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1、电机学变压器的基本作用原理与理论分析,本章内容,1 电力变压器的基本结构和额定值,电力变压器的基本结构,220kV变压器,1 电力变压器的基本结构和额定值,变压器加工照片,1 电力变压器的基本结构和额定值,铁芯 硅钢片叠装而成，0.2mm0.35mm厚，通常为冷轧有取向为了进一步降低空载电流、空载损耗，上层与下层叠片接缝错开，称为交叠装配,单相 三相,1 电力变压器的基本结构和额定值,单相，四片式铁芯交叠方法,三相，六片式铁芯交叠方法,1 电力变压器的基本结构和额定值,绕组变压器绕组一般为绝缘扁铜线或绝缘圆铜线在绕线模上绕制而成。为便于制造、在电磁力作用下受力均匀以及机械性能良好，绕组线圈作成
2、圈形。按照绕组在铁芯中的排列方法分类，变压器可分为铁芯式和铁壳式两类 基本型式：同芯式，交叠式 绕组同芯套装在变压器铁心柱上，低压绕组在内层，高压绕组套装在低压绕组外层，以便于绝缘。,1 电力变压器的基本结构和额定值,1 电力变压器的基本结构和额定值,铁壳式变压器变压器的铁芯柱在中间，铁轭在两旁环绕，且把绕组包围起来 结构比较坚固、制造工艺复杂，高压绕组与铁芯柱的距离较近，绝缘也比较困难 通常应用于电压很低而电流很大的特殊场合，例如，电炉用变压器。这时巨大的电流流过绕组将使绕组上受到巨大的电磁力，铁壳式结构可以加强对绕组的机械支撑，使能承受较大的电磁力。,1 电力变压器的基本结构和额定值,变压
3、器油电力变压器绕组与铁心装配完后用夹件紧固，形成变压器的器芯。变压器器芯装在油箱内，油箱内充满变压器油。变压器油是一种矿物油，具有很好的绝缘性能。变压器油起两个作用：绝缘：绕组与绕组、绕组与铁心及油箱之间 散热：热量通过油箱壳散发，油箱有许多散热油管，以增大散热面积。采用内部油泵强迫油循环，外部用变压器风扇吹风或用自来水冲淋变压器油箱,1 电力变压器的基本结构和额定值,油箱机械支撑、冷却散热、保护作用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。,1 电力变压器
4、的基本结构和额定值,绝缘套管绝缘套管由中心导电杆与瓷套组成。导电杆穿过变压器油箱、在油箱内的一端与线圈的端点联接，在外面的一端与外线路联接。在瓷套和导电杆间留有一道充油层充油套管当电压等级更高时，在瓷套内腔中常环绕着导电杆包上几层绝缘纸简，在每个绝缘纸简上贴附有一层铝箔，则沿着套管的径向距离，绝缘层和铝箔层构成串联电容器，使资套与导电杆间的电场分布均匀套管外形常做成伞形，电压愈高、级数愈多。,1 电力变压器的基本结构和额定值,变压器的额定值额定容量SN制造厂所规定的在额定条件下使用时输出能力的保证值。单位为VA或kVA。对三相变压器指三相的总容量。额定电压由制造厂所规定的变压器在空载时额定分接
5、头上的电压保证值。单位为V或kV。当变压器初级侧在额定分接头处接有额定电压U1N，次级侧空载电压即为次级侧额定电压U2N。对三相变压器，铭牌上的额定电压指线电压额定电流额定容量除以各绕组的额定电压所计算出来的线电流值。单位用A或kA。电力变压器的额定频率是50Hz,1 电力变压器的基本结构和额定值,单相变压器三相变压器,2 变压器的空载运行,空载指一侧绕组接到电源（初级 1），另一侧绕组（次级 2）开路。,1 电磁物理现象2感应电动势3电压变比4激磁电流,5 励磁特性的电路模型6 漏抗7 电路方程 等效电路 相量图,2 变压器的空载运行,电磁物理现象,空载电流i0，i1i0。全部用以激磁激磁电
6、流im，i0im激磁电流产生激磁磁势imN1，建立交变磁场,2 变压器的空载运行,空载运行：原边接额定电压u1n的电源，副边开路原边绕组电流i0为空载电流，产生空载励磁磁势F0=I0N1,F0产生磁通,分为主磁通和漏磁通两部分磁路不同，因而磁阻不同。主磁通同时交链初级、次级绕组，又称为互磁通，路径为沿铁芯而闭合的磁路，磁阻较小。漏磁通1只交链初级绕组，称初级侧漏磁通，它所行经的路径大部分为非磁性物质，磁阻较大。功能不同。主磁通通过互感作用传递功率，漏磁通不传递功率。,2 变压器的空载运行,各量的电磁关系：,2 变压器的空载运行,正方向箭头方向表示正方向规定电流的正方向与该电流所产生的磁通正方向
7、符合“右手螺旋”定则，规定磁通的正方向与其感应电势的正方向符合“右手螺旋”定则。电流正方向与电势正方向一致。e的正方向与电流同方向。这样e1=N1d/dt 成立,2 变压器的空载运行,感应电动势、电压变比,2 变压器的空载运行,变比初级电压与次级空载时端点电压之比。电压变比k 决定于初级、次级绕组匝数比。略去电阻压降和漏磁电势,2 变压器的空载运行,励磁电流忽略电阻压降和漏磁电势，则U1E14.44fN1m。mU1即：当外施电压U1为定值，主磁通m也为一定值问题：一台结构已定的变压器当外施电压为已知，需要电源提供多大的激磁电流呢?激磁电流包括哪些成分呢?答：决定于变压器的铁芯材料及铁芯几何尺寸
8、。因为铁芯材料是磁性物质，激磁电流的大小和波形将受磁路饱和、磁滞及涡流的影响。,2 变压器的空载运行,(一)磁路饱和影响当Bm0.8T，磁路末饱和状态、磁化曲线f(i)呈线性，导磁率是常数。当 按正弦变化，i亦按正弦变化。,2 变压器的空载运行,如Bm0.8T，磁路开始饱和，f(i)呈非线性，随i增大导磁率逐渐变小。磁通为正弦波，i为尖顶波，尖顶的大小取决于饱和程度。,磁路饱和影响,磁化电流I，I与m同相位。I滞后于-E1 90，I具有无功电流性质，它是激磁电流的主要成分。,2 变压器的空载运行,2 变压器的空载运行,（二）磁滞现象的影响激磁电流是不对称尖顶波，把它分解成两个分量。（1）对称的
9、尖顶波，它是磁路饱和所引起的，即磁化电流分量i。（2）近似正弦波，电流分量ih，频率为基波频率，磁滞电流分量，ih与-E1同相位，是有功分量电流。,2 变压器的空载运行,(三)涡流对励磁电流的影响交变磁通在铁芯中感应电势，在铁芯中产生涡流及涡流损耗。涡流电流分量Ie由涡流引起的，与涡流损耗对应，Ie与-E1同相位。由于磁路饱和、磁滞和涡流三者同时存在，激磁电流实际包含I、Ih和Ie三个分量；又由于Ih和Ie同相位，合并称为铁耗电流分量，用IFe表示。,2 变压器的空载运行,激磁特性的电路模型,Xm是主磁通引起的电抗，为励磁电抗,2 变压器的空载运行,漏抗描述漏磁电势的电路参数。由于漏磁通所经路
10、径主要为非磁性物质（空气），磁阻为常数。即漏磁通与产生该漏磁通的电流成正比且同相位，漏电感亦为常数,2 变压器的空载运行,空载电压方程、等效电路和相量图,2 变压器的空载运行,U2（参考方向）、E2E1与U2方向一致m超前E1 90度Im超前m 一个角度U1,3 变压器的负载运行,负载运行是指一侧绕组接电源，另一侧绕组接负载运行。,初级、次级电流间的约束关系,表明当有负载电流时,初级电流I1应包含有二个分量。其中Im用以激励主磁通。I1L所产生负载分量磁势I1LN1，用以抵消次级磁势I2N2对主磁路的影响。激磁电流的值决定于主磁通m，即决定于E1。,u1E1=4.44fN1m,磁势平衡式,3
11、变压器的负载运行,负载运行电磁关系,3 变压器的负载运行,基本方程式,3 变压器的负载运行,归算绕组归算用一假想的绕组替代其中一个绕组使成为k1的变压器。归算量在原符号加上标号 区别，归算后的值称为归算值或折算值。原则：归算不改变实际变压器内部的电磁平衡关系次级侧归算到初级侧保持初级绕组匝数N1不变设想有一个匝数为N2=N1的次级绕组，用它来取代原有匝数为N2的次级绕组。满足变比：kN1/N21。初级侧归算到次级侧,3 变压器的负载运行,电流的归算归算前后磁势应保持不变物理意义：当用N2N1替代了N2，其匝数增加了k倍。为保持磁势不变。次级电流归算值减小到原来的1k倍。电势的归算归算前后次级边
12、电磁功率应不变物理意义：当用N2替代了N2，其匝数增加到k倍。而主磁通 m及频率f均保持不变，归算后的次级电势应增加k倍。,3 变压器的负载运行,电阻的归算归算前后铜耗应保持不变物理意义：当用N2替代N2后，匝数增加到k倍，次级绕组长度增加到k倍；次级电流减到为原来的l/k倍，归算后的次级绕组截面积应减到原来的lk倍，故归算后的次级电阻应增加到原来的k2倍。（绕组本身没有变化）漏抗的归算归算前后次级漏磁无功损耗应保持不变物理意义：绕组的电抗和绕组的匝数平方成正比。由于归算后次级匝数增加了k倍，故漏抗应增加到k2倍。,归 算,一)次级电流的归算值,二)次级电势的归算值,三)电阻的归算值,四)漏抗
13、的归算值,副方归算到原方：原方量不变 副方电流除以K 副方电压(势)乘以K 副方电抗(阻)乘以K2,原方归算到副方：副方量不变 原方电流乘以K 原方电压(势)除以K 原方电抗(阻)除以K2,3 变压器的负载运行,折算到一次侧的方程式组,3 变压器的负载运行,T形等效电路图,3 变压器的负载运行,3 变压器的负载运行,相量图作图步骤首先选定一个参考相量、且只能有一个参考相量。常以U2为参考相量，根据给定的负载画出负载电流相量I2。根据次级侧电压平衡式E2U2+I2Z2可画出相量E2，由于E1E2，因此也可画出相量E1。主磁通m应超前E1 90，激磁电流又超前m一铁耗角。由磁势平衡式I1=Im+(
14、-I2)求得I1。由初级侧电压平衡式U1=-E2+I1Z1求得I1。,3 变压器的负载运行,近似等效电路把激磁支路移至端点处。计算时引起的误差不大：变压器的激磁电流(即空载电流)为额定电流的3-8，（大型变压器不到1）。,3 变压器的负载运行,简化等效电路 略去激滋电流（支路）常用于定性分析,4 标么值,标么值定义对各个物理量选一个固定的数值作为基值，取实际值与基值之比称为该物理量的标么值标么值用下标“*”基值（采用下标“b”）电压基值额定电压 U1b=U1N,U2b=U2N 电流基值额定电流 I1b=I1N,I2b=I2N 功率基值额定容量 SbSN 阻抗基值额定电压与额定电流之商初级、次级
15、侧各物理量应采用不同基值,4 标么值,标么值的优点1计算方便，容易判断计算错误 因为取额定值作为基值，当实际电压为额定电压和实际电流为额定电流时，用标么值计算就作为1。2采用标么值计算同时也起到了归算作用 这是由于初级、次级侧分别采用了不同基值，且已包含有变比关系。3采用标么值更能说明问题,空载试验测定激磁电阻rm和激磁电抗xm短路试验计算参数rk和xk,5 参数测定方法,5 参数测定方法,空载实验测定激磁电阻rm和激磁电抗xm,试验可在高压侧测量也可在低压侧测量，视实际测量方便而定。如令高压侧开路，在低压侧进行测量，测得的数据是低压侧的值，计算的激磁阻抗也是归算至低压侧的值。,5 参数测定方
16、法,通过调压器给变压器供电，调压器输出电压U10,从1.2UN到0.3UN 取8-9点，每点均测出P0，I0，U20。可得空载特性曲线，u0=f(I0)激磁参数值随饱和而变化。为反映变压器运行时的磁路饱和情况，空载试验时应调整外施电压等于额定电压。令U0为外施每相电压，I0为每相电流，P0为每相输入功率即等于每相的空载损耗。,5 参数测定方法,短路实验计算参数rk和xk,短路试验应降低电压进行。控制短路电流不超过额定值。短路试验可以在高压侧测量而把低压侧短路，也可在低压侧测量而把高压侧短路。二者测得的数值不同，用标么值计算则相同。,5 参数测定方法,试验开始时应注意调压器输出应调到零，然后从0
17、开始，慢慢调节，并监视电流表，使短路电流Ik1.25IN时停止升压，防止过大电流产生，对变压器不利。记录数据Uk，Ik，从1.25IN到0.5IN测56点。由于Uk低，铁心中低，故Pk中所含铁耗较小，可忽略铁耗，故Pk中只含铜耗。Uk表示每相电压，Ik表示每相电流，Pk表示每相输入功率即等于每相短路损耗电阻随温度而变化，如短路试验时的室温为()，按标准规定应换算到标准温度75时的值。,5 参数测定方法,短路试验时，使短路电流恰为额定电流的外施电压u k，称为u kN。以额定电压百分数表示，称为短路电压百分数短路电压百分数去掉100符号，就是短路电压标么值uk不能太小，也不能太大。uk太大时，变
18、压器空载时电压高，负载时电压压降较多。uk太小时，变压器接额定电压短路时电流太大。,短路电压的有功与无功分量,例2-1，2-2,2-1 一台三相变压器，额定容量为2500kVA，额定电压为60/6.3kV，Yd连接，25度下试验数据如下：求近似等效电路参数,6 变压器的运行性能,电压变化率 电压变化程度由于变压器内部存在着电阻和漏抗，负载时产生电阻压降和漏抗压降，导致次级侧电压随负载电流变化而变化。设外施电压为额定电压，取空载与额定负载两种情况下的次级侧电压的算术差与空载电压之比定义为电压变化率(又称电压调整率),6 变压器的运行性能,根据简化向量图推导出电压变化率的简化计算公式如下U=(Rk
19、*cos2+Xk*sin2+(Rk*cos2-Xk*sin2)2/2)100%注意：U的大小与短路阻抗的标幺值Zk*（Rk*、Xk*）、负载大小（I2*）和负载性质（cos2）有关；短路阻抗的标幺值Zk*，U越大，负载变化时，负载电压波动较大 感性负载时，U0，二次侧端电压U2随负载电流I2的增大而下降；容性负载时，U可能小于0，二次侧端电压可能随负载电流I2的增加而升高。,电压变化率与负载性质,U与负载电流的功率因数有关,6 变压器的运行性能,6 变压器的运行性能,变压器的效率效率：输出功率与输入功率之比输入功率是输出功率与全部损耗之和损耗p初级绕组铜耗pcu1=I12r1次级绕组铜耗pcu2I22r2铁芯损耗pFeIm2rm=P2/P1=P2/(P2+p)=(P1-p)/P1间接法计算效率_损耗分离法,6 变压器的运行性能,6 变压器的运行性能,当负载的功率因数保持不变，效率随负载电流而变化的关系称为效率曲线不变损耗p0-不随负载电流变化可变损耗2PkN-随负载电流二次方变化极值条件：当可变损耗等于不变损耗时效率达到最大一般=0.50.6,
