变压器

电机学，变压器是利用电磁感应作用，将一种电压、电流的 交流电能变换为相同频率的另一种电压、电流的 交流电能

变压器

• 变压器的用途、分类、基本结构和额定值
  • 变压器的用途和分类
    • 用途:利用电磁感应作用，将一种电压、电流的 交流电能变换为相同频率的另一种电压、电流的 交流电能
    • 分类
      • 按用途分类
        • 电力变压器、特种变压器、互感变压器
      • 按绕组数目分类
        • 双绕组变压器，多绕组变压器，自耦变压器
      • 按相数分类
        • 单相变压器，三相变压器，多相变压器
      • 其他
  • 变压器的基本结构
    • 铁心
      • 套装绕组的部分称为铁心柱
      • 连接铁心柱，构成闭合磁路的部分称为磁轭或铁轭
    • 绕组
      • 把两个线圈套在同一个闭合铁心上构成的，这两个线圈都称为绕组
  • 变压器的额定值
    • 额定容量Sn
      • 额定容量是变压器在铭牌规定的额定运行条件下输出视在功率的保证值
    • 额定电压U1n，U2n
      • 一，二次绕组线路端子间外施电压的有效值
    • 额定电流I1n，I2n
      • 变压器在额定运行条件下能够承担的电流
    • 额定频率
      • 我国规定的标准工频为50hHz
• 变压器的运行分析
  • 变压器的空载运行
    • 空载运行时的磁动势、磁通
      • 通过铁心变压器的主磁路的磁通为主磁通
      • 通过的路径为由部分铁心和非铁磁材料构成的 漏磁路的磁通为漏磁路
    • 感应电动势
      • 主磁通感应电动势
        • E=－j4.44fNΦm
      • 漏磁通感应电动势
        • Eσ1=－j4.44f*N1*Φσ1m
        • 漏电抗
    • 电压方程式，变比
      • 电压方程式
        • U1=－E1+I0*Z1 Z1=R1+jXσ1
    • 励磁电流
      • 理想情况是指铁心磁路不饱和且没有铁耗 此时铁心磁路的磁化曲线B=f(H)是一条直线
      • 磁路饱和、不计铁耗时
      • 磁路饱和，计铁耗时
    • 相量图
      • 步骤
        • 1、画Φm，其初相角设为0° 2、画滞后Φm90°的E1，再画与E1同相，大小为E1/k的E2 3、根据一二次侧的电压方程式，画出U1和U2
      • 例图
    • 等效电路
  • 变压器的负载运行
    • 参考方向的规定
      • 在分析电磁感应关系时，规定磁动势，磁通的参考 方向都与产生它们的电流的参考方向符号右手螺旋定则
      • 在列写电路方程时，规定作为负载的电路中， 电压的参考方向和电流的参考方向相同
    • 负载运行时的磁动势和磁通
      • Fm=F1+F2
    • 电压方程式
      • U1=－E1+I1*Z1
      • U2=E2－I2*Z2
    • 电动势平衡方程式
      • N1*I1+N2*I2=N1*Im
    • 基本方程式
    • 折合算法
      • 折合算法的依据
        • N1*I2'=N2*I2=F2
        • N1*I1+N1*I2'=N1*I0
        • I1+I2'=I0
      • 折合关系
        • I2'=I2/k
        • E2'=E1
        • Z2'+ZL'=k^2(Z2+ZL)
        • U2'=kU2
    • 等效电路
      • T型等效电路
      • 近似等效电路
      • 简化等效电路
    • 相量图
    • 功率平衡关系
      • 有功功率:一次侧输入的有功功率，扣除一次绕组的铁耗和铜耗，就是传递到二次侧的有功功率， 即二次侧的电磁功率，再扣除二次绕组铜耗，便是输出的有功功率
      • 无功功率:一次侧吸收的无功功率，扣除一次侧绕组漏电抗所需的无功功率和励磁所需的无功功率 就是传递到二次侧的无功功率，再扣除二次侧绕组漏电抗所需的无功功率，便是变压器向负载发出的无功功率
  • 变压器参数的测定
    • 短路实验
      • 换算到75°时的电压电抗
      • 阻抗电压
    • 空载实验
  • 标幺值
    • 标幺值的概念
      • 标幺值=实际值(任意单位)/基值(与实际值同单位)
    • 基值的选取
      • 功率基值
        • 三相变压器总功率的基值仍为Sn,但一相功率的基值为Sn/3
      • 电压电流基值
        • 三相变压器一二次侧的线电压和线电流的基值为一二次侧额定电压U1n,U2n和额定电流I1n,I2n相电压和相电流的基值为额定相电压和相电流
      • 阻抗基值
        • 三相变压器一二次侧的阻抗基值分别为变压器一二次侧的相电压基值和相电流基值的比值
    • 标幺值的优点
      • 数据在较小范围内，易于记忆，便与比较分析
      • 便与直观的表示变压器的运行情况
      • 不需要折合，简化计算
      • 缺点是无单位，无法用量纲关系来检查方程式和工式的正确性
  • 变压器的运行特性
    • 电压调整率和电压调整特性
      • 电压调整率=1－U2
      • 负载因数β=I2=I1
    • 效率与效率特性
• 三相变压器
  • 三相变压器的磁路系统
  • 三相变压器的电路系统——绕组联结方式和联结组
    • 绕在同一铁心柱上的高低压绕组电动势的相位关系
    • 三相变压器的联结组
      • 三相变压器的联结方式
      • 联结组
        • Yy联结
        • Dy联结
  • 三相变压器的空载电动势波形
    • Yy联结的变压器
      • 采用Yy联结的变压器，3次谐波电流不能在绕组中流通，励磁电流基本上为正弦波 因此，主磁通的波形取决于铁心磁路结构
    • Dy和Yd联结的变压器
      • 线电流中没有三次谐波，由于饱和，主磁通中含有三次谐波，会产生感应电动势，会在三角形联结的 绕组回路中产生同相的三次谐波电流
    • 分析表明，为了使三相变压器的主磁通和相电动势接近正弦波，不论是心式变压器还是变压器组 都希望有一侧的绕组接成D联结，当需要采用Yy联结时，可在铁心柱上另外布置一套D联结绕组，目的是为三次谐波电流提供通路
  • 变压器的并联运行
    • 优点
      • 在某台发生故障时，可以把他从电网上切除其他变压器可以继续运行，从而提高供电的可靠性
      • 可以根据负载的大小来调整投入运行的变压器数量，使投入运行的变压器都接近满载，以提高运行效率，改善功率因数
      • 可减少备用变压器的容量
    • 理想状况
      • 各变压器空载运行时，彼此之间没有循环电流，每台变压器和单独空载运行一样
      • 负载运行时，各变压器按照其额定容量成比例的分担负载
      • 各变压器同一相的负载电流的相位相同
    • 达到理想状况的条件
      • 一二次额定电压分别相等
      • 二次线电压对一次线电压的相位移相同，即联结组标号相同
      • 短路阻抗标幺值相等，即短路阻抗模及其阻抗角都相等
• 自耦变压器、三相绕组变压器和互感器
  • 自耦变压器
    • 结构示意图
    • 电压电流关系
      • 忽略励磁电流时
        • I1+I=I2
    • 容量关系
      • 串联绕组Aa额定容量
      • 公共绕组ax的额定容量
      • 变压器额定容量
    • 主要优缺点
      • 所需有效材料少，体积小，造价低， 由于有效材料消耗少，铜耗，铁耗都小，因此效率高
  • 三相绕组变压器
    • 示意图
    • 简化等效电路
  • 互感器
    • 电压互感器
      • 示意图
      • 注意
        • 二次侧绝不允许短路
        • 铁心和二次绕组的一端必须可靠接地
        • 电压互感器有一定的额定容量，因此二次侧不能并联过多的仪表 以避免电流较大而影响测量精度
    • 电流互感器
      • 示意图
      • 注意
        • 二次侧绝不允许开路，否则，电流互感器就变为空载运行，一次侧的大电流完全变成励磁电流， 使铁心中磁通密度比额定运行增大许多倍，致使铁心过度饱和，损耗大幅增加，引起铁心过热甚至烧毁互感器 更严重的是，匝数较多的二次绕组会感应出超过1kv的高电压，可能击穿绕组绝缘，并危及操作人员安全
        • 二次绕组必须可靠接地，以防止在绝缘损坏时，一次侧高压侵入二次侧
        • 二次回路中串入的阻抗值不能超过有关标准规定，即电流表不能串入太多，以免降低测量精度