第5章變壓器的建模與特性-1

第5章變壓器的建模與特性分析內(nèi)容簡介雙繞組變壓器：（1）基本運行原理；（2）結(jié)構(gòu)；（3）電磁關(guān)系；（4）數(shù)學模型（即基本方程式、等效電路和相量圖）；（5）變壓器運行特性的分析與計算。三相變壓器的特殊問題：（1）三相變壓器的聯(lián)結(jié)組問題；（2）三相變壓器的電路連接與磁路結(jié)構(gòu)的配合問題。電力拖動系統(tǒng)中的特殊變壓器：（1）自耦變壓器；（2）電壓與電流互感器。第一節(jié)變壓器的用途、分類

變壓器是靜止電器，由鐵心(磁路)及兩個或兩個以上的繞組(電路)組成，繞組之間由鐵心中交變磁通聯(lián)系(磁耦合),實現(xiàn)從一種電壓(電流)變?yōu)榱硪环N電壓(電流)。變壓器能量轉(zhuǎn)換裝置中的磁場與磁路i1輸入電能電能磁場輸出電能i2電能變壓器實現(xiàn)能量傳遞條件：兩個線圈被磁場耦合起來。鐵心原繞組：原邊、初級、一次繞組副繞組：副邊、次級、二次繞組電源：交流電源，在鐵心中的磁通是交變的，在副邊感應出電動勢，提供給負載。變壓器的分類按用途分類按繞組數(shù)目分類—雙繞組變壓器—三繞組變壓器—多繞組變壓器—自耦變壓器電力變壓器（升壓、降壓、配電）特種變壓器（電爐、整流）實驗用變壓器（高壓、調(diào)壓）儀用互感器（電壓、電流互感器、脈沖變壓器，阻抗匹配變壓器）按鐵心結(jié)構(gòu)分類—芯式變壓器—殼式變壓器按相數(shù)分類—單相變壓器—三相變壓器按冷卻方式分類—油浸式變壓器—干式變壓器—充氣式變壓器按容量大小分類—小容量：10~630kVA—中容量：800~6300kVA—大容量：8000~63000kVA—特大容量：90000kVA以上高壓變壓器干式變壓器各類變壓器的圖片平面式變壓器干式變壓器油浸式變壓器電源變壓器電源變壓器電力變壓器環(huán)形變壓器接觸變壓器控制變壓器三相干式變壓器電力變壓器的用途：升壓降壓配電本章研究對象：油浸電力變壓器N1N2+-i1i2-+N1>N2－降壓變壓器N1<N2－升壓變壓器根據(jù)電磁感應定律，交變的磁通在原、副方繞組中的感應電勢和電壓分別為：5.1變壓器的基本工作原理與結(jié)構(gòu)A、變壓器的基本工作原理

變壓器各電磁量的正方向

按電動機慣例，吸收電功率和1、2、和

符合右手螺旋定則3、、和

符合右手螺旋定則4、和符合右手螺旋定則

按發(fā)電機慣例，發(fā)出電功率和5、均由同名端流入和6、根據(jù)電磁感應定律則有：式中k為變壓器變比。若忽略繞組內(nèi)阻和漏磁通，原、副繞組端電壓近似為：忽略繞組的電阻和鐵心損耗，則原、副方功率守恒，于是有：從而有：稱為變壓器的匝比或變比，，稱為視在容量。二次側(cè)的負載阻抗為：如果從一次側(cè)來看，則其大小為：鐵心繞組絕緣套管油箱及其它附件B、變壓器的結(jié)構(gòu)

1.變壓器鐵心

作用：主磁路+機械骨架材料：(冷/熱軋)硅鋼片，0.35~0.5mm+0.01~0.13mm漆膜。型式：心式（繞組包鐵心）、殼式（鐵心包繞組的頂、底和側(cè)面）單相殼式變壓器1--鐵心柱2--鐵軛3—繞組三相芯式變壓器1--鐵心柱2--鐵軛3—高壓線圈4—低壓線圈鐵心——變壓器中主要的磁路部分，分為鐵心柱與鐵軛兩部分。

小型變壓器鐵心2.變壓器繞組作用：電路部分材料：銅或鋁絕緣導線型式：同心式、交疊式1—低壓繞組

2—高壓繞組交疊式繞組三相芯式變壓器1--鐵心柱2--鐵軛3—高壓線圈4—低壓線圈圖5.3三相變壓器的結(jié)構(gòu)1—鐵心柱2—鐵軛3—低壓繞組4—高壓繞組圖5.4三相變壓器高壓繞組的分接頭圖5.5油浸式變壓器的外形圖1-銘牌2-溫度計3-吸濕器4-油位計5-儲油柜6-安全氣道7-氣體繼電器8-高壓油管9-低壓油管10-分接開關(guān)11-油箱鐵心12-放油閥門13-線圈14-接地板15-小車

每臺變壓器都有一銘牌，上面標注著型號、額定值及其它數(shù)據(jù)，便于用戶了解變壓器的運行性能。電力變壓器產(chǎn)品型號SL7－315/10產(chǎn)品編號額定容量315kV·A使用條件戶外式額定電壓10000/400V冷卻條件ONAN額定電流18.2/454.7A短路電壓4%額定頻率50Hz器身吊重765kg相數(shù)三相油重380kg聯(lián)接組別Yyno

總重1525kg制造廠生產(chǎn)日期

電力變壓器銘牌示意圖

5.2

變壓器的額定值5.2

變壓器的額定值額定數(shù)據(jù)：

額定容量或視在容量；額定電壓；額定電流；額定頻率；額定效率

；額定電壓和額定電流均指線值（即線電壓或線電流）1.額定容量SN

它是變壓器額定工作條件下輸出能力的保證值，是額定視在功率，單位：伏安（V?A）或千伏安（kV?A）或兆伏安（MV?A）。

2.額定電壓U1N，U2N

U1N，U2N均指線值電壓。原邊額定電壓U1N是指電源加在原繞組上的額定電壓；副邊額定電壓U2N是指原邊加額定電壓副邊空載時副繞組的端電壓，單位有：伏（V）或千伏(kV）。

3.額定電流I1N，I2N

均指線值電流。原、副邊額定電流是指在額定容量和額定電壓時所長期允許通過的電流，單位有：安（A）4.額定頻率fN

指工業(yè)用電頻率，我國規(guī)定為50Hz。5.額定效率ηN

額定運行條件下，輸出功率與輸入功率之比。變壓器的額定效率較高，可達到95—99%

變壓器的額定容量、額定電壓、額定電流之間的關(guān)系為：單相變壓器三相變壓器

分析步驟：電磁關(guān)系→基本方程→等效電路→相量圖5.3

變壓器的空載運行分析電力系統(tǒng)三相電壓是對稱的頻率相同大小相等相位互差120度只需分析一相即可，針對單相變壓器進行，所涉及的參數(shù)和物理量均指一相的值。分析穩(wěn)定運行狀態(tài)先分析空載——從簡單開始原繞組副繞組鐵心電源負載W1W2

變壓器原繞組接交流電源，副繞組開路，負載電流為零的工作狀態(tài)稱為空載運行。N1AX+-i0N2ax-+A、變壓器空載運行時的電磁關(guān)系

注意：空載時的磁場僅由一次電流確定漏磁通：僅與繞組自身交鏈主磁通:通過鐵心同時與原、副繞組交鏈*

、都是最大值，一般*

、都是由勵磁磁動勢產(chǎn)生的。圖5.7單相變壓器空載運行時的電磁過程根據(jù)圖5.6的正方向假定，利用基爾霍夫電壓定律(KVL)得一次側(cè)和二次側(cè)繞組的電壓方程分別為：若主磁通按正弦規(guī)律變化，即

，則根據(jù)電磁感應定律有：電勢瞬時值將e1、e2寫成電勢相量表達式，將磁通設(shè)為參考相量結(jié)論：繞組內(nèi)感應電勢的大小分別正比于頻率、繞組匝數(shù)以及磁通的幅值；在相位上，變壓器繞組內(nèi)的感應電勢滯后于主磁通。當一次繞組施加額定電壓時，規(guī)定二次側(cè)繞組的開路電壓即為二次側(cè)的額定電壓即。這樣，便可獲得變壓器的變比為：B、磁路的電參數(shù)等效基本思路：將變壓器內(nèi)部所涉及的磁路問題轉(zhuǎn)換為電路問題，然后按照統(tǒng)一的電路理論對變壓器進行計算。具體過程介紹如下：a、對于漏磁通由于磁力線走的是漏磁路，它是由變壓器油或空氣組成，磁阻可近似認為是常數(shù)，相應的磁路為線性磁路。根據(jù)電磁感應定律，漏磁通所感應的漏電勢為：其中，一次側(cè)繞組的漏電抗為：，漏電感為：漏電抗反映了漏磁路的情況。

由可知，當電源電壓隨時間按正弦規(guī)律變化，則電動勢、磁通必定都按正弦規(guī)律變化。根據(jù)鐵磁材料的磁化曲線可知，磁通和勵磁電流成飽和曲線關(guān)系，即呈非線性關(guān)系。

b、對于主磁通圖5.8變壓器空載電流的波形由于磁力線所走的主磁路是由鐵磁材料組成的鐵心構(gòu)成，因而存在飽和現(xiàn)象，其結(jié)果鐵心中的主磁通與空載電流之間呈非線性關(guān)系。當主磁通的波形為正弦時，其空載電流為非正弦，如圖5.8所示。0i00ti0當為正弦波時i0為尖頂波

用一等效正弦波i0代替尖頂波i0，這個正弦波電流含無功電流分量i0μ和有功電流分量ioa。等效原則；

1）確保等效前后空載電流的有效值和頻率不變

2）等效前后的有功（或平均）功率不變空載電流i0勵磁電流分量ioμ鐵損電流分量ioa——產(chǎn)生磁通。它與磁通同相位，是無功分量?！a(chǎn)生鐵心損耗。在數(shù)值上，一般有ioμ

>>i

oa。用向量表示空載電流空載電流與主磁通的夾角α稱為鐵損角。它與磁通垂直，是有功分量。ioμioai0圖5.9變壓器主磁路的相量圖和等效電路由圖5.9b得：式中，為激磁電阻，它反映了鐵心內(nèi)部的損耗即：；為激磁電抗，它表征了主磁路鐵心的磁化性能，其中，激磁電感可由下式給出：C、變壓器的空載電壓平衡方程式、相量圖及等值電路圖電壓平衡方程式為：變壓器空