[工學]機械工業(yè)出版社-電機學變壓器部分.ppt

1、第 2 章 變 壓 器,2.1 變壓器工作原理和基本結構,2.2 變壓器空載運行,何謂變壓器空載運行？,變壓器空載運行分析主要研究的問題是什么？,變壓器空載運行基本的分析方法是什么？,1.變壓器各電磁量的規(guī)定正方向,2.2 變壓器空載運行,2.2 變壓器空載運行,2.2 變壓器空載運行,2.空載運行的基本物理過程,緒論部分,2.2 變壓器空載運行,2.空載運行的基本物理過程,* 、 都是最大值，一般 * 、 都是由激磁磁動勢 產(chǎn)生的。,2.2 變壓器空載運行,3.主磁通、漏磁通及其分別感應電動勢,2.2 變壓器空載運行,3.主磁通、漏磁通及其分別感應電動勢,2)一次漏磁通感應電動勢,用相量表示

2、,根據(jù)電磁感應定律,2.2 變壓器空載運行,3.主磁通、漏磁通及其分別感應電動勢,3)一次和二次繞組的電壓方程,一般電力變壓器，空載時繞組電阻壓降和漏磁通壓降很小， 可忽略不計，這樣變壓器變比有,2.2 變壓器空載運行,4.激磁電流及其波形和相位,1)激磁電流,變壓器空載運行時，鐵心上只有一次繞組中的空載電流激勵 磁場，所以變壓器的空載電流就是激磁電流,激磁電流 包含兩個分量，磁化電流分量 和鐵耗電流分 量,2.2 變壓器空載運行,4.激磁電流及其波形和相位,結論：磁路飽和時，勵磁電流 的波形應該為尖頂波，其基波分量和主磁通同相位。,2)磁化電流分量作用、波形及相位,2.2 變壓器空載運行,4

3、.激磁電流及其波形和相位,3)鐵耗電流分量作用及相位,激磁電流中磁化電流分量激勵主磁場，主磁場在鐵心磁路中 交變時會產(chǎn)生鐵耗，該損耗是有功損耗，且由激磁電流中的 鐵耗電流分量 提供，相位上 和 同相位。,激磁電流用相量可表示,2.2 變壓器空載運行,5.激磁阻抗、激磁方程及電壓方程,1)磁化電抗和鐵耗電阻及其并聯(lián)等效電路,稱為磁化電抗,稱為鐵耗電阻,其中鐵耗為,2.2 變壓器空載運行,5.激磁阻抗、激磁方程及電壓方程,2)激磁阻抗及其串聯(lián)等效電路,一般我們用一個串聯(lián)阻抗 代替上頁圖中的并聯(lián)分支，即 所謂激磁方程,稱為激磁阻抗,稱為激磁電阻,稱為激磁電抗,其中,2.2 變壓器空載運行,6.等效電

4、路及相量圖,2.2 變壓器空載運行,作業(yè)：,習題 2-1、2-2、2-3,2.3 變壓器負載運行和基本方程,1)何謂負載運行,1.負載運行的基本物理過程,2.3 變壓器負載運行和基本方程,2)基本物理過程,1.負載運行的基本物理過程,2.3 變壓器負載運行和基本方程,2.磁動勢方程及一、二次電流關系,此式稱為變壓器磁動勢平衡關系,此式稱為電流形式的磁動勢平衡關系,由于有,可得,上式說明，當變壓器負載時，一次側(cè)將增加一個負載電流 分量 ，其對應的磁動勢 以抵消二次側(cè)負載電流 產(chǎn)生的磁動勢 。,2.3 變壓器負載運行和基本方程,3.電壓方程,1)二次漏磁通、漏電抗及其感應的電動勢,仿照一次電流產(chǎn)生

5、漏磁通感應漏電動勢的分析方法可得,2.3 變壓器負載運行和基本方程,3.電壓方程,2)一、二次繞組的電壓方程及變壓器的基本方程,一、二次繞組的電壓方程,變壓器的基本方程,1.繞組歸算,目的：希望獲得一個既能反映變壓器內(nèi)部實際電氣關系，又便 于工程計算的等效電路，來代替既有電路又有磁路和電磁感應 關系的是實際變壓器。,思路：雖然前期已經(jīng)把一、二次漏磁通在繞組中感應的漏電動 勢用一、二次電流在對應的漏電抗上產(chǎn)生的等效的負壓降來處 理了，但是還沒有解決由于一、二次繞組的匝數(shù)不同導致的主 磁通在一、二次繞組中感應電動勢和電流不同，所致無法把一、 二次繞組直接建立電氣連接的問題，因此需要進行繞組歸算。,

6、方法：通常把二次繞組匝數(shù)歸算到一次側(cè)，也就是把二次繞組 匝數(shù)變換成一次繞組匝數(shù)，但不改變一二次繞組之間電磁關系。,2.4 變壓器的等效電路和相量圖,從磁動勢平衡關系來看，二次繞組對一次繞組產(chǎn)生的影響是通 過二次繞組磁動勢 來產(chǎn)生的，因此把實際的二次繞組匝數(shù) 變換成一次繞組匝數(shù)后只要保持變換前后二次繞組的磁動勢不 變即可 ，這樣從一次側(cè)來看，其電流、感應電動 勢、輸入的功率，包括傳輸?shù)蕉蝹?cè)的功率都不會變。,步驟1：電流歸算，由于歸算前后磁動勢不變 ，可 得到二次電流的歸算值,1.繞組歸算,2.4 變壓器的等效電路和相量圖,步驟2：電動勢歸算，由于歸算前后磁動勢不變，因此變壓器鐵 心內(nèi)主磁通也不

7、會變，這樣可得到二次電動勢的歸算值,步驟3：二次阻抗歸算，由于歸算前后還要保證二次回功率關系 不變，這樣可得到二次側(cè)阻抗的歸算值,同理，得,1.繞組歸算,2.4 變壓器的等效電路和相量圖,步驟4：把二次電壓方程兩邊同時乘上變比 ，可得二次電壓 的歸算值,總結：歸算后變壓器的基本方程,1.繞組歸算,2.4 變壓器的等效電路和相量圖,2.T形等效電路,1)T形等效電路,2.4 變壓器的等效電路和相量圖,2)T形等效電路形 成過程總結,2.T形等效電路,2.4 變壓器的等效電路和相量圖,2)T形等效電路形 成過程總結,2.T形等效電路,2.4 變壓器的等效電路和相量圖,3)近似等效電路和簡化等效電路

8、,近似等效電路,2.T形等效電路,2.4 變壓器的等效電路和相量圖,簡化等效電路,3)近似等效電路和簡化等效電路,2.T形等效電路,2.4 變壓器的等效電路和相量圖,3.變壓器的相量圖,已知,2.4 變壓器的等效電路和相量圖,作業(yè)：,習題 2-4、2-5、2-15、2-16 、2-17,1.變壓器空載試驗(求取 、 、 ),2.5 等效電路參數(shù)的測定,目的：通過試驗可以求出變比 、鐵損耗 及勵磁阻抗 。,2.5 等效電路參數(shù)的測定,1.變壓器空載試驗,2.5 等效電路參數(shù)的測定,1.變壓器空載試驗,2.5 等效電路參數(shù)的測定,2.變壓器短路試驗,（ 求取 、 ）,目的：通過短路試驗可以求出變壓

9、器的銅損耗 和短路阻抗 。,2.5 等效電路參數(shù)的測定,2.變壓器短路試驗,2.5 等效電路參數(shù)的測定,2.變壓器短路試驗,作業(yè): 習題 2-6、2-17、2-19,2.5 等效電路參數(shù)的測定,2.6 三相變壓器,由于電力系統(tǒng)采用三相制來供電，因此三相變壓器在電力系統(tǒng) 中應用極為廣泛。然而，三相變壓器正常運行時，可認為是在 對稱狀態(tài)下運行，簡稱對稱運行。所謂對稱運行，即一次側(cè)三 相電源電壓對稱，二次側(cè)所接負載對稱。這樣變壓器一、二次 三相電流，三相主磁場，包括一、二次感應的三相電動勢也對 稱。因此，對于三相對稱運行的變壓器可拿其中任一相來分析 （通常A相），其分析結論很容易推廣到其他兩相。那么

10、，前 面分析單相變壓器得到的結論同樣適用于三相對稱運行的變壓 器。,當然，三相變壓器相比單相變壓器也有其特殊的地方，下面就 開始討論三相變壓器的幾個特殊問題。,2.6 三相變壓器,1)三相變壓器組,一種由三個單相 變壓器組成的變 壓器組；特點： 三相磁路彼此無 關，各相都有各 自的磁路。,1.三相變壓器的磁路及對三相磁路的影響,2.6 三相變壓器,三相變壓器對稱運行時有,2)三相心式變壓器,1.三相變壓器的磁路及對三相磁路的影響,2.6 三相變壓器,1.三相變壓器的磁路及對三相磁路的影響,2)三相心式變壓器,其特點，三相磁路彼此相關，一相磁路以另外兩相磁路作為閉 合回路。,1.三相變壓器的磁路

11、及對三相磁路的影響,2.6 三相變壓器,思考：假設某勵磁電流產(chǎn)生了平頂波的主磁通，分析兩種三 相變壓器磁路結構對主磁通的影響。,1.三相變壓器的磁路 及對三相磁通的影響,2.6 三相變壓器,1.三相變壓器的磁路及對三相磁通的影響,2.6 三相變壓器,結論1 ：由于三相變壓器組的三相主磁路彼此無關，所以平頂 波磁通分解得到的基波及三次諧波磁通都沿各自的鐵心主磁路 閉合。,1.三相變壓器的磁路及對三相磁通的影響,2.6 三相變壓器,結論2 ：由于三相心式變壓器的 三相主磁路彼此相關，所以平頂 波磁通分解得到的三次諧波磁通 不可能沿著鐵心磁路閉合，會被 擠到漏磁路中去，只能沿變壓器 變壓器油、油箱壁

12、等其它路徑閉 合，這樣三次諧波磁通所遇到的 磁阻顯著增加，會大大削弱三次 諧波磁通的幅值，此種情況可認 為變壓器的主磁通近似正弦波， 而不是平頂波。,2.6 三相變壓器,2.三相變壓器繞組的聯(lián)結及對空載電流的影響,2.6 三相變壓器,2.三相變壓器繞組的聯(lián)結及對空載電流的影響,單相變壓器：正常運行時磁通最大值 往往設計在鐵心飽和段，因此變壓器空載時 與 的關系是非線性的。,結論： 對于單相變壓器，在磁路飽 和情況下， 為尖頂波， 為正弦波。,2.6 三相變壓器,2.三相變壓器繞組的聯(lián)結及對空載電流的影響,前面已知空載電流為尖頂波，通過諧波分析，空載電流除基波 電流外 ，還有3次諧波電流 ，及5

13、、7次等高次諧波電流 、 。在近似分析時認為尖頂 波的空載電流 可分解為基波電 流及3次諧波電流。,2.6 三相變壓器,2.三相變壓器繞組的聯(lián)結及對空載電流的影響,各相三次諧波電流為,2.6 三相變壓器,3.繞組聯(lián)結和磁路結構對二次電壓波形的影響,1）Yy三相變壓器,2.6 三相變壓器,那么基波電勢和3次諧波電勢合成就是為一相的感應電動勢 ， 那么合成電動勢波形是什么樣的？,1）Yy三相變壓器（變壓器組）,3.繞組聯(lián)結和磁路結構對二次電壓波形的影響,2.6 三相變壓器,結論：,實際一相電動勢波形會畸變。因此Yy三相變壓器組在實際中不能使用。,思考： 線電動勢的波形何？,1）Yy三相變壓器（變壓

14、器組）,3.繞組聯(lián)結和磁路結構對二次電壓波形的影響,2.6 三相變壓器,1）Yy三相變壓器（心式變壓器）,由于 很弱， 也很小 接近正弦。,1800KVA及以下容量的變壓器可采用此接法。,3.繞組聯(lián)結和磁路結構對二次電壓波形的影響,2.6 三相變壓器,一次,在閉合的二次繞組中產(chǎn)生三次諧波電流 ，二次產(chǎn)生三次諧波磁通，此磁通(二次)對一次三次諧波磁通起去磁作用，使三次諧波合成磁通減弱，從而三次諧波電動勢減弱。因此相電動勢 接近正弦波。,2）Yd三相變壓器,3.繞組聯(lián)結和磁路結構對二次電壓波形的影響,2.6 三相變壓器,3.繞組聯(lián)結和磁路結構對二次電壓波形的影響,2.6 三相變壓器,4.三相變壓器

15、繞組聯(lián)結組別,1）同一鐵心組上高低壓繞組電壓相位關系,同名端（同極性端）：某一瞬間，高 壓繞組某一端子相對另一端子為高電 位時，低壓繞組必有一個端子相對另 一端子也為高電位，這對應的兩個端 子稱為同名端。同名端對應的端子旁 都標記*。,為確定高低壓繞組電壓相位關系，高 低壓繞組相電壓相電壓相量正方形都 規(guī)定為尾端指向首端。,2.6 三相變壓器,4.三相變壓器繞組聯(lián)結組別,1）同一鐵心組上高低壓繞組電壓相位關系,時鐘法： 把高壓繞組電壓 相量看做分針， 并指向0點位置， 把低壓繞組電壓 相量看做時針， 它所指的鐘點， 就是單相變壓器 的組別號。,2.6 三相變壓器,4.三相變壓器繞組聯(lián)結組別,1

16、）同一鐵心組上高低壓繞組電壓相位關系,結論： 同名端都為高低壓 繞組首端，那么繞 組組別號為II0； 異名端都為高低壓 繞組首端，那么繞 組組別號為那么為 II6。,2.6 三相變壓器,4.三相變壓器繞組聯(lián)結組別,2）三相變壓器聯(lián)結組別,Yy0,2.6 三相變壓器,4.三相變壓器繞組聯(lián)結組別,2）三相變壓器聯(lián)結組別,2.6 三相變壓器,4.三相變壓器繞組聯(lián)結組別,2）三相變壓器聯(lián)結組別（Yy）,Yy2,4.三相變壓器繞組聯(lián)結組別,2）三相變壓器聯(lián)結組別（Yd）,2.6 三相變壓器,yd11,4.三相變壓器繞組聯(lián)結組別,2）三相變壓器聯(lián)結組別（Yd）,2.6 三相變壓器,yd11,4.三相變壓器

17、繞組聯(lián)結組別,2）三相變壓器聯(lián)結組別（Yd）,2.6 三相變壓器,Yd5,4.三相變壓器繞組聯(lián)結組別,2.6 三相變壓器,3）三相變壓器其它聯(lián)結組別,2.6 三相變壓器,作業(yè)： 習題 2-7、2-8、2-18,2.7 標幺值,1.標幺值的定義及表示,該物理量的標幺值用該物理量在其右上角標記“*”表示 比如一次電壓相量 的標幺值表示為 。,注意：實際值和基值的單位必須相同。,2.7 標幺值,2.標幺值的基準值的選取,2.7 標幺值,2.標幺值的基準值的選取,2.7 標幺值,3.標幺值的優(yōu)點,2.7 標幺值,3.標幺值的優(yōu)點,5)簡化計算；,4)便于一些數(shù)據(jù)的記憶和分析；,例：,當 滿載 、 過載

18、 、 欠載,例：當電流為額定值時， 短路阻抗標幺值=其壓 降標幺值,稱為負載因數(shù)，表示變壓器或電機帶載大小。,2.7 標幺值,5)簡化計算；（續(xù)1）,2.7 標幺值,5)簡化計算；（續(xù)2）,由 大小和變壓器空載等效電路圖，可以計算 大小。,因為,2.7 標幺值,4.例題【例2-1】,一臺單相變壓器 ， ， 。在 時開路和短路試驗數(shù)據(jù)如下：,試求： （1）歸算到高壓側(cè)時激磁阻抗和漏阻抗值； （2）已知 ， ，畫出T形等效電路。,2.7 標幺值,解： 一次和二次繞組的額定電流分別為,變比為,4.例題【例2-1】,2.7 標幺值,（1）歸算到高壓側(cè)的激磁阻抗和漏阻抗,4.例題【例2-1】,2.7 標

19、幺值,換算到,（2）T形等效電路如下頁所示，電路中有,4.例題【例2-1】,2.7 標幺值,T形等效電路,4.例題【例2-1】,2.7 標幺值,4.例題【例2-2】,對于例2-1的單相20000kVA變壓器，試求出激磁阻抗和漏阻抗 的標幺值。,解：從例2-1可知，一次和二次繞組的額定電壓分別為127kV和11kV，額定 電流分別為157.5A和1818.2A。,（1）激磁阻抗的標幺值,（2）漏阻抗的標幺值,4.例題【例2-2】,2.7 標幺值,4.例題【例2-2】,2.7 標幺值,由于短路試驗是在額定電流下（ ）進行的，也可以直接把實驗數(shù) 據(jù)化為標幺值來計算 ，即,然后把 轉(zhuǎn)化為 的值，即得,

20、2.7 標幺值,4.例題【例2-3】,一臺三相變壓器 ， ，Yd聯(lián)結。 當外施額定電壓時變壓器的空載損耗 ，空載電流為 額定電流的5%。當短路電流為額定電流時，短路損耗 (已換算到 時的值)，短路電壓為額定電壓的5.5% 。試 求歸算到高壓側(cè)的激磁阻抗和漏阻抗的實際值和標幺值。,解：（1）歸算到高壓側(cè)激磁阻抗和漏阻抗的實際值,高壓側(cè)的額定電流為,2.7 標幺值,4.例題【例2-3】,于是歸算到高壓側(cè)的激磁阻抗和漏阻抗的實際值為,2.7 標幺值,4.例題【例2-3】,（2）激磁阻抗和漏阻抗的標幺值,高壓側(cè)阻抗的基準值為,2.7 標幺值,4.例題【例2-3】,（2）激磁阻抗和漏阻抗的標幺值（另一種

21、求法）,2.7 標幺值,作業(yè)： 習題 2-9,2.8 變壓器的運行特性,變壓器的運行性能主要體現(xiàn)在外特性和效率特性上。 從外特性可以確定變壓器的額定電壓調(diào)準率；從效率 特性可以確定變壓器的額定效率。 這兩個數(shù)據(jù)是變壓器運行性能的主要指標。,2.8 變壓器的運行特性,1.外特性和電壓調(diào)準率,1）外特性,外特性是指變壓器一次加額定 電壓二次側(cè)負載功率因數(shù)一定 時，二次側(cè)端電壓和負載電流 大小之間的關系。,可見，負載為純阻性和感性負載時，隨著負載電流增加，二次側(cè)電壓會逐漸下降；負載為容性負載時，隨著負載電流增加，二次側(cè)電壓會略有上升。,2.8 變壓器的運行特性,1.外特性和電壓調(diào)準率,2）電壓調(diào)整率（定義）,電壓調(diào)整率是指變壓器一次接額定電壓 ,二次開路時的開路電壓(即二次額定電壓) ；帶上負載后二次電壓將發(fā)生變化，變?yōu)?， 與 的差 與 相比的比值稱為電壓調(diào)整率或電壓變化率， 用 表示：,用標幺值表示,2.8 變壓器的運行特性,1.外特性和電壓調(diào)準率,2）電壓調(diào)整率（推導）,標幺值簡化等值電路,感性負載簡化相量圖,2.8 變壓器的運行特性,1.外特性和電壓調(diào)準率,2）電壓調(diào)整率（推導）,感性負載簡化相量圖,時， 稱為額定電壓調(diào)整率，標志著變壓器的輸出電壓的穩(wěn)定程度。,思考：感性和容性負載時 的正負,變壓器的短路阻