漏磁通1 一次侧电压U1E1;U20=E2 32电机学 第三章 变压器 例:一台三相变压器,Yd连接,U1N/U2N=
14、35/6.3kV ,求变压器变比 n 解: 33电机学 第三章 变压器 五、变压器的空载电流 n 空载电流波形 n问题:因为电源电压1为正弦交流电,所以在单相变 压器中1和也是按正弦规律变化的。但变压器磁路 是由铁磁材料组成的,是非线性磁路。在非线性磁 路中铁磁材料具有饱和现象,所以当主磁通为正弦 变化,空载电流应如何变化呢? 34电机学 第三章 变压器 (1)当Bm1.3T,磁路末饱和状态 n 磁化曲线f(i)呈线性,导磁率是常数。 n 当按正弦变化,i亦按正弦变化。 35电机学 第三章 变压器 (2)Bm1.4T1.73T,磁路饱和 n f(i)呈非线性,随i增大导磁率逐渐变小。 n 磁通
15、为正弦波,i为尖顶波,尖顶的大小取决于饱和程度 。 36电机学 第三章 变压器 波形分析 n 对尖顶波进行波形分析,除基波分量外,包含有各 奇次谐波。其中以3次谐波幅值最大。 n 用等效正弦波电流替代实际尖顶波电流。等效原则 :令等效正弦波与尖顶波有相同的有效值,与尖顶 波的基波分量有相同频率且同相位。 37电机学 第三章 变压器 2、变压器空载运行时相量图 38电机学 第三章 变压器 3、空载等效电路 n 变压器中既有电路、磁路问题,又有电与磁之间相 互联系问题。为了分析问题方便,在不改变变压器 电磁关系条件下,工程上常用一个线性电路来代替 变压器这种复杂的电磁关系,这个线性电路就称为 等值电路。 39电机学 第三章 变压器 n 变压器空载时,原绕组可看成是一个带铁心的电感 线圈,从AX看进去其等值阻抗: 等值电路推导 zm称为励磁阻抗; rm称为励磁电阻,它表示铁芯中的损耗(铁耗); xm称为励磁电抗,它表示铁芯中主磁通产生的电抗。 40电机学 第三章 变压器 41电机学 第三章 变压器 n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。但实际上,电源电压可近似认为稳定,故 励磁参数也可近似认为常数。 励磁阻抗 n由于 ,所以有时忽略漏阻抗, 空载等效电路只是一个Zm元件的电路。 42电机学 第三章 变压