電機與拖動 教學課件 ppt 作者 孫建忠 劉鳳春 第3章

1、第3章　變　壓　器,3.1　變壓器的基本結構、分類與額定值3.2　變壓器的工作原理3.3　變壓器的等效電路和相量圖3.4　標幺值3.5　變壓器的參數(shù)測定3.6　變壓器的運行特性3.7　三相變壓器的聯(lián)結組3.8　三相變壓器的并聯(lián)運行3.9　特殊變壓器,3.1　變壓器的基本結構、分類與額定值,3.1.1　變壓器的基本結構3.1.2　變壓器的分類3.1.3　變壓器的額定值,,3.1.1　變壓器的基本結構,,,鐵心由鐵心柱和

2、鐵軛兩部分組成。變壓器的主磁路，為了提高導磁性能和減少鐵損，用厚為0.35-0.5mm、表面涂有絕緣漆的熱軋或冷軋硅鋼片疊成。,,,,,,,,變壓器的基本結構分為四個部分：1 鐵心—變壓器的磁路；2 繞組—變壓器的電路；3 油箱等其它部分。,（一）鐵心,變壓器的鐵心中，每片硅鋼片為拼接片。在疊片時，采用疊接式，即將上下兩層疊片的接縫錯開，可縮小接縫間隙，以減小勵磁電流。如下圖所示。,,,,鐵軛,,鐵心柱,,鐵心柱的截面在小型變壓器中采用

3、方形。在容量較大的變壓器中，采用階梯形截面。,,,繞組是變壓器的電路，一般用絕緣銅線或鋁線（扁線或圓線）繞制而成。,（二）繞組,鐵軛的截面有矩形及階梯形的，其截面一般比鐵心柱截面大（5~10）%，以減小空載電流和空載損耗。,疊裝好的鐵心其鐵軛用槽鋼（或焊接夾件）及螺桿固定。鐵心柱則用環(huán)氧無緯玻璃絲粘帶綁扎。,當采用冷軋硅鋼片時，應用斜切鋼片的疊裝方法，可提高導磁系數(shù)，降低損耗。,,一次側接電源,二次側接負載,如下圖所示有兩組：一個繞組與

4、電源相連，稱為一次繞組（或原繞組），這一側稱為一次側（或原邊）；另一個繞組與負載相連，稱為二次繞組（或副繞組），這一側稱為二次側（或副邊）。,同心式繞組,交迭式繞組,對于三相變壓器，根據兩組繞組的相對位置，繞組可分為同心式和交疊式兩種，如以下兩圖所示。,根據繞組和鐵心的相對位置，變壓器有殼式結構和心式結構兩種，如以下兩圖所示。,（三）其它結構部件,如下圖所示，油浸式電力變壓器的結構中還包括油箱、絕緣套管、儲油柜、安全氣道等。,3.1.2

5、　變壓器的分類,按用途不同，變壓器可分為電力變壓器、配電變壓器(10 kV及10 kV以下電壓等級的變壓器)、整流變壓器、電焊變壓器、電爐變壓器、船用變壓器、電源變壓器以及儀用變壓器等。按相數(shù)分類不同，變壓器可分為單相變壓器、三相變壓器以及多相變壓器。按每相繞組的個數(shù)不同，變壓器可分為雙繞組變壓器、三繞組變壓器、自耦變壓器(即單繞組變壓器)。按冷卻方式不同，變壓器可分為干式變壓器、油浸式變壓器。按結構形式不同，變壓器可分為芯式變

6、壓器、殼式變壓器,連接發(fā)電機與電網的升壓變壓器,三相干式變壓器,接觸調壓器,電源變壓器,環(huán)形變壓器,控制變壓器,3.1.3　變壓器的額定值,1.額定容量SN2.額定電壓U1N/U2N3.額定電流I1N/I2N4.額定頻率fN,,單位：V·A、KV·A、MV·A,其實際輸出功率取決于負載的大小和性質，即P=Scosφ。,U1N是指根據絕緣強度和允許發(fā)熱所規(guī)定的應加在一次繞組上的正常電壓有效值。,U2N是

7、指一次側加額定電壓時二次側的開路電壓。,在三相變壓器中額定電壓為線電壓。,單位：A,此外，額定值還有效率、溫升等。除額定值外，銘牌上還標有變壓器的相數(shù)、聯(lián)結組和接線圖、短路電壓（或短路阻抗）的標么值、變壓器的運行方式及冷卻方式等。,額定頻率fN,指電源頻率，我國規(guī)定標準工頻為50Hz。,為考慮運輸，有時銘牌上還標有變壓器的總重、油重、器身重量和外形尺寸等附屬數(shù)據。,3.2　變壓器的工作原理,3.2.1　變壓器各電磁量的參考方向3.2.

8、2　變壓器的空載運行3.2.3　變壓器的負載運行,3.2.1　變壓器各電磁量的參考方向,3.2.2　變壓器的空載運行,1.變壓器空載運行的電磁關系2.主磁通、漏磁通與感應電動勢3.變壓器空載運行時的電壓方程4.主磁通與勵磁電流5.變壓器空載運行的等效電路,空載運行時的物理情況,變壓器的空載運行是指變壓器一次繞組接在額定電壓的交流電源上，而二次繞組開路時的工作情況。,,u1,,i0,,,Φ主磁通,當變壓器的一次繞組加上交流電壓u

9、1時，一次繞組內便有一個交變電流i0（即空載電流）流過,并建立交變磁場。,N1,N2,,,,,Φσ1漏磁通,根據電磁感應原理，分別在一、二次繞組產生電動勢e1、eσ1和e2。,,,,,eσ1,e1,e2,u02,,i2=0,u02,根據基爾霍夫電壓定律，按上圖所示電壓、電流和電動勢的正方向，可寫出一、二次繞組的電動勢方程式為：,u1=i0R1-e1-eσ1≈i0R1+N1dφ/dt,,u02=e2=－N2dφ/dt,在一般變壓器中，電阻

10、壓降i0R1很小，僅占一次繞組電壓的0.1%以下，故可近似認為u1≈－e1。,設,則,有效值,同理，e2=2πfN2φmsin(ωt-90)=E2msin（ωt-90）,有效值 E2=4.44fN2φm,相量表達式,因此，可得出：E1/E2=N1/N2≈U1/U2=k,定義,式中k為變壓器的電壓比，即變比。,根據主電動勢e1的分析方法，同樣有,漏電動勢也可以用漏抗壓降來表示，即,由于漏磁通主要經過非鐵磁路徑,磁路不飽和,故磁阻很大且為

11、常數(shù),所以漏電抗 很小且為常數(shù),它不隨電源電壓負載情況而變.,K>1變壓器為降壓變壓器；K<1變壓器為升壓變壓器。,（1）一次側電動勢平衡方程,變壓器空載運行時電動勢平衡方程：,忽略很小的漏阻抗壓降，并寫成有效值形式，有,則,重要公式,可見，影響主磁通大小的因素有電源電壓和頻率，以及一次線圈的匝數(shù)。,（2）二次側電動勢平衡方程,空載電流和空載損耗,1. 作用與組成,（一）空載電流,空載電流i0包含兩個分量：,2、性質和

12、大小,性質：由于空載電流的無功分量遠大于有功分量，所以空載電流主要是感性無功性質——也稱勵磁電流。,另一個是鐵損耗分量iFe,稱為鐵耗電流，主要作用是供鐵損耗（磁滯損耗和渦流損耗），超前于主磁通90度，即與E1反相。,一個是勵磁分量(無功分量) iμ，稱為磁化電流，作用是建立磁場，與主磁通同相；,大?。号c電源電壓和頻率、線圈匝數(shù)、磁路材質及幾何尺寸有關，用空載電流百分數(shù)I0%來表示：,,與兩個分量的相量關系：I0=Iμ+IFE 通

13、常IFE＜10%I0，故I0≈Iμ,3、空載電流波形,由于磁路飽和，空載電流與由它產生的主磁通呈非線性關系。,因此，當主磁通按正弦規(guī)律變化時，空載電流呈尖頂波形。,實際空載電流為非正弦波，但為了分析、計算和測量的方便，在相量圖和計算式中常用正弦的電流代替實際的空載電流。,三、空載時的相量圖和等效電路,1、相量圖,（1）以 為參考相量,,（2） 與 同相， 超前 ，,可作出變壓器空載時的相量圖：,根據一次側電動勢平衡方程：,二

14、次側電動勢平衡方程：,（3） 滯后 ， ；,（4）,（5）,,2、等效電路,其中一個是沒有鐵心的線圈，其阻抗為Z =R1+jX ; 另一個是帶有鐵心的線圈，其阻抗為Zm=Rm+jXm,即,一次側的電動勢平衡方程為,由于 ，所以有時忽略漏阻抗，空載等效電路只是一個 元件的電路。在 一定的情況下， 大小取決于 的大小。從運行角度講，希望 越小越好，所以變

15、壓器常采用高導磁材料，增大 ，減小 ，提高運行效率和功率因數(shù)。,3.2.3　變壓器的負載運行,1.變壓器負載運行時的電磁關系2.變壓器負載運行時的磁動勢平衡方程,一、負載運行時的物理情況,變壓器一次側接在額定頻率、額定電壓的交流電源上，二次接上負載的運行狀態(tài)，稱為負載運行。,,,,,,,,,用圖示負載運行時的電磁過程,二、負載運行時的基本方程式,（一）磁動勢平衡方程式,或,用電流形式表示,電磁關系將一、二次聯(lián)系起來,二次電流增

16、加或減少必然引起一次電流的增加或減少.,負載運行時,忽略空載電流有:,表明，一、二次電流比近似與匝數(shù)成反比?？梢姡褦?shù)不同，不僅能改變電壓，同時也能改變電流。,（二）電動勢平衡方程式,根據基爾霍夫定律可得:,,或,綜上所述，變壓器負載運行方程式總結為:,,3.3　變壓器的等效電路和相量圖,3.3.1　繞組折算3.3.2　T形等效電路3.3.3　近似和簡化等效電路3.3.4　變壓器負載運行時的相量圖,3.3.1　繞組折算,1.電動勢

17、折算2.電流折算3.阻抗折算4.電壓折算,繞組折算,由于變壓器一、二次側繞組的匝數(shù)為Ｎ１Ｎ２，繞組的感應電動勢Ｅ1Ｅ2，這就給分析變壓器的工作特性和繪制相量圖增加了困難。為了克服這個困難，常用一假想的繞組來代替其中一個繞組，使之成為變比k=１的變壓器，這樣就可以把一、二次側繞組聯(lián)成一個等效電路，從而大大簡化變壓器的分析計算。這種方法稱為繞組折算。折算后的量在原來的符號上加一個上標號“′”以示區(qū)別。折算只是人為地處理問題的方法，它不

18、會改變變壓器運行時的電磁本質。,需要注意的一點是：習慣上，我們都是將變壓器二次側數(shù)據折算到一次測。,（一）二次側電動勢和電壓的折算值,由于折算后的二次繞組和一次繞組有相同的匝數(shù)，根據電動勢與匝數(shù)成正比的關系可得：,（二）二次側電流的折算值,根據折算前后一二次繞組磁動勢不變的原則，可得：,（三）二次側阻抗的折算值,根據折算前后二次繞組的銅損耗不變的原則，可得：,負載阻抗的折算值：,3.3.2　T形等效電路,3.3.3　近似和簡化等效電路,

19、近似等效電路,簡化等效電路：,由簡化等效電路可知，短路阻抗起限制短路電流的作用，由于短路阻抗值很小，所以變壓器的短路電流值較大，一般可達額定電流的10～20倍。,作相量圖的步驟——對應T型等效電路， 假定變壓器帶感性負載。,,,,,,,,,,,,,3.3.4　變壓器負載運行時的相量圖,3.4　標幺值,3.4.1　標幺值的定義3.4.2　采用標幺值的優(yōu)點,3.4.1　標幺值的定義,標幺值是指某一物理量的實際值與選定的基值之比，即標幺值

20、＝實際值基值(3-42)由于標幺值是兩個具有相同單位的物理量之比，所以它是沒有量綱的物理量。一般，標幺值用原符號加“*”來表示，例如：U*、I* 等。,3.4.2　采用標幺值的優(yōu)點,1)各種電力變壓器的容量、電壓和電流相差非常懸殊，其阻抗等參數(shù)也相差很大。2)采用標幺值表示電壓和電流時，便于直觀地表示變壓器的運行情況。3)對稱三相電路中任一點處，相電壓和線電壓的標幺值恒定相等，相電流和線電流的標幺值恒定相等。4)用標幺值表示時，

21、折算到高壓側或低壓側變壓器的參數(shù)恒定相等，故用標幺值計算時不必再進行折算，也不用考慮是折算到哪一側。5)方程式和算式中某些系數(shù)可以省略，簡化了方程和計算，另外，某些物理量的標幺值將具有相同的數(shù)值。,3.5　變壓器的參數(shù)測定,3.5.1　變壓器的空載試驗3.5.2　變壓器的短路試驗,3.5.1　變壓器的空載試驗,1.鐵損耗PFe2.勵磁電阻Rm、勵磁電抗Xm和勵磁阻抗Zm3.電壓比k,空載試驗,（一）目的：通過測量空載電流和一、二

22、次電壓及空載功率來計算變比、空載電流百分數(shù)、鐵損和勵磁阻抗。,（二）接線圖：,（三）要求及分析：,1）為了便于測量和安全，通常在低壓側加電壓，高壓側開路；,4）求出參數(shù),3.5.2　變壓器的短路試驗,1.額定銅損耗PCuN2.短路電阻RS、短路電抗XS和短路阻抗ZS3.阻抗電壓US,短路試驗,（一）目的：通過測量短路電流、短路電壓及短路功率來計算變壓器的短路電壓百分數(shù)、銅損和短路阻抗。,（二）接線圖：,（三）要求及分析：,1）高壓側

23、加電壓，低壓側短路；,3）同時記錄實驗室的室溫；,短路試驗所測得的功率PS包括變壓器的鐵損耗和銅損耗。根據簡化等效電路，變壓器短路時，外加電壓僅用于克服變壓器內部的漏阻抗壓降，該電壓一般只有額定電壓U1N的(5 ～10)%左右。因此，短路試驗時變壓器鐵心內的主磁通很小，使得鐵損耗PFe很小，故PFe可以忽略不計。,4）由于外加電壓很小，主磁通很少，鐵損耗很少，忽略鐵損，認為：,5）參數(shù)計算,數(shù)據結果：在短路情況下，

24、短路阻抗： 短路電阻： 短路電抗：,6）溫度折算：電阻應換算到基準工作溫度時的數(shù)值。,Rk75℃ =Rk （對銅線而言）,Rk75℃ = Rk （對鋁線而言）,Zk75℃ =,短路損耗和短路電壓也應換算到75℃的值 PkN

25、= I2N1 Rk75℃ UkN = IN1 Zk75℃,注意：另外由于實驗是在高壓側進行的，故得到的實驗參數(shù)是高壓側的數(shù)據，不用再向高壓測折算。,3.6　變壓器的運行特性,3.6.1　變壓器的外特性與電壓調整率3.6.2　變壓器的功率關系與效率特性,1)電壓調整率 是指當一次側接在額定電壓的電網上，負載的功率因數(shù)為常數(shù)時，空載與負載時二次側端電壓變化的相對值，用△U*表示。,即：,電壓調整率是表征變壓

26、器運行性能的重要指標之一,它大小反映了供電電壓的穩(wěn)定性。,由表達式可知，電壓調整率的大小與負載大小、性質及變壓器的本身參數(shù)有關。,用相量圖可以推導出電壓變化率的表達式：,3.6.1　變壓器的外特性與電壓調整率,2)變壓器的外特性,變壓器在負載運行中，隨著負載的增加，負載電流隨之增加，一、二次繞組上的電阻壓降及漏磁電動勢都隨之增加，二次繞組的端電壓U2將會降低。,,,,3.6.2　變壓器的功率關系與效率特性,1.變壓器的功率關系2.變壓

27、器的效率特性,1.變壓器的功率關系,,效率是指變壓器的輸出功率與輸入功率的比值。,效率大小反映變壓器運行的經濟性能的好壞，是表征變壓器運行性能的重要指標之一。,根據上式，可通過空載試驗和短路試驗，求出變壓器的鐵心損耗和銅損，然后計算效率。,2.變壓器的效率特性,對上式采用以下幾個假設：1)以額定電壓下的空載損耗p0作為鐵心損耗pFe，并認為鐵耗不隨負載發(fā)生變化。,2) 以額定電流時的短路損耗PKN作為銅損耗PCu，并認為銅耗與負載電流

28、的平方成正比。,3)由于變壓器的電壓調整率很小，負載時U2的變化可以不考慮。,因此：,功率公式可以寫成:,變壓器效率與負載的大小及功率因數(shù)有關。,效率特性：在功率因數(shù)一定時，變壓器的效率與負載電流之間的關系η=f(I2),稱為變壓器的效率特性。,特性分析：1.空載時輸出功率為零，所以η=0。2.負載較小時，損耗相對較大，功率η較低。3.負載增加，效率η亦隨之增加。超過某一負載時，因銅耗與負載電流的平方成正比增大，效率η反而降低，最

29、大效率η不一定出現(xiàn)在額定負載處，最高效率ηmax出現(xiàn)在變壓器的不變損耗等于可變損耗時，即： I2*=,為了提高變壓器的運行效益，設計時應使變壓器的鐵損耗小些。,3.7　三相變壓器的聯(lián)結組,3.7.1　三相變壓器的類型3.7.2　三相變壓器的聯(lián)結組,（一）三相變壓器組,特點是：三相磁路彼此無關。,,（二）三相心式變壓器,,,,特點是：三相磁路彼此有關聯(lián)。,3

30、.7.1　三相變壓器的類型,3.7.2　三相變壓器的聯(lián)結組,1.三相繞組的聯(lián)結方法2.繞組的同極性端3.三相變壓器的聯(lián)結組4.三相變壓器聯(lián)結組的判斷方法5.各種聯(lián)結組的應用場合,變壓器的端頭標號,1.三相繞組的聯(lián)結方法,一、二次繞組的同極性端同標志時，一、二次繞組的電動勢同相位。,一、二次繞組的同極性端異標志時，一、二次繞組的電動勢反相位。,2.繞組的同極性端,1、聯(lián)結組的定義,定義：按一、二次側線電勢的相位關系,把變壓器繞

31、組的連接分成各種不同的組合,稱為繞組的聯(lián)結組。,2、聯(lián)結組的表達形式,在三相變壓器中，對于一次繞組或二次繞組，主要采用星型和三角形兩種聯(lián)結形式。我國生產的三相電力變壓器常用Y,yn、Y,d、YN,d等三種聯(lián)結。,（1）時鐘表示法,3.三相變壓器的聯(lián)結組,,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,將一次側線電勢的向量作為時鐘的分針，始終指向12（0）點；二次側線電勢的向量作為時鐘的時針，它所指的鐘點即為變壓器的聯(lián)結組別號。,

32、鐘表上時間的確定是由分針和時針在順時針方向的夾角確定的。,,,,4.三相變壓器聯(lián)結組的判斷方法,（2）判定的步驟,①繞組的連接形式,U,V,W,U,V,W,各相繞組末端連接在一起，首端引出為星型連接。,各相繞組首、末端依次連接在一起形成回路，首端引出為星型連接。,,②相序的判定,對于星型連接U、V、W為順向序，做向量圖是按照順時針方向畫圖。,,,,U,V,W,對于星型連接，逆相序時，做向量圖依然按照順時針方向畫圖。,,,,V,W,U,對

33、于三角型連接U、V、W為順向序，做向量圖是按照順時針方向畫圖。,W,,,,U,V,W,對于三角型連接U、V、W為順向序，做向量圖是按照順時針方向畫圖。,W,,,,U,V,W,對于三角型連接為逆向序時，做向量圖是按照逆時針方向畫圖。,W,,,,U,V,W,U,V,③同名端的判斷,同名端是指一、二次側繞組相電動勢間的極性關系，用“.”標記。極性相同時為同名端，對應相電勢同向。,,,,,,反之為非同名端，對應相電勢反向。,U,u,④作向量圖判

34、定組別號,,,,U,V,W,,u,,,,v,w,,,,,組別號為：Y,y0,w,,,,U,V,W,,u,,,,v,w,,,組別號為：Y,y6,,180°,,,,U,V,W,,u,,,,,v,w,組別號為：Y,d1,,30°,,,,U,V,W,,u,,,,,v,w,,,330°,組別號為：Y,d11,U V W,,,,U,V,W,,v,,u,,w,,,,180°,組別號為：D,d6,5.各種

35、聯(lián)結組的應用場合,變壓器的聯(lián)結組很多。為了電力變壓器的制造和使用方便，其聯(lián)結組要求盡量統(tǒng)一。國家標準規(guī)定：單相雙繞組變壓器只有一種聯(lián)結組標號I，I0；三相雙繞組變壓器有五種聯(lián)結組，即Yyn0、Yd11、YNd11、YNy0、Yy0，其中以前三種最常用。,3.8　三相變壓器的并聯(lián)運行,3.8.1　理想并聯(lián)運行的條件3.8.2　聯(lián)結組對并聯(lián)運行的影響3.8.3　電壓比對并聯(lián)運行的影響3.8.4　短路阻抗的標幺值對并聯(lián)運行的影響,3.8

36、.1　理想并聯(lián)運行的條件,1)空載運行時，并聯(lián)的各臺變壓器的二次電流為零，與變壓器單獨運行時一樣。2)負載運行時，各臺變壓器所分擔的負載與它們的容量成正比，實現(xiàn)負載的合理分配。3)各臺變壓器從同一相上輸出的電流的相位相同，使輸出的總負載電流有效值等于各臺變壓器輸出電流有效值的算術和。,3.8.2　聯(lián)結組對并聯(lián)運行的影響,并聯(lián)運行的變壓器必須嚴格保證聯(lián)結組相同，否則二次側的各個繞組之間將有很大的感應電動勢差，會產生很大的環(huán)流，燒壞變壓

37、器的繞組，這是絕對不允許的。,3.8.3　電壓比對并聯(lián)運行的影響,當變壓器的變比不等時，在空載時，環(huán)流 就存在。變比差越大，環(huán)流越大。由于變壓器的短路阻抗很小，即使變比差很小，也會產生很大的環(huán)流。環(huán)流的存在，既占用了變壓器的容量，又增加了變壓器的損耗，這是很不利的。,3.8.4　短路阻抗的標幺值對并聯(lián)運行的影響,假設兩臺變壓器的電壓比和聯(lián)結組標號均相同，其短路阻抗的標幺值是否相等，關系到各臺變壓器承擔負載的比例是否合理的問題。,3.

38、9　特殊變壓器,3.9.1　自耦變壓器3.9.2　三繞組變壓器3.9.3　儀用互感器,3.9.1　自耦變壓器,1.電壓與電流的變換關系2.容量關系3.自耦變壓器的特點和應用,自耦變壓器,1.電壓與電流的變換關系,2.容量關系,自耦變壓器的輸出容量由兩部分組成。一部分容量U2I是與普通雙繞組變壓器一樣，這部分容量對應的功率是通過電磁感應由一次側傳遞到二次側的，稱為電磁功率；另一部分容量U2I1對應的功率是通過串聯(lián)繞組直接由一次側傳

39、送到二次側的，稱為傳導功率。因此，自耦變壓器的輸出容量大于二次繞組的繞組容量(繞組容量是指繞組的額定電壓與額定電流的乘積)，而普通雙繞組變壓器的輸入或輸出容量分別等于一次或二次繞組的繞組容量。,3.自耦變壓器的特點和應用,通過上述分析可知，與普通雙繞組變壓器相比，自耦變壓器輸出的容量比較大。因此，與同容量的雙繞組變壓器相比，自耦變壓器具有成本低、重量輕、體積小、效率高等優(yōu)點。電壓比k越接近于1，公共繞組的電流就越小，電磁功率也越小，傳