變壓器運行特性分析

1、課程設(shè)計名稱： 電機與拖動課程設(shè)計 題 目： 變壓器運行特性分析計算 專 業(yè)： 班 級：姓 名： 學(xué) 號：課程設(shè)計成績評定表學(xué) 期20112012學(xué)年第一學(xué)期姓 名專 業(yè)班 級課程名稱電機與拖動論文題目評定標準評定指標分值得分知識創(chuàng)新性20理論正確性20內(nèi)容難易性15結(jié)合實際性10知識掌握程度15書寫規(guī)范性10工作量10總成績100評語：任課教師時 間年 月 日備 注課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書一、設(shè)計題目變壓器運行特性分析與計算二、設(shè)計任務(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，副邊負載阻抗Zl=4+3j。完成變壓器空載，變壓器負載運行，變壓器副邊突然短路時的分析與計算。三、設(shè)計計劃第1天, 查資料；第2天, 熟悉題目；第3天, 方案分析； 第4天, 具體按步驟進行設(shè)計及整理設(shè)計說明書；第5天, 準備答辯；四、設(shè)計要求指導(dǎo)教師： 教研室主任： 時 間：2013年6月20日摘要變壓器在我們的生活中無處不在，為了適應(yīng)不同的使用目的和工作條件，現(xiàn)實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)計通過對變壓器的

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行時的基本方程式，并通過相應(yīng)的折算得出變壓器的等值電路，從而完成對變壓器空載，變壓器負載運行，變壓器空載合閘，變壓器副邊突然短路時的分析與計算。為了簡化計算、減少計算量，本設(shè)計在相應(yīng)的計算上使用MATLAB軟件進行輔助。通過本設(shè)計的研究計算能對變壓器的分析和計算方法有初步的了解，對變壓器出現(xiàn)空載、負載運行、空載合閘、副邊突然短路時的電壓、電流變化有準確的認識。關(guān)鍵詞：變壓器；基本方程式；折算；等值電路；MATLAB計算目錄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變壓器空載時的分析與計算 85變壓器負載運行時的分析與計算 96變壓器副邊突然短路時分析計算107結(jié)論118心得體會 12參考文獻 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，減少勵磁電流，通常是把鐵芯柱和鐵軛的硅鋼片一層層的交錯重疊。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，機械強

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)熱問題就越嚴重。1.1.4 絕緣套管變壓器的引線從油箱內(nèi)穿過油箱蓋時，必須進過絕緣套管，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)過分接開關(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，還有儲油柜、氣體繼電器、分接開關(guān)、測溫裝置、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）。指變壓器長期運行時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是指當原繞組上加額定電壓時，副邊繞組空載時的開路電壓。對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，各繞組長期運行時允許通過的電流。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。我國規(guī)定標準的工業(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鐵心和套在鐵心上的兩個繞組，如圖2-1所示。一個繞組接電源，稱為原繞組（一次繞組、初級），另一個接負載，稱為副繞組（二次繞組、次級）。當交流變壓器U1加到一次側(cè)繞組，同時也穿過二次側(cè)繞組，它分別在兩個繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。這時如果二次側(cè)與外電路的負載接通，便有交流I2流出，負載端電壓即為U2。原繞組各量用下標1表示，副繞組各量用下標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為等于變壓器一、二次繞組的電壓比，

9、即 （2.1.4）只要適當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 電流變換當外加電壓和其頻率一定時，主磁通基本保持不變，因此有變壓器負載運行時的磁勢平衡方程式： （2.1.5）通過相應(yīng)的化簡和等效可得一、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，負載經(jīng)過變壓器后，其阻抗模相對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)系通過計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)會發(fā)生改變，折算后二次側(cè)的阻抗為原來

10、的k方倍，二次側(cè)的感應(yīng)電動勢為原來的k倍，二次側(cè)負載上的電壓為原來的k，二次側(cè)電流變?yōu)樵瓉淼?/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 在實際應(yīng)用中勵磁電流很小，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”形等值電路中的勵磁支路從中間移出來，并聯(lián)在電壓源的端點上形成“”形等值電路。圖3-2 變壓器的形等值電路 變壓器負載運行時I1Im，可以把勵磁電流忽略不計，于是將勵磁支路去掉就可以得到簡化等值電路。圖3-3 變壓器的簡化等值電路其中為短路電阻；Xk為短路電抗；Zk為短路阻抗。由此可見使用等值電路來計算單相變壓器的參數(shù)帶來了

11、很大的方便。4 變壓器空載時的分析與計算當在變壓器一次側(cè)加額定電壓380V時，二次側(cè)開路，即ZL為無窮大，根據(jù)變壓器的“T”形等效電路，可得此時電路的方程式：通過MATLAB軟件算出上述參數(shù)的具體值：通過計算可得，當二次側(cè)開路時，二次側(cè)電壓幾乎等于一次側(cè)電壓，勵磁電流即為一次側(cè)的電流，且勵磁電流也很小，幾乎為0。5 變壓器負載運行時的分析與計算 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，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，讓變壓器帶負載運行時，且

12、負載阻值ZL=4+3j時，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MATLAB軟件算出上述參數(shù)的具體值：通過上述具體值可以得出，該變壓器在額定輸入電壓下帶負載ZL=4+3j時，一次側(cè)電流較小，且負載上的實際電壓方向與假定的方向相反，實際電流方向與假定的電流方向相同，勵磁電流等于一次側(cè)和二次側(cè)的電流之和。6 變壓器副邊突然短路時分析與計算 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)系都有了詳細的介紹。 當變壓器帶負載運行時，變壓器副變突然短路時，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MATLAB軟件算出上述參數(shù)的具體值： 通過上述計算可得知：變壓器在正常帶負載運行時，若副變突然短路，則該變壓器的勵磁電流會略微減小，但是會瞬間產(chǎn)生一個很大的一次側(cè)電流，從而產(chǎn)生很大的感應(yīng)電動勢，二次側(cè)也會瞬間有一個較大的與參考方向相反的電流產(chǎn)生。所以只要副邊短路，對運行中的變壓器都會造成很大的傷害。特別是當變壓器的一次側(cè)接在容量較大的電網(wǎng)上時，如果保護設(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。這是因為當變壓器副邊短路時，將產(chǎn)生一個高于額定電流2030倍的短路電流。根據(jù)磁勢平衡式可知，副邊電流是與原邊電流反相的

14、，副邊電流對原邊電流產(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)生一個很大的電流來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)生一個很大的作用力。這個力作用在線圈上，可以使變壓器線圈發(fā)生嚴重的畸變和崩裂，另外產(chǎn)生出允許溫升幾倍的溫度，致使變壓器在很短時間內(nèi)燒毀。7 結(jié)論本設(shè)計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，副邊負載阻抗Zl=4+3j。完成了當變壓器空載，變壓器負載運行，變壓器副

15、邊突然短路時的分析與計算。變壓器在空載運行時二次側(cè)電壓幾乎等于一次側(cè)電壓，勵磁電流即為一次側(cè)的電流， i2=0，且勵磁電流也很小，幾乎為0 。故變壓器空載時，鐵芯中的主磁通是由空載電流產(chǎn)生的磁勢建立的。當變壓器帶給定的負載時，一次側(cè)電流較小，且負載上的實際電壓方向與假定的方向相反，實際電流方向與假定的電流方向相同，勵磁電流等于一次側(cè)和二次側(cè)的電流之和。 變壓器在正常帶負載運行時，若副變突然短路，則該變壓器的勵磁電流會略微減小，但是會瞬間產(chǎn)生一個很大的一次側(cè)電流，從而產(chǎn)生很大的感應(yīng)電動勢，二次側(cè)也會瞬間有一個較大的與參考方向相反的電流產(chǎn)生。 所以只要副邊短路，對運行中的變壓器都會造成很大的傷害。

16、特別是當變壓器的一次側(cè)接在容量較大的電網(wǎng)上時，如果保護設(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 心得體會通過將近一周的課程設(shè)計，使我基本掌握了單相變壓器的分析方法。同時對于變壓器空載、變壓器正常帶負載，以及變壓器副邊短路時變壓器各項指標的變化有了初步的認知和了解。對于變壓器副邊短路的危害有了深刻的體會，提高了自己安全生產(chǎn)的認識。同時我學(xué)會了使用MATLAB軟件，對其中的一些原件有了一些初步的掌握，對其基本性能也有所了解，能夠編寫一些簡單的語句。回顧本次課程設(shè)計的過程，我以教材為主線，按照規(guī)定的程序進行，針對的變壓器各個組成部分的特點，進行拓整合和拓展，調(diào)查和學(xué)習(xí)相關(guān)資料。最終確定分析方法，完成對變壓器三中狀態(tài)時的分析和設(shè)計。我認為這是一次非常有意義的實踐活動，它鍛煉了我的獨立思維能力，同時也培養(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。我們在課堂上學(xué)習(xí)的僅僅是理論知識，而課程設(shè)計是的面對現(xiàn)實，讓我們將所學(xué)理論知識運用到實踐中。在課程設(shè)計的過程中，我查閱了很多次設(shè)計書和指導(dǎo)書。為了讓自己的設(shè)計更加完善，更加符合工程標準，我們必須一次又一次的查閱資料。所以課程設(shè)計讓我們養(yǎng)成了嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，同時讓我們更加明白，工程設(shè)計一定要符合實際。在做設(shè)計的過程中我發(fā)現(xiàn)許多知識已