華北電力電機(jī)學(xué)變壓器工作原理運(yùn)行分析課件

1、第一章第一章 變壓器的基本工作原理和結(jié)構(gòu)變壓器的基本工作原理和結(jié)構(gòu) 第二章第二章 變壓器運(yùn)行分析變壓器運(yùn)行分析 第三章第三章 三相變壓器三相變壓器 第四章第四章 三繞組變壓器、自耦變壓器和互感器三繞組變壓器、自耦變壓器和互感器第五章第五章 變壓器并聯(lián)運(yùn)行變壓器并聯(lián)運(yùn)行 第六章第六章 變壓器的瞬變過(guò)程變壓器的瞬變過(guò)程 教學(xué)要求教學(xué)要求(1) 了解變壓器的用途、分類(2) 了解變壓器的主要結(jié)構(gòu)(3) 掌握變壓器的基本工作原理(4) 掌握變壓器的額定參數(shù)1-1 變壓器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用變壓器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用GG發(fā)電廠發(fā)電機(jī)發(fā)電廠升壓主變壓器低壓動(dòng)力及照明負(fù)荷高壓動(dòng)力負(fù)荷廠用降壓變壓器發(fā)電機(jī)直饋線3

2、80/220V10.5kV3kV115230kV35kV10kV發(fā)電廠發(fā)電機(jī)10kV用戶3kV高壓動(dòng)力負(fù)荷低壓動(dòng)力及照明負(fù)荷發(fā)電廠升壓主變壓器變電站降壓變壓器變電站降壓變壓器用戶配電變壓器380/220V輸電線圖1-1 簡(jiǎn)單的輸配電系統(tǒng)示意圖1-1 變壓器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用變壓器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用1.1.電力傳輸電力傳輸 2.2.變壓器的容量變壓器的容量 1-2 變壓器的基本工作原理及分類 基本工作原理結(jié)構(gòu)原則：結(jié)構(gòu)原則：原繞組，或一原繞組，或一次繞組，簡(jiǎn)稱為原邊或一次繞組，簡(jiǎn)稱為原邊或一次。次。下角標(biāo)以下角標(biāo)以“1”，如，如 u1 等。等。副繞組，或二次繞組，簡(jiǎn)副繞組，或二次繞組，簡(jiǎn)稱為副邊

3、或二次。下角標(biāo)稱為副邊或二次。下角標(biāo)以以“2”，如，如 u2 等等。1i1u1e1w2w2e2i2uLZAXax圖1-2 變壓器原理示意圖1-2 變壓器的基本工作原理及分類變壓器的基本工作原理及分類 基本工作原理 工作原理：工作原理：1i1u1e1w2w2e2i2uLZAXax圖1-2 變壓器原理示意圖21212211wweedtdwedtdwe副邊電動(dòng)勢(shì)原邊電動(dòng)勢(shì) 只要適當(dāng)改變繞組的匝數(shù)，就可以改變?cè)边呺妱?dòng)勢(shì)之比以達(dá)到改變電壓的目的。這就是變壓器的基本工作原理 。1-2 變壓器的基本工作原理及分類 變壓器的分類按用途分：?jiǎn)蜗嘧儔浩鞫嘞嘧儔浩魅嘧儔浩靼聪鄶?shù)分：?jiǎn)蜗嘧儔浩鲉蜗嘧儔浩魅嘧儔浩?/p>

4、三相變壓器1-2 變壓器的基本工作原理及分類按繞組形式分：雙繞組變壓器多繞組變壓器三繞組變壓器自耦變壓器干式變壓器干式變壓器油浸式變壓器油浸式變壓器干式變壓器油浸式變壓器自冷風(fēng)冷強(qiáng)迫油循環(huán)按冷卻介質(zhì)分:強(qiáng)迫油循環(huán)電力變壓器強(qiáng)迫油循環(huán)電力變壓器心式變壓器殼式變壓器按鐵心形式分：三相變壓器的鐵心結(jié)構(gòu) 鐵心疊片主要部分：鐵心 + 繞組 = 器身1-3 變壓器的基本結(jié)構(gòu)變壓器的基本結(jié)構(gòu) 變壓器的基本結(jié)構(gòu)變壓器的基本結(jié)構(gòu)鐵心鐵心 作用：磁路的構(gòu)成部分。作用：磁路的構(gòu)成部分。 為了減少鐵心中的磁滯和渦流損耗，鐵心均用為了減少鐵心中的磁滯和渦流損耗，鐵心均用0.350.5mm厚的熱厚的熱軋軋 或冷軋硅鋼片疊

5、或冷軋硅鋼片疊成，片間涂以成，片間涂以0.010.013mm厚的漆膜，以避免片間厚的漆膜，以避免片間 短路。短路。 繞組繞組 作用：作用：電路的組成部分，用紙包、紗包或漆包的絕緣扁線或圓線繞成電路的組成部分，用紙包、紗包或漆包的絕緣扁線或圓線繞成 。 感應(yīng)電勢(shì)、通過(guò)電流、實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。感應(yīng)電勢(shì)、通過(guò)電流、實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。 絕緣結(jié)構(gòu)絕緣結(jié)構(gòu) 作用：實(shí)現(xiàn)變壓器的絕緣，包括外部絕緣和內(nèi)部絕緣。作用：實(shí)現(xiàn)變壓器的絕緣，包括外部絕緣和內(nèi)部絕緣。油箱和其它附件油箱和其它附件 作用：鐵心和繞組組成變壓器的器身，器身放置在裝有變壓器油的油箱內(nèi)，作用：鐵心和繞組組成變壓器的器身，器身放置在裝有變壓器油的油

6、箱內(nèi)， 在油浸變壓器中，變壓器油既是絕緣介質(zhì)，又是冷卻介質(zhì)。在油浸變壓器中，變壓器油既是絕緣介質(zhì)，又是冷卻介質(zhì)。三相變壓器的鐵心和繞組三相變壓器的鐵心和繞組變電站中的變電站中的220KVA三相變壓器三相變壓器作作 用用:通過(guò)改變?cè)褦?shù)通過(guò)改變?cè)褦?shù),進(jìn)行電壓調(diào)整進(jìn)行電壓調(diào)整分接開(kāi)關(guān)無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓:變壓器原變壓器原副邊都不帶電的情況下副邊都不帶電的情況下,切切 換分接開(kāi)關(guān)換分接開(kāi)關(guān);稱無(wú)勵(lì)磁分接開(kāi)關(guān)稱無(wú)勵(lì)磁分接開(kāi)關(guān);有載調(diào)壓有載調(diào)壓:帶負(fù)載時(shí)切換分接開(kāi)關(guān)帶負(fù)載時(shí)切換分接開(kāi)關(guān),稱有載分接開(kāi)稱有載分接開(kāi)關(guān)關(guān). 分接開(kāi)關(guān)一般裝在高壓邊分接開(kāi)關(guān)一般裝在高壓邊.調(diào)壓范圍一般為調(diào)壓范圍一般為UN+-5%1

7、-4 變壓器的額定值變壓器的額定值額定容量額定容量 指在額定狀態(tài)下變壓器的視在功率額定容量以伏安指在額定狀態(tài)下變壓器的視在功率額定容量以伏安(VA)、千伏安、千伏安(KVA)或兆伏安或兆伏安(MVA)為單位。對(duì)三相變壓器，額定容量指三相的總?cè)萘?。為單位。?duì)三相變壓器，額定容量指三相的總?cè)萘?。額定電壓額定電壓 以伏（以伏（V）或千伏（）或千伏（kV）為單位。對(duì)三相變壓器，額定電壓指線電壓。）為單位。對(duì)三相變壓器，額定電壓指線電壓。額定電流額定電流 以安（以安（A）或千安（）或千安（kA）為單位。對(duì)三相變壓器，額定電壓指線電流。）為單位。對(duì)三相變壓器，額定電壓指線電流。額定頻率額定頻率 以赫茲（以

8、赫茲（Hz）為單位。我國(guó)額定工頻為）為單位。我國(guó)額定工頻為50Hz。注：注：1）額定工作狀態(tài)下變壓器的效率、溫升等數(shù)據(jù)，均屬于額定值。）額定工作狀態(tài)下變壓器的效率、溫升等數(shù)據(jù)，均屬于額定值。 2) 除額定值以外，銘牌上還標(biāo)有變壓器的相數(shù)，聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)和繞組聯(lián)除額定值以外，銘牌上還標(biāo)有變壓器的相數(shù)，聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)和繞組聯(lián) 結(jié)圖、阻抗電壓等結(jié)圖、阻抗電壓等 。1-4 變壓器的額定值變壓器的額定值 變壓器的額定值變壓器的額定值1）雙繞組變壓器原、副邊容量按相等進(jìn)行設(shè)計(jì)。雙繞組變壓器原、副邊容量按相等進(jìn)行設(shè)計(jì)。單相變壓器：NNNNNNNNNNNUSIUSIIUIUS22112211三相變壓器：NNNNNNN

9、NNNNUSIUSIIUIUS2211221133332）U1N指電源加到變壓器原邊的電壓；指電源加到變壓器原邊的電壓； U2N指原邊加上額定電壓時(shí)的副邊開(kāi)指原邊加上額定電壓時(shí)的副邊開(kāi) 路電壓，空載電壓，副邊電流為零。路電壓，空載電壓，副邊電流為零。3）一般情況下，當(dāng)一般情況下，當(dāng)U1 U1N和和I2 I2N時(shí)，時(shí)， U2 U2N ，這是由于變壓器有，這是由于變壓器有 阻抗壓降之故，因此，此時(shí)一般阻抗壓降之故，因此，此時(shí)一般S2 S2N 。4）分析變壓器和電機(jī)時(shí)，所說(shuō)的負(fù)載一般是指電流而不是阻抗，負(fù)載的增分析變壓器和電機(jī)時(shí)，所說(shuō)的負(fù)載一般是指電流而不是阻抗，負(fù)載的增 減是指電流的增減。當(dāng)副邊電

10、流為額定電流時(shí)，稱為額定負(fù)載。減是指電流的增減。當(dāng)副邊電流為額定電流時(shí)，稱為額定負(fù)載。型號(hào) 型號(hào)表示一臺(tái)變壓器的結(jié)構(gòu)、額定容量、電壓等級(jí)、冷卻方式型號(hào)表示一臺(tái)變壓器的結(jié)構(gòu)、額定容量、電壓等級(jí)、冷卻方式等內(nèi)容，表示方法為等內(nèi)容，表示方法為如如OSFPSZ-250000/220OSFPSZ-250000/220表明自耦三相強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷三繞組銅線有載調(diào)壓，額表明自耦三相強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷三繞組銅線有載調(diào)壓，額定容量定容量250000kVA250000kVA，高壓額定電壓，高壓額定電壓220kV220kV電力變壓器。電力變壓器。112233NNNNNSUIUI11 3NNNSUI三相變壓器的額定電壓，額

11、定電流指線電流 , = 3llUYUII接：1111 333NNNNNUSIUI , 3llIUUI接(d)：1111 333NNNNNISUUI 1122 -3 - 3 -NNNNNNSIUSIU 線電流線電流教學(xué)要求教學(xué)要求(1) 基本方程式、相量圖和等效電路圖基本方程式、相量圖和等效電路圖(2) 變壓器的折合算法變壓器的折合算法(3) 標(biāo)么值標(biāo)么值(4) 運(yùn)行性能運(yùn)行性能2-1 變壓器各電磁量的規(guī)定正方向變壓器各電磁量的規(guī)定正方向所謂所謂規(guī)定正方向，就是用一箭頭表示該電磁量為正時(shí)之方向。這些箭頭并不規(guī)定正方向，就是用一箭頭表示該電磁量為正時(shí)之方向。這些箭頭并不表示某一瞬間各物埋量的實(shí)際方

12、向，它們只起指路牌的作用。若某一物理量表示某一瞬間各物埋量的實(shí)際方向，它們只起指路牌的作用。若某一物理量與規(guī)定正方向一致，則為正，反之，則為負(fù)。換言之，若所求出之值為正，與規(guī)定正方向一致，則為正，反之，則為負(fù)。換言之，若所求出之值為正，則說(shuō)明所求瞬間的實(shí)際方向與規(guī)定正方向一致；反之，若求出之值為負(fù)，則則說(shuō)明所求瞬間的實(shí)際方向與規(guī)定正方向一致；反之，若求出之值為負(fù)，則所求瞬間的實(shí)際方向與規(guī)定正方向相反。所求瞬間的實(shí)際方向與規(guī)定正方向相反。注：正方向可以任意規(guī)定，但由于電磁規(guī)律是一定的，因此不同的規(guī)定正方注：正方向可以任意規(guī)定，但由于電磁規(guī)律是一定的，因此不同的規(guī)定正方向，列出的方程式其正負(fù)號(hào)不相

13、同，所以每當(dāng)我們?cè)诹蟹匠淌健嬒嗔繄D之向，列出的方程式其正負(fù)號(hào)不相同，所以每當(dāng)我們?cè)诹蟹匠淌?、畫相量圖之前必須首先規(guī)定正方向。然而，選取正方向有一定的習(xí)慣，稱為慣例，我國(guó)前必須首先規(guī)定正方向。然而，選取正方向有一定的習(xí)慣，稱為慣例，我國(guó)常用的變壓器的慣例如圖所示。常用的變壓器的慣例如圖所示。 運(yùn)行：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行：穩(wěn)態(tài),暫態(tài)暫態(tài) 穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài):對(duì)稱對(duì)稱,非對(duì)稱非對(duì)稱 對(duì)稱對(duì)稱:空載空載,負(fù)載負(fù)載2-1 變壓器各電磁量的規(guī)定正方向變壓器各電磁量的規(guī)定正方向 U1從A到X的電壓降方向。I1 由A流入原繞組的方向。這種規(guī)定稱為“電動(dòng)機(jī)慣例”。原邊正向電流按右手螺旋產(chǎn)生正向磁通的方向。(注意線圈的繞向)E1 習(xí)

14、慣上取與電流I1 正方向一致LZAXax圖2-1 變壓器各物理量規(guī)定正方向1U2U2I1I1E2E根據(jù)根據(jù)楞次定律 ：dtdwe11原邊：原邊：2-1 變壓器各電磁量的規(guī)定正方向變壓器各電磁量的規(guī)定正方向 副邊：I2 與E2規(guī)定正方向一致，即由a流入副繞組的方向。U2 從x到 a的電壓降方向。這種規(guī)定稱為“發(fā)電機(jī)慣例”。LZAXax圖2-1 變壓器各物理量規(guī)定正方向1U2U2I1I1E2E2-2 變壓器的空載運(yùn)行一、電磁過(guò)程分析1U1E1E20U0I20I 12E01I R1U0I001FI W1E11E2E以單相為例: 空載定義:2-2 變壓器的空載運(yùn)行二、磁場(chǎng)分析1U1E1E20U0I20

15、I 12E1U0I001FI W1E11E2E1.主磁場(chǎng) 2.漏磁場(chǎng)路經(jīng)，作用，特點(diǎn)2-2 變壓器的空載運(yùn)行 二、磁場(chǎng)分析綜上可知，主磁通和漏磁通的性質(zhì)不同，主要表現(xiàn)在：綜上可知，主磁通和漏磁通的性質(zhì)不同，主要表現(xiàn)在： 1） 由于鐵磁材料存在飽和現(xiàn)象，主磁通與建立它的電流由于鐵磁材料存在飽和現(xiàn)象，主磁通與建立它的電流 i i0 0之之間成非線性關(guān)系；而漏磁通由于主要沿非鐵磁材料閉合，它與間成非線性關(guān)系；而漏磁通由于主要沿非鐵磁材料閉合，它與電流電流i i0 0保持線性關(guān)系。保持線性關(guān)系。 2） 在電磁關(guān)系上，主磁通在原、副繞組內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，副方在電磁關(guān)系上，主磁通在原、副繞組內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，副方

16、如果接上負(fù)載，則在電動(dòng)勢(shì)作用下向負(fù)載輸出電功率，所以主如果接上負(fù)載，則在電動(dòng)勢(shì)作用下向負(fù)載輸出電功率，所以主磁通起傳遞能量的作用；漏磁通僅在原邊感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，只起電磁通起傳遞能量的作用；漏磁通僅在原邊感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，只起電壓降的作用，不能傳遞能量。壓降的作用，不能傳遞能量。 2-2 變壓器的空載運(yùn)行 三、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分析 推導(dǎo)： m2m22m1m1m1111m1m111m44. 4244. 42222)2sin()2sin(cossinfwjwjEfwjfwjwjEEtEtwtwdtdwetmm同理：效值為：用相量表示其電動(dòng)勢(shì)有令：1、主磁通感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)2-2 變壓器的空載運(yùn)行1、主電勢(shì)分析變壓器的變比

17、：在變壓器中，原邊電動(dòng)勢(shì)變壓器的變比：在變壓器中，原邊電動(dòng)勢(shì)E E1 1和副邊電動(dòng)勢(shì)和副邊電動(dòng)勢(shì)E E2 2之比稱為變壓器之比稱為變壓器的變比，用的變比，用k k表示，即：表示，即： 21212144. 444. 4wwfwfwEEkmm討論：討論：1）變壓器的變比等于原、副繞組的匝數(shù)比。當(dāng)變壓器空載運(yùn)行時(shí)，變壓器的變比等于原、副繞組的匝數(shù)比。當(dāng)變壓器空載運(yùn)行時(shí)， 由于原邊由于原邊U U1 1 E E1 1 ，副邊空載時(shí)的電壓，副邊空載時(shí)的電壓 U U2020 E E2 2 ，故可近似的用，故可近似的用 原、副邊的電壓之比作為變壓器的變比。原、副邊的電壓之比作為變壓器的變比。 20121UUE

18、Ek 2 2）對(duì)三相變壓器來(lái)說(shuō)，變比是指相電動(dòng)勢(shì)的比值，近似為相電壓）對(duì)三相變壓器來(lái)說(shuō)，變比是指相電動(dòng)勢(shì)的比值，近似為相電壓 的比值。務(wù)必注意！的比值。務(wù)必注意！2-2 變壓器的空載運(yùn)行 2、漏電動(dòng)勢(shì)分析推導(dǎo)：mfwjE11144. 4mmmmmmfwjwjEEtEtwdtdwet1111111111111144. 422)2sin()2sin(sin為：用相量表示，其有效值則：令：2-2 變壓器的空載運(yùn)行四、電動(dòng)勢(shì)和電流分析a. 漏電勢(shì)和電流關(guān)系漏電勢(shì)和電流關(guān)系 ：小而變化。亦為常數(shù)，不隨電流大為常數(shù)，不飽和，閉合，磁路磁通是通過(guò)非鐵磁物質(zhì)為漏磁路磁導(dǎo)。由于漏稱為原繞組的漏電抗。稱為原繞組的

19、漏電感。式中：1111210110101111101110101001112)2(222xwIwIwIwxLxIwLIjxILjIIwjEmmm注意：注意：漏磁通經(jīng)非鐵磁材料閉合，與空載電流成線性關(guān)系。相量之比等于漏磁通經(jīng)非鐵磁材料閉合，與空載電流成線性關(guān)系。相量之比等于數(shù)值之比。數(shù)值之比。10ZmmmmmmmmEI ZZrjxrjxr 式中：為激磁阻抗, 為鐵耗等效電阻。b. 主電勢(shì)和電流關(guān)系主電勢(shì)和電流關(guān)系 ：21101100( 2)22mmmmwwI wxwII2-2 2-2 變壓器的空載運(yùn)行變壓器的空載運(yùn)行c.電動(dòng)勢(shì)平衡方程式2-2 變壓器的空載運(yùn)行五、空載電流分析 1. 1. 空載電

20、流的大小和相位空載電流的大小和相位11EU1EaI0rI00I0m圖2-3 空載電流向量變壓器的空載電流可視為由兩部分組成：磁化分量i0r：它的作用是產(chǎn)生主磁通，是空載電流的無(wú)功分量。它與主磁通 同相位。 鐵耗分量i0a ：它和電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的有功功率供給鐵耗， 是空載電流的有功分量。它與電壓降 （-E1） 同相位。20200000000000cossinarararIIIIIIIIII2-2 變壓器的空載運(yùn)行 1. 空載電流的大小和相位空載電流的大小除決定于外加電壓、原繞組匝數(shù)外，還取決于鐵心材料性質(zhì)（包括磁導(dǎo)率和損耗）尺寸及飽和程度,其大小可通過(guò)一等效電路來(lái)說(shuō)明 AX11U1E0IAX1r1j

21、xaI0rI0mgmjb1UAX1r1jx1Umrmjx1E(a)(b)(c)圖2-4 空載時(shí)的等效電路oIoI2-2 變壓器的空載運(yùn)行 1. 空載電流的大小和相位圖中：rm稱為鐵耗等效電阻或激磁電阻。它是表征鐵心損耗的一個(gè)等效參數(shù)，空載電流I0在rm上產(chǎn)生的損耗等于鐵耗，即：20fempI rxm稱為激磁電抗，它是對(duì)應(yīng)于主磁通的電抗。 Xm與主磁路的磁導(dǎo)成正比，因而它是表征鐵心磁化性能的一個(gè)參數(shù)。由于主磁路存在飽和現(xiàn)象， xm不是常數(shù)。由等效電路可知：稱為激磁阻抗。式中：或：mmmmmmjxrEIZIjxrIEZZm100012-2 變壓器的空載運(yùn)行結(jié)論：I0的大小2212210mmmmxr

22、UxrEI由于主磁通遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于漏磁通，所以xm x1 ，或ZmZ1 。當(dāng)忽略鐵耗時(shí)，空載電流的大小為：110mmEUIxx2-2 變壓器的空載運(yùn)行 1. 空載電流的大小和相位結(jié)論：I0的相位11100mmmmEEEIrjxZZ由于xmrm ，所以10mmxtgr近于90。不考慮鐵耗時(shí)110mmEEIjjxx 即：0I滯后于以90。 。1E2-2 變壓器的空載運(yùn)行五、空載電流分析 2. 空載電流的波形 當(dāng)磁路不飽和時(shí)，若不考慮鐵耗的影響，則空載電流全部為磁化電流，此時(shí)i0和成線性關(guān)系。當(dāng)磁通按正弦規(guī)律變化時(shí)，i0也按正弦規(guī)律變化。2. 空載電流的波形由于磁路飽和，空載電流 與由它產(chǎn)生的主磁通 呈非

23、線性關(guān)系。0it0i3211230i當(dāng)磁通按正弦規(guī)律變化時(shí)，空載電流呈尖頂波形。實(shí)際空載電流不是正弦波，但為了分析、計(jì)算和測(cè)量的方便，在相量圖和計(jì)算式中常用正弦的電流代替實(shí)際的空載電流。2-2 變壓器的空載運(yùn)行 2. 空載電流的波形討論：尖頂波的激磁電流可分解為基波及3，5，7等一系列奇次諧波，除基波外，主要是三次諧波， 如圖2-7所示。0it00i01i03i圖2-7 把尖頂波分解為基波和三次諧波2-2 變壓器的空載運(yùn)行五、空載電流分析 2. 空載電流的波形結(jié)論：從上面分析可見(jiàn)，空載電流i0不是正弦波，因此，用向量表示時(shí)，必須取它的基波。但工程上為了便于測(cè)量和計(jì)算，常采用等效正弦波的概念，即

24、采用一個(gè)等效的正弦波來(lái)代替實(shí)際的空載電流。其等效條件如下：（1）等效正弦波電流的頻率等于實(shí)際電流i0的頻率。（2）等效正弦波電流的有效值I0等于實(shí)際電流i0的有效值，即（3）等效正弦波電流 的相位這樣來(lái)確定，它應(yīng)使得 與 相作用時(shí) 被吸收的功率等于鐵耗，即 2220010305IIII0I0I1E101 0cosfepE I2-2 變壓器的空載運(yùn)行六、變壓器空載運(yùn)行時(shí)的方程式、相量圖和等效電路 1. 五個(gè)基本方程式)5()4(44. 4)3()2(44. 4) 1 (2202210111111EUfwjEZEIfwjEZIEUmmm 2. 相量圖1Um202UE1E00IorIoaI1xI j

25、orIo圖 2-9 空 載 時(shí) 相 量 圖討論：變壓器空載時(shí)功率因數(shù)很低，這是由于空載電流基本上是一個(gè)感性無(wú)功電流，即變壓器在工作時(shí)要從電網(wǎng)吸收一個(gè)滯后的無(wú)功電流進(jìn)行激磁。2-2 變壓器的空載運(yùn)行 3. 等效電路AX1r1jx1Umrmjx1E圖2-10 變壓器空載時(shí)的等效電路oI結(jié)論：1）在忽略漏阻抗壓降的情況下，主磁通 m的大小取決于電源電壓、頻率和原繞組的匝數(shù)，而與磁路所用材料性質(zhì)和尺寸基本無(wú)關(guān)。2）磁路的材料性質(zhì)、尺寸只決定產(chǎn)生m所需激磁電流I0的大小，材料的導(dǎo)磁性能愈好，磁路截面積愈大，則I0愈小。3)磁路的飽和程度不僅影響激磁電流I0的大小，而且影響激磁電流的波形，磁路愈飽和，則激

26、磁電流愈大，而且波形愈尖。4)在鐵芯變壓器里，由于有鐵耗， 與 不同相位，它們之間的夾角主要決定于鐵耗的大小。0Im2.3 變壓器的負(fù)載運(yùn)行一、 負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電磁關(guān)系變壓器一次側(cè)接在額定頻率、額定電壓的交流電源上，二次接上負(fù)載的運(yùn)行狀態(tài)，稱為負(fù)載運(yùn)行。1U1I2I2U11 1Fw I222Fw I1mmFw I1E2E11E1 1R I22E2 2R IAXax圖2-12 變壓器的負(fù)載運(yùn)行1U2I1I1E2E122ULZ2-3 變壓器的負(fù)載運(yùn)行 二. 磁動(dòng)勢(shì)分析變壓器的磁動(dòng)勢(shì)關(guān)系，或稱為磁動(dòng)勢(shì)平衡關(guān)系12mFFFAXax圖2-12 變壓器的負(fù)載運(yùn)行1U2I1I1E2E122ULZ2-3 變壓器

27、的負(fù)載運(yùn)行2121121122112211)(wwkkIIIIkIIIIwwIIwIwIwILLmmmm，式中：2-3 變壓器的負(fù)載運(yùn)行討論：1）變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)，原邊電流可以看成由兩個(gè)分量組成，一個(gè)是激磁分量 ，它的主要作用是產(chǎn)生主磁通 ，另一個(gè)是負(fù)載分量 ，它的作用是產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì) ，用以抵消副邊磁動(dòng)勢(shì) ，從而基本保證激磁磁動(dòng)勢(shì) 不變。2）變壓器通過(guò)電磁感應(yīng)作用進(jìn)行能量傳遞的原理：若忽略原繞組的漏磁壓降，則 ，再考慮 ，得因此 式中：負(fù)載時(shí)原繞組從電網(wǎng)增加輸入的一部分電功率傳遞到副繞組，變?yōu)楦崩@組獲得的電功率 。mIm1LI11LI w22I w1mI w11UE 12EEk211122LIU

28、IEEIk 1 11222coscosLU IE I2-3 變壓器的負(fù)載運(yùn)行三、負(fù)載運(yùn)行時(shí)基本方程式、等值電路1. 電動(dòng)勢(shì)平衡方程式2. 七個(gè)基本方程式LZIUZIExI jrIErIEEUZIExI jrIErIEEU2222222222222221111111111111)7()6(/)5()/()4(/)3(44. 4)2() 1 (22121121222221111LmmmmZIUZEIkIIIkEEfwjEZIEUZIEU2-3 變壓器的負(fù)載運(yùn)行、等效電路：AX1r1jx1U1E圖2-13 變壓器原、副邊等效電路mnpq2E1I2I2jx2raxLZ2U2-3 變壓器的負(fù)載運(yùn)行四、變

29、壓器的歸算值（匝數(shù)折合）AX1r1jx1U1E圖2-13 變壓器原、副邊等效電路mnpq2E1I2I2jx2raxLZ2U2-3 變壓器的負(fù)載運(yùn)行.匝數(shù)折合折合原則：1)原邊電路情況不變，即主磁場(chǎng) 不變；2)副邊對(duì)原邊的影響不變，即副邊的磁動(dòng)勢(shì)不變；3)有功和無(wú)功損耗不變。折合方法：用一匝數(shù)與一次繞組匝數(shù)相同的二次繞組代替真實(shí)二次繞組折合后變化規(guī)律：)凡是單位為伏的物理量（電動(dòng)勢(shì)、電壓等）的歸算值等于其原來(lái)的數(shù)值乘以k；2)凡是單位為歐姆的物理量（電阻、電抗、阻抗等）的歸算值等于其原來(lái)的數(shù)值乘以k2；3)電流的歸算值等于原來(lái)數(shù)值乘以1/km2-3 變壓器的負(fù)載運(yùn)行2.折合后變壓器的等效電路、方

30、程式、相量圖圖2-14 變壓器“T”形等效電路AX1r1jx1U1Emnpq1Iax2E2ULZ2r2x j 2I(a)AX1r1jx1U11IaxE2ULZ2r2x j 2ImI(b)mrmjxE2“T”形等效電路。 “T”形等效電路反映了變壓器的電磁關(guān)系，因而能準(zhǔn)確地代表實(shí)際變壓器。1()mmmEIrjx2-3 變壓器的負(fù)載運(yùn)行)7()6()5()()4()3(44. 4)2() 1 (22121121122221111LmmmmZIUZEIIIIEEfwjEZIEUZIEU3.相量圖2-3 變壓器的負(fù)載運(yùn)行.近似（簡(jiǎn)化）等效電路 圖2-15 變壓器近似等效電路AX1r1jx1U2ULZ2

31、r2x j mImrmjx21II2-3 變壓器的負(fù)載運(yùn)行簡(jiǎn)化等效電路： 圖2-16 變壓器簡(jiǎn)化等效電路AX1U21II2ULZkrkjx212121ZZZxxxrrrkkk式中：rk、xk和Zk分別稱為變壓器的短路電阻、短路電抗和短路阻抗。討論：討論：由簡(jiǎn)化等效電路可知，)(121kkjxrIUU，當(dāng)發(fā)生穩(wěn)態(tài)短路時(shí)，當(dāng)發(fā)生穩(wěn)態(tài)短路時(shí)，短路電流kkZUI1，這個(gè)電流很大，可達(dá)額定電流的，這個(gè)電流很大，可達(dá)額定電流的1020倍。倍。2-3 變壓器的負(fù)載運(yùn)行 簡(jiǎn)化后相量圖討論：討論：應(yīng)用基本方程式作出的向量圖在理論上是有意義的，但實(shí)際應(yīng)用較為困難。因?yàn)椋瑢?duì)已經(jīng)制造好的變壓器，很難用實(shí)驗(yàn)方法把原、副

32、繞組的漏電抗 和 分開(kāi)。因此，在分析負(fù)載方面的問(wèn)題時(shí)，常根據(jù)簡(jiǎn)化等效電路來(lái)畫相量圖，如圖2-18所示。 1U1圖2-18 感性負(fù)載時(shí)的簡(jiǎn)化相量圖21IIkxI j1krI12U21x2x)(121kkjxrIUU2-3 變壓器的負(fù)載運(yùn)行結(jié)論：基本方程式、等效電路和相量圖是分析變壓器運(yùn)行的三種方法?；痉匠淌礁爬俗儔浩?中的電磁關(guān)系，而等效電路和相量圖是基本方程式的另一種表達(dá)形式，因此三者之間是一致的，究竟取哪一種表達(dá)形式，則視其具體情況而定進(jìn)行定量計(jì)算時(shí)，等效電路比較方便；討論各物理量之間大小和相位關(guān)系時(shí)，相量圖比較方便。 2-3 變壓器的負(fù)載運(yùn)行五、變壓器的功率平衡關(guān)系11 11cosPU

33、 I211 1cupI rmmferIp22 22cosMPE I 2222rIpcu2222cosPU I 1122cufeMMcuPppPPPp圖2-19 從等效電路看功率平衡關(guān)系1r1jx2r2x j 2ImImrmjx1U2ULZ1IMP2P1P1cup2cupfep1cup2cupfep2PMP1P圖2-20 變壓器功率流程圖2-4 變壓器的參數(shù)測(cè)定 1、空載實(shí)驗(yàn)1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模呵蟪鲎儽萲 、空載損耗p0和激磁阻抗Zm。2）實(shí)驗(yàn)原理圖：WAVaxAX圖2-21 變壓器空載實(shí)驗(yàn)線路圖WAa(a)單相VAAAWVVbcBC(b)三相2200012mfecufepI rIrrppp額定鐵耗空

34、載銅耗很小2-4 變壓器的參數(shù)測(cè)定 空載實(shí)驗(yàn)3）實(shí)驗(yàn)步驟：進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，高壓邊開(kāi)路，低壓邊加上額定電壓U1N，測(cè)量副邊電壓U20 、空載電流I0及空載輸入功率p0 。4）參數(shù)計(jì)算：NmmNmUUkrzxxIprrIUzz120202002000010低壓邊電動(dòng)勢(shì)高壓邊電動(dòng)勢(shì)低壓邊匝數(shù)高壓邊匝數(shù)5）繪制空載特性曲線注意：為了試驗(yàn)安全和儀表選擇方便，一般在低壓邊加 電壓，高壓邊開(kāi)路。2-4 變壓器的參數(shù)測(cè)定 空載實(shí)驗(yàn)（討論）：1）空載試驗(yàn)時(shí)，外加電壓和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)都達(dá)到額定值，鐵心磁密以及鐵耗也是正常運(yùn)行時(shí)的數(shù)值。由于空載時(shí)原邊只有激磁電流，它引起的銅耗可以忽略不計(jì)。所以輸入功率p0幾乎全部供給鐵耗p

35、fe。于是 p0 pfe。2）變壓器空載時(shí)的總阻抗為Z0= Z1+ Zm，由于Zm Z1，因此：100NmUzzI3）如果是三相變壓器，在計(jì)算激磁阻抗時(shí)，都要用一相的功率、電壓和電流值來(lái)計(jì)算。 4）由于激磁阻抗Zm隨外加電壓的大小而變化，為了使測(cè)出的參數(shù)符合變壓器的實(shí)際運(yùn)行情況，空載試驗(yàn)應(yīng)在額定電壓下進(jìn)行。 5）由于試驗(yàn)是在低壓側(cè)進(jìn)行的，故測(cè)得的參數(shù)是歸算到低壓方的數(shù)值，如果需要?dú)w算到高壓側(cè)，則必須乘以k2。 2-4 變壓器的參數(shù)測(cè)定2、短路實(shí)驗(yàn)1) 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模呵蟪鲐?fù)載損耗pk、短路阻抗Zk和短路電壓uk 。2) 實(shí)驗(yàn)原理圖：WAVaxAX圖2-22 變壓器穩(wěn)態(tài)短路實(shí)驗(yàn)線路圖WAa(a)單相V

36、AAAWVVbcBC(b)三相2-4 變壓器的參數(shù)測(cè)定 短路實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)步驟：進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，副邊短路，原邊通過(guò)調(diào)壓器接到電 源 試驗(yàn)時(shí)所加電壓必須比額定電壓低得多，以原邊電流 達(dá)到或接近額定值為止。測(cè)量這時(shí)的電壓Uk，原邊電 流Ik，和輸入功率pk。參數(shù)計(jì)算：22752227575)235()75235(kkkkCkkkkkCkCkkkkrzxrrIprxrzIUz注意事項(xiàng)：為了便于測(cè)量，穩(wěn)態(tài)短賂試驗(yàn)通常將高壓繞組接到電源，低壓繞組直接短路短路特性曲線2-4 變壓器的參數(shù)測(cè)定 短路實(shí)驗(yàn)討論：1）穩(wěn)態(tài)短路試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)原繞組電流達(dá)額定值，副繞組里電流也幾乎同時(shí)達(dá)額定值，這時(shí)繞組中的銅損耗相當(dāng)于額定負(fù)載時(shí)

37、的銅。 從簡(jiǎn)化等效電路看出，當(dāng)副邊短路而原邊電流為額定值時(shí)，原邊電壓的大小等于變壓器漏阻抗上的壓降，因此UkI1Nzk很小。由于外加電壓很低，鐵心里的主磁通很小，激磁電流以及鐵耗可以忽略，這時(shí)輸入功率pk幾乎全部供給了繞組的銅耗，因此穩(wěn)態(tài)短路測(cè)出的損耗稱為負(fù)載損耗。 2）由于繞組的電阻隨溫度而變化，而短路試驗(yàn)一般在室溫下進(jìn)行，所以測(cè)得的電阻必須換算到基準(zhǔn)工作溫度時(shí)的數(shù)值，根據(jù)國(guó)家標(biāo) 準(zhǔn)規(guī)定，油浸電力變壓器和電機(jī)的繞組應(yīng)換算由75的數(shù)值。 3）如果是三相變壓器，在計(jì)算激磁阻抗時(shí)，都要用一相的功率、電壓和電流值來(lái)計(jì)算。2-4 變壓器的參數(shù)測(cè)定 阻抗電壓所謂阻抗電壓是短路阻抗與原邊額定電流的乘積用原

38、邊額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示，即 ：%10017510NCkNkUzIu上式表明，阻抗電壓就是變壓器短路電流達(dá)額定值時(shí)原邊所加電壓用原邊額定電壓百分?jǐn)?shù)表示，故又稱短路電壓。它的有功分量ukr無(wú)功分量ukx分別為 :017511122100%100%100%NkCkrNNkkxNkkrkxIruUIxuUuuu討論：1）阻抗電壓標(biāo)在變壓器的銘牌上，它的大小反映在額定負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，漏阻抗壓降的大小，從運(yùn)行角度來(lái)看，希望阻抗壓降小一些，使變壓器輸出電壓隨負(fù)載變化波動(dòng)小一些。但阻抗電壓太小時(shí)，變壓器短路時(shí)電流太大，可能損壞變壓器。2）有功分量隨容量的增大而減小，無(wú)功分量則隨容量的增大而增大。2-5 標(biāo)么值（

39、p.u值） 標(biāo)么值標(biāo)么值：在工程計(jì)算中，把這些物理量表示成與某一選定的同單位的基值之比的形式，稱為標(biāo)么值。即標(biāo)么值的表示方法：在電機(jī)和變壓器中，常取額定值作為基值。為了區(qū)別標(biāo)么值和實(shí)際值，我們?cè)诟魑锢砹吭瓉?lái)的符號(hào)右上角加上*號(hào)以表示該物理量的標(biāo)么值。當(dāng)選用額定值為基值時(shí)，原、副邊電壓、電流的標(biāo)么值為:實(shí)際值標(biāo)么值基值*121212*121212NNNNUUUUUUIIIIII2-5 標(biāo)么值（p.u值） 標(biāo)么值標(biāo)么值的表示方法(續(xù)）：原、副繞組阻抗的基值分別取 相應(yīng)的原、副繞組漏阻抗的標(biāo)么值為 ：*112212121122NNNNNNIzIzzzzzzUzU111222/,/NNNNNNzUIz

40、UI即：阻抗的標(biāo)么值等于額定電流在阻抗上產(chǎn)生的電壓降的標(biāo)么值 。2-5 標(biāo)么值（p.u值）采用標(biāo)么值具有下列優(yōu)點(diǎn)：1）不論變壓器的容量相差多大，用標(biāo)幺值表示的參數(shù)及性能數(shù)據(jù)變化范圍很小，這就便于對(duì)不同容量的變壓器進(jìn)行比較。 ）在三相變壓器中，實(shí)際值和基值相線值一致，線值和相值的標(biāo)么值是相等的。）用標(biāo)么值表示時(shí)，歸算值和未歸算值相等。例如：2*22121212222111()/NNNNNNNNIrkIrIk rIrrrUUkUU2-5 標(biāo)么值（p.u值）采用標(biāo)么值具有下列缺點(diǎn)：標(biāo)幺值的缺點(diǎn)是沒(méi)有單位，因而物理概念不明確，而且失去了利用量綱關(guān)系來(lái)檢查某些計(jì)算好是否正確的可能性。例2-1 見(jiàn)教材p5

41、9頁(yè)。 4）采用標(biāo)幺值后，各物理量的數(shù)值簡(jiǎn)化了。 采用標(biāo)么值， 各物理量額定值的標(biāo)么 值等于1，計(jì)算更加簡(jiǎn)便。 采用標(biāo)么值后，某些物理量具有相同的數(shù)值，例如：*kNkkkkkNNNkkrkkxzIzUzUuzUUruxu2-6 變壓器的運(yùn)行性能1、變壓器的電壓調(diào)整率所謂電壓調(diào)整率是指：當(dāng)原邊接在額定頻率和額定電壓的電網(wǎng)上，空載時(shí)副邊電壓U20與在給定負(fù)載功率因數(shù)下副邊電壓U2的算術(shù)差，用副邊額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示的數(shù)值，即:2022212221100%100%100%NNNNNUUUUUUUUUU 注：變壓器負(fù)載后，由于變壓器內(nèi)部的漏阻抗壓降，導(dǎo)致副邊電壓U2與空載電壓U20不相等，通常用電壓調(diào)

42、整率來(lái)表示副邊電壓變化的程度。電壓調(diào)整率是表征變壓器運(yùn)行性能的重要數(shù)據(jù)之一，它反映了變壓器供電電壓的穩(wěn)定性。 2-6 變壓器的運(yùn)行性能1、 變壓器的電壓調(diào)整率推導(dǎo)：122kxI j121II22NU1CEPOFADBkr1IU 圖2-23 用簡(jiǎn)化相量圖求U在 的延長(zhǎng)線上作線段 及其垂線 ,有BAD22UCPAD2121sincoskkxIrIEBFCDFFCDC在一般變壓器中，由于 ，故可近似認(rèn)為 或 ，于是ADODOAOD12NUUCD 變壓器的電壓調(diào)整率若考慮 與 的差別，則電壓調(diào)整率為：122kxI j121II22NU1CEPOFADBkr1IU圖2-23 用簡(jiǎn)化相量圖求UOAOD22

43、*2*22*2*22222)sincos(21)sincos()sincos(21)sincos(kkkkkrkxkxkrrxxruuuuU1212121111111221111*2222cossin100%100%100%(cossin) 100%(cossin) 100%(cossin) 100%NkkNNNN kNkNNNNkrkxkkUUI rI xCDUUUUI rIxIIIUIUuurxl討論：1）I1/I1N= I2/I2N稱為負(fù)載系數(shù)，額定負(fù)載時(shí)， 1；l 2）電壓調(diào)整率隨著負(fù)載電流的增加而正比增加，此外還與短路阻抗和負(fù)載的功率因數(shù)有關(guān)。l l3) 在實(shí)際電壓中 ，故在純電阻負(fù)

44、載時(shí)， 電壓調(diào)整率很小。在感性負(fù)載時(shí)，U為正 值.l若負(fù)載為容性，在 U為負(fù)值，即負(fù)載時(shí)副邊電壓反而比空載電壓高。*kkxr*22sincoskkxr 2、變壓器的損耗與效率變壓器產(chǎn)生的損耗：負(fù)載損耗和鐵耗。負(fù)載損耗基本負(fù)載損耗：指電流流過(guò)線圈時(shí)所產(chǎn)生的電流電阻損耗。附加負(fù)載損耗：是指漏磁場(chǎng)引起的電流肌膚效應(yīng)，使有電阻和銅耗增加的這部分損耗，以及漏磁場(chǎng)在結(jié)構(gòu)部件中引起的渦流損耗等。附加負(fù)載損耗很難準(zhǔn)確計(jì)算，一般是把直流電阻乘上一個(gè)增大系數(shù)的辦法把它考慮進(jìn)去。基本鐵耗：變壓器鐵芯中的磁耗、渦流損耗。鐵耗附加鐵耗：包括疊片間由于絕緣損傷所引起的局部渦流損耗、主磁通在結(jié)構(gòu)部件中引起的渦流損耗以及高壓

45、變壓器中的介質(zhì)損耗等。說(shuō)明：1）負(fù)載損耗與負(fù)載電流的平方成正比，因而負(fù)載損耗又稱可變損耗。 2）鐵耗近似正比于Bm2，在已制成的變壓器中近似正比于U12 。由于變壓器的原邊電壓一般保持為U1 U1N ，故鐵耗又稱為不變損耗。 2-6 變壓器的運(yùn)行性能 2、變壓器的損耗與效率變壓器的效率：輸出功率和輸入功率之比就是效率，即：推導(dǎo)：為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，計(jì)算時(shí)作下列假定（滿足工程實(shí)際要求）：1）計(jì)算P2時(shí)，忽略負(fù)載時(shí)U2的變化。即認(rèn)為：2222222222cos()coscosNNNNIPU IUISI2）認(rèn)為負(fù)載時(shí)的鐵耗等于額定電壓下的空載損耗p0，即認(rèn)為從空載到負(fù)載， 主磁通基本不變，且忽略空載銅耗的影響，即： Pfe P0 常數(shù)3）認(rèn)為額定負(fù)載時(shí)的負(fù)載損耗等于額定電流時(shí)的短路損耗。穩(wěn)態(tài)短路試驗(yàn)時(shí)，外加電壓很低，故鐵心磁密很小，鐵耗可以忽略不計(jì)，因此短路損耗主要是負(fù)載損耗，由此可得：22221111cuekN kkNNIpI rIrpI21100%PP2-6