1、第5章 變壓器,5.1 概述 5.2 變壓器的空載運行 5.3 變壓器的負載運行 5.4 標幺值 5.5 變壓器參數(shù)測定 5.6 變壓器的運行特性 5.7 變壓器的連接組別 5.8 變壓器的并聯(lián)運行 5.9 自耦變壓器 5.10 儀用互感器,第5章 變壓器,重要節(jié)點 變壓器的基本方程 變壓器等效電路 變壓器相量圖 重要分析方法 折算法 標幺值 變壓器的連接組別,5.1 概述,變壓器是輸送交流電時一種變電壓和變電流的電氣設(shè)備， 它能將一種繞組的電壓和電流從某種數(shù)量等級改變?yōu)榱硪焕@組的另外一種數(shù)量等級的電壓和電流。,按用途分類,電力變壓器（升壓、降壓、配電）,特種變壓器（電爐、整流）,儀用互感器（

2、電壓、電流互感器、脈沖變壓器，阻抗匹配變壓器）,5.1 概述,電力變壓器,電源變壓器,環(huán)形變壓器,接觸調(diào)壓器,控制變壓器,三相干式變壓器,變壓器實物,5.1.1 變壓器的結(jié)構(gòu),變壓器的主要結(jié)構(gòu)：鐵心和繞組。鐵心是變壓器的磁路部分；繞組是變壓器的電路部分。,為了具有較高的導(dǎo)磁系數(shù)以及減少磁滯和渦流，鐵心多采用0.35mm厚表面涂有絕緣漆的硅鋼片沖成一定的形狀疊制而成。,鐵心結(jié)構(gòu),心式冷軋硅鋼片迭片,鐵心磁回路不能有間隙，這才能減小變壓器勵磁電流，相鄰兩層硅鋼片疊片的接縫要錯開。,1、3、5 層,2、4、6層,繞組,繞組是變壓器的電路部分， 一般用銅或鋁的絕緣導(dǎo)線繞成。電壓高的繞組為高壓繞組，電壓

3、低的繞組為低壓繞組。,變壓器其它附件,溫度計；吸濕器，儲油柜；油表；安全氣道；氣體繼電器高壓套管；低壓套管；分接開關(guān)，油箱等等,5.1.2 變壓器的型號和額定數(shù)據(jù),1. 額定容量SN：額定工作狀態(tài)下的視在功率，用伏安（VA）等表示。 額定電壓U1N/U2N：U1N是電源加到原繞組上的額定電壓，U2N是原邊繞組加上額定電壓后副邊開路即空載時副繞組的端電壓，單位為V或kV。,SL-1000/10,5.1.2 變壓器的型號和額定數(shù)據(jù),3. 額定電流I1N / I2N：指線電流值，單位為A。 4. 額定頻率：按我國規(guī)定，工業(yè)用電50Hz。,額定容量、額定電壓和額定電流之間的關(guān)系： 單相： 三相：,5.

4、2 變壓器空載運行,變壓器的原繞組加上額定電壓，副繞組開路，變壓器空載運行。 5.2.1變壓器各電磁量正方向,U1，I1正方向為“電動機慣例”； U2，I2正方向為“發(fā)電機慣例”。,5.2.1 變壓器各電磁量正方向,漏磁通s1、s2正方向與主磁通m一致。漏磁電動勢Es1、Es2與E1、E2正方向一致。,交變磁通在原、副繞組內(nèi)感應(yīng)電動勢：,5.2.2 變壓器空載運行,主磁通、漏磁通 主磁通：m=msint 一次繞組漏磁通： s1=s1sint,漏磁通僅占主磁通的 0.1% 0.2%,2. 主磁通感應(yīng)電動勢,主磁通=msint 在一次繞組的瞬時值：,主磁通在二次繞組的瞬時值：,2. 主磁通感應(yīng)電動

5、勢,用相量形式表示：,當電網(wǎng)頻率和繞組匝數(shù)為定值時，E1、E2的大小僅取決于主磁通m的大小。,3. 漏電勢,漏磁通s1通過的磁路是線性的，漏磁通與空載電流i0呈線性關(guān)系，s1與 i0的比值為常數(shù)，設(shè)常數(shù)Ls1,若勵磁電流I0按正弦規(guī)律變化，即,為了提高變壓器運行性能，漏電抗X1小點為好。,X1=Ls1 一次繞組漏電抗,4. 空載運行電壓方程,一次繞組回路電壓方程,R1為一次繞組電阻,二次繞組開路：,一次、二次繞組電動勢E1和E2之比稱為變壓器的變比k,由于I0不超過IN的10% ，加上Z1值很小有：,k1為降壓變壓器， k1為升壓變壓器; 對于三相變壓器，變比指同一相的相電勢之比。,4. 空載

6、運行電壓方程,5. 勵磁電流,一次繞組中流過的電流i0， 稱為勵磁電流。,勵磁電流,Ior 建立磁場的磁化電流與m同相,Ioa 引起損耗的有功電流與E1同相,忽略空載損耗： （1）當主磁通為正弦波時， 磁路越飽和， 電流波形畸變嚴重。 （2）勵磁電流與主磁通同相位。,Ioa,Ior,-E1,I0,6. 變壓器空載運行相量圖,電壓方程：,0是U1與I0之間的相位差，近似等于90o，空載運行是功率因素很低，變壓器從電源吸收大量的無功功率。,7. 變壓器空載運行時的等效電路,等值電路綜合了空載時變壓器內(nèi)部的物理情況，在等值電路中R1、X1是常量；Rm、Xm是變量，它們隨鐵心磁路飽和程度的增加而減少。

7、,把E1和I0 之間的關(guān)系直接用參數(shù)形式反映， 可以 寫出I0流過一個阻抗引起的阻抗壓降。,7. 變壓器空載運行時的等效電路,從電源吸收的有功功率等于鐵損耗pFe和銅損耗pCu1，空載時pCu1小，主要是鐵損耗pFe。,5.3 變壓器負載運行,5.3.1 負載時磁通勢及一、二次電流關(guān)系,Z1Zm，U1一定，m基本不變，F(xiàn)0不變，有電通勢平衡方程。,5.3.1 負載時磁通勢及一、二次電流關(guān)系,加負載后，I2產(chǎn)生的磁通勢F2會減弱磁通量m，一次繞組將增加電流，維持總磁通勢F0及磁通量m基本不變。,IL為一次電流負載分量； k=N1/N2為變比。,由于I0I1，有：,I2I1為降壓變壓器， I2I1

8、為升壓變壓器。,5.3.2 負載時二次電壓、電流關(guān)系,F2會產(chǎn)生二次繞組漏磁通s2，同理有Ls2、X2。,Z2=R2+jX2為二次繞組漏阻抗。,5.3.3 變壓器的基本方程式,綜合分析， 變壓器穩(wěn)態(tài)運行時的六個基本方程式,各電磁量之間同時滿足這六個方程，即已知其中一些量，可以求出另一些物理量。但未知量最多不超過六個。,變壓器負載運行時的電磁關(guān)系,+,5.3.4 折合算法,當k較大時， 變壓器一次、二次邊電壓相差很大，為計算和作圖帶來不便。,變壓器一次邊和二次邊沒有直接電路的聯(lián)系，只有磁路的聯(lián)系。二次邊的負載通過磁勢影響原邊。因此只有二次邊的磁勢不變，一次邊的物理量就不會變。這為折算提供了依據(jù)。

9、,5.3.4 折合算法,這種保持磁勢不變而假想改變它的匝數(shù)與電流的方法，稱折合算法。 F2=I2N2= I2N1,如果保持一次邊繞組的磁勢不變進行折算， 稱為一次邊向二次邊的折算。I1=k I1,保持二次邊繞組的磁勢不變進行折算， 稱為二次邊向一次邊的折算。I2=,1. 電動勢的折算關(guān)系,折算前后主磁場、漏磁場不變。,2. 阻抗換算關(guān)系,折合,于是,3. 端電壓換算關(guān)系,實際值,折算,銅耗： 有功輸出： 無功輸出：,折合算法不改變功率關(guān)系。,5.3.5 等效電路,采用折合算法后，基本方程式為：,T型等效電路,5.3.5 等效電路,負載運行時，I0I1，忽略I0 ，將勵磁回路去掉， 得到更簡單的

10、阻抗串聯(lián)電路。,Rk為短路電阻，Xk為短路電抗，Zk為短路阻抗?？蛰d運行時， 不能用簡化的等值電路。,5.3.6 相量圖,根據(jù)折合后的方程和T型等效電路可以畫出變壓器負載運行的相量圖。,若給定U2、I2、cos2及k各個參數(shù),（1）畫出,（3）,（4）畫出領(lǐng)先 的主磁通 ；,（5）根據(jù) 畫出 ， 領(lǐng)先 一個鐵耗角了；,5.3.6 相量圖,（6）畫出 與 的相量和 ；,（7）畫出 ，加 得到 。,相量圖是基本方程的圖形表示法，他比較直觀地表示了變壓器各物理量的幅值和相位的關(guān)系。,若給定U2、I2、cos2及k各個參數(shù),5.3.6 相量圖,對應(yīng)于簡化電路的相量圖,感性負載,容性負載,簡化向量圖依據(jù)

11、： 1.簡化電路圖 2.依據(jù)簡化圖畫出 的電壓電流關(guān)系式,3. =,單相變壓器基本方法總結(jié),分析計算變壓器負載運行方法有基本公式、等值電路和相量圖。,基本方程式：是變壓器的電磁關(guān)系的數(shù)學表達式； 等值電路： 是基本方程式的模擬電路； 相量圖： 是基本方程的圖示表示；,三者都能獨立地表示變壓器在一定條件下運行時各電磁量之間的關(guān)系。一般定量計算用等效電路，討論各物理量之間的相位關(guān)系用相量圖。,5.4 標幺值,某個物理量的實際值與選定的一個同單位的固定數(shù)值進行比較。,如U1=99kV，U2=100kV，選U2為基值，標幺值用U1、U2表示， U1=0.99， U2=1.0。 一般基值都選額定值，如電

12、壓U1N、U2N，電流I1N、I2N，阻抗則U1N/I1N、U2N/I2N。,5.4 標幺值,電壓、電流采用標幺值的優(yōu)點： 1）便于直觀地表示變壓器的運行情況。,2）三相變壓器的電壓和電流的線值與相值不同，但標幺值相等。只要給出電壓和電流的標幺值而不必指出是線值還是相值。 3）折算前、后標么值相等（不需折算）。 4）負載時，I1=I2= ，反映了負載的大小， 稱為負載系數(shù)。,5.4 標幺值,阻抗采用標幺值的優(yōu)點 折算前、后標么值相等，如R1=R1。對R1，R2，X1，X2，Rm，Xm其標幺值只有一個數(shù)值。 采用標幺值阻抗數(shù)值都在一個較小的范圍，如Zk=0.040.14。 標幺值是一個相對值的概

13、念，應(yīng)用使公式簡化，計算簡化，因此，在各種電機包括變壓器中都采用標幺值。,5.5 變壓器參數(shù)測定,等值電路是分析和計算變壓器的有效工具，但許先要知道變壓器的參數(shù)。變壓器的電路參數(shù)在銘牌和產(chǎn)品目錄上大都沒有標出，可通過試驗的方法測定。 勵磁參數(shù)和短路參數(shù)可通過空載試驗和短路試驗測出。,5.5.1 變壓器的空載試驗,空載試驗可以測出變比k，鐵損耗pFe，勵磁阻抗Zm等。為了便于測試和安全， 空載試驗在低壓側(cè)施加電壓。 加U1N，測U1，I0，p0及U20。,5.5.1 變壓器的空載試驗,可得參數(shù) 變比：k=U1/U20。 由于R1Rm和Z1Zm,得到的參數(shù)再除以阻抗基值U1N/I1N，就可以換算為

14、標幺值。 三相變壓器的空載試驗見教材。,5.5.2 變壓器的短路試驗,短路試驗可求出：銅損耗pCu，短路阻抗Zk。,I1NI0可用簡化的等效電路來分析。,U1從0逐漸升高到Ik=I1N時，測量Ik，Uk和pk。,5.5.2 變壓器的短路試驗,短路試驗時，外施電壓低(E1Uk/2U1N)，相應(yīng)主磁通小，鐵耗、勵磁電流不計。 pk pCu=I12(R1+R2),參數(shù)與溫度有關(guān)，短路試驗時溫度與實際運行時不同， 需換算到75oC時的數(shù)值。,5.6 變壓器的運行特性,5.6.1 變壓器負載時二次繞組端電壓的變化 U1=U1N時U20=U2N，接負載時二次繞組電壓變?yōu)閁2，有變化率U,用標幺值表示： U

15、=1-U2=1-U1,5.6 變壓器的運行特性,從等效電路有,帶感性負載U0 ； 帶容性負載有可能U0 ，二次繞組電壓有可能升高。,5.6 變壓器的運行特性,變壓器二次繞組端電壓與負載的關(guān)系叫做變壓器的外特性。,5.6.2 變壓器的效率,變壓器的效率,負載不為額定值時：,5.6.2 變壓器的效率,定義效率特性：,最高效率出現(xiàn)在,結(jié)論：最大效率發(fā)生在鐵損耗p0與銅損耗2pkN相等的時候。,5.7 變壓器的連接組別,5.7.1單相變壓器繞組的標志方式,繞組的同極性端,5.7 變壓器的連接組別,5.7.1單相變壓器繞組的標志方式,m,單相變壓器高、低壓繞組電動勢的相位關(guān)系用時鐘表示法，EA看作長針，

16、Ea看作短針 。,0,6,5.7.2 三相變壓器繞組的繞組,三相變壓器高、低壓繞組首尾端符號： 高首端A、B、C；高尾端X、Y、Z； 低首端a、b、c；低尾端x、y、z。 三相繞組有星型（Y）接法。,A,C,B,X,Z,Y,相電勢,線電勢,5.7.2 三相變壓器繞組的繞組,三角型（）接法：第一種接法,A, Y,B, Z,C, X,線電勢,三相相序為A-B-C-A時，A，B，C三個點是順時針方向依次排列，ABC是等邊三角形。,5.7.2 三相變壓器繞組的繞組,三角型（）接法：第二種接法,線電勢,三相變壓器高、低繞組都可以用Y或連接，用Y連接時，中點可引出線，也可不引出線。,5.7.3 三相變壓器

17、的連接組別,1.Yy連接,A,C,B,X,Z,Y,A a,B,C,X,Y,Z,時鐘表示法，EAB為長針始終指向12點，Eab為短針，用它指向的時鐘數(shù)表示組別數(shù)。,連接組別：Y,y0,5.7.3 三相變壓器的連接組別,1.Yy連接 考慮到高低繞組首端即可使同極性也可為異極性端，低壓端左右繞組順序可以是ax-by-cz還可cz-ax-by或by-cz-ax。 Y/Y連接的三相變壓器可以得到（Y,y0）,（Y,y2）,（Y,y4）,（Y,y6）,（Y,y8）,（Y,y10）幾種連接組別。,5.7.3 三相變壓器的連接組別,2. Yd連接,B,A,C,X,Y,Z,連接組別為：Y,d11,5.7.3 三

18、相變壓器的連接組別,2. Yd連接,X,Y,Z,連接組別為：Y,d1,三相變壓器繞組的聯(lián)接組,聯(lián)接組的幾點認識：,（1）當變壓器的繞組標志（同名端或首末端）改變時， 變壓器的聯(lián)接組號也隨著改變。,（2）Y/Y聯(lián)接的三相變壓器， 其聯(lián)接組號都是偶數(shù)；,（3） Y/聯(lián)接的三相變壓器，其聯(lián)接組號都是奇數(shù)；,（4） /聯(lián)接可以得到與Y/Y聯(lián)接相同的組號； /Y聯(lián)接也可以得到與Y/聯(lián)接相同的組號；,（5）最常用的聯(lián)接組是Y/Y12 和 Y/11。,5.9 自耦變壓器,一、二次側(cè)公用一部分繞組的變壓器。 繞組ax段是高低壓公用的叫公共繞組。,5.9.1 電壓、電流關(guān)系,電壓比：,磁勢平衡方程：,從a點看電

19、流關(guān)系：,負載運行時，忽略I0：,自耦變壓器負載運行時，一、二次電壓之比為kA，電流之比為1/kA，與雙繞組變壓器的關(guān)系相同。,5.9.2 容量關(guān)系,自耦變壓器的容量,繞組Aa段容量為,繞組ax段容量為,SAa=Sax，且比變壓器容量?。?-1/kA）倍，自耦變壓器繞組容量比雙繞組變壓器繞組容量小。,a點電流關(guān)系：I1+I=I2,5.9.2 容量關(guān)系,Sax：電磁容量， 通過Aa段和ax段的電磁感應(yīng)作用傳到副邊再送到負載的容量， 也是ax段的繞組容量；,S傳導(dǎo)：傳導(dǎo)容量，由電流I1直接傳到負載，它不需要增加繞組的容量。,二次側(cè)輸出容量：,5.9.3 自耦變壓器的主要優(yōu)缺點,優(yōu)點：繞組容量小于額定容量， 與額定容量相同的普通變壓器比， 消耗的材料少、體積小、造價低， 同時效率高。