变压器的建模与特性分析.ppt

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1、第五章 变压器的建模与特性分析变压器实物图片变压器实物图片变压器实物图片变压器实物图片平面式变压器电源变压器引言变压器通过磁路耦合来改变电压、电流或相位的装置为什么学习变压器？变压器又被称为变压器又被称为静止交流电机静止交流电机对照对照图图图图5.1 变压器的基本工作原理与结构5.1.1变压器的基本工作原理dtdNeudtdNeu222111Niu)(111磁势电生磁磁生电电动机惯例发电机惯例变压器有隔变压器有隔直作用直作用 若主磁通按正弦规律变化，即 ，则各物理量的有效值满足下列关系：ttmsin)(212121NNEEUU忽略绕组的电阻和铁心损耗，则原、副边功率守恒，有：2211IUIU从

2、而有：211221NNIIUU21NNk 1221IIUUk2211IUIUS 由此可见，变压器在实现变压的同时实现了变流。此外，变压器还可以实现阻抗变换的功能。二次侧的负载阻抗为：22IUZL如果从一次侧来看 ，则其大小为：LZLLZkIUkIUZ222211称 为变压器的匝比或变比，称 为视在容量。变频？5.1.2变压器的结构单相变压器的结构1铁心柱 2铁轭 3高压绕组 4低压绕组注意讲课和实际变压器间的区别三相变压器的结构1铁心柱 2铁轭 3低压绕组 4高压绕组三相变压器高压绕组的分接头油浸式变压器的外形图油浸式变压器的外形图1-1-铭牌铭牌 2-2-温度计温度计 3-3-吸湿器吸湿器

3、4-4-油位计油位计 5-5-储油柜储油柜 6-6-安全气道安全气道 7-7-气体继电器气体继电器 8-8-高压油管高压油管9-9-低压油管低压油管 10-10-分接开关分接开关 11-11-油箱铁心油箱铁心 12-12-放油阀门放油阀门 13-13-线圈线圈 14-14-接地板接地板 15-15-小车小车5.2 变压器的额定值 额定容量或视在容量额定容量或视在容量 ；额定电压额定电压 ；额定电流额定电流 ；额定频率额定频率 ；额定效率额定效率 ；NSNUNINfN额定电压和额定电流均指线值（即线电压或线电流）额定电压和额定电流均指线值（即线电压或线电流）。额定数据之间存在如下关系：额定数据之

4、间存在如下关系：NNNImUS11式中，式中，表示变压器的相数；表示变压器的相数；、分别表示额定电压和额定电流的相值。分别表示额定电压和额定电流的相值。mNU1NI1对于单相变压器：对于单相变压器：NNNNNIUIUS2211对于三相变压器：对于三相变压器：NNNNNIUIUS221133效率问题！效率问题！Y Y or or 5.3 变压器的空载运行分析定义：定义：变压器的空载变压器的空载是指一次绕组外加交流电压、二次是指一次绕组外加交流电压、二次绕组开路即副方开路绕组开路即副方开路(即电流为零即电流为零)的运行状态。的运行状态。漏磁通22011011eueeirudttdNe)(11dtt

5、dNe)(22mmmfNjNfjNjE111144.4222mmmfNjNfjNjE222244.4222写成相量形式相量形式为：5.3.1变压器空载运行时的电磁关系ttmsin)(结论：结论：绕组内感应电势的大小分别正比于频率、绕组匝数绕组内感应电势的大小分别正比于频率、绕组匝数以及磁通的幅值；在相位上，变压器绕组内的感应电以及磁通的幅值；在相位上，变压器绕组内的感应电势滞后于主磁通势滞后于主磁通 。m90 当一次绕组施加额定电压当一次绕组施加额定电压 时，规定二时，规定二次侧绕组的开路电压即为二次侧的额定电压次侧绕组的开路电压即为二次侧的额定电压即即 。这样，便可获得变压器的变比为：。这样

6、，便可获得变压器的变比为：NUU11NUU220201212121UUUUEENNkNNNmfNjE44.45.3.2磁路的电参数等效基本思路：基本思路：将变压器内部所涉及的磁路问题转换为电路问题，将变压器内部所涉及的磁路问题转换为电路问题，然后按照统一的电路理论对变压器进行计算。然后按照统一的电路理论对变压器进行计算。01011IjxILjE1021212111121111lSNNRNiNNiL1112 fLLx对于漏磁通：对于漏磁通：则可用则可用 或或 反映漏磁路的情况。（反映漏磁路的情况。（为常数，为什么？为常数，为什么？）1x1L对于主磁通：对于主磁通：首先引入首先引入等效正弦波电流等

7、效正弦波电流的概念，用等效正弦的概念，用等效正弦波电流代替非正弦的空载电流。波电流代替非正弦的空载电流。dtdNeu111 对于理想变压器对于理想变压器mii 00000IIIIIaam有功分量无功分量mmmmmIzIjxrE)(1FeFemmmmlSNNiL2121amIII00mmFerIp2mmLxmmmmmIzIjxrEEUEIzEIjxrU)()(1202010110111结论：结论：变压器空载运行时一次侧的变压器空载运行时一次侧的功率因数功率因数较低。因此，较低。因此，变压器一般不允许空载或轻载运行。变压器一般不允许空载或轻载运行。5.3.3变压器的空载电压平衡方程式、相量图及等值

8、电路图功率因数意味着什么？5.4 变压器的负载运行分析 变压器负载后，变压器负载后，二次侧的电流不再为零二次侧的电流不再为零，从，从而导致铁心内部的电磁过程发生变化。而导致铁心内部的电磁过程发生变化。5.4.1变压器负载运行时的磁势平衡方程式 012211m11m2211m0144.4iNiNiNfNEiNiNiN负载空载 上式可以理解为：随着负载电流的增加，一次侧必须上式可以理解为：随着负载电流的增加，一次侧必须增加相应的磁势（或电流），以抵消二次侧磁势，才能维增加相应的磁势（或电流），以抵消二次侧磁势，才能维持空载时的磁通或磁势不变。于是有：持空载时的磁通或磁势不变。于是有：02211iN

9、iN0122101)(iNiNiiN101iii结论：结论：变压器负载后，一次侧电流有所增加。二次侧所需的变压器负载后，一次侧电流有所增加。二次侧所需的负载（电流）越大，一次侧供给的电流也就越大。负载（电流）越大，一次侧供给的电流也就越大。即变压即变压器可以看作为一种供需平衡关系。器可以看作为一种供需平衡关系。主磁通基本不变小，11111zIzEU按规定的正方向5.4.2变压器负载后副边漏磁路的电参数等效 22222IjxILjE可用可用 或或 反映副边漏磁路的情况。反映副边漏磁路的情况。2x2L5.4.3变压器负载运行时的电磁关系 5.5 变压器的基本方程式、等值电路与相量图5.5.1变压器

10、的基本方程式 kNNEEINININIzEIzEUIzEUmmm212112211122221111 综合前边的各种分析和参数等效，可得相量形式的变压器基本方程式具有一般性，空载与负载5.5.2变压器负载运行的等值电路 根据前边的基本方程式可以进行变压器的各种分析计算，但计算相对繁琐。工程中一般转换为等效电路，代替实际的变压器。等值电路原、副方在电气上是相互独立的。为了简化计算，通常将副方的绕组匝数由 提升至 ，这样二次侧的各物理量均将发生相应的变化，这一过程又称为折算折算。2N1N折算的原则：折算的原则：折算前后要保证电磁关系不变，即：折算前后要保证电磁关系不变，即：（1 1）折算前后的磁势

11、应保持不变；）折算前后的磁势应保持不变；（2 2）折算前后的电功率及损耗应保持不变。）折算前后的电功率及损耗应保持不变。(一一)电压折算电压折算(把把 折算的和折算的和 一样一样)122212EkEENNE22kEE22kUU 1E2E(二二)电流折算电流折算(保证磁势不变保证磁势不变)212221IkNINI2221ININ(三三)阻抗折算阻抗折算(保证能量传递关系不变保证能量传递关系不变,包括有功和无功包括有功和无功)22222222rkIIrr22222222xkIIxx有功有功 无功无功 222222IrIr222222IxIx222zkz mmmIzEEIIIIzEUIzEU2121

12、22221111“”型等效电路简化等效电路“T”型等效电路例例5-15-1折算后的等值电路mmmIzEEIIIIzEUIzEU212122221111kNNEEINININIzEIzEUIzEUmmm212112211122221111?5.5.3变压器负载运行时的相量图 相量图不仅表明变压器的电磁关系,而且可以直观地看出变压器中各物理量的大小和相位关系。假定电路参数已知，且负载的大小和相位已给定，则可根据几个步骤画出其相量图。结论：结论：变压器负载后其一次侧的功率因数角减小，功率因数得变压器负载后其一次侧的功率因数角减小，功率因数得以提高。以提高。空载试验5.6 变压器等值电路参数的试验测定

13、 利用等效电路可以对变压器的运行性能进行分析，首先要知道等值电路中的参数。mmm,xrzk、励磁阻抗变比短路试验kkkxrz、短路阻抗5.7 变压器稳态运行特性的计算5.7.1变压器的外特性和电压变化率外特性外特性的定义的定义（反映变压器对负载供电质量情况反映变压器对负载供电质量情况）在在额定电源电压额定电源电压和和一定负载功率因数一定负载功率因数的条件下，变压器的条件下，变压器二次侧的端电压与二次侧负载电流之间的关系曲线。二次侧的端电压与二次侧负载电流之间的关系曲线。各类性质的负各类性质的负载下变压器的载下变压器的典型外特性典型外特性电压变化率电压变化率的定义：的定义：在在额定电源电压额定电

14、源电压和和一定负载功率因数一定负载功率因数的条件下，由空载的条件下，由空载到额定负载时二次侧端电压变化的百分比，即：到额定负载时二次侧端电压变化的百分比，即：%100%100%1001212222220NNNNNUUUUUUUUUu%100)sincos(%100)sincos(121211221NkNkNNkkUxIrIUxrIu负载特定，负载大小、外因：变压器的结构参数、内因：2coskkrxu%100)sincos(%100sincos(2*2*12121kkNkNkNxrUxIrIu讨论：讨论：u对于纯阻性负载，对于纯阻性负载，故，故 较小；较小；u对于感性负载，对于感性负载，故，故

15、，即随着负载，即随着负载 电流的增加，二次侧的电压下降较大；电流的增加，二次侧的电压下降较大；u对于容性负载，对于容性负载，若，若 ，则则 ，说明随着负载电流，说明随着负载电流 的增加，二次侧的电压的增加，二次侧的电压有可有可 能能升高。升高。1cos20sin2u0cos20sin20u0cos20sin222sincoskkxr0u2I)15(可参照例小得多比变压器一般kkxr容性负载对变压器二次端电压影响的应用：容性负载对变压器二次端电压影响的应用：（1 1）补偿无功，改善功率因数，降低线损）补偿无功，改善功率因数，降低线损 （2 2）提升工厂电网电压，解决工厂负荷大，电网电压）提升工厂

16、电网电压，解决工厂负荷大，电网电压下降的问题下降的问题5.7.2变压器的效率特性变压器的效率定义为：变压器的效率定义为：%100)1(%100%10011112PpPpPPPCuFeppp0Fepp不变损耗kN2Cupp可变损耗2222222222coscoscosNNNNNSImUIIImUP20220(1)100%coskNNkNppSpp负载性质，负载大小、外因：等变压器结构参数内因：励磁和短路参数的影响因素2cos有功功率额定短路损耗，例5-10ddkNmpp20kNmpp0求解变压器的最高效率：求解变压器的最高效率：效率特性定义为：效率特性定义为：在在额定电压额定电压和和一定负载功率因数一定负载功率因数条件下，条件下，（或（或 )的关系曲线的关系曲线.)(2If)(f变压器的额定变压器的额定效率一般较高效率一般较高，大多在，大多在95%以上，大型变以上，大型变压器能达到压器能达到99%。交流电机有转交流电机有转动部分，效率动部分，效率要低些要低些设计时，确保变压器全年平均运行效率较高5.8 三相变压器的特殊问题 前边的章节以单相变压器为例研究了变压器的基前边的章节以单相变压器