變壓器運(yùn)行特性分析

1、課程設(shè)計(jì)名稱： 電機(jī)與拖動(dòng)課程設(shè)計(jì) 題 目： 變壓器運(yùn)行特性分析計(jì)算 專 業(yè)： 班 級(jí)：姓 名： 學(xué) 號(hào)：課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表學(xué) 期20112012學(xué)年第一學(xué)期姓 名專 業(yè)班 級(jí)課程名稱電機(jī)與拖動(dòng)論文題目評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定指標(biāo)分值得分知識(shí)創(chuàng)新性20理論正確性20內(nèi)容難易性15結(jié)合實(shí)際性10知識(shí)掌握程度15書(shū)寫(xiě)規(guī)范性10工作量10總成績(jī)100評(píng)語(yǔ)：任課教師時(shí) 間年 月 日備 注課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)一、設(shè)計(jì)題目變壓器運(yùn)行特性分析與計(jì)算二、設(shè)計(jì)任務(wù)給定單相變壓器：Sn=100kVA，U1n/U2n=380/220V，r1=0.14，r2=0.035，x1=0.22，x2=0.055，rm=30，r2=

2、310，副邊負(fù)載阻抗Zl=4+3j。完成變壓器空載，變壓器負(fù)載運(yùn)行，變壓器副邊突然短路時(shí)的分析與計(jì)算。三、設(shè)計(jì)計(jì)劃第1天, 查資料；第2天, 熟悉題目；第3天, 方案分析； 第4天, 具體按步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)及整理設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；第5天, 準(zhǔn)備答辯；四、設(shè)計(jì)要求指導(dǎo)教師： 教研室主任： 時(shí) 間：2013年6月20日摘要變壓器在我們的生活中無(wú)處不在，為了適應(yīng)不同的使用目的和工作條件，現(xiàn)實(shí)生活中有很多種類型的變壓器，常用的變壓器有：電力變壓器、特殊用途的電源變壓器、測(cè)量用變壓器、控制變壓器，且這些類型的變壓器在結(jié)構(gòu)和性能上的差別也很大。雖然這些變壓器有所不同，但是它們的基本原理是相同的。本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)變壓器的

3、變換關(guān)系即電壓變換、電流變換、阻抗變換，分析研究出變壓器運(yùn)行時(shí)的基本方程式，并通過(guò)相應(yīng)的折算得出變壓器的等值電路，從而完成對(duì)變壓器空載，變壓器負(fù)載運(yùn)行，變壓器空載合閘，變壓器副邊突然短路時(shí)的分析與計(jì)算。為了簡(jiǎn)化計(jì)算、減少計(jì)算量，本設(shè)計(jì)在相應(yīng)的計(jì)算上使用MATLAB軟件進(jìn)行輔助。通過(guò)本設(shè)計(jì)的研究計(jì)算能對(duì)變壓器的分析和計(jì)算方法有初步的了解，對(duì)變壓器出現(xiàn)空載、負(fù)載運(yùn)行、空載合閘、副邊突然短路時(shí)的電壓、電流變化有準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。關(guān)鍵詞：變壓器；基本方程式；折算；等值電路；MATLAB計(jì)算目錄1 變壓器結(jié)構(gòu)及其組成部分11.1變壓器的基本結(jié)構(gòu) 11.1.1鐵芯11.1.2繞組11.1.3油箱和冷卻裝置21.

4、1.4絕緣套管 21.1.5其他構(gòu)件 21.2變壓器的額定值22變壓器的變換關(guān)系42.1電壓變換 42.2電流變換 42.3阻抗變換 53變壓器等值電路及其折算關(guān)系64變壓器空載時(shí)的分析與計(jì)算 85變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)的分析與計(jì)算 96變壓器副邊突然短路時(shí)分析計(jì)算107結(jié)論118心得體會(huì) 12參考文獻(xiàn) 13.1 變壓器結(jié)構(gòu)及其組成部分1.1 變壓器的基本結(jié)構(gòu)電力變壓器主要由鐵芯、繞組、變壓器油、油箱、絕緣套管組成組成。鐵芯和繞組是變壓器的主要部分，二者裝配到一起稱為變壓器的器身。圖1-1為油浸式變壓內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。 圖1-1 油浸式變壓內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖1.1.1 鐵芯 鐵芯是變壓器的主磁路，又是變壓

5、器器身的骨架。鐵芯由鐵芯柱、鐵軛和夾件組成。變壓器鐵芯可以分為心式鐵芯和殼式鐵芯兩大類，為了提高磁路的導(dǎo)磁性能和降低鐵芯的磁滯及渦流損耗，鐵芯通常用厚0.35mm或0.5mm且表面涂有絕緣漆的硅鋼片疊制而成。為了保證良好的導(dǎo)磁性能，減少勵(lì)磁電流，通常是把鐵芯柱和鐵軛的硅鋼片一層層的交錯(cuò)重疊。1.1.2 繞組繞組是變壓器的電路部分，通常是用包有絕緣的鋁導(dǎo)線或銅導(dǎo)線繞制而成。根據(jù)高、低壓繞組在鐵芯柱上排列方式的不同，變壓器繞組可以分為同芯式和交疊式兩種。通信式的高、低壓繞組同心地套裝在鐵芯柱上。交疊式繞組交替套在鐵芯柱上。這種繞組高、低壓之間的間隙較多，絕緣比較復(fù)雜，但是漏電抗小，引線方便，機(jī)械強(qiáng)

6、度好，主要用在電爐和電焊等特種變壓器中。如圖1-2。1.1.3 油箱和冷卻裝置 油浸式變壓器的器身放置在充滿變壓器油的油箱內(nèi)。變壓器油是從石油中分餾出來(lái)的一種礦物油，起絕緣和冷卻的作用。油箱的結(jié)構(gòu)與變壓器的容量有關(guān)。變壓器的容量越大，發(fā)熱問(wèn)題就越嚴(yán)重。1.1.4 絕緣套管變壓器的引線從油箱內(nèi)穿過(guò)油箱蓋時(shí)，必須進(jìn)過(guò)絕緣套管，以使帶電的引線和接地的油箱絕緣。絕緣套管由中心套桿和瓷套倆部分組成。導(dǎo)桿下端經(jīng)過(guò)分接開(kāi)關(guān)與繞組端子連接，上端與外電路連接。 圖1-2 電力變壓器絕緣套管1.1.5 其他構(gòu)件電力變壓器除了上述幾種基本結(jié)構(gòu)外，還有儲(chǔ)油柜、氣體繼電器、分接開(kāi)關(guān)、測(cè)溫裝置、安全氣道、油表等。1.2

7、變壓器的額定值額定電壓U1N/U2N（kV或V）。指變壓器長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的所能承受的額定電壓。一次側(cè)的額定電壓U1N是指規(guī)定加到原繞組的電壓；二次側(cè)的額定電壓U2N是指當(dāng)原繞組上加額定電壓時(shí)，副邊繞組空載時(shí)的開(kāi)路電壓。對(duì)于三相變壓器指的均是線電壓。額定電流I1N/I2N（kA或A）。指變壓器在額訂容量下，各繞組長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)允許通過(guò)的電流。額定容量SN（KVA或VA）。它是變壓器在額定工作條件下輸出能力的保證值，是變壓器的視在功率。單相變壓器的額定容量為三相變壓器的額定容量為額定頻率fN。我國(guó)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)用電頻率為50Hz。2變壓器的變換關(guān)系變壓器是利用電磁感應(yīng)原理將某一電壓的交流換成頻率相同的另一

8、電壓的交流電的能量的變換裝備。變壓器的主要部件是一個(gè)鐵心和套在鐵心上的兩個(gè)繞組，如圖2-1所示。一個(gè)繞組接電源，稱為原繞組（一次繞組、初級(jí)），另一個(gè)接負(fù)載，稱為副繞組（二次繞組、次級(jí)）。當(dāng)交流變壓器U1加到一次側(cè)繞組，同時(shí)也穿過(guò)二次側(cè)繞組，它分別在兩個(gè)繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這時(shí)如果二次側(cè)與外電路的負(fù)載接通，便有交流I2流出，負(fù)載端電壓即為U2。原繞組各量用下標(biāo)1表示，副繞組各量用下標(biāo)2表示。原繞組匝數(shù)為N1，副繞組匝數(shù)為N2。圖2-1 變壓器工作原理圖2.1 電壓變換 （2.1.1） （2.1.2） （2.1.3）在忽略和的情況下，故變壓器的變比還可以近似地認(rèn)為等于變壓器一、二次繞組的電壓比，

9、即 （2.1.4）只要適當(dāng)選擇一二次繞組的匝數(shù)比，就可以把一次繞組的電壓變換到所需的二次繞組電壓。2.2 電流變換當(dāng)外加電壓和其頻率一定時(shí)，主磁通基本保持不變，因此有變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)的磁勢(shì)平衡方程式： （2.1.5）通過(guò)相應(yīng)的化簡(jiǎn)和等效可得一、二次電流有效值之比為 （2.1.6）這就是變壓器實(shí)現(xiàn)電流變換的原理。2.3 阻抗變換變壓器除了具有電壓和電流的變換作用之外，還有阻抗的變換作用。 （2.1.7）由此可見(jiàn)，負(fù)載經(jīng)過(guò)變壓器后，其阻抗模相對(duì)于電源而言增加了繞組你匝比的平方倍。3 變壓器等值電路及其折算關(guān)系通過(guò)計(jì)算可以得出變壓器的二次側(cè)折算到一次側(cè)后二次側(cè)參數(shù)會(huì)發(fā)生改變，折算后二次側(cè)的阻抗為原來(lái)

10、的k方倍，二次側(cè)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為原來(lái)的k倍，二次側(cè)負(fù)載上的電壓為原來(lái)的k，二次側(cè)電流變?yōu)樵瓉?lái)的1/k倍。并且可以得到圖3-1變壓器的“T”形等值電路。圖3-1 變壓器的“T”形等值電路 在實(shí)際應(yīng)用中勵(lì)磁電流很小，因此在一次繞組阻抗上產(chǎn)生的壓降很小，故可以忽略，這樣便可以將“T”形等值電路中的勵(lì)磁支路從中間移出來(lái)，并聯(lián)在電壓源的端點(diǎn)上形成“”形等值電路。圖3-2 變壓器的形等值電路 變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)I1Im，可以把勵(lì)磁電流忽略不計(jì)，于是將勵(lì)磁支路去掉就可以得到簡(jiǎn)化等值電路。圖3-3 變壓器的簡(jiǎn)化等值電路其中為短路電阻；Xk為短路電抗；Zk為短路阻抗。由此可見(jiàn)使用等值電路來(lái)計(jì)算單相變壓器的參數(shù)帶來(lái)了

11、很大的方便。4 變壓器空載時(shí)的分析與計(jì)算當(dāng)在變壓器一次側(cè)加額定電壓380V時(shí)，二次側(cè)開(kāi)路，即ZL為無(wú)窮大，根據(jù)變壓器的“T”形等效電路，可得此時(shí)電路的方程式：通過(guò)MATLAB軟件算出上述參數(shù)的具體值：通過(guò)計(jì)算可得，當(dāng)二次側(cè)開(kāi)路時(shí)，二次側(cè)電壓幾乎等于一次側(cè)電壓，勵(lì)磁電流即為一次側(cè)的電流，且勵(lì)磁電流也很小，幾乎為0。5 變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)的分析與計(jì)算 由于U1N/U2N=380V/220V，所以可以算出該電壓器的變比k=1.727。 將二次側(cè)的數(shù)值折算到一次側(cè)時(shí)，電壓、電流、阻抗的變換關(guān)系： ； ； 其中： =4+3j；=0.035+0.055j給變壓器兩側(cè)加上380V電壓，讓變壓器帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，且

12、負(fù)載阻值ZL=4+3j時(shí)，根據(jù)變壓器的“T”形等效電路，可以得出下列方程式：其中：U1=380V 通過(guò)MATLAB軟件算出上述參數(shù)的具體值：通過(guò)上述具體值可以得出，該變壓器在額定輸入電壓下帶負(fù)載ZL=4+3j時(shí)，一次側(cè)電流較小，且負(fù)載上的實(shí)際電壓方向與假定的方向相反，實(shí)際電流方向與假定的電流方向相同，勵(lì)磁電流等于一次側(cè)和二次側(cè)的電流之和。6 變壓器副邊突然短路時(shí)分析與計(jì)算 在第五小節(jié)中已經(jīng)算出了電壓器的的變比k=1.727，并且二次側(cè)折算到一次側(cè)后阻抗、電流、電壓的變換關(guān)系都有了詳細(xì)的介紹。 當(dāng)變壓器帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，變壓器副變突然短路時(shí)，即ZL=0，根據(jù)“T”形等效電路可以得出下列方程式：其中：

13、U1=380V 通過(guò)MATLAB軟件算出上述參數(shù)的具體值： 通過(guò)上述計(jì)算可得知：變壓器在正常帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，若副變突然短路，則該變壓器的勵(lì)磁電流會(huì)略微減小，但是會(huì)瞬間產(chǎn)生一個(gè)很大的一次側(cè)電流，從而產(chǎn)生很大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，二次側(cè)也會(huì)瞬間有一個(gè)較大的與參考方向相反的電流產(chǎn)生。所以只要副邊短路，對(duì)運(yùn)行中的變壓器都會(huì)造成很大的傷害。特別是當(dāng)變壓器的一次側(cè)接在容量較大的電網(wǎng)上時(shí)，如果保護(hù)設(shè)備不切斷電源，副邊短路一次側(cè)仍能繼續(xù)送電，這種情況下如不立即排除短路故障或切斷電源，變壓器將很快被燒毀。這是因?yàn)楫?dāng)變壓器副邊短路時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)高于額定電流2030倍的短路電流。根據(jù)磁勢(shì)平衡式可知，副邊電流是與原邊電流反相的

14、，副邊電流對(duì)原邊電流產(chǎn)生的主磁通起去磁作用，由于電磁的慣性原理，一次側(cè)要保持主磁通不變，必然產(chǎn)生一個(gè)很大的電流來(lái)抵消副邊短路的去磁作用，這樣二種因素的大電流匯集在一起作用在變壓器的鐵芯和線圈上，在變壓器中將產(chǎn)生一個(gè)很大的作用力。這個(gè)力作用在線圈上，可以使變壓器線圈發(fā)生嚴(yán)重的畸變和崩裂，另外產(chǎn)生出允許溫升幾倍的溫度，致使變壓器在很短時(shí)間內(nèi)燒毀。7 結(jié)論本設(shè)計(jì)基于給定的單相變壓器：Sn=100kVA，U1n/U2n=380/220V，r1=0.14，r2=0.035，x1=0.22，x2=0.055，rm=30，r2=310，副邊負(fù)載阻抗Zl=4+3j。完成了當(dāng)變壓器空載，變壓器負(fù)載運(yùn)行，變壓器副

15、邊突然短路時(shí)的分析與計(jì)算。變壓器在空載運(yùn)行時(shí)二次側(cè)電壓幾乎等于一次側(cè)電壓，勵(lì)磁電流即為一次側(cè)的電流， i2=0，且勵(lì)磁電流也很小，幾乎為0 。故變壓器空載時(shí)，鐵芯中的主磁通是由空載電流產(chǎn)生的磁勢(shì)建立的。當(dāng)變壓器帶給定的負(fù)載時(shí)，一次側(cè)電流較小，且負(fù)載上的實(shí)際電壓方向與假定的方向相反，實(shí)際電流方向與假定的電流方向相同，勵(lì)磁電流等于一次側(cè)和二次側(cè)的電流之和。 變壓器在正常帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，若副變突然短路，則該變壓器的勵(lì)磁電流會(huì)略微減小，但是會(huì)瞬間產(chǎn)生一個(gè)很大的一次側(cè)電流，從而產(chǎn)生很大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，二次側(cè)也會(huì)瞬間有一個(gè)較大的與參考方向相反的電流產(chǎn)生。 所以只要副邊短路，對(duì)運(yùn)行中的變壓器都會(huì)造成很大的傷害。

16、特別是當(dāng)變壓器的一次側(cè)接在容量較大的電網(wǎng)上時(shí)，如果保護(hù)設(shè)備不切斷電源，副邊短路一次側(cè)仍能繼續(xù)送電，這種情況下如不立即排除短路故障或切斷電源，變壓器將很快被燒毀。8 心得體會(huì)通過(guò)將近一周的課程設(shè)計(jì)，使我基本掌握了單相變壓器的分析方法。同時(shí)對(duì)于變壓器空載、變壓器正常帶負(fù)載，以及變壓器副邊短路時(shí)變壓器各項(xiàng)指標(biāo)的變化有了初步的認(rèn)知和了解。對(duì)于變壓器副邊短路的危害有了深刻的體會(huì)，提高了自己安全生產(chǎn)的認(rèn)識(shí)。同時(shí)我學(xué)會(huì)了使用MATLAB軟件，對(duì)其中的一些原件有了一些初步的掌握，對(duì)其基本性能也有所了解，能夠編寫(xiě)一些簡(jiǎn)單的語(yǔ)句?；仡櫛敬握n程設(shè)計(jì)的過(guò)程，我以教材為主線，按照規(guī)定的程序進(jìn)行，針對(duì)的變壓器各個(gè)組成部分的特點(diǎn)，進(jìn)行拓整合和拓展，調(diào)查和學(xué)習(xí)相關(guān)資料。最終確定分析方法，完成對(duì)變壓器三中狀態(tài)時(shí)的分析和設(shè)計(jì)。我認(rèn)為這是一次非常有意義的實(shí)踐活動(dòng)，它鍛煉了我的獨(dú)立思維能力，同時(shí)也培養(yǎng)了我與人溝通的能力和協(xié)調(diào)組織的能力，培養(yǎng)了我自主學(xué)習(xí)的能力。我們?cè)谡n堂上學(xué)習(xí)的僅僅是理論知識(shí)，而課程設(shè)計(jì)是的面對(duì)現(xiàn)實(shí)，讓我們將所學(xué)理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中。在課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我查閱了很多次設(shè)計(jì)書(shū)和指導(dǎo)書(shū)。為了讓自己的設(shè)計(jì)更加完善，更加符合工程標(biāo)準(zhǔn)，我們必須一次又一次的查閱資料。所以課程設(shè)計(jì)讓我們養(yǎng)成了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，同時(shí)讓我們更加明白，工程設(shè)計(jì)一定要符合實(shí)際。在做設(shè)計(jì)的過(guò)程中我發(fā)現(xiàn)許多知識(shí)已