南京信息工程大學(xué)電機(jī)學(xué)ppt

1、電氣工程與自動化專業(yè)第一篇變壓器首先以單相變壓器為例介紹變壓器的基本作用原理與穩(wěn)態(tài)運行時的理論分析，然后再介紹三相變壓器的特殊問題與特種變壓器。電氣工程與自動化專業(yè)第二章變壓器的基本作用原理與理論分析電氣工程與自動化專業(yè)本章內(nèi)容電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)和額定值電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)和額定值1變壓器空載運行變壓器空載運行2變壓器負(fù)載運行變壓器負(fù)載運行3標(biāo)么值標(biāo)么值4參數(shù)測定方法參數(shù)測定方法5變壓器的運行性能變壓器的運行性能6電氣工程與自動化專業(yè)第一節(jié)電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)和額定值電氣工程與自動化專業(yè)電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)和額定值電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)220kV變壓器電氣工程與自動化專業(yè)電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)和

2、額定值變壓器加工照片電氣工程與自動化專業(yè)電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)和額定值鐵芯 硅鋼片疊裝而成，0.2mm0.35mm厚，通常為冷軋有取向為了進(jìn)一步降低空載電流、空載損耗，上層與下層疊片接縫錯開，稱為交疊裝配單相 三相電氣工程與自動化專業(yè)電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)和額定值單相，四片式鐵芯交疊方法三相，六片式鐵芯交疊方法電氣工程與自動化專業(yè)電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)和額定值繞組變壓器繞組一般為絕緣扁銅線或絕緣圓銅線在繞線模上繞制而成。為便于制造、在電磁力作用下受力均勻以及機(jī)械性能良好，繞組線圈作成圈形。按照繞組在鐵芯中的排列方法分類，變壓器可分為鐵芯式和鐵殼式兩類 基本型式：同芯式，交疊式同芯式，交疊式 繞組同芯

3、同芯套裝在變壓器鐵心柱上，低壓繞組在內(nèi)層，高壓繞組套裝在低壓繞組外層，以便于絕緣。電氣工程與自動化專業(yè)電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)和額定值電氣工程與自動化專業(yè)電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)和額定值鐵殼式變壓器 變壓器的鐵芯柱在中間，鐵軛在兩旁環(huán)繞，且把繞組包圍起來 結(jié)構(gòu)比較堅固、制造工藝復(fù)雜，高壓繞組與鐵芯柱的距離較近，絕緣也比較困難 通常應(yīng)用于電壓很低而電流很大的特殊場合，例如，電爐用變壓器。這時巨大的電流流過繞組將使繞組上受到巨大的電磁力，鐵殼式結(jié)構(gòu)可以加強(qiáng)對繞組的機(jī)械支撐，使能承受較大的電磁力。電氣工程與自動化專業(yè)電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)和額定值變壓器油 電力變壓器繞組與鐵心裝配完后用夾件緊固，形成變壓器的器

4、芯。變壓器器芯裝在油箱內(nèi)，油箱內(nèi)充滿變壓器油。變壓器油是一種礦物油，具有很好的絕緣性能。變壓器油起兩個作用： 絕緣：繞組與繞組、繞組與鐵心及油箱之間 散熱：熱量通過油箱殼散發(fā)，油箱有許多散熱油管，以增大散熱面積。采用內(nèi)部油泵強(qiáng)迫油循環(huán)，外部用變壓器風(fēng)扇吹風(fēng)或用自來水沖淋變壓器油箱電氣工程與自動化專業(yè)電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)和額定值油箱機(jī)械支撐、冷卻散熱、保護(hù)作用 當(dāng)變壓器出現(xiàn)故障時，產(chǎn)生的熱量使變壓器油汽化，氣體繼電器動作，發(fā)出報警信號或切斷電源。 如果事故嚴(yán)重，變壓器油大量汽化，油氣沖破安全氣道管口的密封玻璃，沖出變壓器油箱，避免油箱爆裂。電氣工程與自動化專業(yè)電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)和額定值絕緣套管

5、 絕緣套管由中心導(dǎo)電桿與瓷套組成。導(dǎo)電桿穿過變壓器油箱、在油箱內(nèi)的一端與線圈的端點聯(lián)接，在外面的一端與外線路聯(lián)接。 在瓷套和導(dǎo)電桿間留有一道充油層充油套管 當(dāng)電壓等級更高時，在瓷套內(nèi)腔中常環(huán)繞著導(dǎo)電桿包上幾層絕緣紙簡，在每個絕緣紙簡上貼附有一層鋁箔，則沿著套管的徑向距離，絕緣層和鋁箔層構(gòu)成串聯(lián)電容器，使資套與導(dǎo)電桿間的電場分布均勻 套管外形常做成傘形，電壓愈高、級數(shù)愈多電壓愈高、級數(shù)愈多。電氣工程與自動化專業(yè)電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)和額定值 變壓器的額定值 額定容量SN制造廠所規(guī)定的在額定條件下使用時輸出能力的保證值。單位為VA或kVA。對三相變壓器指三相的三相變壓器指三相的總?cè)萘靠側(cè)萘俊?額定電

6、壓由制造廠所規(guī)定的變壓器在空載時額定分接在空載時額定分接頭上的電壓保證值頭上的電壓保證值。單位為V或kV。 當(dāng)變壓器初級側(cè)在額定分接頭處接有額定電壓U1N，次級側(cè)空載電壓即為次級側(cè)額定電壓U2N。 對三相變壓器，銘牌上的額定電壓指銘牌上的額定電壓指線電壓線電壓 額定電流額定容量除以各繞組的額定電壓所計算出來的線電流值。單位用A或kA。 電力變壓器的額定頻率是50Hz 電氣工程與自動化專業(yè)電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)和額定值NNNNNNUSIUSI2211NNNNNNUSIUSI221133單相變壓器三相變壓器電氣工程與自動化專業(yè)第二節(jié)變壓器空載運行電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的空載運行空載指一側(cè)繞組接到

7、電源（初級空載指一側(cè)繞組接到電源（初級 1），），另一側(cè)繞組（次級另一側(cè)繞組（次級 2）開路）開路。1 電磁物理現(xiàn)象2感應(yīng)電動勢3電壓變比4激磁電流5 勵磁特性的電路模型6 漏抗7 電路方程 等效電路 相量圖電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的空載運行 電磁物理現(xiàn)象空載電流i0，i1i0。全部用以激磁全部用以激磁激磁電流激磁電流im，i0im激磁電流產(chǎn)生激磁磁勢imN1，建立交變磁場電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的空載運行 空載運行：原邊接額定電壓u1n的電源，副邊開路 原邊繞組電流i0為空載電流，產(chǎn)生空載勵磁磁勢F0=I0N1, F0產(chǎn)生磁通磁通分為兩部分主磁通主磁通流徑閉合鐵心，磁阻小磁阻小，同時匝鏈

8、了原邊和副邊繞組,并感應(yīng)出電勢e1和e2。是變壓器傳遞能量的主要媒介 原邊繞組漏磁通原邊繞組漏磁通1，僅與原邊繞組匝鏈，通過變壓器油或空氣形成閉路，磁阻大，磁阻大，不傳遞功率電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的空載運行分為主磁通和漏磁通兩部分分為主磁通和漏磁通兩部分磁路不同，因而磁阻不同磁路不同，因而磁阻不同。主磁通 同時交鏈初級、次級繞組，又稱為互磁通，路徑為沿鐵芯而閉合的磁路，磁阻較小。漏磁通 1 只交鏈初級繞組，稱初級側(cè)漏磁通，它所行經(jīng)的路徑大部分為非磁性物質(zhì)，磁阻較大。功能不同功能不同。主磁通通過互感作用傳遞功率主磁通通過互感作用傳遞功率，漏磁通不傳遞功率。電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的空載運行

9、 各量的電磁關(guān)系：10rI1U0I100NIF011E1E2E電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的空載運行 正方向 箭頭方向表示正方向 規(guī)定電流的正方向與該電流所產(chǎn)生的磁通正方向符合“右手螺旋”定則，規(guī)定磁通的正方向與其感應(yīng)電勢的正方向符合“右手螺旋”定則。 電流正方向與電勢正方向一致。e的正方向與電流同方向。這樣e1=N1d/dt 成立電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的空載運行mmmmmmmmmmmmmmmmfNEEefNEEefNNEefNNEetNtNdtdNetNtNdtdNet22221111222211112222111122/22/22)90sin(cos)90sin(cossin有效值有效值

10、幅值幅值磁通幅值主磁通感應(yīng)電動勢、電壓變比電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的空載運行 變比變比初級電壓初級電壓與與次級次級空載時空載時端點電壓端點電壓之之比比。 電壓變比電壓變比k 決定于初級、次級繞組匝數(shù)比。 略去電阻壓降和漏磁電勢2121201NNEEUUk電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的空載運行 勵磁電流 忽略電阻壓降和漏磁電勢，則U1U1E1E14.44fN4.44fN1 1 m m。mU1即：當(dāng)外施電壓U1為定值，主磁通m也為一定值 問題：一臺結(jié)構(gòu)已定的變壓器當(dāng)外施電壓為已知，需要電一臺結(jié)構(gòu)已定的變壓器當(dāng)外施電壓為已知，需要電源提供多大的激磁電流呢源提供多大的激磁電流呢? ?激磁電流包括哪些成

11、分呢激磁電流包括哪些成分呢? ?答：答：決定于變壓器的鐵芯材料及鐵芯幾何尺寸決定于變壓器的鐵芯材料及鐵芯幾何尺寸。因為鐵芯材料是磁性物質(zhì)，激磁電流的大小和波形將受磁路飽和、磁滯及渦流的影響。電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的空載運行(一)磁路飽和影響 當(dāng)Bm0.8T，磁路末磁路末飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)、磁化曲線f(i)呈線性，導(dǎo)磁率是常數(shù)。 當(dāng) 按正弦變化，i亦按正弦變化。電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的空載運行 如Bm0.8T，磁路開始飽和磁路開始飽和，f(i)呈非線性，隨i增大導(dǎo)磁率逐漸變小。磁通為正弦波，i為尖頂波，尖頂?shù)拇笮∪Q于飽和程度。電氣工程與自動化專業(yè)磁路飽和影響 磁化電流磁化電流I，I與m同

12、相位。 I滯后于-E1 90，I具有具有無功電流性質(zhì)，無功電流性質(zhì)，它是激磁電流它是激磁電流的主要成分的主要成分。變壓器的空載運行電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的空載運行（二）磁滯現(xiàn)象的影響激磁電流是不對稱尖頂波，把它分解成兩個分量。 （1）對稱的尖頂波，它是磁路飽和所引起的，即磁化電流分量i。 （2）近似正弦波，電流分量ih，頻率為基波頻率，磁滯電磁滯電流分量流分量，ih與-E1同相位，是有功分量電流。電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的空載運行(三) 渦流對勵磁電流的影響 交變磁通在鐵芯中感應(yīng)電勢，在鐵芯中產(chǎn)生渦流及渦流損耗。渦流電流分量渦流電流分量Ie由渦流引起的，與渦流損耗對應(yīng)，Ie與-E1同相位

13、。 由于磁路飽和、磁滯和渦流磁路飽和、磁滯和渦流三者同時存在，激磁電流實際包含I、Ih和Ie三個分量；又由于Ih和Ie同相位，合并稱為鐵耗電流分量鐵耗電流分量，用IFe表示。)(ehFemIIIIII電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的空載運行 激磁特性的電路模型Xm是主磁通引起的電抗，為勵磁電抗電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的空載運行漏抗描述漏磁電勢的電路參數(shù)描述漏磁電勢的電路參數(shù)。由于漏磁通所經(jīng)路徑主要為非磁性物質(zhì)（空氣），磁阻為常數(shù)。即漏磁通與產(chǎn)生該漏磁通的電流成正比且同相位，漏電感亦為常數(shù)電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的空載運行 空載電壓方程、等效電路和相量圖0111011101202() 勵磁電流勵

14、磁支路電壓降初級電壓平衡方程次級電壓平衡方程emFmmIIIIEI ZUEIrjxEI ZUE電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的空載運行22EU1EIFeImII0m1E10rI10 xI j1UU2（參考方向）、E2E1與U2方向一致m超前E1 90度Im超前m 一個角度U1電氣工程與自動化專業(yè)第三節(jié)變壓器負(fù)載運行電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的負(fù)載運行負(fù)載運行是指一側(cè)繞組接電源，另一側(cè)繞組接負(fù)載運行負(fù)載運行是指一側(cè)繞組接電源，另一側(cè)繞組接負(fù)載運行。1 負(fù)載時的電磁物理過程2 基本方程式3 歸算4 歸算后的分析電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的負(fù)載運行電磁物理現(xiàn)象次級電流的存在、建立起次級磁勢，它也作用在鐵

15、芯磁路上。改變了原有的磁勢平衡狀態(tài)，迫使主磁通變化，導(dǎo)致電勢也隨之改變。電勢的改變又破壞已建立的電壓平衡，迫使原電流隨之改變，直到電路和磁路又達(dá)到新的平衡為止。（磁勢平衡式） 負(fù)載時作用在主磁路上的全部磁勢應(yīng)等于產(chǎn)生磁通所需負(fù)載時作用在主磁路上的全部磁勢應(yīng)等于產(chǎn)生磁通所需的激磁磁勢的激磁磁勢。12211NININIm電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的負(fù)載運行02211NINIL 表明當(dāng)有負(fù)載電流時。初級電流表明當(dāng)有負(fù)載電流時。初級電流I1I1應(yīng)包含有二個分量。其中應(yīng)包含有二個分量。其中ImIm用以激勵主磁通。用以激勵主磁通。I I1L1L所產(chǎn)生負(fù)載分量磁勢所產(chǎn)生負(fù)載分量磁勢I I1L1LN N1 1

16、，用以抵消，用以抵消次級磁勢次級磁勢I I2 2N N2 2對主磁路的影響。對主磁路的影響。 激磁電流的值決定于主磁通 m，即決定于E1。.1.12.2.1LmmIINNIII電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的負(fù)載運行負(fù)載運行電磁關(guān)系電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的負(fù)載運行 基本方程式1122121211111() 磁動勢平衡電流表示式勵磁支路電壓降初級電壓平衡式mmmmI NI NI NNIIINEI ZUEI12222112222 次級電壓平衡式電壓變比負(fù)載電路電壓平衡式LZUEI ZNEkNEUI Z電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的負(fù)載運行 歸算 繞組繞組歸算歸算用一假想的繞組替代其中一個繞組使成為k

17、1的變壓器。 歸算量在原符號加上標(biāo)號 區(qū)別，歸算后的值稱為歸算值或折算值。 原則：原則：歸算不改變實際變壓器內(nèi)部的電磁平衡關(guān)系歸算不改變實際變壓器內(nèi)部的電磁平衡關(guān)系次級側(cè)歸算到初級側(cè)次級側(cè)歸算到初級側(cè) 保持初級繞組匝數(shù)N1不變設(shè)想有一個匝數(shù)為N 2 =N1的次級繞組，用它來取代原有匝數(shù)為N2的次級繞組。滿足變比：kN1/N 21。初級側(cè)歸算到次級側(cè)初級側(cè)歸算到次級側(cè)電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的負(fù)載運行 電流的歸算歸算前后磁勢應(yīng)保持不變歸算前后磁勢應(yīng)保持不變 物理意義物理意義：當(dāng)用N 2N1替代了N2，其匝數(shù)增加了k倍。為保持磁勢不變。次級電流歸算值減小到原來的1k倍。 電勢的歸算歸算前后次級邊

18、電磁功率應(yīng)不變歸算前后次級邊電磁功率應(yīng)不變 物理意義物理意義：當(dāng)用N 2替代了N2，其匝數(shù)增加到k倍。而主磁通 m及頻率f均保持不變，歸算后的次級電勢應(yīng)增加k倍。kINNINNIININI/21222222222222222kEEIIE電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的負(fù)載運行 電阻的歸算歸算前后銅耗應(yīng)保持不變歸算前后銅耗應(yīng)保持不變 物理意義物理意義：當(dāng)用N 2替代N2后，匝數(shù)增加到k倍，次級繞組長度增加到k倍；次級電流減到為原來的l/k倍，歸算后的次級繞組截面積應(yīng)減到原來的lk倍，故歸算后的次級電阻應(yīng)增加到原來的k2倍。（繞組本身沒有變化繞組本身沒有變化） 漏抗的歸算歸算前后次級漏磁無功損耗應(yīng)保持

19、不變歸算前后次級漏磁無功損耗應(yīng)保持不變 物理意義物理意義：繞組的電抗和繞組的匝數(shù)平方成正比。由于歸算后次級匝數(shù)增加了k倍，故漏抗應(yīng)增加到k2倍。2222222rkrIIr2222222xkxIIx電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的負(fù)載運行折算到一次側(cè)的方程式組電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的負(fù)載運行 T形等效電路圖電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的負(fù)載運行電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的負(fù)載運行 相量圖作圖步驟 首先選定一個參考相量、且只能有一個參考相量。常以U 2為參考相量，根據(jù)給定的負(fù)載畫出負(fù)載電流相量I 2。 根據(jù)次級側(cè)電壓平衡式E 2U 2+I 2Z 2可畫出相量E 2，由于E1E 2，因此也可畫出相量E

20、1。 主磁通m應(yīng)超前E1 90，激磁電流又超前m一鐵耗角。 由磁勢平衡式I1=Im+(-I 2)求得I1。 由初級側(cè)電壓平衡式U1=-E2+I1Z1求得I1。電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的負(fù)載運行近似等效電路把激磁支路移至端點處。把激磁支路移至端點處。計算時引起的誤差不大：變壓器的激磁電流(即空載電流)為額定電流的3-8，（大型變壓器不到1）。短路阻抗短路電抗短路電阻kkkkkjxrZxxxrrr2121電氣工程與自動化專業(yè)變壓器的負(fù)載運行電氣工程與自動化專業(yè)第四節(jié)標(biāo)幺值電氣工程與自動化專業(yè)標(biāo)么值 標(biāo)么值定義 對各個物理量選一個固定的數(shù)值作為基值，取實際值與基值之比稱為該物理量的標(biāo)么值標(biāo)么值用下

21、標(biāo)“* *” 基值（基值（采用下標(biāo)“b b”） 電壓基值額定電壓 U1b=U1N,U2b=U2N 電流基值額定電流 I1b=I1N,I2b=I2N 功率基值額定容量 SbSN 阻抗基值額定電壓與額定電流之商初級、次級側(cè)各物理量應(yīng)采用不同基值初級、次級側(cè)各物理量應(yīng)采用不同基值電氣工程與自動化專業(yè)標(biāo)么值 標(biāo)么值的優(yōu)點1計算方便，容易判斷計算錯誤計算方便，容易判斷計算錯誤 因為取額定值作為基值，當(dāng)實際電壓為額定電壓和實際電流為額定電流時，用標(biāo)么值計算就作為1。2采用標(biāo)么值計算同時也起到了歸算作用采用標(biāo)么值計算同時也起到了歸算作用 這是由于初級、次級側(cè)分別采用了不同基值，且已包含有變比關(guān)系。3采用標(biāo)么

22、值更能說明問題采用標(biāo)么值更能說明問題*222221212*2UUUUUUkUUUUbNNb電氣工程與自動化專業(yè)第五節(jié)參數(shù)測定方法電氣工程與自動化專業(yè)參數(shù)測定方法 空載實驗測定激磁電阻rm和激磁電抗xm試驗可在高壓側(cè)測量也可在低壓側(cè)測量，視實際測量方便而定。如令高壓側(cè)開路，在低壓側(cè)進(jìn)行測量，測得的數(shù)據(jù)是低如令高壓側(cè)開路，在低壓側(cè)進(jìn)行測量，測得的數(shù)據(jù)是低壓側(cè)的值，計算的激磁阻抗也是壓側(cè)的值，計算的激磁阻抗也是歸算至歸算至低壓側(cè)的值低壓側(cè)的值。 電氣工程與自動化專業(yè)參數(shù)測定方法通過調(diào)壓器給變壓器供電，調(diào)壓器輸出電壓U10, 從1.2UN到0.3UN 取8-9點，每點均測出P0，I0，U20?？傻每蛰d

23、特性曲線， u0=f(I0)激磁參數(shù)值隨飽和而變化激磁參數(shù)值隨飽和而變化。為反映變壓器運行時的磁路飽和情況，空載試驗時應(yīng)調(diào)整外施電壓等于額定電壓。令U0為外施每相電壓，I0為每相電流，P0為每相輸入功率即等于每相的空載損耗。00000120220001mmmmUzIprrrrIxzrxxx電氣工程與自動化專業(yè)參數(shù)測定方法 短路實驗計算參數(shù)rk和xk 短路試驗應(yīng)降低電壓進(jìn)行短路試驗應(yīng)降低電壓進(jìn)行。控制短路電流不超過額定值。 短路試驗可以在高壓側(cè)測量而把低壓側(cè)短路，也可在低壓側(cè)測量而把高壓側(cè)短路。二者測得的數(shù)值不同，用標(biāo)么二者測得的數(shù)值不同，用標(biāo)么值計算則相同值計算則相同。電氣工程與自動化專業(yè)參數(shù)

24、測定方法 試驗開始時應(yīng)注意調(diào)壓器輸出應(yīng)調(diào)到零，然后從0開始， 慢慢調(diào)節(jié)，并監(jiān)視電流表，使短路電流Ik1.25IN時停止升壓，防止過大電流產(chǎn)生，對變壓器不利。 記錄數(shù)據(jù)Uk ，Ik，從1.25IN到0.5IN測56點。由于Uk低，鐵心中低，故Pk中所含鐵耗較小，可忽略鐵耗，故Pk中只含銅耗。 Uk表示每相電壓，Ik表示每相電流，Pk表示每相輸入功率即等于每相短路損耗 電阻隨溫度而變化，如短路試驗時的室溫為 ()，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定應(yīng)換算到標(biāo)準(zhǔn)溫度75時的值。222kkkkkkkkkrzxIprIUz電氣工程與自動化專業(yè)參數(shù)測定方法 短路試驗時，使短路電流恰為額定電流的外施電壓u k，稱為u kN。 以額定電壓百分?jǐn)?shù)表示，稱為短路電壓百短路電壓百分?jǐn)?shù)分?jǐn)?shù) 短路電壓百分?jǐn)?shù)去掉100符號，就是短路短路電壓標(biāo)么值電壓標(biāo)么值 u uk k不能太小，也不能太大。不能太小，也不能太大。u uk k太大時，變壓太大時，變壓器空載時電壓高，負(fù)載時電壓壓降較多。器空載時電壓高，負(fù)載時電壓壓降較多。u uk k太小時，變壓器接額定電壓短路時電流太小時，變壓器接額定電壓短路時電流太大。太大。 zIU%