电机拖动第2章变压器唐介第二版.ppt

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1、大连理工大学电气工程系,第 2 章 变 压 器,2.1 变压器的工作原理,2.2 变压器的基本结构,2.3 变压器的运行分析,2.4 变压器的参数测定,2.5 变压器的运行特性,2.6 三相变压器的联结组,2.7 三相变压器的并联运行,2.8 自耦变压器,2.9 三绕组变压器,2.10 仪用互感器,第 2 章 变 压 器,2.1 变压器的工作原理,2.2 变压器的基本结构,2.3 变压器的运行分析,2.4 变压器的参数测定,2.5 变压器的运行特性,2.6 三相变压器的联结组,2.7 三相变压器的并联运行,2.8 自耦变压器,2.9 三绕组变压器,2.10 仪用互感器,电机与拖动,返回主页,大

2、连理工大学电气工程系,2.1 变压器的工作原理,一、单相变压器,u2,一次绕组,二次绕组,施加：u1i1 N1 i1,1,e1,e1e2,u2i2,N2 i2,2,e 2,L1 L2,第 2 章 变压器,e2,e2,e1e1,大连理工大学电气工程系,1.电压变换,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。忽略 Z1，则,2.1 变压器的工作原理,大连理工大学电气工程系,二次侧电路,R2、X2、Z2：二次绕组的电阻、漏电抗、漏阻抗。忽略 Z2，则,一、二次绕组的电动势之比称为电压比,忽略 Z1 和 Z2,2.1 变压器的工作原理,大连理工大学电气工程系,2.电流

3、变换,i2 的大小由什么决定？i1 的大小由什么决定？I2 由|ZL|决定；I1 取决于 I2。I1 随 I2 变化的原因：能量守恒。从电磁关系分析:,N1i1N2i2,N1i0,磁通势平衡方程：,2.1 变压器的工作原理,大连理工大学电气工程系,当：I2=I2N，I1=I1N（满载）在满载或接近满载时，I0 可忽略不计。,两边除以 得,即,2.1 变压器的工作原理,大连理工大学电气工程系,大小关系：,相位关系：,I2 具有去磁性质：I2 削弱m m 不变 I1 增加 以维持m 不变。因此 I2I1。,电流变换。,e2e2,e1e1,u1,i1,ZL,i2,1,2,u2,2.1 变压器的工作原

4、理,大连理工大学电气工程系,3.阻抗变换,忽略 Z1、Z2、I0，则,|Ze|=,|Ze|=k2|ZL|,2.1 变压器的工作原理,大连理工大学电气工程系,【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：,2.1 变压器的工作原理,大连理工大学电气工程系,二、三相变压器,1.三相变压器的种类 三相组式变压器、三相心式变压器。（1）三相组式变压器特点：三相之间只有电的联系，没有磁的联系。,2.1 变压器的工作原理,大连理工大学电气工程系,（2）三相心式变压器 特点：三相之间既有电的联系

5、，又有磁的联系。,2.1 变压器的工作原理,大连理工大学电气工程系,连接方式 高压绕组 低压绕组 星形联结有中性线 YN yn 星形联结无中性线 Y y 三角形联结 D dGB:Y,yn、Y,d、YN,d、Y,y、YN,y,2 三相绕组的联结方式,最常用的三种,2.1 变压器的工作原理,大连理工大学电气工程系,【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。求该变压器一次、二次绕组的相电压和相电流以及变压器输出

6、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,2.1 变压器的工作原理,大连理工大学电气工程系,(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,2.1 变压器的工作原理,大连理工大学电气工程系,2.2 变压器的基本结构,一、主要部件,1.铁心 由硅钢片叠成或非晶合金制成。,奇数层,偶数层,2.绕组 用绝缘圆导线或扁导

7、线绕成。3.其他 外壳、油箱、油、油枕、绝缘套管等。,第 2 章 变压器,大连理工大学电气工程系,1.按用途分类 电力变压器、电炉变压器、整流变压器、仪用变压器等。2.按相数分类 单相变压器、多相变压器。3.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。4.按冷却方式分类 干式、油浸式。5.按结构形式分类：心式变压器和壳式变压器。,二、主要种类,2.2 变压器的基本结构,大连理工大学电气工程系,心式变压器,低压绕组,高压绕组,2.2 变压器的基本结构,(b)单相心式变压器示意图,大连理工大学电气工程系,2.2 变压器的基本结构,单相壳式变压器,更多的图片,大连理

8、工大学电气工程系,2.2 变压器的基本结构,三相油浸式电力变压器,大连理工大学电气工程系,2.2 变压器的基本结构,S9 型配电变压器（10 kV）,更多的图片,大连理工大学电气工程系,2.2 变压器的基本结构,大型油浸电力变压器,更多的图片,大连理工大学电气工程系,2.2 变压器的基本结构,大型油浸电力变压器,更多的图片,大连理工大学电气工程系,2.2 变压器的基本结构,干式变压器,更多的图片,大连理工大学电气工程系,三、额定值,1.额定电压 U1N/U2N 指空载电压的额定值。即当 U1=U1N 时,U20=U2N 如铭牌上标注:电压 10 000/230 V 三相变压器是指线电压。2.额

9、定电流 I1N/I2N 指满载电流值，即长期工作所允许的最大电流。三相变压器是指线电流。,2.2 变压器的基本结构,大连理工大学电气工程系,指视在功率的额定值。单相变压器：SN=U2N I2N=U1N I1N 三相变压器：,3.额定功率（额定容量）SN,4.额定频率 fN 一般：fN=50Hz（工频）,2.2 变压器的基本结构,大连理工大学电气工程系,【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 I1N

10、P=I1NL=8.25 A,2.2 变压器的基本结构,大连理工大学电气工程系,(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,2.2 变压器的基本结构,大连理工大学电气工程系,2.3 变压器的运行分析,一、等效电路,将匝数为N2的实际二次绕组用匝数为N1的等效二次绕组来代替。代替时保持磁通势和功率不变。,第 2 章 变压器,二次绕组的折算公式：,1.折算后的二次绕组电流 磁通势不变：N1I2=N2I2,大连理工大学电气工程系,2.3 变压器的运行分析,2.折算后的二次绕组电压和电动势,匝数相同：,大连理工大学电气工程系,2.3 变压器的运行分析,3.折算后的二次绕组漏阻抗和负载阻抗

11、,有功功率不变,R2 I22=R2 I22,=k2 R2,无功功率不变,X2I22=X2 I22,=k2 X2,因而,Z2=k2 Z2ZL=k2 ZL,大连理工大学电气工程系,2.3 变压器的运行分析,折算实质上是在功率和磁通势保持不变的条件下，对绕组的电压、电流所进行的一种线性变换。,提出漏阻抗后的变压器,大连理工大学电气工程系,T 形等效电路,ZL,U1,I1,R1 jX1,E1=E2,I0,U2,jX2 R2,I2,2.3 变压器的运行分析,R0,jX0,大连理工大学电气工程系,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

12、+X2 短路阻抗：ZS=RS+j XS,I0 很小，I1 I2,2.3 变压器的运行分析,大连理工大学电气工程系,【例】一台单相变压器，U1N/U2N=380/190 V，Z1=(0.4j0.8)，Z2=(0.15j0.3)，Z0=(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 形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形等效电路,Z2=k2Z2=22(0.15j0.3)=(0.6j1.2)ZL=k2ZL=22(7.5j4.75)=(30j19),2.3 变压器的运行分析,大连理工大学电气工程系,电路总阻抗,2.3

13、 变压器的运行分析,大连理工大学电气工程系,I2=kI2=210.14 A=20.28 A,U2=|ZL|I2,(2)用简化等效电路 ZS=Z1Z2=(1.0j2.0),=180.04 V,I2=kI2=210.15 A=20.3 AU2=|ZL|I2=180.22 V,2.3 变压器的运行分析,大连理工大学电气工程系,2.基本方程式,2.3 变压器的运行分析,大连理工大学电气工程系,3.相量图,电感性负载,2.3 变压器的运行分析,大连理工大学电气工程系,2.3 变压器的运行分析,大连理工大学电气工程系,2.4 变压器的参数测定,一、空载试验 试验在低压侧进行,测得数据：U1、I0、P0、U

14、2。,1.铁损耗 PFeP0 2.励磁阻抗模|Z0|,第 2 章 变压器,求得数值：,大连理工大学电气工程系,3.励磁电阻,4.励磁电抗,5.电压比,若要将|Z0|、R0和X0折算至高压侧，则 折算至高压侧的参数=k2 折算至低压侧的参数,2.4 变压器的参数测定,大连理工大学电气工程系,二、短路试验,试验在高压侧进行,测得数据：US、I1、PS。,U1=(5%10%)U1N,求得数值：1.铜损耗 PCu=PS 2.短路阻抗模,2.4 变压器的参数测定,大连理工大学电气工程系,3.短路电阻,4.短路电抗,5.阻抗电压,US,铭牌上常用阻抗电压的标么值表示：,电压、电流与阻抗（电阻和电抗）的基值

15、:U1N、I1N、U2N、I2N、,2.4 变压器的参数测定,大连理工大学电气工程系,阻抗电压的标么值：,=|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折算至75时的RS值：,铜线：,铝线：,2.4 变压器的参数测定,大连理工大学电气工程系,2.4 变压器的参数测定,绕阻电抗与温度无关：,75时的短路阻抗模：,若要将|ZS|、RS和XS折算至低压侧，则,大连理工大学电气工程系,三相变压器的空载实验和短路试验,2.4 变压器的参数测定,大连理工大学电气工程系,求折算至高压侧的|Z0|、R0、X0 和|ZS|、RS、XS。解：

16、(1)由空载试验求得,【例】一台三相变压器，SN=750 kVA，U1N/U2N=10 000/231 V，I1N/I2N=43.3/1 874 A。Y,d 联结。室温为 20，绕组为铜线，试验数据如下表：,2.4 变压器的参数测定,大连理工大学电气工程系,=3.83,折算至高压侧 Z0=2523.85=2 406 R0=2520.35=219 X0=2523.83=2 394(2)由短路试验求得,2.4 变压器的参数测定,大连理工大学电气工程系,=5.54,折算至75,XS=5.54,2.4 变压器的参数测定,大连理工大学电气工程系,2.5 变压器的运行特性,运行特性：外特性、效率特性。一、

17、外特性 当 U1、cos2 为常数时 U2=f(I2),外特性。,电压调整率：,第 2 章 变压器,1.定义公式,大连理工大学电气工程系,2.折算至一次侧的公式,3.利用简化等效电路计算的公式,2.5 变压器的运行特性,大连理工大学电气工程系,二、效率特性1.功率变压器由电源输入的有功功率 P1=U1I1cos1变压器输出的有功功率 P2=U2I2cos22.损耗(1)总损耗 P1P2=PCuPFe(2)铜损耗 PCu=R1I12R2I22=R1I12R2I22（用 T 形等效电路）,2.5 变压器的运行特性,大连理工大学电气工程系,I1=I1N 时 的短路损耗,PCu=RS I12=RS I

18、22（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。,(3)铁损耗 PFe=Rm I02（用 T 形等效电路）=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。,2.5 变压器的运行特性,大连理工大学电气工程系,3.效率,因 VR 不大，则若忽略 VR，则 U2=U2N P2=U2I2cos2=U2NI2cos2,=SN cos2=SN 2,2.5 变压器的运行特性,大连理工大学电气工程系,当 U1=U1N、cos2 为常数时：=f(I2)或=f(),4.效率特性,求得 P0=2

19、 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%,2.5 变压器的运行特性,大连理工大学电气工程系,【例】用一台例中的三相变压器向20.8(电感性)的三相负载供电，求电压调整率和满载时的效率。,解:(1)求电压调整率 由例已求得75时的RS2.36,Xs=5.54,额定相电流I1NP43.3A,额定相电压 3 VR=(RS cos 2+XS sin 2)100%=(2.360.8+5.540.6)100%=3.9%(2)求满载频率 满载时=1,故,U1NP,I1NP,5 780,43.3,2.5 变压器的运行特性,大连理工

20、大学电气工程系,2.5 变压器的运行特性,=97.6%,大连理工大学电气工程系,2.6 三相变压器的联结组,一、联结组的表示方式 联结组:连接形式+联结组号。联结组号:有011十二个数，以表示出高、低压绕组线电动势之间的相位差。1.相电动势的相位关系,相位关系:,第 2 章 变压器,大连理工大学电气工程系,2.线电动势的相位关系,时钟表示法：高压绕组的线电动势(任取一个)作分针，指向12点；低压绕组对应的线电动势作时针，它们所确定的钟点数即为联结组号。,2.6 三相变压器的联结组,高、低压绕组对应的线电动势因连接方式不同会出现30整数倍的相位差。,例如:Y,y0连接形式为Y,y。联结组号为0。

21、钟表指在0点,高、低压绕组对应的线电动势的相位差为0。,Y,d11-连接形式为Y,d。联结组号为11。钟表指在11点,高、低压绕组对应的线电动势的相位差为1130330。,大连理工大学电气工程系,二、标准联结组,Y，yn0、Y，d11、YN，d11、Y，y0、YN，y0。,三、联结组的判断方法,例,Y,yn6,2.6 三相变压器的联结组,大连理工大学电气工程系,2.6 三相变压器的联结组,例,u1(v2),w2 u2 v2,D,d2,大连理工大学电气工程系,2.7 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

22、减少变压器的储备容量。,第 2 章 变压器,大连理工大学电气工程系,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。二、理想并联运行的条件1.电压比相等，以保证二次空载电压相等。规定：电压比之差0.5%(平均电压比)2.联结组相同，以保证二次空载电压相位相同。,一、并联运行的理想状态,2.7 三相变压器的并联运行,大连理工大学电气工程系,3.短路阻抗标么值相等。,(1)各台变压器承担的负载 与其短路阻抗模成反比。,2.7 三相变压器的并联运行,大连理工大学电

23、气工程系,希望,负载与容量成正比,即,(2)当 ZS 模的标么值（或 US 的标么值）相等时，各台变压器承担的负载与其容量成正比。(3)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。,2.7 三相变压器的并联运行,大连理工大学电气工程系,【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

24、，S=94 kVA,(2)应当使S=100 kVA 则,=89 kVA,SLmax=S+S=189 kVA,2.7 三相变压器的并联运行,大连理工大学电气工程系,2.8 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,更多的图片,大连理工大学电气工程系,2.自耦变压器的工作原理,(1)电压关系 忽略漏阻抗，则,2.8 自耦变压器,大连理工大学电气工程系,(2)电流关系,2.8 自耦变压器,公共绕组的电流,大连理工大学电气工程系,在降压变压器中，I1 I2,在升压变压器中，I1 I2,(3)功率关系 变压器容量,SN=U2NI2N=U1NI1N,S2=U2

25、I2,在降压变压器中,=U2(II1)=U2IU2I1=SiSt,2.8 自耦变压器,大连理工大学电气工程系,在升压变压器中,S1=U1I1,=U1(II2)=U1IU1I2=SiSt,降压变压器 升压变压器 感应功率 Si传导功率 St,U2I U1IU2I1 U1I2,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。,2.8 自耦变压器,大连理工大学电气工程系,2.9 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,大连理工大学电气工程系,2.工作原理,(1)空载时，三个绕组的电压关系,2.9 三绕组变压器,大连理工大学电气工程系

26、,(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=k13U3,2.9 三绕组变压器,大连理工大学电气工程系,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。,2.9 三绕组变压器,电压关系,大连理工大学电气工程系,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

27、.9 三绕组变压器,大连理工大学电气工程系,2.10 仪用互感器,一、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,大连理工大学电气工程系,E2,二、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。,2.10 仪用互感器,大连理工大学电气工程系,树脂浇注干式变压器,第 2 章 变压器,大连理工大学电气工程系,特种变压器,第 2 章 变压器,大连理工大学电气工程系,隔离变压器,第 2 章 变压器,大连理工大学电气工程系,电源用变压器,单相变压器,第 2 章 变压器,更多的图片,大连理工大学电气工程系,练 习 题,2.2.1 2.2.2*以教师画勾的题为准。,第 2 章 变压器,下一章,