1、變壓器運行特性分析課程設計名稱：電機與拖動課程設計題 目：變壓器運行特性分析計算.專業: 班級: 姓 名:學號:課程設計成績評定表學期2011 - 2012學年第一學期姓名專業班級課程名稱電機與拖動論文題目評 疋 標 準評定指標分值得分知識創新性20理論正確性20內容難易性15結合實際性10知識掌握程度15書寫規范性10工作量10總成績100評語：任課教師時間年 月曰備注課程設計任務書一、設計題目變壓器運行特性分析與計算二、設計任務給定單相變壓器： &=100kVA，Uin/U2n=380/220V , ri=0.14 Q,2=0.035 Q, xi=0.22 Q, X2=0.055

2、Q, rm=30 Q, 2=310 Q,畐U邊負載阻抗 Zi=4+3j。完成變壓器空載，變壓 器負載運行，變壓器副邊突然短路時的分析與計算。三、設計計劃第1天,查資料；第2天,熟悉題目；第3天，方案分析；第4天，具體按步驟進行設計及整理設計說明書；第5天,準備答辯；四、設計要求指導教師：教研室主任：時 間：2013年6月20日摘要變壓器在我們的生活中無處不在，為了適應不同的使用目的和工作條件， 現實生活中有很多種類型的變壓器，常用的變壓器有：電力變壓器、特殊用途 的電源變壓器、測量用變壓器、控制變壓器，且這些類型的變壓器在結構和性 能上的差別也很大。雖然這些變壓器有所不同，但是它們的基本原理是

3、相同 的。本設計通過對變壓器的變換關系即電壓變換、電流變換、阻抗變換，分析 研究出變壓器運行時的基本方程式，并通過相應的折算得出變壓器的等值電 路，從而完成對變壓器空載，變壓器負載運行，變壓器空載合閘，變壓器副邊 突然短路時的分析與計算。為了簡化計算、減少計算量，本設計在相應的計算 上使用MATLAB件進行輔助。通過本設計的研究計算能對變壓器的分析和計算 方法有初步的了解，對變壓器出現空載、負載運行、空載合閘、副邊突然短路 時的電壓、電流變化有準確的認識。關鍵詞：變壓器；基本方程式；折算；等值電路；MATLA計算目錄1變壓器結構及其組成部分 11.1變壓器的基本結構11.1.1 鐵芯11.1.

4、2 繞組1油箱和冷卻裝置 2絕緣套管 2其他構件 21.2變壓器的額定值22變壓器的變換關系 42.1電壓變換 42.2電流變換 42.3阻抗變換 53變壓器等值電路及其折算關系 64變壓器空載時的分析與計算 85變壓器負載運行時的分析與計算 96變壓器副邊突然短路時分析計算 107結論 118心得體會 12參考文獻 131變壓器結構及其組成部分1.1變壓器的基本結構電力變壓器主要由鐵芯、繞組、變壓器油、油箱、絕緣套管組成組成。鐵芯和繞組是變壓器的主要部分，二者裝配到一起稱為變壓器的器身。圖1-1為油浸式變壓內部結構示意圖。j上監J-圖1-1油浸式變壓內部結構示意圖鐵芯鐵芯是變壓器的主磁路，又

5、是變壓器器身的骨架。鐵芯由鐵芯柱、鐵軛和夾件 組成。變壓器鐵芯可以分為心式鐵芯和殼式鐵芯兩大類，為了提高磁路的導磁 性能和降低鐵芯的磁滯及渦流損耗，鐵芯通常用厚0.35mm或0.5mm且表面涂有絕緣漆的硅鋼片疊制而成。為了保證良好的導磁性能，減少勵磁電流，通常 是把鐵芯柱和鐵軛的硅鋼片一層層的交錯重疊。繞組繞組是變壓器的電路部分，通常是用包有絕緣的鋁導線或銅導線繞制而 成。根據高、低壓繞組在鐵芯柱上排列方式的不同，變壓器繞組可以分為同芯 式和交疊式兩種。通信式的高、低壓繞組同心地套裝在鐵芯柱上。交疊式繞組 交替套在鐵芯柱上。這種繞組高、低壓之間的間隙較多，絕緣比較復雜，但是 漏電抗小，引線方便

6、，機械強度好，主要用在電爐和電焊等特種變壓器中。如 圖 1-2。油箱和冷卻裝置油浸式變壓器的器身放置在充滿變壓器油的油箱內。變壓器油是從石油中分 餾出來的一種礦物油，起絕緣和冷卻的作用。油箱的結構與變壓器的容量有 關。變壓器的容量越大，發熱問題就越嚴重。絕緣套管變壓器的引線從油箱內穿過油箱蓋時，必須進過絕緣套管，以使帶電的引 線和接地的油箱絕緣。絕緣套管由中心套桿和瓷套倆部分組成。導桿下端經過 分接開關與繞組端子連接，上端與外電路連接。圖1-2電力變壓器絕緣套管其他構件電力變壓器除了上述幾種基本結構外，還有儲油柜、氣體繼電器、分接開 關、測溫裝置、安全氣道、油表等。1.2變壓器的額定值額定電壓

7、U1N/U2N （ kV或V ）。指變壓器長期運行時的所能承受的額定電 壓。一次側的額定電壓U1N是指規定加到原繞組的電壓；二次側的額定電壓U2N是指當原繞組上加額定電壓時，畐I邊繞組空載時的開路電壓。對于三相變 壓器指的均是線電壓。額定電流I1N/I2N （kA或A ）。指變壓器在額訂容量下，各繞組長期運行時 允許通過的電流。額定容量Sn（KVA或VA）。它是變壓器在額定工作條件下輸出能力的保 證值，是變壓器的視在功率。單相變壓器的額定容量為Sn U 1N I 1N U 2N I 2N三相變壓器的額定容量為SN" /3U1N I1N 3U2N I 2N額定頻率fN。我國規定標準的工

8、業用電頻率為 50Hz2變壓器的變換關系變壓器是利用電磁感應原理將某一電壓的交流換成頻率相同的另一電壓的 交流電的能量的變換裝備。變壓器的主要部件是一個鐵心和套在鐵心上的兩個繞組，如圖2-1所示。一個繞組接電源，稱為原繞組（一次繞組、初級），另一個接負載，稱為副繞 組（二次繞組、次級）。當交流變壓器 Ui加到一次側繞組，同時也穿過二次側 繞組，它分別在兩個繞組中產生感應電動勢。這時如果二次側與外電路的負載 接通，便有交流12流出，負載端電壓即為U2。原繞組各量用下標1表示，副繞 組各量用下標2表示。原繞組匝數為Ni，副繞組匝數為N2。圖2-1變壓器工作原理圖2.1電壓變換Ei=j4.44N i

9、fi©m()E2=j4.44N 2f伸 m()Ei4.44N fi0 m Ni)Lr E24.44N 神 mN2在忽略Zi和Z2的情況下，UiEi，U2- E2，故變壓器的變比還可以近似地認為等于變壓器一、二次繞組的電壓比，即k=E2U2)只要適當選擇一二次繞組的匝數比，就可以把一次繞組的電壓變換到所需的二次繞組電壓。2.2電流變換當外加電壓U1和其頻率f1 一定時，主磁通基本保持不變，因此有變壓器負載運行時的磁勢平衡方程式：I1N1 l2N2=lmNi( )通過相應的化簡和等效可得一、二次電流有效值之比為上_怛_丄77 = "N7 = 7()這就是變壓器實現電流變換的原理

10、。2.3阻抗變換變壓器除了具有電壓和電流的變換作用之外，還有阻抗的變換作用。UiU2N1/N2I2N2 /Ni（帯）2¥=心）由此可見，負載經過變壓器后，其阻抗模相對于電源而言增加了繞組你匝 比的平方倍。3變壓器等值電路及其折算關系通過計算可以得出變壓器的二次側折算到一次側后二次側參數會發生改變，折算后二次側的阻抗為原來的 k方倍，二次側的感應電動勢為原來的 k倍，二次側負載上的電壓為原來的 k，二次側電流變為原來的1/k倍。并且可以 得到圖3-1變壓器的“T形等值電路。圖3-1變壓器的“T”形等值電路在實際應用中勵磁電流很小，因此在一次繞組阻抗上產生的壓降很小，故可 以忽略，這樣便

11、可以將“ T形等值電路中的勵磁支路從中間移出來，并聯在電壓 源的端點上形成“I形等值電路。圖3-2 變壓器的r形等值電路變壓器負載運行時ll>>lm,可以把勵磁電流忽略不計，于是將勵磁支路去掉 就可以得到簡化等值電路。rkXk圖3-3變壓器的簡化等值電路rkrir 2XkXiX 2Zk zi Z2 rk jXk其中為短路電阻；X k為短路電抗；Zk為短路阻抗。由此可見使用等值電路來計算單相變壓器的參數帶來了很大的方便。4變壓器空載時的分析與計算Zl為無窮大，根當在變壓器一次側加額定電壓380V時，二次側開路,據變壓器的“ T形等效電路，可得此時電路的方程式：|2 0AU2E2= E

12、lIm = Il I2 = IlE1 = I1*Z m = Im（ G+jXm）Ui = Ei 11 z1Ei I i(r1 jx 1)通過MATLAB軟件算出上述參數的具體值：Ei = 379.72jO.14395VU2 = Ei =379.72jO.14395Ali = lm=0.1179 ji.2i35A通過計算可得，當二次側開路時，二次側電壓幾乎等于一次側電壓，勵磁 電流即為一次側的電流，且勵磁電流也很小，幾乎為0。5變壓器負載運行時的分析與計算由于Uin/U2n=380V/220V，所以可以算出該電壓器的變比 k=i.727。將二次側的數值折算到一次側時，電壓、電流、阻抗的變換關系：

13、' 2 ' 2Zl k ZL ； Z2 k Z2匕凱；I2WI2其中：ZL=4+3j; Z2=0.035+0.055j給變壓器兩側加上380V電壓，讓變壓器帶負載運行時，且負載阻值ZL=4+3j時，根據變壓器的“T形等效電路，可以得出下列方程式：Ui = Ei Ii z1IIIIU 2 E2 I 2 Z2II 1 I m |2IEi E2E1ImZmIIIU2 I2ZL其中：Ui=380V通過MATLAB軟件算出上述參數的具體值：4Ei = 380 4.5269*10 jIi=0.0070.0143jIm=0.11751.2144jI2=0.1105 1.2002jU2380.

14、20.1067 j通過上述具體值可以得出，該變壓器在額定輸入電壓下帶負載ZL=4+3j時，一次側電流較小，且負載上的實際電壓方向與假定的方向相反，實際電流 方向與假定的電流方向相同，勵磁電流等于一次側和二次側的電流之和。6變壓器副邊突然短路時分析與計算在第五小節中已經算出了電壓器的的變比k=1.727，并且二次側折算到一次側后阻抗、電流、電壓的變換關系都有了詳細的介紹。當變壓器帶負載運行時，變壓器副變突然短路時，即Zl'O,根據“T形等效電路可以得出下列方程式：Ui = Ei |i ZiIIIE 2 I 2 Z2II 1 I m |2IEi E2EiI m Z其中：Ui=380V通過M

15、ATLAB軟件算出上述參數的具體值：Im 0.34I3 3.568ij11 3076.74843.7 j12 Im Ii 3077 4847.2 jEi iii6.3 i.2442j通過上述計算可得知：變壓器在正常帶負載運行時，若副變突然短路，則該變壓器的勵磁電流會略微減小，但是會瞬間產生一個很大的一次側電流，從而 產生很大的感應電動勢，二次側也會瞬間有一個較大的與參考方向相反的電流 產生。所以只要副邊短路，對運行中的變壓器都會造成很大的傷害。特別是當變 壓器的一次側接在容量較大的電網上時，如果保護設備不切斷電源，副邊短路一次側仍能繼續送電，這種情況下如不立即排除短路故障或切斷電源，變壓器 將

16、很快被燒毀。這是因為當變壓器副邊短路時，將產生一個高于額定電流2030倍的短路電流。根據磁勢平衡式可知，副邊電流是與原邊電流反相的，副邊 電流對原邊電流產生的主磁通起去磁作用，由于電磁的慣性原理，一次側要保 持主磁通不變，必然產生一個很大的電流來抵消副邊短路的去磁作用，這樣二 種因素的大電流匯集在一起作用在變壓器的鐵芯和線圈上，在變壓器中將產生 一個很大的作用力。這個力作用在線圈上，可以使變壓器線圈發生嚴重的畸變 和崩裂，另外產生出允許溫升幾倍的溫度，致使變壓器在很短時間內燒毀。7結論本設計基于給定的單相變壓器：Sn=100kVA，Um/U2n=380/220V，ri=0.14 莒 r2=0.

17、035 莒 xi=0.22 莒 x2=0.055 莒 rm=30Q， r2=310Q，副邊負載阻 抗乙=4+3j。完成了當變壓器空載，變壓器負載運行，變壓器副邊突然短路時的 分析與計算。變壓器在空載運行時二次側電壓幾乎等于一次側電壓，勵磁電流即為一次 側的電流，i2=0,且勵磁電流也很小，幾乎為 0。故變壓器空載時，鐵芯中的 主磁通是由空載電流產生的磁勢建立的。當變壓器帶給定的負載時，一次側電流較小，且負載上的實際電壓方向與 假定的方向相反，實際電流方向與假定的電流方向相同，勵磁電流等于一次側 和二次側的電流之和。變壓器在正常帶負載運行時，若副變突然短路，則該變壓器的勵磁電流會略 微減小，但是

18、會瞬間產生一個很大的一次側電流，從而產生很大的感應電動 勢，二次側也會瞬間有一個較大的與參考方向相反的電流產生。所以只要副邊短路，對運行中的變壓器都會造成很大的傷害。特別是當變壓器的一次側接在 容量較大的電網上時，如果保護設備不切斷電源，副邊短路一次側仍能繼續送 電，這種情況下如不立即排除短路故障或切斷電源，變壓器將很快被燒毀。8心得體會通過將近一周的課程設計，使我基本掌握了單相變壓器的分析方法。同時對于變壓器空載、變壓器正常帶負載，以及變壓器副邊短路時變壓器各項指標 的變化有了初步的認知和了解。對于變壓器副邊短路的危害有了深刻的體會， 提高了自己安全生產的認識。同時我學會了使用 MATLAB軟件，對其中的一 些原件有了一些初步的掌握，對其基本性能也有所了解，能夠編寫一些簡