電機(jī)原理與拖動(一)新教材——第2章

1、電機(jī)原理與拖動（一）電機(jī)原理與拖動（一）東北大學(xué)東北大學(xué)邊春元2015.03內(nèi)容介紹變壓器交流電機(jī)基礎(chǔ)及三相異步電動機(jī)電磁理論基礎(chǔ)知識緒論三相異步電動機(jī)的電力拖動第一節(jié)第一節(jié) 變壓器的工作原理和基本結(jié)構(gòu)變壓器的工作原理和基本結(jié)構(gòu)第二節(jié)第二節(jié) 單相變壓器的空載運(yùn)行單相變壓器的空載運(yùn)行第三節(jié)第三節(jié) 單相變壓器的負(fù)載運(yùn)行單相變壓器的負(fù)載運(yùn)行第四節(jié)第四節(jié) 三相變壓器三相變壓器第五節(jié)第五節(jié) 等效電路參數(shù)的測定等效電路參數(shù)的測定第六節(jié)第六節(jié) 標(biāo)幺值標(biāo)幺值第七節(jié)第七節(jié) 變壓器的運(yùn)行特性變壓器的運(yùn)行特性第八節(jié) 變壓器的并聯(lián)運(yùn)行第九節(jié) 自耦變壓器和儀用互感器一、 變壓器的用途變壓器：是一種靜止的電機(jī)，它利用電磁

2、感應(yīng)原理變壓器：是一種靜止的電機(jī)，它利用電磁感應(yīng)原理將一種電壓、電流的交流電能轉(zhuǎn)換成同頻率的另一將一種電壓、電流的交流電能轉(zhuǎn)換成同頻率的另一種電壓、電流的電能。換句話說，種電壓、電流的電能。換句話說，變壓器就是實(shí)現(xiàn)變壓器就是實(shí)現(xiàn)電能在不同等級之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。電能在不同等級之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。發(fā)電升壓降壓用戶二、變壓器的簡單工作原理一次繞組二次繞組鐵芯負(fù)載簡單的單相變壓器簡單的單相變壓器：在兩個線：在兩個線圈沒有電的直接聯(lián)系，只有磁圈沒有電的直接聯(lián)系，只有磁的耦合。的耦合。原繞組原繞組：也稱一次繞或初級繞：也稱一次繞或初級繞組。是變壓器的兩個線圈中接組。是變壓器的兩個線圈中接交流電源的線圈，其匝數(shù)為交流

3、電源的線圈，其匝數(shù)為N1副繞組副繞組：也稱二次繞組或次級：也稱二次繞組或次級繞組。是變壓器接到用電設(shè)備繞組。是變壓器接到用電設(shè)備上的線圈，其匝數(shù)為上的線圈，其匝數(shù)為N2交變磁通同時與原、副繞組交鏈，在原、副繞組內(nèi)產(chǎn)生交變磁通同時與原、副繞組交鏈，在原、副繞組內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動勢。 三、變壓器的分類三、變壓器的分類 變壓器的種類很多，可按其用途、結(jié)構(gòu)、相變壓器的種類很多，可按其用途、結(jié)構(gòu)、相數(shù)、冷卻方式等不同來進(jìn)行分類。數(shù)、冷卻方式等不同來進(jìn)行分類。 1 1、按用途分類按用途分類，可分為可分為電力變壓器電力變壓器（主要（主要用在輸配電系統(tǒng)中，又分為升壓變壓器、降壓用在輸配電系統(tǒng)中，又分為

4、升壓變壓器、降壓變壓器、聯(lián)絡(luò)變壓器和廠用變壓器）、變壓器、聯(lián)絡(luò)變壓器和廠用變壓器）、儀用互儀用互感器感器（電壓互感器和電流互感器）、（電壓互感器和電流互感器）、特種變壓特種變壓器器（如調(diào)壓變壓器、試驗變壓器、電爐變壓器（如調(diào)壓變壓器、試驗變壓器、電爐變壓器、整流變壓器、電焊變壓器等）。、整流變壓器、電焊變壓器等）。 2 2、按鐵心結(jié)構(gòu)分類，有心式變壓器和殼式變壓器。、按鐵心結(jié)構(gòu)分類，有心式變壓器和殼式變壓器。 3 3、按繞組數(shù)目分類、按繞組數(shù)目分類: :可分為雙繞組變壓器可分為雙繞組變壓器, ,三繞組變壓三繞組變壓器、多繞組變壓器和自耦變壓器。器、多繞組變壓器和自耦變壓器。 4 4、按相數(shù)分類

5、，有單相變壓器、三相變壓器。、按相數(shù)分類，有單相變壓器、三相變壓器。 5 5、按冷卻介質(zhì)和冷卻方式分類，可分為油浸式變壓器、按冷卻介質(zhì)和冷卻方式分類，可分為油浸式變壓器（包括油浸自冷式、油浸風(fēng)冷式、油浸強(qiáng)迫油循環(huán)式）、（包括油浸自冷式、油浸風(fēng)冷式、油浸強(qiáng)迫油循環(huán)式）、干式變壓器、充氣式變壓器。干式變壓器、充氣式變壓器。 6 6、電力變壓器按容量大小通常分為小型變壓器（容量為、電力變壓器按容量大小通常分為小型變壓器（容量為1010630kVA630kVA）、中型變壓器（容量為）、中型變壓器（容量為8008006300kVA6300kVA）、大）、大型變壓器（容量為型變壓器（容量為80008000

6、63000kVA63000kVA）和特大型變壓器（容）和特大型變壓器（容量在量在90000kVA90000kVA及以上）。及以上）。電力變壓器電力變壓器電源變壓器電源變壓器環(huán)形變壓器環(huán)形變壓器接觸調(diào)壓器接觸調(diào)壓器控制變壓器控制變壓器三相干式變壓器三相干式變壓器 變壓器鐵心的結(jié)構(gòu)有心式、殼式等形式。殼式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是鐵心包圍繞組的頂面、底面和側(cè)面，心式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是鐵心柱被繞組包圍，殼式結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度較好，但制造復(fù)雜，常用于低壓、大電流的變壓器或小容量電源變壓器。變壓器的主要結(jié)構(gòu)：鐵心和繞組。鐵心是變壓器的磁路部分；繞組是變壓器的電路部分。四、變壓器的基本結(jié)構(gòu)心式變壓器殼式變壓器 鐵心：鐵心：構(gòu)成了

7、變壓器的磁路，同時又是套裝繞構(gòu)成了變壓器的磁路，同時又是套裝繞組的骨架。鐵心由鐵心柱和鐵軛兩部分構(gòu)成。組的骨架。鐵心由鐵心柱和鐵軛兩部分構(gòu)成。鐵心柱上套繞組，鐵軛將鐵心柱連接起來形成鐵心柱上套繞組，鐵軛將鐵心柱連接起來形成閉合磁路。閉合磁路。 鐵心材料：鐵心材料：為了提高磁路的導(dǎo)磁性能，減少鐵為了提高磁路的導(dǎo)磁性能，減少鐵心中的磁滯、渦流損耗，鐵心一般用高磁導(dǎo)率心中的磁滯、渦流損耗，鐵心一般用高磁導(dǎo)率的磁性材料的磁性材料硅鋼片疊成。硅鋼片有熱軋和硅鋼片疊成。硅鋼片有熱軋和冷軋兩種，其厚度為冷軋兩種，其厚度為0.350.5mm，兩面涂以厚兩面涂以厚0.020.23mm的漆膜，使片與片之間絕緣。的

8、漆膜，使片與片之間絕緣。高壓繞組低壓繞組高壓繞組低壓繞組繞組有同心式和交疊式兩種繞組式變壓器的電路部分，一般用銅或鋁的絕緣導(dǎo)線繞成。 繞組：繞組：一次繞組（原繞組）：輸入電能一次繞組（原繞組）：輸入電能二次繞組（副繞組）：輸出電能二次繞組（副繞組）：輸出電能 它們通常套裝在同一個心柱上，一次和二次繞組具有不它們通常套裝在同一個心柱上，一次和二次繞組具有不同的匝數(shù)，通過電磁感應(yīng)作用，一次繞組的電能就可傳同的匝數(shù)，通過電磁感應(yīng)作用，一次繞組的電能就可傳遞到二次繞組，且使一、二次繞組具有不同的電壓和電遞到二次繞組，且使一、二次繞組具有不同的電壓和電流。流。 兩個繞組中，電壓較高的稱為兩個繞組中，電壓

9、較高的稱為高壓繞組高壓繞組，電壓較低的稱，電壓較低的稱為為低壓繞組低壓繞組。由于同心式繞組結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，所。由于同心式繞組結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，所以，國產(chǎn)的均采用這種結(jié)構(gòu)，交迭式主要用于特種變壓以，國產(chǎn)的均采用這種結(jié)構(gòu)，交迭式主要用于特種變壓器中。器中。 其他部件：除器身外，典型的油浸式電力變壓器中還有其他部件：除器身外，典型的油浸式電力變壓器中還有油箱、變壓器油、絕緣套管及繼電保護(hù)裝置等部件。油箱、變壓器油、絕緣套管及繼電保護(hù)裝置等部件。變壓器其它附件1.溫度計；溫度計；2.吸濕器；吸濕器；3.儲油柜；儲油柜；4.油表；油表；5.安全氣道；安全氣道；6.氣體繼電器；氣體繼電器；7.高壓套

10、管；高壓套管；8.低壓套管；低壓套管；9.分接開關(guān)；分接開關(guān)；10.油箱；油箱；11.鐵芯；鐵芯；12.線圈；線圈；13.放油閥放油閥 額定值是制造廠對變壓器在指定工作條件下運(yùn)行時所規(guī)定的一些量值。額定值通常標(biāo)注在變壓器的銘牌上。變壓器的額定值主要有：五、變壓器額定值1.額定容量SN 額定容量是指額定運(yùn)行時的視在功率。以 VA、kVA或MVA表示。由于變壓器的效率很高，通常一、二次側(cè)的額定容量設(shè)計成相等。2.額定電壓U1N和U2N 正常運(yùn)行時規(guī)定加在一次側(cè)的端電壓稱為變壓器一次側(cè)的額定電壓U1N。二次側(cè)的額定電壓U2N 是指變壓器一次側(cè)加額定電壓時二次側(cè)的空載電壓。額定電壓以V或kV表示。對三

11、相變壓器，額定電壓是指線電壓。3.額定電流I1N和I2N 根據(jù)額定容量和額定電壓計算出的線電流，稱為額定電流，以A表示。對單相變壓器對三相變壓器 4.額定頻率fN我國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)50Hz 除額定值外，變壓器的相數(shù)、繞組連接方式及聯(lián)結(jié)組別、短路電壓、運(yùn)行方式和冷卻方式等均標(biāo)注在銘牌上。額定狀態(tài)是電機(jī)的理想工作狀態(tài)，具有優(yōu)良的性能，可長期工作。NNNNNNUSIUSI2211;NNNNNNUSIUSI22113;3一、空載運(yùn)行時的物理情況空載運(yùn)行空載運(yùn)行：是指變壓器原繞組接到額定電壓、額定頻率的電源上，副繞組開路時的運(yùn)行狀態(tài)。第二節(jié)、單相變壓器的空載運(yùn)行空載運(yùn)行電磁關(guān)系 從理論上講，正方向可以任意選擇

12、，因各物理從理論上講，正方向可以任意選擇，因各物理量的變化規(guī)律是一定的，并不依正方向的選擇不量的變化規(guī)律是一定的，并不依正方向的選擇不同而改變。但正方向規(guī)定不同，列出的電磁方程同而改變。但正方向規(guī)定不同，列出的電磁方程式和繪制的相量圖也不同。式和繪制的相量圖也不同。在電機(jī)方向的學(xué)科中在電機(jī)方向的學(xué)科中通常按習(xí)慣方式規(guī)定正方向，稱為慣例。通常按習(xí)慣方式規(guī)定正方向，稱為慣例。 在電源支路一次繞組相當(dāng)于用電器，按用電慣在電源支路一次繞組相當(dāng)于用電器，按用電慣例規(guī)定正方向：電流的正方向與產(chǎn)生它的電壓的例規(guī)定正方向：電流的正方向與產(chǎn)生它的電壓的正方向一致，由電流產(chǎn)生的磁通符合右手螺旋定正方向一致，由電流

13、產(chǎn)生的磁通符合右手螺旋定則，則，感應(yīng)電動勢的正方向與產(chǎn)生它的磁通的正方感應(yīng)電動勢的正方向與產(chǎn)生它的磁通的正方向遵循電磁感應(yīng)定律的規(guī)定；向遵循電磁感應(yīng)定律的規(guī)定；二、變壓器中正方向的規(guī)定二、變壓器中正方向的規(guī)定 在負(fù)載支路二次繞組相當(dāng)于電源，按發(fā)電慣例在負(fù)載支路二次繞組相當(dāng)于電源，按發(fā)電慣例規(guī)定正方向：規(guī)定正方向：電流的正方向與電流的正方向與e e2 2的正方向一致的正方向一致，輸出電壓，輸出電壓u u2 2與電流同向。感應(yīng)電動勢的正方與電流同向。感應(yīng)電動勢的正方向與產(chǎn)生它的磁通的正方向遵循電磁感應(yīng)定律向與產(chǎn)生它的磁通的正方向遵循電磁感應(yīng)定律的規(guī)定（右手定則）；的規(guī)定（右手定則）；1112211

14、;dddeNeNeNdtdtdt （一）磁通（一）磁通變壓器空載時變壓器空載時如果外加電壓是正弦波，則如果外加電壓是正弦波，則e1和磁通也按正弦變化：和磁通也按正弦變化：（磁通連接一二次側(cè)的電路，以磁通為參考進(jìn)行分析（磁通連接一二次側(cè)的電路，以磁通為參考進(jìn)行分析）三、磁通、電動勢與空載電流三、磁通、電動勢與空載電流11ue 110 1|eei r sinmt （二）電動勢與磁通的關(guān)系：（二）電動勢與磁通的關(guān)系： 假定主磁通按正弦規(guī)律變化，即假定主磁通按正弦規(guī)律變化，即 =m msintsint 根據(jù)電磁感應(yīng)定律和對正方向規(guī)定，一、二次繞組中根據(jù)電磁感應(yīng)定律和對正方向規(guī)定，一、二次繞組中感應(yīng)電動

15、勢的瞬時值為感應(yīng)電動勢的瞬時值為 ： )90sin(2cos01111tEtNdtdNem)90sin(2cos02222tEtNdtdNem)90sin(2cos0111111tEtNdtdNem式中：mmfNNE11144. 42mmfNNE22244. 42mmfNNE1111144. 42 在變壓器中，原、副繞組的感應(yīng)電動勢在變壓器中，原、副繞組的感應(yīng)電動勢E E1 1和和E E2 2之之比稱為比稱為變壓器的變比變壓器的變比，用，用 表示，即：表示，即： 上式表明，變壓器的變比等于原、副繞組的匝數(shù)上式表明，變壓器的變比等于原、副繞組的匝數(shù)比。當(dāng)變壓器空載運(yùn)行時，由于比。當(dāng)變壓器空載運(yùn)行

16、時，由于U U1 1EE1 1 ，U U2020E E2 2，故可近似地用空載運(yùn)行時原、副方的電壓比來故可近似地用空載運(yùn)行時原、副方的電壓比來作為變壓器的變比，即作為變壓器的變比，即k21212144.444.4NNfNfNkmmEE112 02NNUUkUU（三）空載電流：（三）空載電流：變壓器空載運(yùn)行時原繞組中的電流變壓器空載運(yùn)行時原繞組中的電流 主要用來產(chǎn)生主要用來產(chǎn)生磁場，又稱為勵磁電流，分析它的波形：磁場，又稱為勵磁電流，分析它的波形：1）當(dāng)不考慮鐵心損耗時，勵磁電流是純磁化電流當(dāng)不考慮鐵心損耗時，勵磁電流是純磁化電流，用，用 來表示。由于磁路有飽和現(xiàn)象，磁化電流來表示。由于磁路有飽

17、和現(xiàn)象，磁化電流 與產(chǎn)生它的磁通與產(chǎn)生它的磁通之間的關(guān)系是非線性的。之間的關(guān)系是非線性的。當(dāng)磁通當(dāng)磁通按正弦規(guī)律變化時，勵磁電流為尖頂波按正弦規(guī)律變化時，勵磁電流為尖頂波。0iiii0i0i0只考慮飽和時的勵磁電流ti0i0i0考慮磁滯回線時的勵磁電流i勵磁電流可分解為兩個分量：勵磁電流可分解為兩個分量：（1）與）與 同相的磁化電流同相的磁化電流（2）引前）引前 900有功分量有功分量IFeI tiFe 從上圖中，可以看出磁化電流從上圖中，可以看出磁化電流 與磁通與磁通 是是同相位的。同相位的。 2 2）當(dāng)考慮鐵心損耗時，勵磁電流）當(dāng)考慮鐵心損耗時，勵磁電流 0 0中還必須包中還必須包含鐵耗分

18、量，即含鐵耗分量，即這時勵磁電流這時勵磁電流 將超前磁通一相位角將超前磁通一相位角i iIFe0FeI I I 220FeIIII00IFeII m 根據(jù)對根據(jù)對正方向的規(guī)定正方向的規(guī)定，得到空載時電動勢平衡方程式：，得到空載時電動勢平衡方程式： 將漏感電動勢寫成壓降的形式將漏感電動勢寫成壓降的形式：10111RIEEU01011IIEjxLj四、空載運(yùn)行時的電動勢平衡方程式、向量圖和等效電路)90sin(2cos0111111tEtNdtdNem1110 1ueei r 式中 Z1=R1+ 1原繞組的漏阻抗。對于電力變壓器，空載時原繞組的漏阻抗壓降I0Z1很小，其數(shù)值不超過U1的0.2%，將

19、I0Z1忽略，則上式變成：在副方，由于電流為零，則副方的感應(yīng)電動勢等于副方的空載電壓，即： 111010011IERjxI ZIUE jx11EU220EU空載時的相量圖空載時的相量圖: : 已知已知111010011ErjxI ZIIUE 1E1EIFeI0I10rI10 xI j1U0空載時的相量圖和等效電路空載時的相量圖和等效電路 考慮鐵耗（磁滯、渦流），考慮鐵耗（磁滯、渦流），激磁電激磁電流不再與主磁通同相，流不再與主磁通同相，而是引前一而是引前一個磁滯角。個磁滯角。如果如果用電路參數(shù)來表示用電路參數(shù)來表示1E 10mEI Z 而變壓器空載時從而變壓器空載時從原側(cè)看進(jìn)去原側(cè)看進(jìn)去的等效

20、阻抗的等效阻抗Z Z0 0為為式中式中：稱為變壓器的勵磁阻抗。稱為變壓器的勵磁阻抗。 這樣這樣, ,變壓器原方的電動勢方程可寫成變壓器原方的電動勢方程可寫成 .11011.00mUEZZZZII 10mmmEZrjxI )(101011ZZIZIEmU變壓器等值電路等值電路綜合了空載時變壓器內(nèi)部的物理情況，等值電路綜合了空載時變壓器內(nèi)部的物理情況，在等值電路中在等值電路中r1、x1是常量；是常量；rm、xm是變量，是變量，它們隨它們隨鐵心磁路飽和程度的增加而減少。鐵心磁路飽和程度的增加而減少。電壓方程：電壓方程：0I0I1U1Emrmxmrmx1x1r1E1011()mmIrjxrjxU （1

21、）r1為原繞組的電阻；為原繞組的電阻；x1是原繞組的漏電抗，與匝數(shù)和幾何是原繞組的漏電抗，與匝數(shù)和幾何尺寸有關(guān)，表征漏磁通對電流的電磁效應(yīng)。尺寸有關(guān)，表征漏磁通對電流的電磁效應(yīng)。 （2）rm：變壓器的勵磁電阻，反映鐵耗：變壓器的勵磁電阻，反映鐵耗：Zm：變壓器的勵磁阻抗。：變壓器的勵磁阻抗。xm:變壓器的勵磁電抗，反映勵磁過程變壓器的勵磁電抗，反映勵磁過程（3）主磁通大小，）主磁通大小，取決于電網(wǎng)電壓、頻率和匝數(shù)。取決于電網(wǎng)電壓、頻率和匝數(shù)。101EjI x 20FempI r 等值電路參數(shù)10mEZI 22mmmxZr114.44mUfN 根據(jù)對根據(jù)對正方向的規(guī)定正方向的規(guī)定，得到空載時電動

22、勢平衡方，得到空載時電動勢平衡方程式：程式： 將漏感電動勢寫成壓降的形式將漏感電動勢寫成壓降的形式：10111RIEEU01011IIEjxLj四、電動勢平衡方程式、等效電路及相量圖電動勢平衡方程式、等效電路及相量圖)90sin(2cos0111111tEtNdtdNem1110 1ueei r 第三節(jié)第三節(jié)單相變壓器的負(fù)載運(yùn)行單相變壓器的負(fù)載運(yùn)行 在前面我們通過分析了解了變壓器的空載運(yùn)行在前面我們通過分析了解了變壓器的空載運(yùn)行情況，當(dāng)變壓器原方接入交流電源，副方接上情況，當(dāng)變壓器原方接入交流電源，副方接上負(fù)載時的運(yùn)行方式稱為變壓器的負(fù)載運(yùn)行。負(fù)載時的運(yùn)行方式稱為變壓器的負(fù)載運(yùn)行。 一、負(fù)載運(yùn)

23、行時的電磁情況：一、負(fù)載運(yùn)行時的電磁情況： 如圖所示如圖所示一、負(fù)載運(yùn)行時的物理情況1U22rI2E22XI j22E1Em100NIFF2I111INF1I222INF11rI 111XIj1E二、負(fù)載運(yùn)行時磁動勢平衡方程式 空載和負(fù)載時電壓不變，感應(yīng)電勢E1也不變，所以主磁通不變。即：負(fù)載時磁路總磁動勢空載磁動勢負(fù)載運(yùn)行時的磁動勢平衡方程式可寫為：負(fù)載運(yùn)行時的磁動勢平衡方程式可寫為：抵消二次側(cè)的磁動勢總磁勢不變021FFF012211INININ220111INININ 由于原、副繞組的匝數(shù)，原、副繞組的感應(yīng)電動勢12，變壓器原邊和副邊沒有直接電路的聯(lián)系，只有磁路的聯(lián)系。副邊的負(fù)載通過磁勢

24、影響原邊。 因此只要副邊的磁勢不變， 可保證原邊的物理量不變。 常用一假想的繞組來代替副邊繞組，使之成為變比k=的變壓器，這樣就可以把原、副繞組聯(lián)成一個等效電路，從而大大簡化變壓器的分析計算。這種方法稱為繞組折算。折算后的量在原來的符號上加一個上標(biāo)號“”以示區(qū)別。三、變壓器參數(shù)的折算 折算的本質(zhì)：只要保持副方的磁動勢不變，則變壓器只要保持副方的磁動勢不變，則變壓器內(nèi)部電磁關(guān)系的本質(zhì)就不會改變。內(nèi)部電磁關(guān)系的本質(zhì)就不會改變。即折算前后副方對整個即折算前后副方對整個回路的電磁關(guān)系的影響關(guān)系不能發(fā)生變化！回路的電磁關(guān)系的影響關(guān)系不能發(fā)生變化！副方各量折算方法如下：1）副方電流的折算值 : 2I由副邊

25、向原邊折算 保持折算前后 不變，則 2F折算后磁勢折算前磁勢kIINNI221222221ININkIINNI221222）付方電動勢的折算值： 由于折算前后主磁通和漏磁通均未改變，根據(jù)電動勢與匝數(shù)成正比的關(guān)系可得mmNfjENfjE21211244. 444. 4kNNEE2122同理，kNNEE212222122EkEEEkE3）付方漏阻抗的折算值：根據(jù)折算前后副繞組的銅損耗不變的原則：2222222()Irrk rI222222222222222()()Ixxk xIZrjxkrjxk Z由折算前后付方漏磁通無功損耗不變:所以，漏阻抗的折算值為：4）副邊電壓的折算值22222222222

26、2)(1UkZIEkZkIkEkZIEU5）副邊阻抗的折算值LLZkIUkIkUkIUZ222222221銅耗：有功輸出：無功輸出：222222rmIrmI222222222coscos1cosImUIkmkUImU222222222sinsin1sinImUIkmkUImU11112222102102212mLUEI ZUEI ZIIIEI ZUI ZEE 基本方程式四、負(fù)載運(yùn)行時的基本方程式、等效電路和相量圖（1）T型等效電路1210221211211()11mLmLmLEEIIIZZZEZZZIEZZZ 11112111eqmLUIZI ZZZZ 2r1I1U1x1r1ELZ2x2I2E

27、2U1I2r1I1U1x1rLZ2x21EE2U0I2Imrmx T型等效電路：型等效電路： 相量圖11112222120121022mLUEI ZUEI ZIIIEEEI ZUI Z （2）型等值電路與簡化等值電路實(shí)際變壓器中，I1N I0，負(fù)載變化時 變化不大。則將T型等效電路中的勵磁支路移出，并聯(lián)在電源端口,得到型等值電路。1 mZZ2r1I1U1x1rLZ2x2U0I2Imrmx簡化的等值電路負(fù)載運(yùn)行時， I0在I1N中所占的比例很小。在工程實(shí)際計算中，忽略I0，將激磁回路去掉， 得到更簡單的阻抗串聯(lián)電路。 2r1I1U1x1rLZ2x2U0I2ImrmxkkkkkjxrZxkxxxx

28、rkrrrr2212122121rk稱為短路電阻；xk稱為短路電抗；Zk為短路阻抗?？蛰d運(yùn)行時， 不能用簡化的等值電路。12II 1ULZ2Ukxkr感性負(fù)載和容性負(fù)載的簡化相量圖21II2UkrI1kxI j11U2UkrI1kxI j11U變壓器接感性負(fù)載， 負(fù)載阻抗由電阻和電感組成。 滯后；接容性負(fù)載， 負(fù)載阻抗由電阻和電容組成， 超前。 21cos22cos12II 1ULZ2Ukxkr 一、 三相變壓器的磁路系統(tǒng) 三相變壓器的磁路系統(tǒng)可分為各相磁路獨(dú)立和各相磁路相關(guān)兩大類。 磁路獨(dú)立的三相變壓器組或稱三相組式變壓器:1W2Ww1V2Vv1U2Uu第四節(jié) 三相變壓器 各相磁路相關(guān)的三鐵

29、心柱變壓器：0WVU中間鐵心柱的主磁通為三相主磁通的總和可以省去鐵心柱。 為結(jié)構(gòu)簡單，將三個鐵芯柱排在一個平面磁路長短不一， 勵磁電流占很小比例， 影響不大。 各相磁通之間是相互聯(lián)系的，三相對稱時三相磁通也對稱，即： 00sinsin(120 )sin(240 )umvmwmttt.0uvw中間鐵心柱沒有磁通：將三個鐵芯柱排在一個平面作成圖b.c二、三相變壓器繞組的聯(lián)接二、三相變壓器繞組的聯(lián)接 繞組的端點(diǎn)標(biāo)志與極性： 首先，我們來了解一下變壓器出線端的標(biāo)志符號：繞組名繞組名 單相變壓器單相變壓器三相變壓器三相變壓器首首端端末末端端首首端端末末端端中中點(diǎn)點(diǎn)高壓繞組高壓繞組U1U2U1V1W1U2

30、V2W2N低壓繞組低壓繞組u1u2u1v1w1u2v2w2n（1）三相繞組的聯(lián)結(jié)法：對于三相變壓器，不論是高壓繞組還是低壓繞組， 我國主要采用星形連接（Y連接）和三角形連接（D連接）曲折聯(lián)結(jié)（Z聯(lián)結(jié)）三種。有中性點(diǎn)時用YN、ZN表示。 星形連接方式：以高壓繞組為例，把三相繞組的個末端U2V2W2連在一起，結(jié)成中點(diǎn)，而把它們的三個首端U1、V1、W1引出，便是星形連接，以符號Y表示。 三角形連接方式：如果把一相的末端和另一相首端連接起來，順序形成一閉合電路，稱為三角形連接，用D表示。 注意：相應(yīng)的是對于低壓側(cè)而言，用 y,d表示。 連接組別：反映三相變壓器連接方式及一、二次線電壓（或線電動勢）的

31、相位關(guān)系。三相變壓器的連接組別不僅與繞組的繞向和首末端標(biāo)志有關(guān)，而且還與三相繞組的連接方式有關(guān)。理論和實(shí)踐證明，無論采用怎樣的連接方式，一、二次側(cè)線電壓（電動勢）的相位差總是300的整數(shù)倍。因此可以采用時鐘表示法 作為時鐘的分針，指向12點(diǎn)， 作為時鐘的時針，其指向的數(shù)字就是三相變壓器的組別號。組別號的數(shù)字乘以300，就是二次繞組的線電動勢滯后于一次側(cè)電動勢的相位角。（2）三相變壓器聯(lián)結(jié)組UVUuvUuvU同名端在對應(yīng)端，對應(yīng)的相電動勢同相位，線電壓 和 也同相位，聯(lián)結(jié)組別為Y，y0。1、Y，y連接UVUuvU 同名端在對應(yīng)端，對應(yīng)的相電壓同相位，線電壓 和 相差3300，連接組別為Y，d11

32、。2、Y，d連接uvUUVU 總之，對于Y，y（或D，d）連接，可以得到0、2、4、6、8、10等六個偶數(shù)組別；而Y，d（或D，y）連接，可以得到1、3、5、7、9、11等六個奇數(shù)組別。 變壓器的連接組別很多，為了便于制造和并聯(lián)運(yùn)行，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，Y，yn0、Y，d11、YN，d11、YN，y0和Y，y0連接組為三相雙繞組電力變壓器的標(biāo)準(zhǔn)連接組別。 其中前三種最為常用：Y,yn0 連接的二次繞組可以引出中線，成為三相四線制，用作配電變壓器時可兼供動力和照明負(fù)載。Y,d11連接用于低壓側(cè)電壓超過400V的線路中。YN,d11連接主要用于高壓輸電線路中，使電力系統(tǒng)的高壓側(cè)可以接地。 i0中有無i0

33、3 ，看電路連接中有無i03通路，Y連接中，無i03通路， i0為正弦波；YN或D連接， i03可以在繞組中流過， i0為尖頂波。 對三相變壓器，由于繞組的連接方式不同，i0 中可能無i03 ，使和e1為非正弦波同樣可分解為基波和三次諧波（忽略其它高效次諧波） 。 中有無3 ，看磁路結(jié)構(gòu)，三相組式變壓器， 3可以在鐵心中流過， 為平頂波；三相心式變壓器， 3不能在鐵心中流過，只能借助油和油箱壁等形成回路，磁路磁阻很大， 3很小， 基本為正弦波。3、繞組接法對和磁路系統(tǒng)對二次側(cè)電壓波形的影響（一）Y，y聯(lián)結(jié)的三相變壓器一次側(cè)Y接線，i03=0，i0為正弦波，磁通應(yīng)為平頂波。（2）對三相心式變壓器

34、，3不能在鐵心中流過，只能借助油和油箱壁等形成回路，磁路磁阻很大， 3很小， 基本為正弦波，感應(yīng)電動勢 e 也基本為正弦波 。但通過油箱壁時將產(chǎn)生渦流損耗，造成局部過熱，降低變壓器的效率，因此，容量大于1800kVA時，不宜采用心式Y(jié)，y連接。（1）對三相組式變壓器，3可以在鐵心中存在，所以為平頂波，感應(yīng)電動勢e 為尖頂波，其中的三次諧波幅值可達(dá)基波幅值的45%60%，使相電動勢的最大值升高很多，可能擊穿繞組絕緣，因此，三相組式變壓器不采用Y，y連接。（二）Y，d聯(lián)結(jié)的三相變壓器一次繞組Y連接， i03=0， i0為正弦波，應(yīng)為平頂波，其中的3在二次繞組中感應(yīng)電動勢e23，并在D內(nèi)產(chǎn)生i23。

35、 i23建立的磁通23大大削弱3的作用，因此合成磁通和電動勢均接近正弦波。第五節(jié) 等效參數(shù)的測定 變壓器等效電路中的各種電阻、電抗或阻抗如Rk、xk、rm、xm等稱為變壓器的參數(shù)，它們對變壓器運(yùn)行能有直接的影響。所以，我們有必要看一下各種參數(shù)是如何測定得通過實(shí)驗的方法。一、空載實(shí)驗： 試驗?zāi)康?測定變壓器的空載電流I0、變比k、 空載損耗p0及勵磁阻抗Zm=rm+jxm。 空載試驗接線：如圖所示 注意：為了便于測量和安全起見，通常在低壓側(cè)加電壓，將高壓側(cè)開路。實(shí)驗過程：外加電壓從額定電壓開始在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)實(shí)驗?zāi)康模涸陔妷鹤兓倪^程中，記錄相應(yīng)的空載電流，空載損耗，作出相應(yīng)的曲線，找出當(dāng)電

36、壓為額定時相對應(yīng)的空載電流和空載損耗，作為計算勵磁參數(shù)得依據(jù)。 結(jié)論：在空載情況下，我們可以從前面所學(xué)的空載等效電路圖中看出，空載時，Z0=Z1+Zm=（r1+j1）+（rm+jm）。）。 通常通常rmr1，m1，故可認(rèn)為，故可認(rèn)為Z0 Zm=rm+jm， 于是：于是： 測得相關(guān)勵磁參數(shù)。測得相關(guān)勵磁參數(shù)。 01IUZm200mrpI 22mmmxZr 注意：1.由于勵磁參數(shù)與磁路的飽和程度有關(guān)，故應(yīng)取額定電壓下的數(shù)據(jù)來計算勵磁參數(shù)。 2.對于三相變壓器，按上式計算時U1、I0、p0均為每相值。但測量給出的數(shù)據(jù)卻是線電壓、線電流和三相總功率， 3.此時的空載損耗p0為鐵耗.。 由于空載試驗是在

37、低壓側(cè)進(jìn)行的，故測得的激磁參數(shù)是折算至低壓側(cè)的數(shù)值。如果需要折算到高壓側(cè)，應(yīng)將上述參數(shù)乘2。這里是變壓器的變化，可通過空載試驗求出：12 0NUkU 二、短路實(shí)驗： 實(shí)驗過程：將變壓器的副邊直接短路，副邊的電壓等于零，稱為變壓器短路運(yùn)行方式。 實(shí)驗方法：為便于測量，通常在高壓側(cè)加電壓，將低壓側(cè)短路。短路試驗將在降低電壓下進(jìn)行，使Ik不超過1.2I1N。 實(shí)驗?zāi)康模涸诓煌碾妷合聹y出短路特性曲線Ik=f(Uk)、pk=f（Uk），如圖所示，根據(jù)額定電流時的pk、Uk值，可以計算出變壓器的短路參數(shù)。 Xk = 注意：1.短路時，從短路的等效電路圖可以看出，此時的短路損耗以銅耗為主 2.因電阻會隨著

38、溫度發(fā)生變化，所以，我們的所得值要換算到標(biāo)準(zhǔn)工作溫度下75度： rk75 =rk （對銅導(dǎo)線而言） NkkIUZIU1212NkkkkIpIprrZ225 .234755 .234 rk75= rk （對鋁線 ） 所以，相應(yīng)的 Zk75= 短路損耗和短路電壓也應(yīng)換算到750C的值 pkN= rk75 UkN=I1N Zk75 對于三相變壓器，按上式計算時pk、Ik、Uk均為一相的數(shù)值。2287522802275Cxr IN21對標(biāo)幺值的認(rèn)識 （1）標(biāo)么值是兩個具有相同單位的物理量（實(shí)際值和選定的固定值）之比， 沒有量綱。 （2）選定基值時， 對于電路計算U、I、Z和S中， 兩個量的基值是任意選

39、定， 其余兩個量的基值根據(jù)電路的基本定律計算。 （3）功率的基值是指視在功率的基值， 同時也是有功和無功功率的基值。 阻抗基值也是電阻和電抗的基值。 （4）計算單臺變壓器時， 通常以變壓器的額定值作為基值。第六節(jié) 變壓器的標(biāo)幺值標(biāo)么值的優(yōu)點(diǎn)（1）不論變壓器的容量大小， 標(biāo)么值表示的各參數(shù)和典型的性能數(shù)據(jù)， 通常都在一定的范圍， 便于比較和分析； 如 %52 %;103*0*IZk（2）用標(biāo)么值表示，歸算到原邊和副邊的變壓器參數(shù)恒相等。 換言之，用標(biāo)么值計算時不需要折算。*21212222222*2/rUrIkUrkkIUrIrNNNNNN（3）某些物理量的標(biāo)么值具有相同的數(shù)值， 簡化計算*11

40、1N*kNkNkNkkUUUUZIZZZ（4）可通過標(biāo)么值判斷運(yùn)行情況。 6 . 0 ; 0 . 1*1*1II第七節(jié) 變壓器的運(yùn)行特性一、外特性與 電壓調(diào)整率222(0)(0) ,;(0) ,4-17UU當(dāng)變壓器帶阻性負(fù)載和阻感性負(fù)載時為正值這時二次端電壓比空載時低帶阻容性負(fù)載時可能為正也可能為負(fù)值.見圖IUUNIN1cos8 .0cos（超前）8 .0cos（落后）1.外特性 變壓器的原、副邊繞組都具有漏阻抗，負(fù)載電流流過漏阻抗， 在變壓器內(nèi)部就引起電壓降落。 變化曲線即為變壓器的外特性曲線。 當(dāng)原繞組外施電壓和負(fù)載性質(zhì)不變時， 副邊端電壓隨負(fù)載電流變化的規(guī)律。 U2f（I2）I2U2UN

41、IN8 . 0cos%100%1001212220NNNUUUUUUU用標(biāo)么值表示：*21 UU2.電壓調(diào)整率電壓變化率是指一次側(cè)加50Hz額定電壓、二次空載電壓與帶負(fù)載后在某功率因數(shù)下的二次電壓之差，與二次額定電壓的比值，即 電壓變化率是表征變壓器運(yùn)行性能的重要指標(biāo)之一,它大小反映了供電電壓的穩(wěn)定性。用相量圖可以推導(dǎo)出電壓變化率的表達(dá)式：用簡化相量圖求Ukr1ULZkx1I2U1NUoBACEFD22212221212cossincossinNkkUUOAOCODOCCDCFFDCFBEBCABI rI x1 kI r1kjI xOAOD可以用簡化相量圖求Ukr1ULZkx1112NkkUI

42、 rjI xU1I2U1NUoBACEFD2221 kI r1kjI x121122111100%cossin100%NN kNkNNNUUIrIxUUUU用標(biāo)么值表示：*22cossinkkUrx當(dāng)I1I1N121122111100%cossinNN kNkNNNUUIrIxUUUU由參數(shù)表達(dá)的電壓變化率可以看出：（1）感性負(fù)載時， 20，U為正；容性負(fù)載， 20，U可正可負(fù)。實(shí)際運(yùn)行中一般是感性負(fù)載， 端電壓下降58%。（2）如果不在額定負(fù)載時運(yùn)行， 定義負(fù)載系數(shù) *22(cossin)kkUrx11 NII二、變壓器的效率與效率特性變壓器效率的大小與負(fù)載、功率因數(shù)及變壓器本身參數(shù)有關(guān)。效

43、率是指變壓器的輸出功率與輸入功率的比值。%10012PP變壓器的損耗 變壓器的損耗主要是鐵損耗和銅損耗兩種。 鐵損耗包括基本鐵損耗和附加鐵損耗?；捐F損耗為磁滯損耗和渦流損耗。附加損耗包括由鐵心疊片間絕緣損傷引起的局部渦流損耗、主磁通在結(jié)構(gòu)部件中引起的渦流損耗等。 鐵損耗與外加電壓大小有關(guān)，而與負(fù)載大小基本無關(guān)，故也稱為不變損耗。 銅損耗也分基本銅損耗和附加銅損耗?；俱~損耗是在電流在一、二次繞組直流電阻上的損耗；附加損耗包括因集膚效應(yīng)引起的損耗以及漏磁場在結(jié)構(gòu)部件中引起的渦流損耗等。 銅損耗大小與負(fù)載電流平方成正比，故也稱為可變損耗。121121FeCuFeCuFeCuPppppPPPPpp

44、0Fepp在額定電壓下測得的空載損耗主要是鐵損：21CukpI r短路實(shí)驗電流額定：21kNN kpIr在任意負(fù)載下：22211NkkNCukpI rIrp（） 2222222222UUcosNNNNIPI COSICOSSI20220(1)100%coskNNkNppSpp應(yīng)用間接法計算電力變壓器效率，應(yīng)用間接法計算電力變壓器效率，又稱損耗分析法。又稱損耗分析法。其優(yōu)點(diǎn)在于無需給變壓器直接加負(fù)載，也無需運(yùn)用等其優(yōu)點(diǎn)在于無需給變壓器直接加負(fù)載，也無需運(yùn)用等效電路計算，效電路計算，只要進(jìn)行空載試驗和短路試驗，測出額只要進(jìn)行空載試驗和短路試驗，測出額定電壓時的空載損耗定電壓時的空載損耗p0和額定電

45、流時的短路損耗和額定電流時的短路損耗pkN就可以方便地計算出任意負(fù)載下的效率。就可以方便地計算出任意負(fù)載下的效率。不考慮變壓器副邊電壓的變化，即認(rèn)為不考慮變壓器副邊電壓的變化，即認(rèn)為U2=U2N不變：不變：當(dāng)原繞組外施電壓 和副繞組的負(fù)載功率因數(shù)不變時， 變壓器效率隨負(fù)載電流變化的規(guī)律。 f(I2) 或=f(),稱為變壓器的效率特性。.0max 即當(dāng)銅損耗等于鐵損耗(可變損耗等于不變損耗)時,變壓器效率最大：:, 0率的條件則有變壓器產(chǎn)生最大效令dd2k0mNPP或0kmNPP%100)2cos21 (020maxPSPNm為了提高變壓器的運(yùn)行效益，設(shè)計時應(yīng)使變壓器的鐵損耗小些第八節(jié)、變壓器的并聯(lián)運(yùn)行一、并聯(lián)運(yùn)行的理想條件并聯(lián)運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)： 并聯(lián)運(yùn)行是指將幾臺變壓器的一、二次繞組分別接在一、二次側(cè)的公共母線上，共同向負(fù)載供電的運(yùn)行方式。并聯(lián)運(yùn)行的理想情況是：1、空載時各變壓器繞組之間無環(huán)流；2、負(fù)載后，各變壓器的負(fù)載系數(shù)相等；3、負(fù)載后，各變壓器的負(fù)載電流與總的負(fù)載電流同相位。1、提高供電的可靠性；2、提高供電的經(jīng)濟(jì)性。 為了達(dá)到上述理想運(yùn)行情況，并聯(lián)運(yùn)行的變壓器需滿足以下條件：1、各變壓器一、二次側(cè)的額定電壓分別相等，即變比相同；2、各變壓器的連接組別相同； 3、各變壓器的短路阻抗（短路電壓）的標(biāo)么值相等