第三章变压器的原理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一节：变压器的工作原理和结构,第二节：单相变压器的空载运行,第三节：单相变压器的负载运行,第四节：变压器的运行特性,第五节：三相变压器,第六节：自耦变压器和仪用互感其,*,第七节,：旋转变压器,第三章 变压器,重点：掌握交流电机的基本分析方法,变压器的基本平衡方程式,变压器的等效电路,简化电路的相量图,变压器的电路系统,仪用互感器和自耦变压器的应用,*,旋转变压器及应用,变压器：将一个等级的电压、电流,的交流电,另一个等级的,电压、电流。,用途：,1.,电能的输送，分配,2.,控制系统中作整流、控制设备等问题：这章主要讲解,电力变压器,的结构和原理,1,、电力变压器的结构？常用的有哪几种类型？,2,、变压器的工作原理？,3,、单相变压器空载运行时电、磁路的分析？,4,、单相变压器负载运行时的基本方程式及绕组的折算原则？,5,、变压器的等效电路及相量图？,6,、变压器的空载实验及短路实验？,7,、三相变压器的连接组别有哪些？,第一节 变压器的工作原理 和结构,重点,:,1.,复习交流量的几种表示方法,2.,掌握变压器的工作原理,3.,掌握铭牌数据各个物理量的意义,一、变压器的工作原理,1.,主要部件：,铁心，绕组（两个）匝数不同,互相绝缘,器身,忽略漏抗后,2.,变压器的工作原理：,一次绕组加U,1,I,1,（,交变磁通）,E,1,E,2,二、变压器的基本结构,主要部件：铁心、绕组、绝缘套管、油 箱,及附件。,（一）铁心和绕组,1.,铁心,磁路，机械骨架,由心柱，铁轭组成,材料：,0.35,0.5mm,互相绝缘的硅钢叠成,目的：减少铁心磁滞和涡流损耗,2.,绕组,电路,材料：纸包或纱包绝缘扁线或圆线，,小型变压器用漆包线。,一般低压绕组在里，高压绕组在外，便于绝缘,（二）油箱及变压器油,1.,油箱：安放器身，绝缘、散热。,2.,储油柜：减少油与空气的接触。,3.,变压器油：绝缘和冷却,（三）其他部件,绝缘套管：保证绕组引线与油箱之间的绝缘，电压越高，绝缘套管级数越多,气体继电器，安全气道，分接开关，油表，吸湿器等。,三、变压器的铭牌数据,1.,额定容量,S,N,：,视在功率,VA,、,kVA,输出能力的保证值，,即最大输出能力。,变压器的输出功率由负载决定,!,（一）变压器的额定数据,正常工作状态所作的使用规定，是正确使用变压器的依据,单相：,三相：,2.,额定电压,U,N1,/U,N2,：,变压器,空载,时，在额定分接时，,各绕组电压的保证值，,三相变压器：,线电压。,3.,额定电流,I,N1,/I,N2,：,在额定负载时，允许绕组长期通过的电流。三相变压器：,线电流,4.,额定频率,f,N,标准频率,50H,（,二）电力变压器的型号,SL7100/10,S,三相,L,铝线,7,设计序号,100,容量,100kVA,10,高压绕组电压,10kV,主要系列：,SJL1,三相油浸铝线,SL7,三相铝线低损耗,S7,、,S9,三相铜线,第二节 单相变压器空载运行,重点：,1.,掌握变压器空载运行的平衡方程式,2.,掌握等效电路和相量图,空载：一次绕组接电源,二次绕组开路,一、变压器的空载运行原理,一次绕组加电压,二、电压、电动势和磁通的关系,一次绕组：一次侧电源的负载,二次绕组：二次侧负载的电源。,电压的正方向与电流的正方向一致,磁通与励磁电流之间符合右手螺旋定则。,e,与,之间符合右手螺旋定则。,（一）忽略漏磁通和绕组电阻时各电磁量及相互关系,设：,（二）考虑漏磁通和一次绕组电阻时各电磁量及相互关系,漏磁通在一次绕组产生的感应电动势,一次侧电压平衡方程式,一次绕组漏阻抗,说明：,三相变压器的变比为,相电压,之比。,三、空载电流和空载损耗,1.,空载电流,I,2,=0,I,1,=,I,0,İ,0,=,İ,Fe,+,İ,u,I,u,励磁分量，与,m,同相位，超前,1,90,0,I,Fe,有功分量，产生铁心损耗，超前,İ,u,90,0,I,u,I,Fe,I,0,=,（,3,10,）,%,I,N1,由于铁磁材料的非线性，电源电压正弦波,感应电动势正弦波磁通正弦波励磁电流尖顶波,2.,空载损耗,p,0,=,I,0,2,R,1,+,p,Fe,=,p,cu1,p,Fe,p,cu1,p,Fe,p,0,p,Fe,四、空载运行时的相量图 和等效电路,（一）相量图,以,为参考相量，,İ,0,与,1,相位角,0,90,0,，,cos,0,=0.10.2,（,二）等效电路,1,R,1,X,1,İ,0,1,R,m,X,m,第三节 单相变压器负载运行,重点：,1.,变压器负载时的平衡方程式,2.,掌握绕组的折算方法,3.,掌握等效电路,4.,掌握相量图的画法,5.,掌握变压器等效电路参数的测定方法,一、变压器的磁通势平衡关系,负载：一次绕组加正弦交流电压，二次绕组接负载。,Z,L,I,2,0I,2,N,2,2,不再单独由,I,1,产生，而是由,I,1,和,I,2,共同产生。,U,1,=C,=C,由于磁通的联系，二次电流的变化必然引起一次电流的变化。,磁通势平衡方程式,İ,1,N,1,+,İ,2,N,2,=,İ,0,N,1,或,即变压器负载运行时，,I,1,由励磁分量,I,0,和负载分量,-,I,2,/,k,组成。,二、变压器的基本方程式,三、绕组的折算,N,1,N,2,一、二次绕组只有磁的联系，无电的联系,用单纯的电路代替实际变压器,绕组折算：原则：,F,2,=,F,2,N,2,N,1,电磁关系不变，,即,2,不变,1.,二次侧电动势和电压的折算,2.,二次电流的折算,原则：折算前后磁通势不变，,3.,二次阻抗的折算：,原则：折算前后,p,，,q,P,2,均保持不变,四、变压器的等效电路和相量图,（一）等效电路,折算后的基本方程式,1.“T”,形等效电路,1,İ,1,1,İ,2,İ,0,2,R,1,X,1,R,m,X,m,R,2,X,2,Z,L,2.“,”,型等效电路,很小，忽略不计,R,m,X,m,R,1,X,1,R,2,X,2,Z,L,1,İ,1,İ,0,İ,2,3.,简化等效电路,1,İ,1,=-İ,2,Z,L,R,sh,X,sh,（二）变压器负载时的相量图,1.,感性负载,2.,容性负载,3.,简化等效电路相量图,由简化等效电路得：,（,1,）以,为参考量相量,（,2,）感性负载,滞后,角,（,3,）,（,4,）,-,2,-2,1,R,sh,j,1,X,sh,1,2,1,五、等效电路参数测定 及标么值,计算,1.,空载实验,（,1,）实验目的：测量,（,2,）实验方法,高压侧开路,低压侧接电源,U,20,V,W,A,V,N,1,N,2,高压侧,（一）等效电路参数的测定,3.,参数计算：,说明：,1.,三相变压器需用每一相的值计算。,2,所计算的参数是低压侧的参数，要折算到高压侧需乘,k,2,2.,短路实验,（,1,）实验目的：测量,计算,（,2,）方法：低压侧短路,高压侧加电压,高压侧,低压侧,N,1,N,2,A,W,V,（,3,）参数计算：,U,1,很低，,Z,m,很大，,I,0,可忽略不计。,sh,İ,k,İ,N1,1,1/2,sh,R,1,X,1,R,2,X,2,（二）,标么值,标么值,=,标么值的特点,不论容量大小，便于比较,可直观表示变压器的运行情况,用标么值无须折算。,第四节 变压器的运行特性,运行特性：外特性和效率特性,重点；,1.,掌握变压器的电压调整率,2.,掌握不同负载情况下的外特性,3.,掌握效率特性,一、电压调整率和外特性,（一）电压调整率,-,2,-,İ,2,İ,1,R,sh,j,İ,1,X,sh,1,2,1,（二）外特性,U,1,=U,N1,cos,2,=C U,2,=f(I,2,),(1),纯阻性负载,cos,2,=1 sin,2,=0,U,2,=U,N2,(1-U%),U,较小，外特性下垂少。,U,2,I,2,I,N2,U,N2,0,cos,2,=1,(2),感性负载,(3),容性负载,U,2,I,2,I,N2,U,N2,0,cos,2,=0.8,cos(-,2,)=0.8,二、损耗与效率、效率特性,变压器的损耗,2.,变压器的效率及效率特性,当,cos,2,一定时，,随,I,2,*,变化,效率特性,max,0,I,2,I,N2,m,例题,1,有一台三相变压器，,S,N,=5600kVA,，,U,N1,/U,N2,=35/6.3kV,，,Yd11,联结。从短路实验得：,U,sh1,=2610V,，,I,sh1,=92.3A,，,p,sh,=53kW,。当U,1,=U,N1,时，,I,2,=I,N2,测得电压,U,2,=U,N2,，,求此时负载的性质及功率因数角的大小（不考虑温度的折算）。,容性,负载,例题,2,有一台三相变压器，,S,N,=100kV,，,U,N1,/U,N2,=6/0.4kV,，,Y,，,yn0,联结，数据：,U,sh,=4.5%,，,p,sh,=2270W,，此,变压器二次侧接至三角形联结的平衡负载，每相负载阻抗,Z,L,=3.75+j2.85,，,求：,在此负载下的电流及二次侧端电压,一次侧与二次侧的功率因数,1,İ,1,=-İ,2,Z,L,R,sh,X,sh,习题,一台容量为,100kVA,、,电压为,6000/400V,、,Y,，,yn0,联结的三相变压器有下列参数：,R,1,=R,2,=3.62,，,X,1,=X,2,=9.05,，,R,m,=514,，,X,m,=5520,，,负载阻抗,Z,L,=540+j410,。,试求：当一次侧加额定电压时，二次侧电流、电压和负载的功率因数。（用简化等效电路）,第五节 三相变压器,重点：三相变压器的联结组,三相变压器的并联运行,难点：变压器联结方式对电动势波形的,影响,一、三相变压器的磁路系统,1.,三相变压器组：,由三个单相变压器组成。,三相磁路互相独立，彼此无关。,A,a,a,X,x,A,A,b,B,Y,y,B,b,B,C,c,Z,z,C,c,C,2.,三相心式变压器,三相磁路相互联系，彼此相关。,二、三相变压器的联接组标号,电路系统,（一）三相变压器绕组的联结法,A,B,C,a,b,c,a,b,c,A B C,X Y Z,a,b,c,A B C,X Y Z,a,b,c,（二）变压器的联结,组别,按一，二次侧电动势（线电势）的相位关系分成十二组。,时钟表示法：,高压绕组的线电势,分针,始终指向“,12”,低压绕组的线电势,时针,由实际电动势的相位决定,所指数字为“标号,”,单相变压器的联接组,电动势正方向由绕组首端指向末端,1.,高低压绕组首端同为同名端,A,X,a,x,A,a,a,A,A,a,A,a,A,X,a,x,2.,高低压绕组首端为非同名端,同名端的判断（极性测定,）,u,1,V,A,a,X,x,三相变压器的联接组,与同名端、首末端标记及联接方法有关,1.Yy,联接组,(1),同名端同为首端,由相电势线电势,AX,By,CZ,A B C,a b c,ax,by,cz,A,AX,B,By,Y，y0,由,接线图判断联结组,C,CZ,a,b,c,AB,ab,(2),不同名端同为首,端,CZ,AX,BY,by,ax,cz,A B C,a b c,Y，y6,CZ,AB,AX,BY,A,B,C,ab,a,b,c,2.Yd,联接,组,（,1,）,axczby,先确定高压侧电动势,低压侧,x,与,c,联接,z,与,b,联接,y,与,a,联接,Y，d11,C,AB,A,B,c,ab,a,b,ab,滞后,AB,330,0,A B C,a b c,x y z,A,B,C,a,b,c,ab,AB,X,Y,Z,（,2,）,axbycz,Y，d1,A B C,A,B,C,a b c,x y z,c,b,a,ab,AB,A,C,B,A,C,B,30,0,a,c,b,根据联结组接线,1.Y,，,y4,(1),画相量图,(2),画接线图,CZ,AX,BY,A B C,CZ,AB,AX,BY,Aa,b,c,ax,cz,by,c a b,ab,2.y，d7,CZ,AB,AX,BY,CZ,AX,BY,A B C,A,a,b,c,(x),(y),(z),a b c,x y z,x,z,y,b c a,y z x,三相变压器的标准联结组,若高压绕组不变，,将低压的标记,abc,改为,cab,则低压绕组的各相电势转过,120,，,相当转过,4,点钟。,（三）三相变压器绕组联接时应注意的问题,若,b,相同名端与,a,、,c,两相不一致,。,AB,ab,A,B,C,a,b,c,xyz,a,ca,b,ab,bc,c,ca,bc,ab,同名端标志必须一致,（,1,）,Yy,有一相接错了，只有没接错相的线电势是相电势的 倍。,xyz,a,ca,b,ab,bc,c,（2）Yd,此时,烧坏变压器。,A B C,a b c,x y z,A,B,C,a,b,c,b,c,a,a,c,x,b,z,y,三、三相变压器空载电动势波形,u,1,正弦波,e,1,、,正弦波,i,0,尖顶波,t,i,0,i,0,i,0,正弦波,平顶波,t,t,i,0,(,一,),Yy,联接的三相变压器电动势波形,i,0,为正弦波,为平顶波,可分解为基波,1,和三次谐波,3,1.,三相变压器组,三相磁路各自独立，可使,3,流通,e,3,三次谐波电动势含量大，,f,3,高，,e,3,=4560%e,1,三相变压器组绝对不允许接,成,Yy,。,一、二次绕组接成,y,，,三次谐波电流无通路,2.,三相心式变压器,磁路互相联系，彼此相关。,三次谐波磁通可经由油，油箱壁，铁轭形成闭合电路，磁路磁阻很大，,3,很小。,但引起局部过热，,S,N,1600kVA,的三相心式变压器才能,接成,Yy,.,（,二）,Dy,或,Yd,联接三相变压器 的电动势波形,一次绕组,接成,D,三次谐波电流有通路，,1.Dy,联结,、,e,1,、,e,2,为正弦波。,A,B,C,3,3,3,3,2.Yd,联接,正弦波 平顶波,A,B,C,a,b,c,23,23,23,23,四、三相变压器的并联运行,并联运行的优点：,（,1,）提高供电可靠性，,（,2,）提高变压器效率，,（,3,）减少备用容量,并联运行条件,：,（,1,）,U,N,和,k,相同,（,2,）联接标号相同,（,3,）,Z,sh,*,相同，,sh,相同,电源,负载,A B C,a b c,电源,一次绕组,二次绕组,负载,母线,母线,（一）电压比不等时变压器 的并联运行情况,（二）联接组标号不同时 变压器的并联运行,若,I,接成,Yd11,、,接成,Yy0,则使变压器严重发热，烧毁,（三）短路阻抗标么值不相等,各变压器的电流是按短路阻抗标么值分配的。,第六节 自耦变压器和仪用互感器,一、自耦变压器,二次绕组之间既有磁的联系，又有电路的直接联系。,一次绕组的一部分兼作二次绕组,İ,1,İ,2,İ,1,2,（一）自耦变压器电压、电流和容量的关系,1.,电压、电流关系,（,1,）电压,（,2,）电流,的实际方向与,1,的实际方向相反，若维持,1,的方向不变，则,的方向改变,。,忽略,A,X,a,x,İ,1,İ,2,İ,a,2.,容量关系,（二）自耦变压器的特点：,体积小、重量轻,一次绕组之间有电的联系，,不能作隔离元件,，过压保护困难。,（三）应用,工厂：作三相异步电动机的起动设备,实验室：调节电压的大小,使用时须注意共地端,二、仪用互感器,1.,电流互感器及其应用,（,1,）作用：保护操作人员和设备安全，使测量回路与高压隔离。,可以使用小量程仪表测量大电流。,（,2,）原理：一次绕组匝数少，串接在被测线路中，二次绕组匝数多，与电流表或电流线圈相连。,1,1,2,A,N,1,N,2,（,3,）测量精度：,0.2,，,0.5,，,1.03.0,，,10.0,五级,（,4,）使用注意事项：,二次侧绝不允许开路。,二次侧绕组和铁心必须接地,安全,二次阻抗不应超过规定值,测量精度,2.,电压互感器及其应用,（,1,）作用：保护操作人员和设备安全,用低量程的电压表测量测大电压,（,2,）原理：,二次绕组接电压表或电压线圈开路,V,N,1,N,2,（,3,）精度：,误差：变比误差,相位误差,0.2,，,0.5,，,1.0,，,3.0,（,4,）使用注意事项：,二次侧不允许,短路,烧毁,二次绕组和铁心安全接地,安全,二次绕组负载阻抗须足够大,不能并接太多电压线圈,第七节 旋转变压器,一种能转动的变压器，精密控制电机,一、旋转变压器的结构特点：,铁心：定、转子铁心均采用高导磁率,的合金片叠压而成。,绕组：定、转子分别有两个相互垂直,的绕组，定子绕组直接引到接,线板。,转子绕组通过滑环引到接线板。,F,Q,D,1,D,2,D,3,D,4,S,C,Z,1,Z,2,Z,3,Z,4,定子绕组,转子绕组,二、正余弦旋转变压器 的工作原理,s,与,q,轴的夹角为,（一）空载运行,定子励磁绕组,F,加电压,U,1,，,匝数,N,F,补偿绕组,Q,开路,转子绕组,S,，,C,开路,匝数,N,s,=,N,c,=N,2,则：,S,C,Z,1,Z,2,Z,3,Z,4,1,D,1,D,2,D,3,D,4,F,Q,s,c,s,c,忽略,F,绕组的阻抗,（二）负载运行,1,D,1,D,2,D,3,D,4,Z,1,Z,2,Z,3,Z,4,Z,L,S,C,İ,s,F,s,F,sd,F,sq,F,sq,sin,F,sq,cos,U,s,负载（,U,s,）,U,s,U,空载（,U,s0,）,90,0,0,1.,二次侧补偿的正余弦旋转变压器,补偿：使,将,C,接上,1,D,1,D,2,D,3,D,4,Z,1,Z,LC,Z,LS,Z,2,Z,3,Z,4,C,S,F,sd,F,sg,F,s,F,cg,F,c,2.,一次侧补偿的正余弦旋转变压器,Q,接阻抗,Z,F,s,F,sd,F,sg,F,Q,D,1,1,D,2,D,3,D,4,Z,Z,L,Z,1,Z,2,Z,3,Z,4,C,S,3.,一、二次侧同时补偿的正余弦旋转变压器,仅二次侧补偿，,Z,Lc,必须跟随,Z,Ls,变化。,仅一次侧补偿，要求补偿绕组内阻小。,1,D,1,D,2,D,4,D,2,Q,Z,L,Z,L,Z,1,Z,2,Z,3,Z,4,C,S,则 现将,F,与,C,串联，,Q,短接 将,E,s,按台劳级数展开，,当,很小时，,将,E,s,按台劳级数展开，,考虑漏阻抗降，实际,k=0.560.57,时有最佳的线性特性。,E,s,/v,/,。,0,60,-60,120,-120,180,-180,四、旋转变压器的应用,（一）在解算中的应用,1,坐标变换,U,2A,=,U,1,cos=,C,cos,=,x,U,2B,=,U,1,sin=,C,sin,=,y,2,反三角函数运算,U,2A,=,U,1,cos,U,2B,=,U,1,sin,U,=,U,2A,=,U,1,cos =arc cosU/U,1,（二）,在控制系统中的应用,角度信号传输,r,=,c,=0,旋转变压器的角度信号传输,由于,r,c,，,所以两电机定子合成磁通势,F,与,B,绕组垂直，同样接收机,B,绕组输出电压为零。,