四章+变压器课件.ppt

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1、第四章变压器,第四章变压器变压器类别、基本结构、额定值4.1变压器的空载运,4.1 变压器的类别、基本结构和额定值,变压器是一种静止的电能变换装置，它利用电磁感应作用，把一种形式的交流电能转换为另一种形式的同频率的交流电能。 变压器只能对交流电的电压、电流进行变换，而不能改变交流电的频率。,4.1 变压器的类别、基本结构和额定值 变压器是,4.1变压器的分类、结构及额定值,4.1.1变压器的分类,按用途分：电力变压器和特种变压器。,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：芯式变压器和壳式变压

2、器。,按冷却介质和冷却方式分：干式变压器、油浸式变压器 气体绝缘变压器。,所有变压器的基本原理都相同,4.1变压器的分类、结构及额定值4.1.1变压器的分类 按用,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,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,4.1.2变压器的基本结构,铁心绕组其他部件,变压器的基本结构,4.1.2变压器的基本结构铁心变压器的基本结构,1.铁心：磁路部分。又是套装绕组的骨架,组成部分：由心柱和铁轭两部分组成。每部分作用心柱用来套装绕组，铁轭将心柱连接起来，使之形成闭合磁路。材料为减少铁心损耗，铁心用厚0.30-0.35mm的硅钢片叠成，

3、片上涂以绝缘漆，以避免片间短路。,铁轭,心柱,4.1.2变压器的基本结构,1.铁心：组成部分：铁轭心柱4.1.2变压器的基本结构,2.绕组,定义,变压器的电路部分，用纸包或纱包的绝缘扁线或圆线（铜或铝）绕成。,一次绕组 :,输入电能的绕组。原边、一次侧,二次绕组:,输出电能的绕组。副边、二次侧,2.绕组定义 变压器的电路部分，用纸包或纱包的绝缘扁线或圆线,4.其它部件：,变压器油增强绝缘程度改善散热效果防潮,器身（铁心、绕组）,油箱,变压器油,典型的油浸电力变压器,散热器,绝缘套管,分接开关,继电保护装置等部件,4.其它部件： 变压器油器身（铁心、绕组）油箱变压器油典型,油浸式电力变压器,1信

4、号式温度计2吸湿器3储油柜4油位计5安全气道6气体继电器7高压套管8低压套管9分接开关10油箱11铁心12线圈13放油阀门,油浸式电力变压器1信号式温度计,套管瓷质引出导线，使其对地绝缘做成多级伞形,套管,4.1.3 变压器的额定数据,额定值：变压器设计、制造时的确定数值，其值规定为指定的工作条件下，变压器的发热、绝缘情况所允许的最大值。在额定状态下运行时，变压器能长期可靠稳定工作，且性能优越。,额定容量SN （VA）一次绕组额定电压U1N （线值）二次绕组额定电压U2N （线值）额定电流I1N 和I2N （线值）额定频率fN 50赫(Hz),4.1.3 变压器的额定数据 额定值：变压器设计、

5、制造时的,单相变压器三相变压器,单相变压器,4.2.1变压器空载运行时的工作原理,4.2 变压器的空载运行,变压器一次绕组接在额定电压的交流电源上，而二次绕组开路时的工作情况。,-+-+-+-+4.2.1变压器空载运行时的工作原理4.2,主磁通和漏磁通在性质上有明显的差别：1、磁路性质不同：2、功能不同：主磁通通过电磁感应将一次绕组能量传递到二次绕组，起能量传递作用；漏磁通只在一次绕组感应电势，不起传递功率作用。,主磁通和漏磁通在性质上有明显的差别：,电磁关系,u1,i10 (im),i0N1,1,m,i0r1,e1,e2=u20,e1,电磁关系u1i10 (im)i0N11mi0r1e1e,

6、u1与i0取关联方向i10与、1符合右手螺旋定则与e1、e2符合右手螺旋定则e2与u20方向相反,4.2.2.正方向规定,一次绕组（负载）按电动机惯例,二次绕组（电源）按发电机惯例,u1与i0取关联方向4.2.2.正方向规定一次绕组（负载）,4.2.3.电压平衡方程及相量图,原边,副边,1、感应电动势与主磁通,4.2.3.电压平衡方程及相量图 原边副边1、感应电动势与主,变压器电阻压降和漏电势很小，可忽略。,忽略饱和与磁滞,感应电动势与主磁通关系,相位上，滞后主磁通900电角度,变压器的匝比（变比）,变压器电阻压降和漏电势很小，可忽略。忽略饱和与磁滞感应电动势,思考：变压器的电源电压不变，仅改

7、变副边匝数，主磁通是否改变？为什么？,主磁通的大小和波形取决于电源电压的大小和波形,思考：变压器的电源电压不变，仅改变副边匝数，主磁通是否改变？,常数,2. 漏磁通、漏电动势和漏电抗,常数2. 漏磁通、漏电动势和漏电抗,用相量表示,表征漏磁通对一次绕组电磁效应的参数,常数与i10无关,用相量表示表征漏磁通对一次绕组电磁效应的参数常数,3.主磁通、主磁电动势和励磁阻抗,励磁电抗 是表征铁心磁化性能的参数,励磁电阻 是对应铁心损耗的虚拟电阻,非常数,非常数,实际运行中，电网电压波动很小，认为Zm基本保持不变,3.主磁通、主磁电动势和励磁阻抗励磁电抗 是表,4.2.4基本方程式及等效电路,4.2.4

8、基本方程式及等效电路,空载电流（励磁电流）分析,励磁电流呈尖顶波形。,1、磁路不饱和时励磁电流为正弦波,电网电压为正弦波，主磁通也为正弦波,2、磁路不饱和时,空载电流（励磁电流）分析励磁电流呈尖顶波形。1、磁路不饱,励磁电流,产生主磁通所需要的电流，用 表示。,空载运行时，空载电流就是励磁电流，即,励磁电流包括两个分量，一个是磁化电流 , 一个是铁耗电流 。,磁化电流激励铁心中的主磁通，是无功分量；,铁耗电流是从电源吸收铁耗功率的反映，是有功分量。,励磁电流产生主磁通所需要的电流，用 表示。空载运行时,相量图,相量图,思考: 某单相变压器额定电压为380V/220V,额定频率为50HZ。如误将

9、低压边接到380V电源，变压器将会发生一些什么异常现象？, 答案： 由于 U204.44fN2mU20由220伏变到380伏，增加了 倍，则主磁通m也增 加了 倍，磁路饱和程度增加，因而励磁电流I0大大增 加，有可能烧毁线圈。,思考: 答案：,变压器的一次绕组接到交流电源，二次绕组接到负载阻抗时，二次绕组中便有电流流过，这种情况称为变压器的负载运行。,1.负载运行时的电磁物理现象,4.3 变压器的负载运行,变压器的一次绕组接到交流电源，二次绕组接到负,图2-8 变压器的负载运行,i1,u2,变压器负载时电磁关系,变压器负载时电磁关系,2.磁动势平衡方程式,负载运行时，仍然有：,电源电压不变，因

10、此负载运行和空载运行时的主磁通近似相等。 主磁路饱和程度不变，磁阻相等。,负载运行和空载运行时的磁动势相等。,2.磁动势平衡方程式负载运行时，仍然有： 电源,忽略励磁电流分量，则：,负载电流分量：,一次侧电流由励磁电流分量和负载电流分量构成。,二次侧电流的增加或减少必然引起一次侧电流的增加或减少，表明通过电磁作用，变压器将能量从一次侧传递到二次侧，即变压器为能量传递装置。,忽略励磁电流分量，则：负载电流分量：一次侧电流由励磁电流分量,3.变压器负载运行时电压平衡方程式,变压器负载运行时磁动势、磁通、电动势之间的关系,磁动势,磁通,电动势,3.变压器负载运行时电压平衡方程式变压器负载运行时磁动势

11、、,3.变压器负载运行时电压平衡方程式,3.变压器负载运行时电压平衡方程式,在研究变压器的运行问题时，希望有一个既能正确反映变压器内部电磁关系，又便于工程计算的等效电路，来代替具有电路、磁路和电磁感应联系的实际变压器。下面从变压器的基本方程出发，导出此等效电路。,4.4 变压器的等效电路及相量图,在研究变压器的运行问题时，希望有一个,1.基本方程组,利用这些方程式可以进行定量计算，从而能精确的研究和分析变压器的各种运行性能。但是变压器的一次、二次绕组的匝数不等，且有六个未知数，使得这组方程的求解变得相当的繁琐。,各物理量均为相值。,1.基本方程组利用这些方程式可以进行定量计算，从而能精确的研,

12、4.4.1变压器的等效电路,1.绕组归算 （A）方法 通常是把二次绕组归算到一次绕组，也就是假想把二次绕组的匝数变换成一次绕组的匝数，而不改变一次和二次绕组原有的电磁关系。,建立等效电路，除了需要把一次和二次侧磁通的效果作为漏抗压降，主磁通和铁心绕组的效果作为激磁阻抗来处理外，还需要进行组归算.,归算的目的：仅仅为了简化变压器的研究方法。,4.4.1变压器的等效电路 1.绕组归算,（B）原则,只要归算前后二次绕组的磁动势保持不变，则对一次绕组来说，变换是等效的； 即一次绕组将从电网吸收同样大小的功率和电流，并有同样大小的功率传递给二次绕组。,4.4.1变压器的等效电路,归算原则：1）保持二次侧

13、磁动势不变； 2）保持二次侧各功率或损耗不变。,（B）原则 只要归算前后二次绕组的磁动势保持,.,电流的归算: 归算前、后二次绕组的磁动势保持不变，可得：,(2)电动势的归算: 归算前、后二次绕组的磁动势保持不变，则铁心中的主磁通保持不变，可得：,.电流的归算:(2)电动势的归算:,(3)阻抗的归算: 归算前、后二次绕组的传输功率、损耗保持不变，可得：,电压类：折算值=实际值k,电流类：折算值=实际值/k,阻抗类：折算值=实际值 k2,总结,(3)阻抗的归算:电压类：折算值=实际值k电流类：折算值=,归算后，变压器的基本方程变为 :,归算后，变压器的基本方程变为 :,4.4.2 T形等效电路,

14、由基本方程式推导等效电路：,4.4.2 T形等效电路由基本方程式推导等效电路：,第四章+变压器课件,T形等效电路,4.4.3 形等效电路,将激磁支路移到电源端，对变压器的运行计算不会带来明显的误差。,4.4.3 形等效电路将激磁支路移到电源端，对变压器的运,4.4.4 简化等效电路,在分析变压器重载或者满载时，可以进一步忽略励磁电流。,短路阻抗,4.4.4 简化等效电路 在分析变压器重载或者,第四章+变压器课件,4.5 变压器的参数测定,4.5.0 问题的提出,变压器的使用者在计算分析变压器的运行情况时，需要知道变压器的参数，如k、Z1、Z2、Zm等，但是在变压器的产品目录和铭牌上通常是没有这

15、些参数的，而且对变压器具体的材料型号和尺寸大小也不清楚，所以只能通过试验测定法来测定这些参数。,4.5 变压器的参数测定4.5.0 问题的提出,4.5.1 变压器的空载试验,通过变压器的空载试验，可以测量出一次侧加额定电压U1N时二次侧开路电压U2、空载损耗P0，空载电流I0；从而计算出变比k、励磁阻抗Zm。,1、实验目的,2、实验接线图,4.5.1 变压器的空载试验通过变压器的空载试验，可以测量,3、实验原理,3、实验原理,4、三个注意点,1、对于三相变压器，试验测定的电压、电流都是线值，计算时必须根据绕组的联结方式，换算成相值；测出的功率是三相的总功率，除以三，取一相的功率进行计算。,2、

16、变压器的励磁电阻不是真实电阻，而是用来等效变压器铁耗的模拟电阻，不存在随温度变化的问题，不需要进行温度折算。,3、Zm与饱和程度有关，电压越高，磁路越饱和，Zm越小。所以应以额定电压下测读的数据计算励磁参数,4、三个注意点1、对于三相变压器，试验测定的电压、电流都是线,4.5.2 变压器的短路试验,通过变压器的短路试验，可以测量出额定短路电流I1N时一次侧电压UK、短路损耗Pk；从而计算出短路阻抗Zk。,1、实验目的,2、实验接线图,4.5.2 变压器的短路试验 通过变压器的短路,温度折算（以铜线变压器为例）：,3、实验原理,温度折算（以铜线变压器为例）：3、实验原理,5、两个注意点,1、三相

17、变压器试验测定的电压、电流都是线值，计算时必须根据绕组的联结方式，换算成相值；测出的功率是三相的总功率，除以三，取一相的功率进行计算。,5、两个注意点1、三相变压器试验测定的电压、电流都是线值，计,若用高压绕组额定电压的百分数来表示，则为：,2、短路电压或者阻抗电压：变压器的短路试验时，当绕组中的电流达到额定值，加在高压绕组上的电压Uk。,若用高压绕组额定电压的百分数来表示，则为： 2、短路电压或者,4.6 标幺值,1. 定义,某一物理量的实际值与选定的基值之比。,若U1=150V，U2=250V，取100V作为两电压的基值，则：,4.6 标幺值1. 定义 某一物理量的实际,标幺值实质： 基值

18、标为一（幺即为一）后，该物理量的相对值。,2. 基值的选取原则,一、选取的基值必须遵循物理关系的约束。,对于单相电路的计算而言， U、I、Z和S四个基本物理量的基值中，只要选定两个，剩下的两个基值可以根据下式来确定：,标幺值实质：2. 基值的选取原则一、选取的基值必须遵循物理关,二、一般取各物理量的相额定值作为基值。,单相变压器一次侧各物理量的基值为：,三相变压器一次侧各物理量基值可以按如下方法选择：,一次绕组为星形联结：,一次绕组为三角形联结：,二、一般取各物理量的相额定值作为基值。 单相变压器一次侧各物,三、同一侧电路的同类物理量要用同一个基值。,二次绕组向一次绕组折算后，就和一次侧绕组属

19、于同一电路，因此，二次侧绕组各物理量的折算值以一次侧绕组相应物理量的相额定值作为基值。,电压类：U1、E1、E1 、U2、E2、E2的基值均为U1b。,电流类：I1、Im、I2 的基值均为I1b。,阻抗类：Z1、Zm、R1、Rm、X1 、Xm、Z2、R2、X2的基值均为Z1b。,三、同一侧电路的同类物理量要用同一个基值。,四、不同侧电路的物理量要用不同的基值。,变压器的一次侧物理量的基值用一次侧的额定值，二次侧物理量的基值用二次侧的额定值。,3. 采用标幺值的优点,（1）采用标幺值表示电压、电流时，可以直观的看出变压器的运行情况。,在不知道它的额定值的情况下，是无法判定其运行工况的。,四、不同

20、侧电路的物理量要用不同的基值。 变压,（2）不论变压器容量是大是小，用标幺值表示时，各个参数和典型的性能数据通常都在一定的范围以内，因此便于比较和分析。,变压器出于额定电压下一半额定电流运行,满载运行,半载运行,1/4负载运行,（2）不论变压器容量是大是小，用标幺值表示时，各个参数和典型,（3）用标幺值表示时，归算到高压侧或低压侧时变压器的参数恒相等，故用标幺值计算时不必再进行归算。,（4）某些物理量的标幺值将具有相同的数值。,4、标幺值的缺点是没有量纲，无法用量纲关系来检查。,（3）用标幺值表示时，归算到高压侧或低压侧时变压器的参数恒相,4.7 变压器的运行特性,4.7.1 外特性和电压变化

21、率 变压器外特性是指当U1=U1N，cos2=常数时，副边端电压随负载电流变化的规律，即：U2=(I2)曲线。,有外特性U2=(I2)和效率特性=(I2),4.7 变压器的运行特性 有外特性U2=(I2,1. 电压变化率,电压变化率是表征变压器运行性能的重要指标之一,它大小反映了供电电压的稳定性。,定义：当一次侧电压保持为额定值，负载功率因数为常值，从空载到负载时二次侧电压变化的百分值，用u表示。,通常约为5%,1. 电压变化率 电压变化率是表征变压器运行,2、电压调整率的实用计算公式,2,b,假设为感性负载,0,a,c,p,d,2、电压调整率的实用计算公式2b假设为感性负载0acpd,b,0

22、,a,c,p,d,2,b0acpd2,3、外特性,假设 为常数，,3、外特性假设 为常数，,4.7.2 效率和效率特性,1、效率定义,2、计算方法,1）直接负载法：不准确；对于大型变压器，负载不具备。,2）间接法：准确；简单方便。,4.7.2 效率和效率特性1、效率定义2、计算方法1）直接负,变压器的损耗说明：,铁损耗与外加电压大小有关，而与负载大小基本无关，称为不变损耗。,铜损耗大小与负载电流平方成正比，称为可变损耗。,1、铁耗,2、铜耗,变压器的损耗说明：铁损耗与外加电压大小有关，而与负载大小基本,第四章+变压器课件,3、效率特性,变压器的空载试验测得 ，短路试验测得 。,当铜损耗等于铁损

23、耗(可变损耗等于不变损耗)时,变压器效率最大：,负载系数,3、效率特性变压器的空载试验测得 ，短路试验测得,4.8 三相变压器,4.8.1 三相变压器磁路系统,1、三相变压器组,特点：三相磁路彼此无关联；适用于巨型变压器。,4.8 三相变压器4.8.1 三相变压器磁路系统1、三相变,2、三相芯式变压器,特点：三相磁路彼此有关联；耗材少，价格低，占地少，维护简单。,2、三相芯式变压器特点：三相磁路彼此有关联；耗材少，价格低，,4.8.2 三相变压器的电路系统,1、变压器的联结法,表1 绕组端头标号,4.8.2 三相变压器的电路系统1、变压器的联结法绕组名称三,星形连接：Y、y；三角形连接：D、d

24、。,三相变压器可以联结成如下几种形式：（1）Y，y或YN，y或Y，yn；（2）Y，d或YN，d；（3）D，y或D，yn；（4）D，d。,星形连接：Y、y；三角形连接：D、d。三相变压器可以联结成如,2、高、低压绕组的相电动势相位关系,1）同名端及判别：,同名端的定义,同名端的标志通常标以相同的符号*或,同名端的判断1)观察绕向法：,2、高、低压绕组的相电动势相位关系1）同名端及判别：同名端的,2)直流电流法：,互为同名端的两个端点在任意时刻极性都相同，且同名端总是成对出现的。,主要器材： 直流电流表一只， 干电池一节,合上开关s：1）指针正偏，则A，a互为同名端2）指针反偏，则A，x互为同名端

25、,注意：应用此法时，为了减少对电流表的冲击。应把电流表接到变压器的低压侧。,2)直流电流法： 互为同名端的两个端点在任意时,3）高、低压绕组相电动势相位关系的确定,高、低压绕组相电动势的正方向统一规定为：从绕组的首端指向末端。,若高、低压绕组的首端（或末端）互为同名端，则相电动势同相位；若首端（或末端）和低压绕组的末端（或首端）互为同名端，则相电动势反相位 。,3）高、低压绕组相电动势相位关系的确定 高、低,3、相量图,3、相量图,根据三相变压器高、低压绕组线电动势的相位关系，将变压器绕组的连接分成各种不同的组号，这称为绕组的联结组。,3、高、低压绕组的线电动势相位关系：联结组,1）联结组：,

26、理论和实践证明，无论采用怎样的连接方式，一、二次侧线电动势的相位差总是300的整数倍。,联结组号共有12个组号。,一般用联结法的符号加数字来表示联结组，,根据三相变压器高、低压绕组线电动势的相位关系,2）联结组的判定方法：时钟表示法,高、低压绕组线电动势相量三角形的重心重合，将高压绕组线电动势相量作为长针指向0点，将低压绕组相应的线电动势相量作为短针，它指向的钟点就是联结组的组号。,2）联结组的判定方法：时钟表示法 高、低压绕组线电动势,3）三相变压器的连接组别,简化示意,3）三相变压器的连接组别简化示意,3）三相变压器的连接组别,Y，y0联结组,对Y，y联结而言，可得0，2，4，6，8，10

27、等六个偶数组号。,(,b,),3）三相变压器的连接组别 Y，y0联结组 对Y，y联,Y，d9联结组,对Y，d联结而言，可得1，3，5，7，9，11等六个奇数组号。,3）三相变压器的连接组别,Y，d9联结组 对Y，d联结而言，可得1，,4、标准联结组 Y，yn0 ； Y，d11；YN，d11； YN，y0 ；Y，y0五种，前三种常用。在实际电力系统中所用变压器至少有一侧绕组接成d接。,4、标准联结组,4.10特种变压器器,一、自耦变压器,1.定义,变压器的一次绕组和二次绕组中有一部分是共同绕组，称为自耦变压器。,串联绕组,公共绕组,4.10特种变压器器一、自耦变压器1.定义变压器的一次绕组和,2

28、.与普通变压器的区别,1）输出电压可调节,2）没有隔离作用,串联绕组,公共绕组,2.与普通变压器的区别1）输出电压可调节2）没有隔离作用串联,3. 普通两绕组变压器改接成自耦变压器时，电压比和额定容量的变化。,改为自耦变压器后，,电压比Ka：,当普通双绕组变压器时：,3. 普通两绕组变压器改接成自耦变压器时，电压比和额定容量的,感应功率,传导功率,Ka越接近于1，传导功率所占的比例越大，经济效果越显著。,4.应用,自耦变压器的视在功率由两部分组成：,感应功率传导功率 Ka越接近于1，传导功率所占,二、仪用互感器,1.电压互感器,2）实质是降压变压器,3）二次侧额定电压设计为100V,4）相当于变压器的空载运行,5）不能短路运行,6）为了安全起见，二次侧和铁心必须可靠接地,1）与主电路并联,二、仪用互感器1.电压互感器2）实质是降压变压器3）二次侧额,2.电流互感器,2）二次侧额定电流设 计为5A或1A,3）不能开路运行,4）为了安全起见，二次侧和铁心必须可靠接地,1）与主电路串联,使用时相当于一台处于短路状态的升压变压器。,2.电流互感器2）二次侧额定电流设 计为5A或1A3）不,