第二章課件(電機)

第二章變壓器2.1變壓器的基本工作原理和結(jié)構(gòu)2.2變壓器的空載運行2.6三相變壓器的磁路系統(tǒng)與聯(lián)結(jié)組2.8變壓器的并聯(lián)運行

臨沂大學2.10變壓器的不對稱運行2.5標幺值2.3變壓器的負載運行2.4變壓器等效電路參數(shù)的測定2.7變壓器的運行特性2.9特殊變壓器※重點與難點

重點:

1.變壓器的基本方程和等效電路；

2.等效電路參數(shù)的測定；

3.標幺值；

4.變壓器的運行性能。

難點:1.變壓器的運行原理和運行性能；

2.三相變壓器。2-1變壓器的基本工作原理和結(jié)構(gòu)閉合導磁鐵心上放置兩個相互絕緣的線圈，一個接電源，另一個接負載。電磁感應定律感應電動勢圖2-1簡單變壓器一次繞組二次繞組鐵心一、變壓器的基本工作原理二、變壓器的結(jié)構(gòu)鐵心繞組其他部件變壓器的結(jié)構(gòu)1.鐵心鐵心由心柱和鐵軛兩部分組成。心柱用來套裝繞組，鐵軛將心柱連接起來，使之形成閉合磁路。為減少鐵心損耗，鐵心用厚0.30-0.35mm的硅鋼片疊成，片上涂以絕緣漆，以避免片間短路。按照鐵心的結(jié)構(gòu)，變壓器可分為心式和殼式兩種。心式變壓器:

結(jié)構(gòu)心柱被繞組所包圍，如圖2—3a)所示。

特點心式結(jié)構(gòu)的繞組和絕緣裝配比較容易，所以電力變壓器常常采用這種結(jié)構(gòu)。殼式變壓器:

結(jié)構(gòu)鐵心包圍繞組的頂面、底面和側(cè)面，如圖2—3b)所示。

特點殼式變壓器的機械強度較好，常用于低電壓、大電流的變壓器或小容量電訊變壓器。2.繞組定義變壓器的電路部分，用紙包或紗包的絕緣扁線或圓線（銅或鋁）繞成。一次繞組:輸入電能的繞組。

二次繞組:輸出電能的繞組。高壓繞組的匝數(shù)多,導線細；低壓繞組的匝數(shù)少，導線粗。從高、低壓繞組的相對位置來看,變壓器的繞組可分為同心式和交迭式。同心式結(jié)構(gòu)

同心式繞組的高、低壓繞組同心地套裝在心柱上。特點

同心式繞組結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，國產(chǎn)電力變壓器均采用這種結(jié)構(gòu)。交迭式結(jié)構(gòu)

交迭式繞組的高、低壓繞組沿心柱高度方向互相交迭地放置。交迭式繞組用于特種變壓器中。特點3.其他部件

器身油箱變壓器油典型的油浸電力變壓器散熱器絕緣套管分接開關繼電保護裝置等部件油浸式變壓器、干式變壓器

三、變壓器的額定值

額定容量

在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下變壓器輸出視在功率的保證值，單位為VA或kVA。三相變壓器指三相容量之和。

額定電壓

銘牌規(guī)定的各個繞組在空載、指定分接開關位置下的端電壓，單位為V或kV。三相變壓器指線電壓。

額定電流

根據(jù)額定容量和額定電壓算出的電流稱為額定電流，單位為A。三相變壓器指線電流。

三相變壓器：額定頻率我國的標準工頻規(guī)定為50(Hz)。此外還有額定效率、額定溫升。單相變壓器：返回一、基本方程物理情況圖2—52-2變壓器的空載運行變壓器的一次繞組接交流電源，二次繞組開路，負載電流為零(即空載)時的運行，稱為空載運行。各參考方向的規(guī)定感應電動勢電壓方程二、電壓比三、主磁通和勵磁電流

通過鐵心并與一次、二次繞組相交鏈的磁通，用表示。1．主磁通2．勵磁電流產(chǎn)生主磁通所需要的電流，用表示?？蛰d運行時，空載電流就是勵磁電流，即勵磁電流包括兩個分量，一個是磁化電流,一個是鐵耗電流。若鐵心中主磁通的幅值使磁路達到飽和,則需由圖解法來確定，如圖2-7(a)和(b)所示。磁化電流用于激勵鐵心中的主磁通，屬于無功電流。對已經(jīng)制成的變壓器，

的大小和波形取決于主磁通和鐵心磁路的磁化曲線。當磁路不飽和時，磁化曲線是直線，磁化電流與磁通成正比。（1）磁化電流:由于鐵心中存在鐵心損耗，故勵磁電流中除無功的磁化電流外，還有一個與鐵心損耗相對應的鐵耗電流，與同相位。于是用復數(shù)表示時，勵磁電流為:相應的相量圖如圖2-6所示（２）鐵耗電流:四、勵磁阻抗

1.磁化電抗與鐵耗電阻

又：所以有鐵心線圈的并聯(lián)等效電路。磁化電抗：式中

稱為變壓器的磁化電抗，是表征鐵心磁化性能的一個參數(shù)。另外：

鐵耗電阻：稱為鐵耗電阻，是表征鐵心損耗的一個參數(shù)。2.勵磁電抗與勵磁電阻由上式可得：勵磁電抗：是表征鐵心的磁化性能的一個等效參數(shù);勵磁電阻：是表征鐵心損耗的一個等效參數(shù)。勵磁阻抗：鐵心線圈的串聯(lián)等效電路返回變壓器的一次繞組接到交流電源，二次繞組接到負載阻抗時，二次繞組中便有電流流過，這種情況稱為變壓器的負載運行，如圖2—10所示。一、負載時的磁動勢平衡和能量傳遞1.磁動勢平衡關系2-3變壓器的負載運行或由上式得因此

2．能量傳遞式中，左端的負號表示輸入功率，右端的正號表示輸出功率。上式說明，通過一次、二次繞組的磁動勢平衡和電磁感應關系，一次繞組從電源吸收的電功率就傳遞到二次繞組，并輸出給負載。這就是變壓器進行能量傳遞的原理。3、磁動勢方程

正常負載時，和都隨時間正弦變化，此時磁動勢方程可用復數(shù)表示為：

上式表明負載時用以建立主磁通的激磁磁動勢是一次和二次繞組的合成磁動勢。二、漏磁通和漏電抗1.漏磁通在實際變壓器中，除了通過鐵心、并與一次和二次繞組相交鏈的主磁通之外，還有少量僅與一個繞組交鏈且主要通過空氣或油而閉合的漏磁通。一次繞組的漏磁通：由電流產(chǎn)生且僅與一次繞組相交鏈的磁通，用表示；二次繞組的漏磁通：由電流產(chǎn)生且僅與二次繞組相交鏈的磁通，用表示。

和分別稱為一次和二次繞組的漏磁電抗，簡稱漏抗漏抗是表征繞組漏磁效應的一個參數(shù),且都為常值。2.漏磁電抗三、變壓器的基本方程磁通磁動勢感應電動勢一次繞組二次繞組1.磁動勢方程2.電壓方程若各電壓、電流均隨時間正弦變化，則相應的復數(shù)形式

:根據(jù)基爾霍夫第二定律，有:變壓器的基本方程為：

四、變壓器的等效電路

1.繞組歸算

（A）方法通常是把二次繞組歸算到一次繞組，也就是假想把二次繞組的匝數(shù)變換成一次繞組的匝數(shù)，而不改變一次和二次繞組原有的電磁關系。（B）原則

只要歸算前后二次繞組的磁動勢保持不變，則對一次繞組來說,變換是等效的；即一次繞組將從電網(wǎng)吸收同樣大小的功率和電流，并有同樣大小的功率傳遞給二次繞組。.電流的歸算:

歸算前、后二次繞組的磁動勢保持不變，可得：(2)電勢的歸算:

歸算前、后二次繞組的磁動勢保持不變，則鐵心中的主磁通保持不變，可得：(3)阻抗的歸算:

歸算前、后二次繞組的傳輸功率、損耗保持不變，可得：歸算后，變壓器的基本方程變?yōu)?2.T形等效電路

一次和二次繞組以及激磁部分的的等效電路，如圖2—12(a),(b)和(c)所示。根據(jù)

兩式，把這三個電路連接在一起，即可得到變壓器的T形等效電路，如圖2—13所示。

3.近似和簡化等效電路

近似等效電路如圖2—15

所示。簡化等效電路如圖所示。2—16

在簡化等效電路中，變壓器的等效阻抗表現(xiàn)為一串聯(lián)阻抗：

稱為等效漏阻抗,可由短路實驗測出,故亦稱短路阻抗；

和分別稱為短路電阻和短路電抗。返回五、相量圖一、空載試驗測勵磁參數(shù)（開路試驗）

亦稱空載試驗。

試驗接線圖：如圖2—18所示。

試驗方法：二次繞組開路，一次繞組加以額定電壓，測量此時的輸入功率、電壓和電流。2.5變壓器等效電路參數(shù)的測定為試驗方便和安全，通常在低壓側(cè)加電壓，高壓側(cè)開路。數(shù)據(jù)處理：二、短路試驗測短路參數(shù)

亦稱為負載試驗。

試驗接線圖：如圖2—19所示。

試驗方法：二次繞組短路，一次繞組上加一可調(diào)的低電壓。調(diào)節(jié)外加的低電壓，使短路電流達到額定電流，測量此時的一次電壓輸入功率和電流，由此即可確定等效漏阻抗。短路試驗常在高壓側(cè)加電壓，低壓側(cè)短路。數(shù)據(jù)處理：電阻應折算到７５℃：若為銅線，則：

短路電壓（阻抗電壓）：短路試驗時，使電流達到額定值時所加的電壓。返回一、三相變壓器的磁路系統(tǒng)1.各相磁路彼此無關（三相變壓器組）

圖2—20表示三臺單相變壓器在電路上聯(lián)接起來，組成一個三相系統(tǒng)，這種組合稱為三相變壓器組。三相變壓器組的磁路彼此獨立，三相各有自己的磁路。2-6三相變壓器的磁路系統(tǒng)與聯(lián)結(jié)組三相變壓器對稱運行時，其各相的電壓，電流大小相等，相位相差，因此在運行原理的分析與計算時，可以取三相中一相來研究，即三相問題可以轉(zhuǎn)化為單相問題。2.各相磁路彼此相關（三相心式變壓器）如果把三臺單相變壓器的鐵心拼成星形磁路，則當三相繞組外施三相對稱電壓時，由于三相主磁通也對稱，故三相磁通之和將等于零，即

這樣，中間心柱將無磁通通過，可省略。進而把三個心柱安排在同一平面內(nèi)，可得三相心式變壓器。如圖2-21。二、三相繞組的聯(lián)結(jié)

三相心式變壓器的三個心柱上分別套有A相、B相和C相的高壓和低壓繞組，三相共六個繞組，如圖2—23所示。為絕緣方便，常把低壓繞組套在里面，靠近心柱，高壓繞組套裝在低壓繞組外面。三相繞組常用(用Y或y表示)或三角形聯(lián)結(jié)(用D或d)表示。

星形聯(lián)結(jié)是把三相繞組的三個首端A,B,C引出，把三個尾端X,Y,Z聯(lián)結(jié)在一起作為中點。如圖2-23a）。三角形聯(lián)結(jié)是把一相繞組的尾端和另一相繞組的首端相聯(lián)，順次聯(lián)成一個閉和的三角形回路，最后把首端A,B,C引出。如圖2-23c）。三相變壓器高壓繞組的首端通常用大寫的A、B、C表示，尾端用大寫的X、Y、Z表示，低壓繞組的首端用小寫的a、b、c表示，尾端用x、y、z表示。1.同一鐵心柱上高、低壓繞組相電壓之間的相位關系

三、三相變壓器的聯(lián)結(jié)組為了確定相電壓的相位關系，高壓和低壓繞組相電壓相量的正方向統(tǒng)一規(guī)定為從繞組的末端指向首端。高壓和低壓繞組的相電壓既可能是同相位，亦可能是反相位，取決于繞組的同名端是否同在首端或末端。如圖2-24。時鐘表示法：即把高、低壓繞組兩個線電壓三角形的重心重合，把高壓側(cè)線電壓三角形的一條中線作為時鐘的長針，指向鐘面的12，再把低壓側(cè)線電壓三角形中對應的中線作為短針，它所指的鐘點就是該聯(lián)結(jié)組的組號。

2.三相高、低壓繞組線電壓之間的相位關系

（1）Y，y0聯(lián)結(jié)組如

若把低壓側(cè)的同名端改為尾端，則聯(lián)結(jié)組變?yōu)閅，y6。（2）Y，d11聯(lián)結(jié)組如

若把低壓側(cè)的同名端改為尾端，則聯(lián)結(jié)組變?yōu)閅，d5；若把低壓側(cè)由順接改為逆接，則聯(lián)結(jié)組變?yōu)閅，d5。（3）標準聯(lián)結(jié)組Y，yn0；Y，d11；YN，d11；YN，y0；Y，y0五種，前三種常用。在實際電力系統(tǒng)中所用變壓器至少有一側(cè)繞組接成d接。圖2—26圖2—25返回二、基值的選取應用標幺值時，首先要選定基值(用下標b表示)。對于電路計算而言，四個基本物理量U、I、Z和S中，有兩個量的基值可以任意選定，其余兩個量的基值可根據(jù)電路的基本定律導出。2-6標幺值所謂標幺值就是某一物理量的實際值與選定的基值之比。一、標幺值得定義計算變壓器或電機的穩(wěn)態(tài)問題時，常用其額定值作為相應的基值。此時一次和二次相電壓的標幺值為:一次和二次相電流的標幺值為:歸算到一次側(cè)時，等效漏阻抗的標幺值為：在三相系統(tǒng)中，線電壓和線電流亦可用標幺值表示，此時以線電壓和線電流的額定值為基值。不難證明，此時相電壓和線電壓的標幺值相等，相電流和線電流亦相等。三相功率的基值取為變壓器(電機)的三相額定容量，即：三、標幺值的優(yōu)點

(1)不論變壓器或電機容量的大小，用標幺值表示時，各個參數(shù)和典型的性能數(shù)據(jù)通常都在一定的范圍以內(nèi)，因此便于比較和分析。

(2)用標幺值表示時，歸算到高壓側(cè)或低壓側(cè)時變壓器的參數(shù)恒相等，故用標幺值計算時不必再進行歸算。(3)標幺值的缺點是沒有量綱，無法用量綱關系來檢查。

返回一、外特性和電壓調(diào)整率

2-7變壓器的運行特性定義：當一次側(cè)電壓保持為額定，負載功率因數(shù)為常值，從空載到負載時二次側(cè)電壓變化的百分值，用△u表示。由圖2-33(a)和圖2-33(b)得：圖2-32不同負載性質(zhì)的外特性額定電壓調(diào)整率（）：當負載為額定負載、功率因數(shù)為指定值(通常為0.8滯后)時的電壓調(diào)整率。額定電壓調(diào)整率是變壓器的主要性能指標之一，通常約為5%。（變壓器調(diào)壓：無載調(diào)壓、有載調(diào)壓）二、效率特性和效率變壓器運行時將產(chǎn)生損耗，變壓器的損耗分為銅耗和鐵耗兩類。每一類又包括基本損耗和雜散損耗。

基本銅耗：是指電流流過繞組時所產(chǎn)生的直流電阻損耗。1.銅耗雜散銅耗：主要指漏磁場引起電流集膚效應，使繞組的有效電阻增大而增加的銅耗，以及漏磁場在結(jié)構(gòu)部件中引起的渦流損耗等。銅耗與負載電流的平方成正比，因而也稱為可變損耗。2.鐵耗

基本鐵耗：是變壓器鐵心中的磁滯和渦流損耗。雜散鐵耗：包括疊片之間的局部渦流損耗和主磁通在結(jié)構(gòu)部件中引起的渦流損耗等。鐵耗可近似認為與或成正比，由于變壓器的一次電壓保持不變,故鐵耗可視為不變損耗。

效率:輸出功率與輸入功率之比。

3.效率特性其中:從效率特性可見,當負載達到某一數(shù)值時,效率將達到最大值。把上式對求導,并使,可得:上式說明，發(fā)生最大效率時，變壓器的銅耗恰好等于鐵耗。效率特性：效率是負載電流的函數(shù)，如圖2—29所示。工程上常用間接法來計算效率，即測出銅耗和鐵耗,在計算效率。公式如下:

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圖2-3a)單相心式變壓器

圖2-3b)單相殼式變壓器

圖2-5變壓器的空載運行

圖2-10變壓器的負載運行

圖2-7（a）鐵心的磁化曲線O

O圖2-7（b）磁路飽和時磁化電流成為尖頂波

0圖2-29變壓器的效率特性

圖2-6變壓器的空載相量圖

圖2-9(a)鐵心線圈的并聯(lián)等效電路

圖2-9(b)鐵心線圈的串聯(lián)等效電路

WAVV圖2-18開路試驗的接線圖

WAV圖2-19短路試驗的接線圖

圖2-12根據(jù)歸算后的基本方程畫出的部分電路圖

a)b)c)圖2-13變壓器的T形等效電路圖

圖2-15變壓器的近似形等效電路圖

圖2-16變壓器的簡化等效電路

圖2-20三相變壓器組及其磁路系統(tǒng)XYZA

B

C

圖2-28(a)簡化等效電路圖

圖2-28用簡化等效及其向量圖求b)相量圖

a)三相星形磁路b)實際心式變壓器的磁路圖2-21三相心式變壓器

圖2-22三相變壓器的磁通相量圖

ABCXYZABCXYZ圖2-23三相繞組的聯(lián)結(jié)法

a)星形聯(lián)結(jié)c)三角形聯(lián)結(jié)

AXaxAXaxa)

b)圖2-20高低壓繞組的同名端和相電壓的相位關系

a)和b)首端為同名端,與同相

AXaxc)AXaxd)圖2-20高低壓繞組的同名端和相電壓的相位關系

c)和d)首端為非同名端,和反相

ABCXYZ

xyzabc圖2-25Y,y0聯(lián)結(jié)組a)繞組聯(lián)結(jié)圖

ACBabc圖2-25Y,y0聯(lián)結(jié)組b)高低壓電壓相量圖

XYZ

xyzbcABCa圖2-25Y,d11聯(lián)結(jié)組a)繞組聯(lián)結(jié)圖

aybzxc.ACBacb圖2-25Y,d11聯(lián)結(jié)組b)低壓側(cè)的相量圖

c)由高低壓線電壓三角形確定組號b)c)

第八節(jié)變壓器的并聯(lián)運行并聯(lián)運行變壓器的理想運行狀態(tài)變壓器理想并聯(lián)運行的條件是：（1）空載時并聯(lián)的變壓器之間無環(huán)流；（2）負載時能夠按照各臺變壓器的容量合理地分擔負載；（3）負載時各變壓器所分擔的電流應為同相。理想并聯(lián)運行時各變壓器應滿足的條件（1）各變壓器的額定電壓與電壓比應當相等；（2）各變壓器的聯(lián)結(jié)組號必須相同；（3）各變壓器的短路阻抗標幺值要相等，阻抗角要相同；上述三個要求中，第二個要求必須嚴格保證，否則將在兩臺變壓器構(gòu)成的閉合回路中引起極大的環(huán)流，把變壓器的線圈燒毀。負載根據(jù)變壓器的并聯(lián)電路可列出方程組解方程組得電壓比不同引起的環(huán)流電壓比相同、等效漏阻抗

不同時的負載分配按比例分擔容量的條件理想的負載分配是