变压器幻灯片 (2)

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1、1,第一到三章 变 压 器,2,变压器是一种将一个等级的交流电压变换成另一个等级的交流电压的静止交流电机. 起着使电能传输经济、运行安全、使用方便的作用。,第一节 变压器的工作原理、分类及结构,3,电源变压器,电力变压器,控制变压器,接触调压器,三相干式变压器,4,5,一、变压器的工作原理,概念及物理量：,一次绕组(原绕组或初次绕组)：与电源相连，接收交流电能。U1, I1, E1, N1,二次绕组(副绕组或次级绕组)：与负载相连，送出交流电能。 U2, I2, E2, N2,主磁通：m，实现电能量转换的介质。,变压器的两个绕组只有磁的耦合，没有电的联系。,6,各物理量正方向的规定：(按电工惯

2、例规定),1) 在同一支路内, 电压和电流的正方向一致。,2) 磁通量正方向和电流正方向之间符合右手螺旋关系。,3) 由交变磁通量产生的感应电动势正方向与产生该磁通 量的电流正向一致，并有e = -Nd/dt,7,一次绕组和二次绕组间物理量的关系,条件：变压器为理想变压器, 即不计一次和二次绕组的电,阻和铁耗, 两个绕组的耦合紧密, 无漏磁通, 耦合,系数kc=1。,由电磁感应定律, 有：,则一次绕组和二次绕组的有效值关系为：,8,不计铁心中由磁通量交变引起的损失, 根据能量守恒有,U1 I1 = U2 I2,理想变压器一次、二次绕组的视在功率(变压器容量)相等。,则一次、二次绕组电压和电流有

3、效值的关系为：,令k=N1/N2，称为匝数比，也是电压比(变比)，则,一次侧匝数,二次侧匝数,9,10,电力变压器的用途,11,三、变压器的结构简介,1. 变压器铁心,作用：主磁路 + 机械骨架,材料：(冷/热轧)硅钢片，0.350.5mm+0.010.13mm漆膜。,型式：心式(绕组包铁心)、壳式(铁心包绕组的顶、底和侧面),12,铁轭靠着绕组的顶面和底面，不包围绕组的侧面，结构简单, 绕组的装配和绝缘容易, 绝大部分国产变压器采用,13,铁轭不仅包围绕组的顶面和底面，还包围绕组的侧面，制造工艺复杂, 使用材料较多, 用于小容量的电源变压器,14,2. 变压器绕组,作用：电路部分，完成能量转

4、换,材料：铜或铝绝缘导线,型式: 同心式、交叠式(高低压绕组相对位置),3.其他结构部件,高压绕组: 接高压电网的绕组,低压绕组: 接低压电网的绕组,15,4.变压器的额定值,(1) 额定容量SN: 变压器的视在功率. 变压器在稳定负载和额定使用条件下, 施加额定电压, 且频率为额定频率时能输出额定电流而不超过温升限值的容量。,(2) 额定电压UN: 变压器各绕组在空载额定分接下端子间电压的保证值。对三相变压器，额定电压是线电压。U1N, U2N,单相变压器的一次、二次绕组的额定值满足关系：,三相变压器的一次、二次绕组的额定值满足关系：,16,(4) 额定频率fN: 我国规定标准工业用电频率为

5、50HZ,例1一台三相油浸自冷式铝线电力变压器，SN=160kVA，Yy0连接, U1N/U2N=35kV/0.4kV, 试求一次、二次绕组的额定电流.,解：,在额定运行时, 变压器的效率、温升等数据均为额定值.,17,第二节 单相变压器的空载运行,变压器空载：一次绕组加额定交流电压, 二次绕组开路, 负载电流为零的工作状态为空载运行。,变压器磁路: 主磁通m, 漏磁通1,18,一、空载运行时的物理情况,一次绕组和二次绕组电动势平衡方程式,u20-二次绕组的空载电压R1-一次绕组的电阻,空载运行时, i0R1和e1都很小, 可近似认为: u1-e1,19,1. 感应电动势与主磁通,空载运行时，

6、忽略i0R1和e1, 设=msint, 则有：,有上表达式可知, 感应电动势e1, e2在相位上滞后于的电角度都为90, 其有效值分别为：,可知: 在变压器绕组内所感应产生的电动势, 其大小正比于频率、绕组匝数和与绕组交链的磁通量幅值。,20,E1, E2的向量表达式为：,空载时：,U1 -E1 = 常数,U2 = U20,结论：影响主磁通大小的因素是电源电压U1、电源频率f和原方线圈匝数N1, 与铁心材质及几何尺寸基本无关.,21,2. 空载电流和空载损耗,二次侧：无电能输出, 电流为0, 二次绕组不影响一次绕,一次侧：电流为空载电流。主要作用是在铁心中建立磁,组中的电磁情况。,场，产生主磁

7、通。,空载电流Im(I0),励磁分量I 无功分量,铁耗分量IFe 有功分量,不计一次绕组电阻R1和漏磁通),22,损耗电流IFe与铁耗PFe的关系可表示为：,通常IIFe, U1和Im之间的相位角0接近90, 磁化电流I是励磁电流Im的主要分量。,23,空载电流和主磁通的关系,24,25,3. 漏磁通和漏电抗,漏磁通1不经铁心而通过油或空气闭合, 随时间交变, 磁路不饱和, 与Im成正比,漏电动势E1在相位上滞后漏磁通1及Im 90, 即,E1 = -jX1Im,X1-一次绕组的漏电抗,26,主磁通与漏磁通的区别,1)性质上: m与I0成非线性关系；与I0成线性关系；,2)数量上: m占99%

8、以上仅占1%以下,3)作用上: m起传递能量的作用，起漏抗压降作用。,27,二、空载运行时的电动势平衡方程式、相量图及等效电路,若考虑变压器一次绕组的电阻R1及漏磁通1的影响, 变压器空载运行时，相量形式的电动势平衡方程为：,Z1一次绕组的漏阻抗,可见：空载时的变压器实际上就是一个带铁心的线圈，另加一个开路的绕组。,U20=E2,1.电动势平衡方程式,28,2. 相量图,m,E1=-j4.44fN1m,m=N1I/Rm,29,3.等效电路,为便于分析，把E1和Im之间的关系用电路参数形式来表示，Im中有有功分量和无功分量, 则-E1为Im流过一个阻抗(不是一个纯电感)时所引起的阻抗压降, 即：

9、,-E1 = ImZm = Im(Rm + jXm),U1 = Im(R1+jX1) + (-E1)= ImZ1 + (-E1),U1 = ImZ1 + ImZm,式中 Zm-变压器的励磁阻抗 Xm-变压器的励磁电抗 Rm-变压器的励磁电阻 Zm, Xm, Rm这些参数间关系为:,30,引入了漏阻抗Z1和励磁阻抗Zm后, 空载时的变压器等效电路为两个线圈串联组成的电路。,漏阻抗线圈Z1: 无铁心，R1和X1为常量,励磁线圈Zm: 有铁心, 由于铁心中存在发热和饱和现象, Rm,和Zm都为变量，都是虚拟值。,Xm: 表征铁心磁化性能的一个综合参数, 随铁心饱和程度的,增加而减小,Rm: 表征铁心

10、发热而消耗有功功率的参数,当电源电压的变化范围不大时，Zm的值基本上可视为不变。,31,例2一单相变压器, 额定容量SN=210kVA, 额定电压UN1/UN26000/230V, 原绕组漏阻抗Z1=R1+jX1=(2.1j9), 励磁阻抗Zm=Rm + jXm(720j7200)。计算：(1)变压器原方额定电流IN1及空载电流I0占额定电流百分比(2)原方空载感应电势E1及漏阻抗压降I0Z1,32,第三节 单相变压器的基本方程式,负载运行: 变压器一次侧接额定频率、额定电压的交流电 源上，二次侧接负载的运行状态。,33,一、负载运行时的物理情况,空载时I2=0，磁通m由空载电流Im确定，即

11、F0 = N1Im = m Rm,负载时，一次侧加的电压为额定值，漏阻抗Z1很小, 则,U1= -E1+I1Z1-E1 = 4.44N1 f =m,可见，负载时主磁通和空载时相等。设负载时一次侧电流变化量为I1, 则有,该式表明：当二次绕组的电流增加时，一次绕组的电流相应地增加，通过电磁感应作用，变压器可以把电能从一次侧传递到二次侧。,34,二、负载运行时的基本方程式,1.磁动势平衡方程式,负载时主磁路铁心上的磁动势有两个 : F1和F2,铁心内主磁通由这两个磁动势的合成磁动势激励, 即:,主磁通励磁分量,一次电流增量,该式表明：负载时一次绕组的电流由两部分组成: 一部分为维持主磁通的励磁分量

12、Im, 另一部分为用以补偿二次绕组磁动势作用的负载分量-N2I2/N1, 即一次电流增量I1。,35,2.电动势平衡方程式,实际上, 变压器的一次,二次绕组间不可能完全耦合, 还会产生漏电动势. 变压器负载时各种磁通及感应电动势关系如右所示。,根据基尔霍夫第二定律有：,式中 Z1,Z2-一次、二次绕组的漏阻抗； R1,R2-一次、二次绕组的电阻； X1,X2-一次、二次绕组的漏电抗。,36,综上所述, 可得出变压器负载运行时的基本方程式为,37,U1=ImZ1+(-E1) =ImZ1 + ImZm,U2=U20=E2,空载运行基本方程,负载运行基本方程,38,第四节 变压器的等效电路及相量图,

13、变压器负载时计算存在问题：,2)一次、二次绕组仅通过电磁感应联系, 使得计算繁琐，,精确度降低。,1)一次、二次绕组匝数不等;,解决方法: 通过绕组归算，将一次、二次绕组变成有电气,联系的等效电路。,39,一、绕组归算,归算: 将变压器的二次(或一次)绕组用另一个绕组来等效,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。,二次绕组向一次绕组折算，将匝数为N2的实际二次绕组用一个匝数为N1的等效绕组来代替。折算后的物理量加“”来表示。,40,N2,N2=N1,N1,N1,归算原则：,1)保持二次侧磁动势不变；,2)保持二次侧各功率和损耗不变。,41,二次绕组(副边)电势和电压

14、折算,折算后，一次、二次绕组匝数相同，即N2=N1，而电动势大小与绕组的匝数成正比，则,同理，U2=kU2,二次绕组电流折算,根据二次侧磁动势在归算前后不变，有,42,二次绕组阻抗折算,根据折算前后电阻铜耗和漏感中无功功率不变的原则, 有,43,总结：,二次绕组折算到一次绕组,一次绕组折算到二次绕组,电压, 电势扩大到k倍；,电流缩小到1/k倍；,阻抗扩大到k2倍。,电压, 电势缩小到1/k倍;,电流扩大到k倍；,阻抗缩小到1/k2倍。,归算后变压器负载运行时的基本方程式为：,44,例3单相变压器，UN1/UN2220/110kV，高压侧漏电抗为0.3，折算到低压侧后大小为,A. 0.3 B.

15、 0.6 C. 0.15 D. 0.075,45,二、等效电路,变压器在负载运行时，其双侧电路如右图所示。由归算后的基本方程式有 N2=N1, E2=E1,a,b和c,d是等电位。可用导线连接，而不会破坏一次侧、二次侧电路的独立性。即可得到变压器的T形等效电路。,46,47,电流关系: I1 + I2 = Im,电压关系:,U1 = I1Z1 + (-E1) 一次侧,E2 = I2Z2 + U2 二次侧,E1 = E2 折算关系,E1 = -ImZm 感应电动势等效关系,48,由变压器负载基本方程式可得,E2 = U2 + I2Z2,又U2=I2ZF (ZF归算后的负载阻抗),则有：,而,由 I1+I2=Im，则有,49,代入U1 = -E1 + I1Z1 有,ZdZ1+Zm/(Z2+ZF),