变压器原理介绍图文.ppt
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1、第5章变压器,5.1变压器概述5.2变压器的空载运行5.3变压器的负载运行5.4变压器的等效电路和相量图5.5变压器的参数测定与应用5.6三相变压器5.7变压器的稳态运行*5.8变压器参数的标幺值与变压器的并联运行5.9自耦变压器与互感器小结,图 5-1单相双绕组变压器的结构示意图,5.1变 压 器 概 述变压器的工作原理图5-1是一台单相双绕组变压器的结构示意图。,当交流电压u1加到一次绕组上时,在铁心中产生主磁通,并在原副边感应电动势e1和e2。其电路连接与磁路原理如图5-2所示。,图 5-2单相双绕组变压器的电路与磁路,根据电磁感应定律和右手螺旋定则,规定感应电动势和交变主磁通的正方向时
2、有:一次绕组感应电势为 二次绕组感应电势为 式中:N1和N2分别为一、二次绕组匝数。各电量参考方向如图5-2所示。,显然,一、二次绕组感应电动势e1、e2之比等于一、二次绕组匝数N1、N2之比,即,引入变压器变比K的概念。K的大小可由下式计算:可见,当电源电压u1确定时,若改变匝数比N1/N2,则可以获得不同数值的二次侧电压,以达到变压的目的。,变压器的基本结构铁芯和绕组是组成变压器的两个主要部分。图5-3给出了油浸式电力变压器的总图。,图 5-3三相油浸式双绕组电力变压器,三相油浸式双绕组电力变压器各主要部分的功能及结构如下所述。1.铁芯,图 5-4铁芯交叠装配图(a)1,3,5,层;(b)
3、2,4,6,层,图 5-5斜接缝的交叠装配图(a)第一层;(b)第二层;(c)两层叠加,当前,大量采用高导磁、低损耗的冷轧硅钢片做铁芯。因其在轧制方向上导磁性能高,为此采用斜切角条片,叠成斜接缝的交叠装配方法,如图5-5所示。,变压器铁芯由铁芯柱和铁轭两部分组成。在铁芯柱上套置一、二次绕组;铁轭是构成交变磁通闭合磁路必不可少的部分,铁芯结构的基本形式有芯式和壳式两种。,图 5-6三相芯式变压器的铁芯与绕组,图 5-7单相壳式变压器示意图,图5-7为单相壳式变压器的铁芯和绕组示意图。这种铁芯结构制造工艺复杂,使用材料较多。目前,只有容量很小的电源变压器使用这种结构。,2.绕组绕组是变压器的电路部
4、分,套置在铁芯柱上。变压器绕组形式可分为同心式或交叠式两类。,同心式绕组是指高、低压绕组同心地套在铁芯柱上,一般低压绕组套在里面,高压绕组套在外面。国产电力变压器均采用这种结构。交叠式绕组都做成饼式,高、低压绕组互相交叠地放置,如图5-8所示。一般最上层和最下层的两个绕组都是低压绕组。较大型的电炉变压器常采用这种结构。,3.其它结构部件,此外,油箱上还有引出线的绝缘套管、发生事故时报警的气体继电器、调节一次绕组匝数用的分接开关等部件。,变压器的型号与额定参数每台变压器油箱上都装有铭牌,上面标注着该变压器的型号及有关数据。铭牌数据是使用变压器的依据。变压器的型号由汉语拼音字母和数字按确定的顺序组
5、合起来构成。例如:SL-1000/10,S表示三相;L表示铝线;1000表示额定容量为1000 kVA;10表示高压侧额定电压为10 kV。,1.变压器的铭牌数据1)额定容量SN SN指变压器的视在功率,单位为VA、kVA或MVA。对于双绕组的电力变压器,其一、二次侧绕组设计容量是相同的,所以SN=S1N=S2N。对于三相变压器,SN是指三相总容量。2)额定电压U1N/U2NU1N指电源施加到一次绕组的额定电压;U2N指当一次绕组加U1N时,二次绕组开路(空载)时的二次绕组电压U20,所以U20=U2N。对于三相变压器,额定电压是指线电压,额定电压的单位为V或kV。,3)额定电流I1N/I2N
6、变压器额定容量SN除以一、二次额定电压(U1N或U2N)后,所计算出来的值即为额定电流(I1N或I2N),单位为A或kA。对于三相变压器,额定电流指线电流。对于单相变压器 对于三相变压器,4)额定频率fN我国规定供电的工业频率为50 Hz。因此,所有电力变压器的额定频率均为50 Hz。,解:,【例5-1】有一台三相双绕组电力变压器,额定容量SN=100 kVA,额定电压U1N/U2N=6000/400 V,试求一次、二次绕组的额定电流。,图 5-9变压器的图形符号,2.变压器的图形符号国家标准规定了电气图用的图形符号,变压器的图形符号如图5-9所示。,变压器的分类按照用途可将变压器分为电力变压
7、器和特种变压器两大类。,变压器还可按相数分成单相、三相、多相,按绕组数分为双绕组、三绕组、多绕组,按绝缘方式分为油浸式、干式,还可按冷却方式分为自然冷却、风冷、水冷、强迫油循环冷却等各种形式。,5.2变压器的空载运行,图 5-10变压器空载运行,变压器空载运行原理,从电路方面看,在一次侧,铁芯磁通和1在一次绕组中感应的电势分别为,(5-1),式中,e1称为一次侧漏电势。根据图5-10中的正方向,依据基尔霍夫定律可得一次侧电路方程为u1=(e1+e1)+i0R1(5-3),(5-2),在二次侧,主磁通在二次侧感应的电势为,(5-4),同理,二次侧电路方程(二次此时开路)为u20=e2(5-5)从
8、磁路方面看,在不计漏磁通的情况下,变压器一次侧绕组产生的磁动势全部降在铁芯上。可见,变压器空载时其磁路关系比较简单。,变压器空载运行时的电势、电流及漏电抗1.电势在大多数变压器中,空载电阻压降i0R1和漏电势e1都非常小,两者之和也只有电源电压u1的0.2%,感应电势e1非常接近电源电压u1。所以,当u1为正弦时,e1、e2也为正弦,因此主磁通可以认为是正弦,即主磁通可表示为=m sint(5-6)式中,m为主磁通的幅值。,按图5-10所示各物理量的参考方向,主磁通在一次绕组中的感应电动势的瞬时值为同理,主磁通在二次绕组中感应电动势的瞬时值为,(5-7),(5-8),从式(5-7)、(5-8)
9、可见,一次、二次绕组感应电势e1、e2相位相同,两者均滞后主磁通90。用相量表示一、二次绕组中的感应电动势分别为,根据式(5-3),当忽略一次侧的电阻降和漏电势时,u1=e1,用相量表示时,而E1正比于主磁通幅值m,所以,当外加电压U1一定时,m就基本确定。这就是交流磁路中的电压决定磁通原则。根据这一原则,若变压器外加电压U1不变,则其电动势E1、主磁通幅值m基本不变。,(5-11),电动势有效值为由式(5-9)、(5-10)可见,绕组感应电动势的大小与电源频率f、绕组的匝数N以及主磁通幅值m的大小成正比。,(5-9),(5-10),(5-11),可以画出变压器空载运行时一、二侧电压、电动势及
10、主磁通的相量图。,图 5-11变压器忽略电阻降和漏磁通时的空载运行相量图,2.励磁电流变压器空载电流i0的作用是激励并产生磁通,所以空载电流又称励磁电流。由于励磁电流产生的是交变磁通,而交变磁通会在铁芯中引起铁芯损耗(包括磁滞损耗和涡流损耗),因而铁芯损耗所需的功率是由空载电流来提供的。所以,空载电流包括:产生磁通的电流分量为无功分量,称为磁化电流,用表示;提供铁损耗的电流分量称为有功分量,用表示。,图 5-12磁通为正弦时的磁化电流波形,由上图可见,变压器的励磁电流由无功分量和有功分量组成,即,(5-12),图 5-13变压器忽略电阻降和漏磁通时的电势、励磁电流相量图,3.一次侧漏电势与漏电
11、抗在分析变压器的过程中,变压器一次绕组漏磁通引起的漏电感用L1表示。由于变压器的漏磁路主要由空气、油等非磁性材料构成,因而漏磁通引起的漏电感L1可以认为是一个常数,这样一次绕组的漏电势e1可表示为由于变压器中的电流按正弦变化,因而式(5-13)写成复数形式为,(5-13),(5-14),X1=L1(5-15)这里X1为一次绕组漏磁电抗,简称漏抗。由式(5-14)可见:漏电势可以表示成空载电流在一次绕组漏抗X1上的电压降,相位上滞后为90。这样,引入漏抗X1后,就将漏磁通在一次绕组感应的电动势看成一次绕组的漏抗X1上的压降了,使问题相对简化。,根据电路原理可知,L1=N21/R,其中R是漏磁路的
12、磁阻。可见变压器制成后,匝数N1确定,而漏磁路又不会饱和(即R为常数),则漏电感L1随之确定。从式(5-15)可见,若电源频率f1不变,则X1为常数。但是,如果将低频变压器用于高频,则漏抗增大就成为影响变压器正常工作的原因之一。,4.一次侧电势及励磁阻抗前面分析了产生的漏磁通1、漏抗X1及漏电势E1。而变压器空载时,漏磁通只是其磁路中的一少部分,大量的是主磁通。主磁通感应的电动势可以用类似分析漏磁通的方法处理。从图5-13可见,励磁电流的有功分量和 同相位,因此,可以看成在一个电阻R上的压降,即,(5-16),而励磁电流的无功分量滞后相位90,因此,也可以看成 在一个电抗X上的压降,即将式(5
13、-16)、式(5-17)带入式(5-12),得,(5-18),(5-17),根据电路原理,令复导纳,则式(5-18)可表示为对应电路可以用图5-14表示。,(5-19),图 5-14式(5-19)所示的电路图,图5-14所示的电路在分析计算时有些不便,所以分析变压器电路时,常用电阻与电感的串联电路来表示,根据电路原理可得:式中,Zm为励磁阻抗;表示铁耗的等效电阻,也称为励磁电阻,并且I20Rm=pFe;表示励磁电抗,它反映了单位励磁电流产生主磁通的能力,受铁芯饱和的影响。,(5-20),根据,RFe为变压器铁芯磁阻,当磁路饱和时磁阻增大,Xm减小。若饱和程度确定,则励磁电抗Xm随即确定。在变压
14、器正常运行状态下,电源电压U1为额定值,则变压器主磁通m为确定值。因此,磁路饱和程度及铁耗均可确定,相应地,励磁电阻Rm及励磁电抗Xm有确定值,Zm也有确定值。,在电力变压器中,ZmZ1,因此在额定电压下运行时,励磁电流I0主要取决于Zm的大小。为提高变压器性能,希望I0小些,因此,通常电力变压器Zm值设计得较大。采用励磁电阻Rm及励磁电抗Xm串联表示E1时有其电路如图5-15所示。,(5-21),图 5-15式(5-21)所示的电路,变压器空载运行时的电压方程、相量图和等效电路1.空载时一次侧电路的电压方程根据式(5-3)、式(5-14)和(5-21),变压器一次侧电路的电压平衡方程式为Z1
15、=R1+jX1(5-23)式中,Z1为变压器一次绕组漏阻抗;X1为变压器一次绕组漏阻抗压降。,(5-22),2.空载时一次侧电路的相量图根据以上对变压器空载运行的分析和式(5-22)、式(5-23),可以画出变压器空载时一次侧电路的相量图,如图5-16所示。图中取为参考相量,和的夹角0为空载运行时的功率因数角,090,即空载时变压器功率因数很低,空载变压器主要从电源吸收无功电流建立主磁场,相当于电源的感性负载。,图 5-16变压器空载运行相量图,3.空载时一次侧串联等效电路根据以上对变压器空载运行的分析和式(5-22)、(5-23),可以画出变压器空载时一次侧等效电路,如图5-17所示。,图
16、5-17变压器空载运行时的等效电路,【例5-2】一台三相变压器,SN=100 kVA,U1N/U2N=6000 V/400 V;“Y,y”接法,每相参数Z1=R1+jX1=(4.2+j9.2),Zm=Rm+jXm=(514+j5526)。计算:(1)励磁电流与额定电流的比值;(2)空载运行时的输入功率;(3)一次侧相电压、相电动势及漏阻抗压降,并比较它们的大小。解:本例虽为三相变压器,但属对称运行的分析,故只需求解一相的量。(1)先求取额定电流I1N,再求取I0/I1N,即,由空载等效电路或电压方程可求I0,等效电路总阻抗为Zm+Z1=(4.2+j9.2)+(514+j5526)=518.2+
17、j5535=5559.284.65所以,比值为(2)空载输入功率:视在功率有功功率无功功率,比较P1和Q1可见,空载运行时电源送入变压器的功率主要是无功功率,用以建立变压器磁场。(3)相电压、相电动势、漏阻抗压降及其比较:相电压相电动势漏阻抗压降,上述数据表明,E1I0|Z1|,所以U1E1在工程应用中是比较精确的。其比值为,5.3变压器的负载运行负载时的磁动势平衡方程及一、二次侧电流关系变压器一次侧AX接交流电压U1、二次侧ax与负载ZL连接的运行状态称为负载运行,如图5-18所示。与空载运行不同的是,二次侧ax与负载ZL接通,在二次绕组电势 的作用下,二次绕组有电流流过,二次侧负载上的电压
18、为,所以。显然,的大小和相位取决于负载阻抗ZL的大小和性质(容性、感性、阻性)。图5-18中,一次侧各电磁量的正方向和空载运行时的正方向一致。、和 按电动机惯例定向,即电源向变压器输入的有功功率为P1=U1I1cos1,当P10时,电源向变压器输入有功功率,反之亦然;,二次侧、和 按发电机惯例定向,即变压器向负载输出的有功功率为P2=U2I2cos2,当P20时,变压器向负载输出有功功率,反之亦然。从图5-18可见,负载运行时变压器一、二次绕组分别有电流 和,并产生各自的磁动势 和,并共同作用在铁芯闭合磁路上。根据安培环路定律,负载时变压器中的主磁通由一、二次绕组的磁动势共同产生。按照图5-1
19、8所示的参考方向,负载时变压器一、二次绕组的合成磁动势为,即,(5-24),图 5-18变压器的负载运行,虽然变压器负载以后,一次绕组的电流与空载电流相比增加很多,但是由于一次侧漏阻抗Z1很小,漏阻抗降也很小(国标规定,应不超过额定电压的5%),使得一次侧绕组电压仍能满足。所以,当变压器一次侧电压 不变时,和就可以认为不变。也就是说,无论变压器空载运行还是负载运行,变压器的主磁通、合成磁动势都是不变的。如果变压器空载磁动势,那么负载时的合成磁动势与空载磁动势相等,即。根据式(5-24)可得变压器的磁动势平衡方程为,(5-25),或者式(5-26)还可以写成电流的形式,即,(5-27),(5-2
20、6),如果忽略,则式(5-27)可以表示为,负载时变压器的电压方程变压器负载以后,二次侧绕组电流也会产生只与二次侧交链的漏磁通,可以用二次侧漏抗系数X2来表示。因此,根据图5-18中的参考方向,二次侧漏电势 根据基尔霍夫定律可得二次绕组端口a、x间的电压,即二次侧电压方程为,(5-28),式中,Z2=R2+jX2,为二次侧漏阻抗。,仿照式(5-22),可以得到变压器负载时的一次侧电压方程为,(5-29),表征变压器负载运行的6个基本方程可总结如下:(1)一次侧电压方程为,(5-29),(2)二次侧电压方程为,(3)一、二次侧的电动势关系为,(4)磁动势平衡方程为,(5)一次侧励磁电流为,(6)
21、负载电压为,(ZL为负载阻抗),5.4变压器的等效电路和相量图绕组折算由于变压器一、二次侧间没有电的联系,仅靠磁耦合关系进行能量传递,所以工程上采用折合算法来解决这一问题。折合算法实质上是在保持功率关系、磁动势关系不变的条件下,将绕组的实际匝数、电压、电流变换为一个折算值。,1.电流I2的折算由于折算前后磁动势 不变,即因此应有电流折算只需将原值乘以1/K即可。,(5-30),2.电压、电势折算保持折算前后主磁通不变,即所以应有同理,保持不变,则,(5-31),应有同理应有电压、电势折算只需将原值乘以K即可。,(5-32),3.阻抗折算折算原则是保持折算前后功率不变。保持电阻损耗功率不变时有
22、可得到同理:保持无功功率不变时有,可得到同理所以阻抗折算只需将原值乘以K2即可。,(5-33),(5-34),综上分析,折算后变压器的六个基本方程为,图 5-19折算后的变压器示意图,变压器负载时的等效电路,图 5-20变压器的T型等效电路,图 5-21型等效电路,T型等效电路揭示了变压器负载时一、二次侧电磁量的依存和制约关系。由于变压器一次侧漏阻抗Z1远小于励磁阻抗Zm,因而在工程计算中可以将T型等效电路进一步简化为型等效电路。,图 5-22变压器简化等效电路(a)一字形等效电路;(b)用短路阻抗表示的等效电路,变压器负载运行工程分析时可以忽略,同时等效电路可以简化为简化等效电路,如图5-2
23、2所示。,变压器负载时的相量图根据变压器折算后的基本方程及等效电路所表示的关系,可以画出变压器负载时的相量图。由于负载性质不同,因而相应的相量图也不同。1.变压器接电阻电感性负载时的相量图工程应用中的变压器,其二次侧所接的负载大部分是电阻电感性负载,此时20,滞后于的相角为2,相量图如图5-23所示。,图 5-23电阻电感性负载时的相量图,图 5-24电阻电容性负载时的相量图,2.变压器接电阻电容性负载时的相量图对于电阻电容性负载,此时20,滞后于的相角为2,相量图如图5-24所示。,【例5-3】一台三相变压器SN=750 kVA,额定电压U1N/U2N=10 000/400 V,“Y,y”接
24、法,已知每相短路电阻Rk=1.40,短路电抗Xk=6.48。该变压器一次侧接额定电压,二次侧接三相对称负载(y接法),负载的每相阻抗ZL=(0.20+j0.07)。计算:(1)变压器一、二次侧负载电流I1、I2;(2)二次侧电压;(3)输入及输出功率(有功及无功);(4)变压器带此负载的运行效率。,解:可应用简化电路求解。(1)计算一、二次侧负载电流。变比为负载阻抗为ZL=0.20+j0.07=0.21219.29ZL=K2ZL=(125+j43.75),图 5-25例5-3图,忽略I0,采用简化等值电路计算,如图5-25所示。,从一次侧看进去,每相总阻抗为Z=Zk+ZL=Rk+jXk+RL+
25、jXL=1.40+j6.48+125+j43.75=136.0121.67一次侧电流为二次侧电流为I2=KI1=2542.45=1061.25 A,(2)二次侧电压为(3)计算输入及输出功率。一次侧功率因数角为1=21.67一次侧功率因数为cos1=cos21.67=0.93输入的有功功率为,输入的无功功率为二次侧功率因数为cos2=cos19.29=0.94(2=L=19.29)输出功率为输出无功功率为(4)效率为,(滞后),(滞后),变比K、铁耗pFe、励磁阻抗Zm的测定空载试验变压器空载试验可以测出变比K、铁耗pFe和励磁阻抗Zm及Xm、Rm,测试线路如图5-26所示。空载试验通常在低压
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