电机学第02章课件.ppt

1、第第2 2章章 变压器基本运行原理变压器基本运行原理2.1 2.1 变压器的空载运行变压器的空载运行2.2 2.2 变压器的负载运行变压器的负载运行2.3 2.3 变压器参数的实验测定变压器参数的实验测定2.4 2.4 标幺值标幺值2.5 2.5 变压器的运行特性变压器的运行特性一、空载运行时的物理现象一、空载运行时的物理现象图图2 21 1 单相变压器空载运行单相变压器空载运行空载电流空载电流 空载磁动势空载磁动势 空载磁通（主磁通和空载磁通（主磁通和漏磁通）漏磁通）电动势。电动势。2.1 2.1 变压器的空载运行变压器的空载运行 图图2 22 2 变压器空载运行时的电磁关系变压器空载运行时

2、的电磁关系二、物理量正方向的规定二、物理量正方向的规定（1 1）电源电压正方向由）电源电压正方向由AXAX，一次侧电流正方向与，一次侧电流正方向与电源正方向一致，即也是由电源正方向一致，即也是由AXAX。（2 2）磁动势的正方向与产生该磁动势的电流的正方）磁动势的正方向与产生该磁动势的电流的正方向之间符合右手螺旋关系。向之间符合右手螺旋关系。（3 3）磁通的正方向与磁动势的正方向一致。）磁通的正方向与磁动势的正方向一致。（4 4）感应电动势的正方向与产生该电势的磁通的正）感应电动势的正方向与产生该电势的磁通的正方向之间符合右手螺旋关系。方向之间符合右手螺旋关系。（5 5）二次侧电流的正方向与二

3、次绕组电动势正方向）二次侧电流的正方向与二次绕组电动势正方向一致，而负载端电压的正方向与电流正方向一致。一致，而负载端电压的正方向与电流正方向一致。三、三、空载运行时的各物理量之间的关系空载运行时的各物理量之间的关系1.电动势和磁通的关系电动势和磁通的关系tsinmtsinmtsinmtsinmdtdNe11)2sin(m1tN)2sin(1mtE m1m11m144.422fNfNEEm1144.4 jfNE)2sin()2sin(2mm222tEtNdtdNem2244.4 jfNEm2m22m244.422fNfNEE同理可推得：同理可推得：0m1112INL10011jjxIILE)2

4、sin(m11111tNdtdNemNE1112j漏磁通感应的电动势：漏磁通感应的电动势：01111i reeu2 2、电压平衡方程式、变比、电压平衡方程式、变比10111rIEEU101101011jZIExIrIEU21m2m12144.444.4NNfNfNEEk11EU220EU2012121UUNNEEk四、空载电流与空载损耗四、空载电流与空载损耗1.空载电流的波形2.空载电流与主磁通的相量关系3.空载时的等效电路及相量图图2-6 变压器空载运行时的相量图 一、负载运行时的物理现象一、负载运行时的物理现象2.2 2.2 变压器的负载运行变压器的负载运行图28变压器负载运行时的电磁关系

5、二、变压器负载时的电动势平衡关系二、变压器负载时的电动势平衡关系11111rIEEU11111jrIxIE111ZIE222222222 jZIUrIxIUE三、变压器负载时的磁动势平衡关系三、变压器负载时的磁动势平衡关系m21FFF 102211NININI1L02021201 )()(IIkIIINNIIkII21L相当于一次侧电流中的负载分量。四、绕组的折算四、绕组的折算定义：就是把一次和二次绕组的匝数变换成定义：就是把一次和二次绕组的匝数变换成同一匝数的方法，即把实际变压器模拟为变同一匝数的方法，即把实际变压器模拟为变比为比为1 1的等效变压器来研究。的等效变压器来研究。原则：保持磁动

6、势原则：保持磁动势 不变。不变。折算只是一种数学手段，它不改变折算前折算只是一种数学手段，它不改变折算前后的电磁关系，即折算前后的磁动势平衡关系、后的电磁关系，即折算前后的磁动势平衡关系、功率传递及损耗均应保持不变。功率传递及损耗均应保持不变。2F2212NINIKINNII212221.1.电流的折算电流的折算根据折算前后磁动势保持不变的原则，有：根据折算前后磁动势保持不变的原则，有：则则 KNNfNfNEEmm21212244.444.422KEE 2.2.电动势的折算电动势的折算根据折算前后主磁通和漏磁通保持不变，有：根据折算前后主磁通和漏磁通保持不变，有：即：即：22KUU3.3.阻抗

7、的折算阻抗的折算 根据折算前后二次绕组电阻上的铜耗不变，有：根据折算前后二次绕组电阻上的铜耗不变，有：222222rIrI222rKr 则则 同理，根据折算前后二次侧绕组漏电抗上所消同理，根据折算前后二次侧绕组漏电抗上所消耗的无功功率保持不变，有：耗的无功功率保持不变，有：222xKx 负载阻抗也有同样的关系，即：负载阻抗也有同样的关系，即：LLZKZ2)(201III21EE)(001mmmjxrIZIELZIU221111ZIEU2222ZIEU二次侧折算到一次侧后，变压器的基本方程式为：二次侧折算到一次侧后，变压器的基本方程式为：五、等效电路五、等效电路1.T形等效电路形等效电路2.2.

8、近似等效电路近似等效电路 由于由于 ，,可将可将 支路移到电源端支路移到电源端，得到近似等效电路。，得到近似等效电路。01II 1ZZmmZ图图2 210 10 近似等效电路近似等效电路3.简化等效电路简化等效电路 电力变压器中，空载电流很小，电力变压器中，空载电流很小，所以近似计算时忽略空载电流，等效电路将进一步简所以近似计算时忽略空载电流，等效电路将进一步简化为简单的串联电路。化为简单的串联电路。NII10)1.002.0(图图2 211 11 简化等效电路简化等效电路kkkjxrZZZ2121rrrk12kxxx简化等效电路中的串联阻抗称为变压器的简化等效电路中的串联阻抗称为变压器的短路

9、阻抗短路阻抗。kkZUI/1变压器如果发生稳态短路，则短路电流为：变压器如果发生稳态短路，则短路电流为：短路阻抗一般较小，所以变压器短路电流很短路阻抗一般较小，所以变压器短路电流很大，可以达到额定电流的大，可以达到额定电流的1020倍。倍。六、负载运行时的相量图六、负载运行时的相量图图图2-122-12负载运行时的相量图负载运行时的相量图2.3 变压器参数的实验测定变压器参数的实验测定 空载试验可测定变压器的变比空载试验可测定变压器的变比K K、空载电流、空载电流、空载损耗及励磁参数等。空载损耗及励磁参数等。图图214 变压器空载实验接线图变压器空载实验接线图 (a)单相单相(b)三相三相空载

10、损耗近似认为为变压器铁耗。空载损耗近似认为为变压器铁耗。变压器变比及励磁参数：变压器变比及励磁参数：NUUK12001IUZNm200Iprm22mmmrZx注意：这里的变比注意：这里的变比K为高压侧对低压侧的变比，各励磁为高压侧对低压侧的变比，各励磁参数为低压侧的数值，如果要得到高压侧各参数值，必参数为低压侧的数值，如果要得到高压侧各参数值，必须进行折算，即乘以须进行折算，即乘以 。2K2.2.短路试验短路试验短路试验可以测量变压器的短路参数及铜耗。短路试验可以测量变压器的短路参数及铜耗。图图216 变压器短路实验接线图变压器短路实验接线图 (a)单相单相 (b)三相三相 短路试验时，为了便

11、于测量，通常是在高压侧短路试验时，为了便于测量，通常是在高压侧加电压，将低压侧短路。加电压，将低压侧短路。为了避免过大的短路电流，短路试验必须在较为了避免过大的短路电流，短路试验必须在较低的电压下进行，通常以短路电流达到额定值为限，低的电压下进行，通常以短路电流达到额定值为限，此时外加电压为额定电压的（此时外加电压为额定电压的（5-105-10）左右。）左右。kkkIUZ2kkkIpr 22kkkrZx 根据二次侧短路时的简化等效电路，可计算根据二次侧短路时的简化等效电路，可计算短路阻抗为：短路阻抗为：kxxx2121krrr2121在在T形等效电路计算时，可取形等效电路计算时，可取 短路试验

12、时，变压器从电源吸取的功率全部短路试验时，变压器从电源吸取的功率全部转化为一、二次绕组的铜耗和铁耗，但由于试验转化为一、二次绕组的铜耗和铁耗，但由于试验时外加电压很低，铁心中的磁通很小，铁耗可忽时外加电压很低，铁心中的磁通很小，铁耗可忽略，这样可认为短路损耗即为变压器铜耗，有：略，这样可认为短路损耗即为变压器铜耗，有：kkCukrIrIrIpp2222121NkNSp)04.0004.0(一般电力变压器在短路电流达到额定值时的一般电力变压器在短路电流达到额定值时的短路损耗：短路损耗：3.阻抗电压阻抗电压 阻抗电压指短路试验时，使短路电流达到额阻抗电压指短路试验时，使短路电流达到额定值时所加的电

13、压，常用其与额定电压的百分比定值时所加的电压，常用其与额定电压的百分比值来表示。值来表示。%1001NkkUUu 阻抗电压是变压器重要参数之一，其数值标在阻抗电压是变压器重要参数之一，其数值标在变压器铭牌上，它反映了变压器在额定负载时内部变压器铭牌上，它反映了变压器在额定负载时内部漏阻抗压降的大小。漏阻抗压降的大小。从正常运行角度，希望短路阻抗越小越好，这从正常运行角度，希望短路阻抗越小越好，这样内部阻抗压降就小，输出电压随负载变化的波动样内部阻抗压降就小，输出电压随负载变化的波动就小；而从限制短路电流的角度，又希望短路阻抗就小；而从限制短路电流的角度，又希望短路阻抗大一些。大一些。一般中小型

14、变压器的阻抗电压为一般中小型变压器的阻抗电压为 ，大型变压器一般为大型变压器一般为 。%5.10%4%5.17%5.122.4 标幺值标幺值 1、标幺值的定义、标幺值的定义 标么值是指某一物理量的实际值与选定的同一标么值是指某一物理量的实际值与选定的同一单位的固定值的比值，选定的同一单位的固定数值单位的固定值的比值，选定的同一单位的固定数值叫基准值。即叫基准值。即所谓标幺值是用实际值与同一单位的所谓标幺值是用实际值与同一单位的某一选定的基准值之比，即某一选定的基准值之比，即 标幺值实际值标幺值实际值/基准值基准值 标幺值是相对值，无单位。某物理量的标幺值标幺值是相对值，无单位。某物理量的标幺值

15、用原来的符号右下角加用原来的符号右下角加“*”表示。表示。2、基准值的选取、基准值的选取 （1）额定相电压和相电流作为相电压和相电流额定相电压和相电流作为相电压和相电流的基准值；额定电压和电流作为线电压和线电流的基准值；额定电压和电流作为线电压和线电流的基准值；的基准值；（2）电阻、电抗和阻抗采用同一个基准值，这）电阻、电抗和阻抗采用同一个基准值，这些参数都是一相的值，所以阻抗基准值是额定相些参数都是一相的值，所以阻抗基准值是额定相电压与额定相电流的比值；电压与额定相电流的比值；（3）有功功率、无功功率及视在功率采用同一个）有功功率、无功功率及视在功率采用同一个基准值，以额定视在功率为基准；基

16、准值，以额定视在功率为基准；（4）变压器有一、二次侧绕组之分，一、二次侧）变压器有一、二次侧绕组之分，一、二次侧各物理量的基准值，应选择各自侧的额定值。各物理量的基准值，应选择各自侧的额定值。NNIU3.标幺值的优点标幺值的优点（1 1）标么值表示的参数及性能数据变化很小，这就便于）标么值表示的参数及性能数据变化很小，这就便于不同容量的变压器进行比较。例如中小型变压器短路不同容量的变压器进行比较。例如中小型变压器短路阻抗的标么值约为阻抗的标么值约为4 410.510.5。（2 2）一、二次侧各量不需要进行折算，即折算前后相应一、二次侧各量不需要进行折算，即折算前后相应量的标么值相等。量的标么值

17、相等。（3 3）不分相和线，不分单相还是三相，它们具有相同的不分相和线，不分单相还是三相，它们具有相同的标么值。标么值。*2hN1hN12hN1hN122hN12hN1h2N2hN22rUIrUIrkkUrkIUrIrpppppppp*phlUU 4.4.采用标么值表示的基本方程式与采用实际值时的方程采用标么值表示的基本方程式与采用实际值时的方程式在形式上保持一致。式在形式上保持一致。5.5.采用标么值后，各量的数值简化了，例如当电流、电采用标么值后，各量的数值简化了，例如当电流、电压达到额定值时其标么值为压达到额定值时其标么值为1 1。同时，某些量还具有相同。同时，某些量还具有相同的数值。的

18、数值。2k2kkxrZk2kkkpIpr kkZu*kkkaprukkrxu2.5 2.5 变压器的运行特性变压器的运行特性 变压器负载运行时的运行特性主要有变压器负载运行时的运行特性主要有外特性和效外特性和效率特性率特性。外特性是指变压器二次侧电压随负载变化的关系外特性是指变压器二次侧电压随负载变化的关系特性，又称为电压调整特性，常用电压变化率来表特性，又称为电压调整特性，常用电压变化率来表示二次侧电压变化的程度，它反映变压器供电电压示二次侧电压变化的程度，它反映变压器供电电压的质量。的质量。效率特性是用效率来反映变压器运行时的经济指效率特性是用效率来反映变压器运行时的经济指标。标。电压变化

19、率定义为：变压器一次侧绕组施加额定电电压变化率定义为：变压器一次侧绕组施加额定电压，由空载到给定负载时二次侧端电压代数差与二压，由空载到给定负载时二次侧端电压代数差与二次额定电压的比值，用次额定电压的比值，用 表示。表示。一、变压器的电压变化率和外特性一、变压器的电压变化率和外特性U*22221 UUUUUNN简化计算公式为：简化计算公式为：1 为变压器输出电流的标为变压器输出电流的标幺值，称为负载系数。额定负载时，幺值，称为负载系数。额定负载时，。%100)sincos(2*k2*kxrU212N21N1IIIIII影响电压变化率大小的三个因素影响电压变化率大小的三个因素：负载系数；负载系数

20、；短路参数；短路参数；负载功率因数。负载功率因数。外特性：当一次侧为额定电压，负载功率因数不变外特性：当一次侧为额定电压，负载功率因数不变时，二次侧电压时，二次侧电压与负载电流的关系曲线。与负载电流的关系曲线。二、效率与效率特性二、效率与效率特性效率定义：变压器运行时，输出有功功率与输入有功功率之百分比。以单相变压器为例，作以下几个近似：(1)以额定电压下空载损耗作为铁耗，并认为铁耗不随负载而变化。%100)1(%10010021112pPpPpPPPCpp0Fe(2)短路损耗等于额定负载电流时的铜耗，即kN2k21N2k21N2121222121Cu)()(prIrIrrIrIrIpNUU2

21、2(3)忽略负载运行时二次侧端电压的变化，认为，则2N2hN2h2N22hN22coscoscosSIUIUPppp%100)cos1(kN202NkN20ppSpp则有：%100coscos2022kNNNppSS0ddkNmpp20kNmpp0 当变压器的铁耗与铜耗相等（即不变损耗与当变压器的铁耗与铜耗相等（即不变损耗与可变损耗相等）时，有最大效率。可变损耗相等）时，有最大效率。%1002coscos022maxpSSNmNm 由于变压器实际运行时，其一次绕组常接在由于变压器实际运行时，其一次绕组常接在电源电压上，所以其铁耗总是存在，而铜耗随负电源电压上，所以其铁耗总是存在，而铜耗随负载大

22、小而改变。因为接在电网上的变压器不可能载大小而改变。因为接在电网上的变压器不可能长期满载运行，铁耗却常年存在，所以铁耗小一长期满载运行，铁耗却常年存在，所以铁耗小一些对变压器全年运行的平均效率有利。一般变压些对变压器全年运行的平均效率有利。一般变压器设计时，取器设计时，取铁耗为额定负载时铜耗的铁耗为额定负载时铜耗的1/41/3。因此，变压器最高效率发生在负载。因此，变压器最高效率发生在负载系数系数 范围内。范围内。6.05.0效率特性曲线：负载功率因数一定时，效率效率特性曲线：负载功率因数一定时，效率 与负与负载系数载系数 的关系曲线的关系曲线 称为效率特性曲线。称为效率特性曲线。)(f中小型变压器的效率一般为（中小型变压器的效率一般为（95959898），大型变压器可达），大型变压器可达9999。