电机学 第V部分变压器 。GE 2009级卓越工程师班 主讲教师：谢宝昌 上海交通大学电气工程系
电机学 第V部分 变压器 for GE 2009级卓越工程师班 主讲教师：谢宝昌 上海交通大学电气工程系
变压器 基本结构 一铁芯、绕组 •基本原理 -空载、负载 •基本特性 11 -外特性：电压调整率 -效率特性：最大效率 1发电机升压变压器 2系统联接变压器 uu可n 3移相变压器 4并联电抗器 5高压直流变压器 6干式电力变压器 jnnm g 7配电变压器 8特种变压器 用 9线路馈电变压器 10牵引变压器 11电流互感器 四a 图6 二 0
变压器 1 发电机升压变压器 2 系统联接变压器 3 移相变压器 4 并联电抗器 5 高压直流变压器 6 干式电力变压器 7 配电变压器 8 特种变压器 9 线路馈电变压器 10 牵引变压器 11 电流互感器 1 3 11 6 4 5 5 10 2 7 8 •基本结构 –铁芯、绕组 •基本原理 –空载、负载 •基本特性 –外特性：电压调整率 –效率特性：最大效率
变压器研究的主要内容 ·变压器的基本结构 一铁芯 - 绕组 - 绝缘和冷却 ·变压器的基本原理 一电磁关系：磁势、电势和功率平衡关系 一绕组折算：电磁场不变性 一等效电路和相量图 ·变压器的运行特性 一外特性、电压调整率 一效率特性、最大效率 August 27,2011 3
August 27, 2011 3 变压器研究的主要内容 • 变压器的基本结构 – 铁芯 – 绕组 – 绝缘和冷却 • 变压器的基本原理 – 电磁关系：磁势、电势和功率平衡关系 – 绕组折算：电磁场不变性 – 等效电路和相量图 • 变压器的运行特性 – 外特性、电压调整率 – 效率特性、最大效率
变压器的基本结构 ·变压器是一种静止的电气设备，根据电磁感应原理把一种频率的 电压和电流转换成同一频率的另一种电压和电流，并且功率传输 基本不变。 -特例：移相器，电抗器，变频器。 。 主要结构部件： 一铁芯：主磁路通道，减小励磁电流： 一线圈：电气部分，采用金属导线或箔绕制： 一套管：绝缘引出线： 一储油箱 一冷却系统 August 27,2011 4
August 27, 2011 4 变压器的基本结构 • 变压器是一种静止的电气设备，根据电磁感应原理把一种频率的 电压和电流转换成同一频率的另一种电压和电流，并且功率传输 基本不变。 – 特例：移相器，电抗器，变频器。 • 主要结构部件： – 铁芯：主磁路通道，减小励磁电流； – 线圈：电气部分，采用金属导线或箔绕制； – 套管：绝缘引出线； – 储油箱 – 冷却系统
变压器的分类 按用途分类 按相数分类 电力变压器 一单相变压器 电子变压器 √三相变压器 仪用变压器 一特殊用途变压器 按冷却方式分类 按绕组数目分类 千式变压器 √双绕组变压器 - 油浸变压器 三绕组变压器 按频率分类 自耦变压器 一工频变压器 。 按铁芯材料分类 音频变压器 -硅钢片/电工钢片 一中频变压器 非晶合金 一高频变压器 铁氧体 一纳米磁晶材料 坡膜合金 。 按铁芯形状分类 -壳式、芯式、矩阵式、环形 叠片式、渐开线式 August 27,2011 5
August 27, 2011 5 变压器的分类 • 按用途分类 – 电力变压器 – 电子变压器 – 仪用变压器 – 特殊用途变压器 • 按绕组数目分类 双绕组变压器 – 三绕组变压器 – 自耦变压器 • 按铁芯材料分类 – 硅钢片／电工钢片 – 非晶合金 – 铁氧体 – 纳米磁晶材料 – 坡膜合金 • 按铁芯形状分类 – 壳式、芯式、矩阵式、环形 – 叠片式、渐开线式 • 按相数分类 – 单相变压器 三相变压器 • 按冷却方式分类 – 干式变压器 – 油浸变压器 • 按频率分类 – 工频变压器 – 音频变压器 – 中频变压器 – 高频变压器
双绕组变压器物理模型 高压绕组 ·高压绕组← 壳式 铁芯 变压器 低压绕组 一次侧 二次侧 绕组 绕组 互漏碱通？ dD 中 铁芯 低压绕组 重要参数 芯式 变压器 变比k=NN2 变压器示意图 August 27,2011 6
August 27, 2011 6 双绕组变压器物理模型 Φm Φσ Φσ 低压绕组 高压绕组 铁芯 低压绕组 高压绕组 壳式 变压器 芯式 变压器 铁芯 u1 e1m e1σ i1 Φm Φ1σ Φ2σ -u2 e2m e2σ i2 一次侧 绕组 二次侧 绕组 N1 N2 重要参数 变比k=N1/N2 互漏磁通？ 变压器示意图
变压器运行时的内部电磁关系 一次侧 电阻压降R1 自漏磁通中。→电势e1。 ↑ 电压41 电流1·磁势F 电势e1 磁滞 合成磁势Fm 合成磁通中m 互漏磁通？ 涡流▲ 电压2 电流i2◆ 磁势F2 电势e2 ↓ 电阻压降R22 自漏磁通中。→电势2如 二次侧 August 27,2011 7
August 27, 2011 7 变压器运行时的内部电磁关系 电压u1 电流i1 磁势F1 一次侧 合成磁势Fm 合成磁通Φm 自漏磁通Φ1σ 电压u2 电流i2 磁势F2 二次侧 电势e1 电势e2 电势e1σ 电势e 自漏磁通Φ2σ 2σ 电阻压降R1i1 电阻压降R2i2 磁滞 涡流 互漏磁通？
变压器空载运行 空载运行 -是指变压器一次侧绕组加交 漏磁路 流额定电压，二次侧绕组开 一漏磁路的磁通称为漏磁通， 路的运行状态： 它主要经过空气隙闭合，包 含互漏磁通和自漏磁通两部 ·分析方法 分。 一将主磁路非线性与漏磁路线 互漏磁通 性部分分开处理。主磁路的 一漏磁通中同时与一次侧和二 磁感应线沿铁芯闭合，具有 次侧匝链且经过气隙的漏磁 高磁导率与非线性特性。漏 通； 磁路的磁感应线要经过空 ·自漏磁通 气，磁阻很大，认为是线性 的。 一仅与自身绕组匝链且经过气 隙的漏磁通。 主磁路 √空载主磁通由一次侧绕组电 主磁路的磁通称为主磁通， 流与铁芯内部涡流共同产 它经过铁芯并同时匝链一次 侧与二次侧绕组： 生。 August 27,2011 8
August 27, 2011 8 变压器空载运行 • 空载运行 – 是指变压器一次侧绕组加交 流额定电压，二次侧绕组开 路的运行状态； • 分析方法 – 将主磁路非线性与漏磁路线 性部分分开处理。主磁路的 磁感应线沿铁芯闭合，具有 高磁导率与非线性特性。漏 磁路的磁感应线要经过空 气，磁阻很大，认为是线性 的。 • 主磁路 – 主磁路的磁通称为主磁通， 它经过铁芯并同时匝链一次 侧与二次侧绕组； • 漏磁路 – 漏磁路的磁通称为漏磁通， 它主要经过空气隙闭合，包 含互漏磁通和自漏磁通两部 分。 • 互漏磁通 – 漏磁通中同时与一次侧和二 次侧匝链且经过气隙的漏磁 通； • 自漏磁通 – 仅与自身绕组匝链且经过气 隙的漏磁通。 空载主磁通由一次侧绕组电 流与铁芯内部涡流共同产 生
变压器的空载运行 ·空载电流 电势平衡关系 √一次侧绕组加额定频率的 一次侧绕组主电势、漏电势 额定电压，产生交变的励 和电阻压降与外施电压相平 磁电流，同时出现铁芯损 衡。 耗的有功电流，一次侧总 一由于二次侧绕组开路，没有 电流，因此二次侧绕组空载 电流称为空载电流。 端电压与其主电势和互漏电 ·空载电流有三个作用 势相平衡。 一在铁芯中建立脉振主磁场， 从而在一次侧和二次侧绕组 中分别感应主电势： 一还在空气中建立漏磁场，在 一次侧感应漏电势，互漏磁 场在二次侧也要感应电势。 一在一次侧绕组中产生电阻压 降。 August 27,2011 9
August 27, 2011 9 变压器的空载运行 • 空载电流 一次侧绕组加额定频率的 额定电压，产生交变的励 磁电流，同时出现铁芯损 耗的有功电流，一次侧总 电流称为空载电流。 • 空载电流有三个作用 – 在铁芯中建立脉振主磁场， 从而在一次侧和二次侧绕组 中分别感应主电势； – 还在空气中建立漏磁场，在 一次侧感应漏电势，互漏磁 场在二次侧也要感应电势。 – 在一次侧绕组中产生电阻压 降。 • 电势平衡关系 – 一次侧绕组主电势、漏电势 和电阻压降与外施电压相平 衡。 – 由于二次侧绕组开路，没有 电流，因此二次侧绕组空载 端电压与其主电势和互漏电 势相平衡。 F Φ
变压器的空载运行 ·主磁路磁通交变的； 主磁通交变的作用还有 ·在磁路不饱和时，感应 引起磁滞现象、磁滞损 电势与正弦波电压相平 耗，同时在铁芯叠片中 衡，因此主磁通基本上 感应涡流，形成涡流磁 是正弦波，电流接近正 场，产生涡流损耗。此 弦波。 外，磁性材料的交变磁 当磁路饱和时，尽管电 化使得内部磁畴反复消 势和主磁通仍然保持正 涨，产生额外铁芯损 弦波，但是电流变成尖 耗。这些损耗与交流频 顶波，随着饱和程度的 率和磁通密度的峰值与 增加，电流峰值越尖。 分布有关，还与铁芯叠 片的几何尺寸有关。 August 27,2011 10
August 27, 2011 10 变压器的空载运行 • 主磁路磁通交变的； • 在磁路不饱和时，感应 电势与正弦波电压相平 衡，因此主磁通基本上 是正弦波，电流接近正 弦波。 • 当磁路饱和时，尽管电 势和主磁通仍然保持正 弦波，但是电流变成尖 顶波，随着饱和程度的 增加，电流峰值越尖。 • 主磁通交变的作用还有 引起磁滞现象、磁滞损 耗，同时在铁芯叠片中 感应涡流，形成涡流磁 场，产生涡流损耗。此 外，磁性材料的交变磁 化使得内部磁畴反复消 涨，产生额外铁芯损 耗。这些损耗与交流频 率和磁通密度的峰值与 分布有关，还与铁芯叠 片的几何尺寸有关