电机与拖动PPT课件.ppt

第 2 章 变 压 器,第 2 章 变 压 器,2.1 变压器的类别,2.2 电力变压器的基本结构,2.3 变压器的铭牌和额定值,2.5 变压器的工作原理,2.6 变压器的基本方程,2.7 变压器的运行分析,2.8 变压器的参数测定,2.9 变压器的运行特性,电机与拖动,2.4 三相变压器的连接组,2.10 三相变压器的并联运行,2.11 其他类型的变压器,二.变压器的分类,一.变压器的定义 是一种同频率电压之间相互转换的静止电机。,2.1 变压器的类别,1.按用途分类,电力变压器、仪用变压器、特殊变压器、实验用变压器。,2.按结构形式分类,壳式、芯式、渐开线式。,其中，电力变压器又可细分为：升压变压器、降压变压器、联络变压器和厂用变压器。,心式变压器,低压绕组,高压绕组,附：电力变压器的外形图示,2.2 变压器的基本结构,铁轭,铁轭,壳式变压器,2.2 变压器的基本结构,单相壳式变压器,附：部分变压器的实物图,2.2 变压器的基本结构,三相油浸式电力变压器,2.2 变压器的基本结构,S9 型配电变压器（10 kV）,2.2 变压器的基本结构,大型油浸电力变压器,2.2 变压器的基本结构,大型油浸电力变压器,2.2 变压器的基本结构,干式变压器,第 2 章 变压器,树脂浇注干式变压器,特种变压器,第 2 章 变压器,隔离变压器,第 2 章 变压器,电源用变压器,单相变压器,第 2 章 变压器,5.按冷却方式分类,油浸式变压器、干式变压器、充气式变压器。,风冷,自冷,强迫油循环散热式,油浸式,壁式,波形油箱,管形油箱,3.按相数分类,单相变压器、多相变压器。,4.按每相绕组的个数分类,双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器、自耦变压器等。,一.铁芯,电力变压器的主要组成部件 铁芯、带有绝缘的绕组、变压器油、油箱、绝缘套管。,2.2 电力变压器的基本结构,1.材料,热扎硅钢片、冷扎硅钢片。,2.结构组成部分,铁芯拄和铁轭。,二.绕组,1.材料,扁铜条、铝条。,奇数层,偶数层,2.结构形式,同芯式（芯式变压器）和交叠式（壳式变压器）。,三.变压器油,作用：,增加绝缘、散热。,四.油箱,减缓呼吸作用。,五.绝缘套管,由中心导电杆与磁套所组成。,2.3 变压器的铭牌及额定值,一、三相电力变压器的铭牌,标注变压器的型号、额定数据及其他数据。,1.型号及系列,S J L/,表示相数（S为三相，D为单相）,表示冷却方式（J为油浸自冷）,表示绕组为铝线,表示额定容量（KVA）,高压绕组额定电压（KV）,3.额定电流 I1N/I2N 额定运行情况下，原、副绕组长期工作所允许的线电流值。注意：三相变压器是指线电流。,2.3 变压器的额定值,2.额定电压 U1N/U2N,额定条件下，根据绝缘和允许温升所规定的原绕组的线电压值，称为原绕组的额定电压U1N。,在原绕组加上U1N后，副绕组空载时的线电压，称为副绕组的额定电压U2N，通常高于线路额定电压的5。,注意：三相变压器是指线电压。,指视在功率的额定值，即额定条件下变压器输出功率的保证值。单位VA或KVA。单相变压器：SN=U2N I2N=U1N I1N 三相变压器：,4.额定功率（额定容量）SN,5.额定频率 fN 一般：fN=50Hz（工频）,2.3 变压器的额定值,【例】某单相变压器，额定容量SN180KVA,原、副绕组的额定电压为6000V/230V；求原、副绕组的额定电流I1N、I2N值。问该变压器的输出端能否接150KW、功率因数 cos=0.75的感性负载？,解：(1)原绕组电流为,副绕组的电流为,150KW感性负载流过的电流为,由于该负载电流大于额定电流，故不能长期投入运行。,2.3 变压器的额定值,【例】某三相变压器，Y,d 联结。向某对称三相负载供电。已知一次绕组的线电压 U1L=66 kV，线电流 I1L=15.76 A；二次绕组的线电压 U2L=10 kV，线电流 I2L=104 A。负载的功率因数 2=cos2=0.8。求该变压器一、二次绕组的相电压和相电流以及变压器输出的视在功率、有功功率和无功功率。,解：(1)一次绕组的相电压和相电流,I1P=I1L=15.76 A,(2)二次绕组的相电压和相电流 U1P=U1L=10 kV,2.3 变压器的额定值,(3)输出的视在功率、有功功率和无功功率,=1.73210104 kVA=1 800 kVA,=1.732101040.8 kW=1 441 kW,=1.732101040.6 kvar=1 080.8 kvar,2.3 变压器的额定值,【例】某三相变压器，YN,d 联结，容量SN=500 kVA，额定电压 U1N/U2N=35/11 kV。求该变压器在额定状态下运行时，高、低压绕组的线电流和相电流。,解：(1)高压绕组的额定线电流,因高压绕组为 Y 形联结，额定相电流为 I1NP=I1NL=8.25 A,2.3 变压器的额定值,(2)低压绕组额定线电流,因低压绕组为形联结，额定相电流为,2.3 变压器的额定值,6.其它 温升、阻抗电压、冷却方式、联结组标号、绕组联接图、相量图、开关位置、重量等。,2.3 变压器的额定值,联结方式 高压绕组 低压绕组 星形有中性线 YN yn 星形无中性线 Y y 三角形 D dGB:Y,yn、Y,d、YN,d、Y,y、YN,y,三相变压器三相绕组的联结方式,2.4 三相变压器的联结组(变相位),联结组：联结方式+联结组号。联结组号：表示高、低压绕组线电动势之间的相位差。1.联结组的表示方式(1)相电动势的相位关系(同名端),相位关系:,第 2 章 变压器,同名端:在同一瞬间，一、二次绕组中同时具有相同电动势方向的两个端口，即相位相同的两个端口。,(2)时钟表示法：,高压绕组的线电动势(任取一个)作分针（长针），永远指向12点；低压绕组对应的线电动势作时针（短针），它们所确定的钟点数即为联结组号。,2.9 三相变压器的联结组,可见，以上两图（单相变压器）的联结组分别为：,I,I 0 和I,I 6,2 三相变压器绕组的连接方式,(1)星形联结：,1）顺序联结的相电动势与线电动势的相量图。,2）反序联结的相电动势与线电动势的相量图。,2.9 三相变压器的联结组,(2)三角形联结：,1）顺序联结的相电动势与线电动势的相量图。,2）反序联结的相电动势与线电动势的相量图。,顺接,逆接,2.9 三相变压器的联结组,3.三相变压器的联结组,联结组：联结方式+联结组号。,4.联结组判断方法(1)由联结图确定联结方式。(2)在联结图上标出高、低压绕组的线电动势和相 电动势。(3)画出高压绕组的电动势相量图。先画相电动势相量，再画线电动势相量。,(4)画出低压绕组的电动势相量图。,先画相电动势相量，再画线电动势相量。(5)判断联结组号，写出联结组。找出某个对应的高、低压绕组的线电动势 的相位差，确定钟点数。Y/Y连接的变压器有6种联结组别，钟点为偶数；Y/d连接的变压器有6种联结组别，钟点为奇数；D/d连接的变压器有6种联结组别，钟点为偶数；标准联结组：Y,yn12、Y,d11、YN,d11、YN,y12、Y,y12、I,I12。,2.9 三相变压器的联结组,判断按下图方式联结的三相变压器的联结组。,联结组:Y,yn6,2.9 三相变压器的联结组,判断按下图方式联结的三相变压器的联结组。,联结组号:D,d6,2.9 三相变压器的联结组,2.5 变压器的工作原理,一.变压器的基本原理,u2,一次绕组,二次绕组,第 2 章 变压器,施加：u1i1 N1 i1,1,e1,e1e2,u2i2,N2 i2,2,e 2,L1 L2,二.变压器的空载运行,第 2 章 变压器,u2,变压器有关各量参考方向的规定：,1）在原绕组内，电压的参考方向与电流的参考方向一致、磁通的参考方向与电流的参考方向之间符合右手螺旋法则、绕组感应电动势的参考方向与磁通参考方向之间符合右手螺旋法则和楞次定律。,2）在副绕组内，电压的参考方向与电动势的参考方向一致。,第 2 章 变压器,u20,.电压变换,-+,令：,同理：,变压器的变比为：,三.变压器的负载运行（电流变换）,负载时的磁通势及一、二次电流关系：,由于,u2,负载时，一次回路电压方程为：,，而,可见，负载时的主磁通与空载时的主磁通近似相等，而负载运行时的励磁磁通势为一、二次绕组的合成磁通势，即：,根据磁通势平衡方程：,当：I2=I2N，I1=I1N（满载）在满载或接近满载时，I0 可忽略不计。,2.4 变压器的工作原理,电流变换,大小关系：,相位关系：,电流变换。,忽略 Z1、Z2、I0，则,|Ze|=,|Ze|=k2|ZL|,等 效,2.4 变压器的工作原理,阻抗变换,【例】某半导体收音机的输出需接一只电阻为 800 的扬声器（喇叭），而目前市场上供应的扬声器电阻只有 8。问利用电压比为多少的变压器才能实现这一阻抗匹配？,解：,2.4 变压器的工作原理,【例】某晶体管收音机中，输出阻抗为 360，现有一阻抗为8 的扬声器（喇叭），若要使扬声器获得最大输出功率。问需要在扬声器和收音机的输出端之间接入变比为多少的变压器？若输出变压器的原绕组为230匝，求阻抗匹配时变压器副边绕组的匝数。,2.4 变压器的工作原理,一、电压平衡式,一次侧电路,R1：一次绕组电阻。X1：一次绕组漏电抗。Z1：一次绕组漏阻抗。,2.5 变压器的基本方程,基本方程式1：,二次侧电路,R2、X2、Z2：二次绕组的电阻、漏电抗、漏阻抗。,2.5 变压器的工作原理,基本方程式2：,基本方程式3：,2.5 变压器的工作原理,一、二次绕组的电动势之比称为电压比,忽略 Z1 和 Z2,基本方程式4：,二、磁通势平衡式:,基本方程式5：,基本方程式6：,Rm、Xm、Zm：励磁绕组的电阻、电抗、阻抗。,小结：,六个基本方程,2.6 变压器的运行分析,1.等效电路,空载时 对电路的作用:产生感应电动势，形成绕组电感。因为m常数，可用一个等效的线性电感 L 来代替，即,第 2 章 变压器,(1)二次绕组的折算,励磁电抗：Xm=L,产生铁损耗 该损耗可以用等效电阻 Rm 来代替，即 励磁电阻：,励磁阻抗：Zm=Rm+j Xm励磁电抗：,2.6 变压器的运行分析,(2)二次绕组的折算,折算条件-N2I2 不变,2.6 变压器的运行分析,根据磁通势平衡式，二次绕组带载运行时，二次绕组中产生磁通势，一次绕组磁通势中同时增加 一个负载分量 与二次绕组磁通势平衡，可见，二次绕组是通过其产生的磁通势与一次绕组联系，因此，只要保持二次绕组的磁通势不变，一次绕组的磁通势也就不会发生变化。,折算方法：用一个匝数为 N1 的假想绕组代替 N2，电流为，使二次绕组磁通势不变，即：,折算后的换算关系：,2.6 变压器的运行分析,1）电动势的换算关系：,实际值（换算前）：,折合值（换算后）：,换算关系：,2.6 变压器的运行分析,2）阻抗换算关系：,实际值（换算前）：,折合值（换算后）：,换算关系：,2.6 变压器的运行分析,3）端电压换算关系：,实际值（换算前）：,折合值（换算后）：,换算关系：,折合算法不会改变变压器的功率传递关系！,折合后基本方程,4）采用折合算法后的6个基本方程：,(5)T 型等效电路,2.6 变压器的运行分析,(6)简化等效电路,该电路用于满载 或接近满载运行 时的分析、计算。短路电阻：RS=R1+R2 短路电抗：XS=X1+X2 短路阻抗：ZS=RS+j XS,I0 很小，I1 I2,2.6 变压器的运行分析,【例】一台单相变压器，U1N/U2N=380/190 V，Z1=(0.4j0.8)，Z2=(0.15j0.3)，Zm=(600j1 200)，ZL=(7.5j4.75)，当一次绕组加上额定电压 380 V 时，试分别用T 型等效电路和简化等效电路求负载电流和电压的实际值。,解：(1)用T 型等效电路,Z2=k2Z2=22(0.15j0.3)=(0.6j1.2)ZL=k2ZL=22(7.5j4.75)=(30j19),2.6 变压器的运行分析,电路总阻抗,2.6 变压器的运行分析,I2=kI2=210.27 A=20.54 A,U2=|ZL|I2,(2)用简化等效电路 ZS=Z1Z2=(1.0j2.0),=182.35 V,I2=kI2=210.15 A=20.3 AU2=|ZL|I2=180.22 V,2.6 变压器的运行分析,2.基本方程式,2.6 变压器的运行分析,3.相量图,电感性负载,2.6 变压器的运行分析,2.6 变压器的运行分析,2.7 变压器的参数测定,1.空载试验 测量:k、PFe、Zm,实验数据：U1N、I0、P0、U20。,(1)铁损耗 P0=PFePCu=RmI02R1I02 PFeP0(2)励磁阻抗模|Zm|Z1+Zm|,第 2 章 变压器,(3)励磁电阻,RmR1Rm,(4)励磁电抗,(5)电压比,(6)折算 对于降压变压器，Rm、Xm 和 Zm 需要折算。实际值为,2.7 变压器的参数测定,2.短路试验,测量：PCu、短路参数。,实验方法：逐渐增加 U1，使电流达到额定值：I1=I1N。,U1=(5%10%)U1N,实验数据：US=U1、IS=I1N、PS。(1)铜损耗 PCu PFe+PCu=PS(2)短路阻抗模,2.7 变压器的参数测定,(3)短路电阻,(4)短路电抗,(5)阻抗电压,US=|ZS|I1N,铭牌上的标注方法：用百分数表示:,用标幺值表示:,电压、电流与阻抗（电阻和电抗）的基值:U1N、I1N、U2N、I2N、,2.7 变压器的参数测定,阻抗电压的标么值：,用短路阻抗模的标幺值表示:,=|ZS|*,中、小型电力变压器：|ZS|*=0.04 0.105 大型电力变压器：|ZS|*=0.125 0.175(6)温度折算 正常工作温度取：75,铜线：,铝线：,2.7 变压器的参数测定,三相变压器的空载实验和短路试验,2.7 变压器的参数测定,求折算至高压侧的|Zm|、Rm、Xm 和|ZS|、RS、XS。解：(1)由空载试验求得,【例】一台三相变压器，SN=1 000 kVA，U1N/U2N=10 000/231 V，I1N/I2N=43.3/1 874 A。Y,d 联结。室温为 20o C，绕组为铜线，试验数据如下表：,2.7 变压器的参数测定,=3.83,折算至高压侧 Zm=2523.85=2 406 Rm=2520.35=219 Xm=2523.83=2 394(2)由短路试验求得,2.7 变压器的参数测定,=5.54,折算至75,XS=5.54,2.7 变压器的参数测定,2.8 变压器的运行特性,运行特性：外特性、效率特性。1.外特性和电压调整率 当 U1、cos2 为常数时 U2=f(I2),外特性。,(1)电压调整率的定义,电力变压器的高压绕组均有 5%的抽头。,第 2 章 变压器,(2)折算至一次侧的公式,(3)利用短路参数的公式,其中，,称为负载系数。当1时，称为额定,电压调整率，它标志着变压器输出电压的稳定程度。,【例】一台三相变压器，SN=600 kVA，U1N/U2N=10000/400 V，Y,yn 联结。Zs=1.8+j5，一次绕组接额定电压、二次绕组带额定负载运行，负载功率因数cos2=0.9（滞后）。计算该变压器的额定电压调整率及二次绕组电压值。,2.效率特性(1)功率电源输入变压器的有功功率 P1=U1I1cos1变压器输出的有功功率 P2=U2I2cos2损耗 P1P2=PCuPFe 铜损耗 PCu=R1I12R2I22=R1I12R2I22（用 T 型等效电路）,I1=I1N 时 的短路损耗,PCu=RS I12=RS I22（用简化等效电路）=2 PS（用短路试验）,式中:,负载系数。,由于:PCu I 2,可变损耗。,铁损耗 PFe=Rm I02（用 T 型等效电路）=P0（用空载试验）由于 PFe m、f 等，,当 U1、f 均不变时，,PFe 不变（与 I2 大小无关）不变损耗。,2.8 变压器的运行特性,(2)效率,因 U 不大，则若忽略 U，则 U2=U2N P2=U2I2cos2=U2NI2cos2,=SN cos2=SN 2,2.8 变压器的运行特性,当 U1=U1N、cos2 为常数时：=f(I2)或：=f(),(3)效率特性,求得 P0=2 PS即 PCu=PFe 时=max,效率特性。,令,小型电力变压器:N=80%90%大型电力变压器:N=98%99%,2.8 变压器的运行特性,【例】一台三相变压器，SN=1000 kVA，U1N/U2N=10000/6300 V，Y,d 联结。已知空载损耗p0=4.9KW，短路损耗ps=15KW、二次绕组带额定负载运行。(1)带额定负载且cos2=0.8（滞后）时的效率;(2)当负载cos2=0.8（滞后）时的最高效率；(3)变压器可能运行的最高效率；,2.10 三相变压器的并联运行,负荷容量很大，一台变压器不能满足要求。负荷变化较大，用多台变压器并联运行可以随 时调节投入变压器的台数。可以减少变压器的储备容量。,第 2 章 变压器,(1)空载时各台变压器的 I2=0，即各台变压器之 间无环流。(2)负载运行时，各台变压器分担的负载与它们 的容量成正比。(3)各台变压器同一相上输出的电流同相位，使得总输出电流：I2=Ii。2.理想并联运行的条件(1)电压比相等，以保证二次侧的空载电压相等。规定：电压比之差0.5%(平均电压比)(2)联结组相同，以保证二次侧空载电压相位相同。,1.并联运行的理想状态,2.10 三相变压器的并联运行,(3)短路阻抗标幺值相等。,各台变压器承担的负载 与其短路阻抗模成反比。,2.10 三相变压器的并联运行,希望,负载与容量成正比,即,当 ZS 模的标幺值（或 US 的标幺值）相等时，各台变压器承担的负载与其容量成正比。当各台变压器的 ZS 的阻抗角相等时，各台变压器的输出电流同相位。即当 S=S有 IL=ILIL S=SS如果：SS20，则可以不考虑相位。,2.10 三相变压器的并联运行,【例】两台电压比和联结组相同的变压器 并联运行。已知 SN=100 kVA，SN=100 kVA，试求当总负载为 200 kVA 时，两台变压器各自分担的负载是多少？为了不使两台变压器过载，最大负载应是多少？,解：(1),SS=SL=200 kVA,S=106 kVA，S=94 kVA,(2)应当使S=100 kVA 则,=89 kVA,SLmax=S+S=189 kVA,2.10 三相变压器的并联运行,2.11.1 自耦变压器,1.自耦变压器的基本结构 只有一个绕组。,手柄,接线柱,第 2 章 变压器,2.11 其他类型变压器,2.自耦变压器的工作原理,(1)电压关系 忽略漏阻抗，则,2.11 自耦变压器,(2)电流关系,忽略 I0，则,大小关系：,相位关系：,2.11 自耦变压器,在降压变压器中，k1，,I=I2I1,（k 越接近 1，I 越小）,在升压变压器中，k1，,I=I1I2,（k 越接近 1，I 越小）,(3)功率关系 变压器容量,SN=U2NI2N=U1NI1N,S2=U2I2,对于降压变压器，输出视在功率,=U2(I1I)=U2I1U2I=StSi,2.11 自耦变压器,对于升压变压器，输入视在功率,S1=U1I1,=U1(I2I)=U1I2U1I=StSi,降压变压器 升压变压器 传导功率 St感应功率 Si,U2I1 U1I2U2I U1I,在 SN 一定时，k 越接近 1，Si 越小，St 所占 比例越大，经济效果越显著。,2.11 自耦变压器,2.11.2 三绕组变压器,1.结构 有三个绕组和三个电压等级。,第 2 章 变压器,2.工作原理,(1)空载时，三个绕组的电压关系,2.12 三绕组变压器,(2)负载时，用简化等效电路分析,将两个二次绕组折算至一次侧，则U2=k12U2，U3=k13U3,2.12 三绕组变压器,等效电抗 X1、X2、X3 与双绕组变压器不同：,自漏磁通 互漏磁通 主磁通,等效电感与自感和互感的关系 L=L1L22M,式中,Z1=R1jX1，Z2=R2jX2，Z3=R3jX3,2.12 三绕组变压器,电压关系,磁通势平衡方程,折算后，由简化等效电路得,3.容量 S1N=U1NI1N S2N=U2NI2N S3N=U3NI3N SN=maxS1N，S2N，S3N 工作时，各绕组的视在功率均不得超过其自 身的容量。,2.12 三绕组变压器,2.11.3 仪用互感器,1.电压互感器,=ku,国产互感器：U2N=100 V 使用注意：二次绕组禁止短路。二次绕组与铁心必须接地。,空载运行的降压变压器。,第 2 章 变压器,电压互感器,E2,2.电流互感器,N1很小。短路运行的升压变压器。,=ki,国产互感器：I2N=5 A 使用注意：二次绕组禁止开路。开路时：I2=0，I1 不变,一次绕组工作电压较高时，二次绕组与铁心必须接地。,2.13 仪用互感器,