变压器运行特性分析

题        目： 变压器运行特性分析计算                         

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课程设计成绩评定表

一、设计题目

变压器运行特性分析与计算

二、设计任务

给定单相变压器：Sn=100kVA，U1n/U2n=380/220V，r1=0.14Ω，r2=0.035Ω，x1=0.22Ω，x2=0.055Ω，rm=30Ω，r2=310Ω，副边负载阻抗Zl=4+3j。完成变压器空载，变压器负载运行，变压器副边突然短路时的分析与计算。

三、设计计划

第1天, 查资料；

第2天, 熟悉题目；

第3天, 方案分析； 

第4天, 具体按步骤进行设计及整理设计说明书；

第5天, 准备答辩；

四、设计要求

指导教师： 

教研室主任： 

变压器在我们的生活中无处不在，为了适应不同的使用目的和工作条件，现实生活中有很多种类型的变压器，常用的变压器有：电力变压器、特殊用途的电源变压器、测量用变压器、控制变压器，且这些类型的变压器在结构和性能上的差别也很大。虽然这些变压器有所不同，但是它们的基本原理是相同的。本设计通过对变压器的变换关系即电压变换、电流变换、阻抗变换，分析研究出变压器运行时的基本方程式，并通过相应的折算得出变压器的等值电路，从而完成对变压器空载，变压器负载运行，变压器空载合闸，变压器副边突然短路时的分析与计算。为了简化计算、减少计算量，本设计在相应的计算上使用MATLAB软件进行辅助。通过本设计的研究计算能对变压器的分析和计算方法有初步的了解，对变压器出现空载、负载运行、空载合闸、副边突然短路时的电压、电流变化有准确的认识。

关键词：变压器；基本方程式；折算；等值电路；MATLAB计算

目录

1 变压器结构及其组成部分………………………………………1

1.1变压器的基本结构 ……………………………………………1

1.1.1铁芯……………………………………………………………1

1.1.2绕组……………………………………………………………1

1.1.3油箱和冷却装置……………………………………………2

1.1.4绝缘套管 ……………………………………………………2

1.1.5其他构件 ……………………………………………………2

1.2变压器的额定值………………………………………………2

2变压器的变换关系………………………………………………4

2.1电压变换 ………………………………………………………4

2.2电流变换 ………………………………………………………4

2.3阻抗变换 ………………………………………………………5

3变压器等值电路及其折算关系………………………………6

4变压器空载时的分析与计算 …………………………………8

5变压器负载运行时的分析与计算 ……………………………9

6变压器副边突然短路时分析计算……………………………10

7结论…………………………………………………………………11

8心得体会 …………………………………………………………12

参考文献 ……………………………………………………………13

1 变压器结构及其组成部分

1.1 变压器的基本结构

电力变压器主要由铁芯、绕组、变压器油、油箱、绝缘套管组成组成。铁芯和绕组是变压器的主要部分，二者装配到一起称为变压器的器身。图1-1为油浸式变压内部结构示意图。

                         图1-1  油浸式变压内部结构示意图

1.1.1 铁芯

 铁芯是变压器的主磁路，又是变压器器身的骨架。铁芯由铁芯柱、铁轭和夹件组成。变压器铁芯可以分为心式铁芯和壳式铁芯两大类，为了提高磁路的导磁性能和降低铁芯的磁滞及涡流损耗，铁芯通常用厚0.35mm或0.5mm且表面涂有绝缘漆的硅钢片叠制而成。为了保证良好的导磁性能，减少励磁电流，通常是把铁芯柱和铁轭的硅钢片一层层的交错重叠。

1.1.2 绕组

绕组是变压器的电路部分，通常是用包有绝缘的铝导线或铜导线绕制而成。根据高、低压绕组在铁芯柱上排列方式的不同，变压器绕组可以分为同芯式和交叠式两种。通信式的高、低压绕组同心地套装在铁芯柱上。交叠式绕组交替套在铁芯柱上。这种绕组高、低压之间的间隙较多，绝缘比较复杂，但是漏电抗小，引线方便，机械强度好，主要用在电炉和电焊等特种变压器中。如图1-2。

1.1.3 油箱和冷却装置

    油浸式变压器的器身放置在充满变压器油的油箱内。变压器油是从石油中分馏出来的一种矿物油，起绝缘和冷却的作用。油箱的结构与变压器的容量有关。变压器的容量越大，发热问题就越严重。

1.1.4 绝缘套管

变压器的引线从油箱内穿过油箱盖时，必须进过绝缘套管，以使带电的引线和接地的油箱绝缘。绝缘套管由中心套杆和瓷套俩部分组成。导杆下端经过分接开关与绕组端子连接，上端与外电路连接。

图1-2  电力变压器绝缘套管

1.1.5 其他构件

电力变压器除了上述几种基本结构外，还有储油柜、气体继电器、分接开关、测温装置、安全气道、油表等。

1.2 变压器的额定值

额定电压U1N/U2N（kV或V）。指变压器长期运行时的所能承受的额定电压。一次侧的额定电压U1N是指规定加到原绕组的电压；二次侧的额定电压U2N是指当原绕组上加额定电压时，副边绕组空载时的开路电压。对于三相变压器指的均是线电压。

额定电流I1N/I2N（kA或A）。指变压器在额订容量下，各绕组长期运行时允许通过的电流。

额定容量SN（KVA或VA）。它是变压器在额定工作条件下输出能力的保证值，是变压器的视在功率。

单相变压器的额定容量为

三相变压器的额定容量为

额定频率fN。我国规定标准的工业用电频率为50Hz。

2变压器的变换关系

变压器是利用电磁感应原理将某一电压的交流换成频率相同的另一电压的交流电的能量的变换装备。

变压器的主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组，如图2-1所示。一个绕组接电源，称为原绕组（一次绕组、初级），另一个接负载，称为副绕组（二次绕组、次级）。当交流变压器U1加到一次侧绕组，同时也穿过二次侧绕组，它分别在两个绕组中产生感应电动势。这时如果二次侧与外电路的负载接通，便有交流I2流出，负载端电压即为U2。原绕组各量用下标1表示，副绕组各量用下标2表示。原绕组匝数为N1，副绕组匝数为N2。

图2-1 变压器工作原理图

2.1 电压变换

                                         （2.1.1）

                    （2.1.2）

               （2.1.3）

在忽略和的情况下，，，故变压器的变比还可以近似地认为等于变压器一、二次绕组的电压比，即

                       （2.1.4）

只要适当选择一二次绕组的匝数比，就可以把一次绕组的电压变换到所需的二次绕组电压。

2.2 电流变换

当外加电压和其频率一定时，主磁通基本保持不变，因此有变压器负载运行时的磁势平衡方程式：

                                    （2.1.5）

通过相应的化简和等效可得一、二次电流有效值之比为

                                                     （2.1.6）

这就是变压器实现电流变换的原理。

2.3 阻抗变换

变压器除了具有电压和电流的变换作用之外，还有阻抗的变换作用。

         （2.1.7）

由此可见，负载经过变压器后，其阻抗模相对于电源而言增加了绕组你匝比的平方倍。

3 变压器等值电路及其折算关系

通过计算可以得出变压器的二次侧折算到一次侧后二次侧参数会发生改变，折算后二次侧的阻抗为原来的k方倍，二次侧的感应电动势为原来的k倍，二次侧负载上的电压为原来的k，二次侧电流变为原来的1/k倍。并且可以得到图3-1变压器的“T”形等值电路。

图3-1  变压器的“T”形等值电路

     在实际应用中励磁电流很小，因此在一次绕组阻抗上产生的压降很小，故可以忽略，这样便可以将“T”形等值电路中的励磁支路从中间移出来，并联在电压源的端点上形成“Γ”形等值电路。

图3-2  变压器的Γ形等值电路

    变压器负载运行时I1>>Im，可以把励磁电流忽略不计，于是将励磁支路去掉就可以得到简化等值电路。

图3-3  变压器的简化等值电路

其中为短路电阻；Xk为短路电抗；Zk为短路阻抗。

由此可见使用等值电路来计算单相变压器的参数带来了很大的方便。

4 变压器空载时的分析与计算

当在变压器一次侧加额定电压380V时，二次侧开路，即ZL为无穷大，根据变压器的“T”形等效电路，可得此时电路的方程式：

通过MATLAB软件算出上述参数的具体值：

通过计算可得，当二次侧开路时，二次侧电压几乎等于一次侧电压，励磁电流即为一次侧的电流，且励磁电流也很小，几乎为0。

5 变压器负载运行时的分析与计算

    由于U1N/U2N=380V/220V，所以可以算出该电压器的变比k=1.727。

    将二次侧的数值折算到一次侧时，电压、电流、阻抗的变换关系：

                          ； 

                          ；

    其中：

                      =4+3j； =0.035+0.055j

给变压器两侧加上380V电压，让变压器带负载运行时，且负载阻值ZL=4+3j时，根据变压器的“T”形等效电路，可以得出下列方程式：

其中：U1=380V 

通过MATLAB软件算出上述参数的具体值：

通过上述具体值可以得出，该变压器在额定输入电压下带负载ZL=4+3j时，一次侧电流较小，且负载上的实际电压方向与假定的方向相反，实际电流方向与假定的电流方向相同，励磁电流等于一次侧和二次侧的电流之和。

6 变压器副边突然短路时分析与计算

    在第五小节中已经算出了电压器的的变比k=1.727，并且二次侧折算到一次侧后阻抗、电流、电压的变换关系都有了详细的介绍。

    当变压器带负载运行时，变压器副变突然短路时，即ZL’=0，根据“T”形等效电路可以得出下列方程式：

其中：U1=380V 

通过MATLAB软件算出上述参数的具体值：

    通过上述计算可得知：变压器在正常带负载运行时，若副变突然短路，则该变压器的励磁电流会略微减小，但是会瞬间产生一个很大的一次侧电流，从而产生很大的感应电动势，二次侧也会瞬间有一个较大的与参考方向相反的电流产生。

所以只要副边短路，对运行中的变压器都会造成很大的伤害。特别是当变压器的一次侧接在容量较大的电网上时，如果保护设备不切断电源，副边短路一次侧仍能继续送电，这种情况下如不立即排除短路故障或切断电源，变压器将很快被烧毁。这是因为当变压器副边短路时，将产生一个高于额定电流20～30倍的短路电流。根据磁势平衡式可知，副边电流是与原边电流反相的，副边电流对原边电流产生的主磁通起去磁作用，由于电磁的惯性原理，一次侧要保持主磁通不变，必然产生一个很大的电流来抵消副边短路的去磁作用，这样二种因素的大电流汇集在一起作用在变压器的铁芯和线圈上，在变压器中将产生一个很大的作用力。这个力作用在线圈上，可以使变压器线圈发生严重的畸变和崩裂，另外产生出允许温升几倍的温度，致使变压器在很短时间内烧毁。

7 结论

本设计基于给定的单相变压器：Sn=100kVA，U1n/U2n=380/220V，r1=0.14Ω，r2=0.035Ω，x1=0.22Ω，x2=0.055Ω，rm=30Ω，r2=310Ω，副边负载阻抗Zl=4+3j。完成了当变压器空载，变压器负载运行，变压器副边突然短路时的分析与计算。

变压器在空载运行时二次侧电压几乎等于一次侧电压，励磁电流即为一次侧的电流， i2=0，且励磁电流也很小，几乎为0 。故变压器空载时，铁芯中的主磁通是由空载电流产生的磁势建立的。

当变压器带给定的负载时，一次侧电流较小，且负载上的实际电压方向与假定的方向相反，实际电流方向与假定的电流方向相同，励磁电流等于一次侧和二次侧的电流之和。

    变压器在正常带负载运行时，若副变突然短路，则该变压器的励磁电流会略微减小，但是会瞬间产生一个很大的一次侧电流，从而产生很大的感应电动势，二次侧也会瞬间有一个较大的与参考方向相反的电流产生。 所以只要副边短路，对运行中的变压器都会造成很大的伤害。特别是当变压器的一次侧接在容量较大的电网上时，如果保护设备不切断电源，副边短路一次侧仍能继续送电，这种情况下如不立即排除短路故障或切断电源，变压器将很快被烧毁。

8 心得体会

通过将近一周的课程设计，使我基本掌握了单相变压器的分析方法。同时对于变压器空载、变压器正常带负载，以及变压器副边短路时变压器各项指标的变化有了初步的认知和了解。对于变压器副边短路的危害有了深刻的体会，提高了自己安全生产的认识。同时我学会了使用MATLAB软件，对其中的一些原件有了一些初步的掌握，对其基本性能也有所了解，能够编写一些简单的语句。

　　回顾本次课程设计的过程，我以教材为主线，按照规定的程序进行，针对的变压器各个组成部分的特点，进行拓整合和拓展，调查和学习相关资料。最终确定分析方法，完成对变压器三中状态时的分析和设计。

　　我认为这是一次非常有意义的实践活动，它锻炼了我的思维能力，同时也培养了我与人沟通的能力和协调组织的能力，培养了我自主学习的能力。我们在课堂上学习的仅仅是理论知识，而课程设计是的面对现实，让我们将所学理论知识运用到实践中。在课程设计的过程中，我查阅了很多次设计书和指导书。为了让自己的设计更加完善，更加符合工程标准，我们必须一次又一次的查阅资料。所以课程设计让我们养成了严谨的治学态度，同时让我们更加明白，工程设计一定要符合实际。在做设计的过程中我发现许多知识已经遗忘了，所以我们应该边学边用，时刻巩固所学知识。同时还应该学会活学活用，学以致用，努力提高自己。

　　　由于个人的能力和设计的水平有限，设计内容难免会有错误的的地方，还望老师给予纠正。

参考文献

[1] 李晓竹．电机与拖动[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2009．

[2] 唐介.电机与拖动[M].北京：高等教育出版社，2007

[3] 周励志.实用电工手册[M].辽宁:科学技术出版社，2006

[4] 张植保.变压器原理与应用 [M].北京：化学工业出版社，2007

[5] 刘启新.电机与拖动基础[M].北京：中国电力出版社，2005

[6] 郑志同.电机实验[M].北京：机械工业出版社，2002