電機(jī)與拖動課件--第2章變壓器

1、第2章 變壓器 2 . 1 變壓器的結(jié)構(gòu)和銘牌數(shù)據(jù) 2 . 2 變壓器的空載運(yùn)行 2 . 3 變壓器的負(fù)載運(yùn)行 2 . 4 用試驗(yàn)方法測定變壓器的參數(shù) 2 . 5 變壓器的運(yùn)行特性 2 . 6 三相變壓器及聯(lián)結(jié)組標(biāo)號 2 . 7 三相變壓器的并聯(lián)運(yùn)行 2 . 8 特種變壓器 第2章 變 壓 器2.1 變壓器的結(jié)構(gòu)和銘牌數(shù)據(jù) 2 . 1 . 1 變壓器的結(jié)構(gòu)(1) 在右上圖三相油浸式電力變壓器外形圖 中:1 .銘牌 2 .信號式溫度計 3 .吸濕器 4 . 儲油柜 5.油表 6 .安全氣道 7 .氣體繼電器 8 .高壓套管 9 .低壓套管 10 .分接開關(guān) 11 .油箱 12 . 鐵心 13 .

2、繞組 14 .放油閥門 。變壓器主要部件有 鐵心、 繞組和油箱。鐵心用很薄的硅鋼片疊裝而成,疊裝時為使鐵心磁路不形成間隙,相鄰兩層鐵心疊片的接縫要互相錯開,如 右下圖所示,可以減少鐵心磁路的磁阻, 減少勵磁電流。（a）第1、3、5、7層 （b）第2、4、6、8層2 . 1 . 1 變壓器的結(jié)構(gòu)(2) 圖2 . 3 三相心式變壓器的鐵心與繞組 1 .鐵軛 2 .鐵心柱 3 .高壓繞組 4 .低壓繞組繞組是變壓器的電路部分。雙繞組變壓器的每個鐵心柱上放置兩個繞組,接電源的繞組稱為一次繞組,接負(fù)載的繞組稱為二次繞組。繞組采用同心式繞組,低壓繞組在里面,高壓繞組在外面。 2 . 1 . 2 變壓器的銘

3、牌數(shù)據(jù) 變壓器的型號是由漢語拼音字母和數(shù)字組合起來的,字母表示類型;數(shù)字分別表示額定容量和高壓側(cè)的額定電壓。例如S L 1 000 / 10表示其額定容量為 1 000 kV A及高壓側(cè)額定電壓為10 kV的三相鋁線變壓器。變壓器的額定數(shù)據(jù)有: 1 .額定容量 ,額定容量就是變壓器的額定視在功率,單位為V A或kV A; 2 .額定電壓 ,都是指線電壓,表示一次、二次繞組線電壓的額定值; 3 .額定電流 ,是變壓器在額定運(yùn)行時一次、二次繞組中的線電流。 對單相變壓器有 對三相變壓器有NS2N1NU/U2N1NI /I2N2N1N1NNIUIUS2N2N1N1NNIU3IU3S2.2 變壓器的空

4、載運(yùn)行2 . 2 . 1 變壓器空載運(yùn)行時的物理狀況 上圖是變壓器空載運(yùn)行原理圖,匝數(shù)為 的二次繞組 開路,匝數(shù)為 的一次繞組 接到電壓為 的交流電源上,便有空載電流,亦稱勵磁電流 流過,產(chǎn)生勵磁磁動勢 ,勵磁磁動勢產(chǎn)生主磁通 和漏磁通 。主磁通經(jīng)過鐵心磁路,同時與一次、二次繞組相交鏈,會在一次、二次繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 及 ;漏磁通只與一次繞組相交鏈,只在一次繞組中產(chǎn)生漏感電動勢 。 2N21uu1N21UU1U0I0I1Nm1E2E1E12 . 2 . 2 電磁量參考方向的習(xí)慣規(guī)定 1 .電源電壓 的參考方向自一次繞組的首端 指向末端 。 2 . 一次繞組電流 的參考方向?yàn)轫橂妷航?的方向

5、,即自 點(diǎn)流入,經(jīng)一次繞組由 點(diǎn)流出。 3.用右手螺旋定則 ,由 的參考方向確定 和 的參考方向。 4.用右手螺旋定則,由 的參考方向確定 和 的參考方向。同理,可由 確定 的參考方向。1U1U2U0I1U1U2U0Im1m1E2E11E2 . 2 . 3 變壓器繞組的感應(yīng)電動勢 假設(shè)變壓器中的主磁通按正弦規(guī)律變化, 其在一次繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為 (2.6) (2.7) 上式表明繞組中感應(yīng)電動勢的有效值與磁通幅值成正比,與磁通交變頻率及繞組匝數(shù)成正比。 將上兩式結(jié)合,用相量表示即為 (2.8) 同樣有 一次、二次繞組感應(yīng)電動勢有效值之比,就是變壓器的變比 (2.11) 變比等于一次、二次繞

6、組匝數(shù)之比。由 可知變比也等于空載時一次、二次繞組電壓之比。tsinmdtdNe11)90-t(sinNtcosN0m1m1)90t(sinE2)90t(sinE0101m2/fN22/N2/EEm1m11m1m144fN. 4m1144fN.j4Em2244fN.j4E21m2m121N/N)44fN. 4/(44fN. 4E/EKKE/EU/U21212 . 2 . 4 勵磁電流 在忽略繞組電阻和漏磁通時, 空載運(yùn)行的變壓器一次、二次電壓為 空載運(yùn)行變壓器的相量圖如右上圖所 示。 空載運(yùn)行時表示勵磁電流、主磁通和感應(yīng)電動勢之間關(guān)系相量圖如右下圖。 的無功分量電流 與 同相位;有功分量電流

7、與 同相位。 ,就大小而言, 可以忽略,所以也就把勵磁電流 稱為磁化電流了。 11EU2202EUU0I0rIm0aI1U0a0r0III0r0a01I. 0I0I2 . 2 . 5 空載運(yùn)行時電壓平衡方程式 漏磁通經(jīng)過的是線性磁路,其大小與勵磁電流成正比,且兩者相位相同,當(dāng)用 表示漏磁通的幅值時,則 表示單位勵磁電流產(chǎn)生的漏磁鏈,是漏電感 ,為常數(shù)。類似式(2.8),就有 (2.17) 是一次繞組的漏電抗。 考慮一次繞組的電阻和漏電抗,可得到一次繞組的電壓平衡方程式為 (2.19) 是一次繞組的漏阻抗,二次繞組沒有電流流過,其電壓表達(dá)式仍為 1)I 2/(NL011s111111N)2/(

8、j44fN.j4E010s10011IjXILj)I/I (N)2/( js11LX11011EEIRU101101101101EIZEI )jXR(IjXEIR111jXRZ2202EUU2 . 2 . 6 空載運(yùn)行時的相量圖及等值電路 變壓器空載運(yùn)行時的相量圖如 右上圖所示?？梢哉J(rèn)為 是 在某一電路如 電路上的電壓降,這樣 可以表示為 (2.20)將上式代入式(2.19)得到變壓器空載運(yùn)行時的等值電路如右下圖?？蛰d運(yùn)行的方程組為1E0ImmmjXRZ1E0m0mm1IZI )jXR(E0m10m011011I )ZZ(IZIZEIZU1011EIZU0m1IZE220EUKN/NE/EU/

9、U2121212.3 變壓器的負(fù)載運(yùn)行2.3.1負(fù)載運(yùn)行時的物理狀況及磁動勢平衡方程式 如圖所示,一次繞組接電源,二次繞組接負(fù)載阻抗 的運(yùn)行方式是變壓器的負(fù)載運(yùn)行。這時, 一次繞組電流 產(chǎn)生主磁通 和漏磁通 , 二次繞組有負(fù)載電流 流過,產(chǎn)生主磁通 和漏磁通 。由 可知,電源電壓不變時,負(fù)載運(yùn)行中鐵心的合成主磁通就等于空載時的主磁通 ,即根據(jù)磁路的歐姆定律,就有即 (2.25)負(fù)載與空載時的磁動勢相等。 LZ1I112I22m11144fN. 4EUmm21ZZZRINRINRIN/012211012211INININ2 . 3 . 2 負(fù)載運(yùn)行時的基本方程式 一次電流 產(chǎn)生的漏磁通 會在一次

10、繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 ;同理, 二次電流 產(chǎn)生的漏磁通 會在二次繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 ; 對一次繞組,當(dāng)流過的電流為 時,由式(2.22)可知其電壓平衡方程式為 對二次繞組,其感應(yīng)電動勢之和 減去繞組電阻壓降 ,就是二次繞組輸出電壓,于是有 綜合起來, 變壓器負(fù)載運(yùn)行時的基本方程組為 1I1111IjXE2I2222IjXE1I1111EIZU)EE(222222222222IRIjXEIREEU2222222IZEI )jXR(E1111EIZU2222IZEU012211INININ0m1IZE2L2IZUKE/E212 . 3 . 3 變壓器的折算法 折算法是在保持原有電磁關(guān)系不變的前提

11、下,把二次繞組的匝數(shù)變換為一次繞組的匝數(shù),對二次電磁量進(jìn)行折合的算法。 由 有 即二次電流的折算值是原值的1/K倍。 由 可知二次繞組感應(yīng)電動勢(或電壓)的折算值是原值的K倍。同理有 根據(jù)銅損耗不變求二次繞組電阻的折算值 由 有 同樣有 阻抗的折算值是原值的 倍。 2221ININK/IN/INI21222212EKEE22UKU222222)I (RIR2222222RKR)I /I (R222XKX 222ZKZ L2LZKZ 2K2.3.4 折算后的基本方程式和等值電路(1) 二次繞組向一次繞組折算后, 變壓器負(fù)載運(yùn)行時基本方程組就變?yōu)?由上述的方程組可以推導(dǎo)出與之等效的等值電路如下圖,

12、等值電路由4個阻抗串并聯(lián)組成,即 與 串聯(lián)后與 并聯(lián),然后再與 串聯(lián)接至電源電壓 ,從電源吸收電流 ,圖中 、 及 所在的三條支路呈T 字形,故稱為T形等值電路。 1111EIZU0m1IZE2222IZEU21EE021III2L2IZU2ZLZmZ1Z1U1I1ZmZ2Z2.3.4 折算后的基本方程式和等值電路(2) 圖2 . 11 簡化等值電路 圖2 . 12 用短路阻抗表示的等值電路在T形電路中 ,去掉 支路不會有大的誤差,這樣,T形電路就簡化為一字形的等值電路,如圖2 .11所示。令 稱為變壓器的短路阻抗, 為變壓器的短路電阻, 為變壓器的短路電抗,用短路阻抗表示的簡化等值電路如圖2

13、 .12所示。 )ZZ(ZL2mmZKK21KjXRZZZ21KRRR21KXXXKZKRKX2 . 3 . 5 變壓器負(fù)載運(yùn)行時的相量圖 由負(fù)載運(yùn)行時的基本方程式和T形等值電路畫出的相量圖如右上圖?？蓪⒍蝹?cè)參數(shù)向一次側(cè)折算,首先畫出 ;由 畫出 ; 由 畫出 即 ;在 超前 方位畫出 ;畫出 ;由 畫出 ;由 畫出 ;由 畫出 。右下圖(a)和圖(b)是分別帶電感性負(fù)載和電容性負(fù)載時的簡化相量圖。 依據(jù)的方程式是 2UL22Z/UI2I222222IXjIRUE2E1E1E090m1Em10Z/EI0I)I(II2011I1U111111IjXIREU21II2L2IZU1KK21I )j

14、XR(UU2 . 3 . 6 標(biāo)么值 所謂標(biāo)么值就是物理量的實(shí)際值與其基值之比,即標(biāo)么值=實(shí)際值/基值。一般都把額定值選作基值, 和 分別是一次側(cè)電壓和電流的基值; 和 分別是二次側(cè)電壓和電流的基值;這樣,一次、二次繞組漏阻抗的基值分別為 與 。 一次側(cè)、二次側(cè)電壓標(biāo)么值為 一次側(cè)、二次側(cè)電流標(biāo)么值為一次繞組漏阻抗標(biāo)么值為二次繞組漏阻抗標(biāo)么值為短路阻抗的標(biāo)么值為短路阻抗的標(biāo)么值等于短路電壓的標(biāo)么值。 1NI1NU2NU2NI1N1N1NI /UZ 2N2N2NI /UZ 1N11U/UU 2N22U/UU 1N11I /II 2N22I /II 1N11N1N1N11N11U/ZI)I /U/

15、(ZZ/ZZ2N22N2N2N22N22U/ZI)I /U/(ZZ/ZZK1NKN1NK1N1NKKUU/UU/ZIZ/ZZ2.4 用試驗(yàn)方法測定變壓器的參數(shù)2 . 4 . 1 空載試驗(yàn) 變壓器在空載狀態(tài)下進(jìn)行的試驗(yàn)稱為空載試驗(yàn), 右上圖和右下圖分別是單相及三相變壓器空載試驗(yàn)接線圖。由于 則空載時的阻抗 為 可求得由于空載電流小,銅損耗可以忽略,則有 若試驗(yàn)是在一次側(cè)進(jìn)行, 則一次繞組接額定電壓 ,二次繞組開路?？汕蟮?mZZ 0Zmm10ZZZZ010mI /UZZ20mFeFecu01IRPPPPP201NU/UK01NmI /UZ 200mI /PR 2m2mmRZX2 . 4 . 2

16、短路試驗(yàn) 做短路試驗(yàn)時,一側(cè)短路,另一側(cè)加降低了的短路電壓,使短路電流等于額定電流,圖(a)和(b)分別是單相和三相變壓器短路試驗(yàn)接線圖。上右圖是短路試驗(yàn)簡化等值電路。由于短路試驗(yàn)電壓大大低于其額定電壓,可以忽略鐵損耗,認(rèn)為短路損耗 全部為銅損耗,即結(jié)合等值電路可求得KUKNP21NK2KKKNIRIRP1NKNKKKI /UI /UZ21NKN2KKNKI /PI /PR2K2KKRZX（a）單相變壓器（b）三相變壓器2.5 變壓器的運(yùn)行特性2 . 5 . 1 外特性與電壓變化率 二次輸出端電壓隨負(fù)載電流變化的規(guī)律,稱為變壓器的外特性,如右上圖。二次繞組的開路電壓與帶負(fù)載后的電壓差值相對于開

17、路電壓的百分比值,稱為電壓變化率 ,由右下圖簡化相量圖可知, u0020220100U/ )UU(u001N001N21N100)U/ab(100U/ )UU(u001N2K12K1100U/ )sinXIcosRI (001N2K1N2K1N100U/ )sinXIcosRI (1N1I /I2 . 5 . 2 效率及效率特性 變壓器運(yùn)行損耗是鐵損耗和銅損耗。鐵損耗是不變損耗 ,額定電壓下鐵損耗等于在額定電壓下做空載試驗(yàn)時的空載損耗。銅損耗為 是短路損耗,銅損耗與負(fù)載系數(shù)的平方成正比,稱為可變損耗。 功率平衡方程式為效率為效率特性如右圖。令 可求最大效率時的 KN221NK21KcuP)I(

18、RIRPKNPKN202cuFe21PPPPPPP)P/(1P/ )P(P/P21112PPP0ddKNmPP02 . 6 三相變壓器及聯(lián)結(jié)組標(biāo)號 2 . 6 . 1 三相變壓器的連接 (1) 圖2 . 21 三相組式變壓器( Yd聯(lián)結(jié)) 圖2 . 22 三相心式變壓器( Yy0聯(lián)結(jié))由三臺相同的單相變壓器在電路上連接成三相而組成的三相變壓器,稱為三相組式變壓器,如圖2 .21所示,這類變壓器的各相磁路是獨(dú)立的;另一種是三相心式變壓器,如圖2 .22所示,不僅繞組連接成三相電路,而且三相磁路也連接成一個整體,各相磁路不是獨(dú)立的,而是互相關(guān)聯(lián)的。 2 . 6 . 1 三相變壓器的連接 (2)三相

19、變壓器繞組連接有三角形聯(lián)結(jié)和星形聯(lián)結(jié)。三角形聯(lián)結(jié)是把一相繞組的末端與另一相繞組的首端依次連接起來構(gòu)成閉合回路, 如圖(a)或(b)所示。星形聯(lián)結(jié)是把三相繞組的三個末端連接在一起作為中性點(diǎn),三個首端作為出線端,如圖(c)所示。三角形聯(lián)結(jié)用D或d表示,星形聯(lián)結(jié)用Y或y表示,一次用大寫,二次用小寫。 （a）（b）（c）2 . 6 . 2 變壓器的聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(1) 圖2 . 24 繞組的繞向和出線端標(biāo)記與感應(yīng)電動勢的相位關(guān)系 常用聯(lián)結(jié)組標(biāo)號來表示一次 、二次繞組的接線方法和一次、二次線電動勢的相位差。表示一次、二次繞組線電動勢的相位差用時鐘表示法。聯(lián)結(jié)組標(biāo)號的書寫形式是:用大、小寫字母分別表示一次、二

20、次繞組的連接方法,星形聯(lián)結(jié)用Y或y表示,三角形聯(lián)結(jié)用D或d表示,在最后的字母后邊寫上標(biāo)號數(shù)。 圖(a)中同極性端 作首端, 聯(lián)結(jié)組標(biāo)號為110;圖(b)中異極性端 作首端, 聯(lián)結(jié)組標(biāo)號為116（a）（b）2 . 6 . 2 變壓器的聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(2)右上圖是三相變壓器的接線圖,畫對應(yīng)的電勢相量圖時,先畫等邊三角形 ,三條邊表示一次繞組的三相線電動勢,由頂點(diǎn)到中點(diǎn)的三條線段表示相電動勢;將 與 重合,根據(jù)接線圖畫等邊三角形 ,由頂點(diǎn)到中點(diǎn)的三條線段表示二次繞組的相電動勢,三條邊表示三相線電動勢。用時鐘表示法 確定聯(lián)結(jié)組標(biāo)號的標(biāo)號數(shù)時,將一次的線電動勢 指向鐘面上的“ 12 ”, 二次的線電動勢 指

21、向鐘面上的鐘點(diǎn)數(shù)就是標(biāo)號數(shù),圖中 與 重合,標(biāo)號數(shù)是12,12即為0。一次、二次接為星形,聯(lián)結(jié)組標(biāo)號是111WVU1u1U111wvuUVEuvEuvEUVEYy02 . 6 . 2 變壓器的聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(3) 三相變壓器為Yd聯(lián)結(jié) 如右上圖。畫等邊三角形 ,三條邊表示一次繞組的三相線電動勢,由頂點(diǎn)到中點(diǎn)的三條線段表示相電動勢;將 與 重合,根據(jù)接線圖畫等邊三角形 ,三條邊表示二次繞組的三相線電動勢,如右下圖,當(dāng) 指向鐘面上的“ 12 ”, 指向“ 11 ”,聯(lián)結(jié)組標(biāo)號是 。 規(guī)定三相電力變壓器的五種標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)結(jié)組標(biāo)號是: Yyn0 ; Yd11 ; YNy0 ; Yy0 ; YNd11 。單相是1

22、10。111WVU1u1U111wvuUVEuvEYd112.7 三相變壓器的并聯(lián)運(yùn)行(1) 多臺變壓器,它們的一次、二次繞組都分別接到一次、二次側(cè)的公共母線上,共同向負(fù)載供電的運(yùn)行方式,稱為變壓器的并聯(lián)運(yùn)行,如右上圖所示。變壓器并聯(lián)運(yùn)行的條件是: 1 .各一次側(cè)額定電壓、各二次側(cè)額定電壓分別相等,即變比相同;2 .聯(lián)結(jié)組標(biāo)號相同;3 .短路阻抗標(biāo)么值相等。右下圖表示Yy0與Yd11并聯(lián)時二次側(cè)電壓差很大,不允許并聯(lián)。2.7 三相變壓器的并聯(lián)運(yùn)行(2) 變壓器和并聯(lián)運(yùn)行的簡化等值電路圖如下圖。 (2.69) 上式運(yùn)算復(fù)雜,可用簡化的代數(shù)方程式替代為 (2.70) 由 有 代入式(2.70)有 即IZIZKKIZIZKK1NI /II1NI /II1N1NK1N1NK1NKKU/IZ)I /U/(ZZ/ZZ1N1NKKU/IZZ1NII 1NII 1N1NKKI /UZZ1N1NKKI /UZZKKZZKKZ/Z/2.8 特種變壓器2 . 8 . 1 自耦變壓器和接觸式調(diào)壓器