高中物理 第3章三相变压器.docx
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高中物理第3章三相变压器
第3章三相变压器
[内容]
目前,电力系统均采用三相制,所以三相变压器得到了广泛应用。
三相变压器在对称负载下运行时,其各相的电压、电流大小相等,相位互差
因此对三相变压器的分析和计算可取其中的一相来进行,即三相问题可以转化为单相问题,于是单相变压器的基本理论(基本方程式、等效电路、相量图等)完全适用于三相变压器中的任一相。
本章主要研究三相变压器的几个特殊问题:
(1)三相变压器的磁路结构;
(2)三相变压器的联结组别;(3)联结组别和磁路结构对相绕组感应电动势波形的影响。
[要求]
●掌握三相组式变压器和三相心式变压器磁路结构的特点。
●掌握三相变压器联结组别的概念,联结组别的判定方法。
●掌握联结组别和磁路结构对相绕组感应电动势波形的影响。
3.1三相变压器的磁路结构
三相变压器按磁路结构(铁心结构)可分为组式变压器和心式变压器两类。
一、三相组式变压器的磁路特点
三相组式变压器由三台相同的单相变压器组合而成,如图3.1.1所示。
其磁路特点是:
(1)各相磁路彼此独立,互不关联,即各相主磁通都有自己独立的磁路;
(2)各相磁路几何尺寸完全相同,即各相磁路的磁阻相等;
(3)当一次侧外加三相对称电压时,三相主磁通
、
、
是对称的,三相空载电流也是对称的。
图3.1.1三相组式变压器
二、三相心式变压器的磁路特点
三相心式变压器的铁心结构是从三相组式变压器铁心演变而来的。
将三台单相变压器铁心合并成图3.1.2(a)的样子;当一次侧外加三相对称电压时,三相主磁通
、
、
是对称的,中间铁心柱内磁通
+
+
=0,因此可以去掉中间铁心柱,变成图3.1.2(b);为使结构简单、制造方便,把三相铁心布置在同一平面内,便得到图3.1.2(c),这就是常用的三相心式变压器铁心。
图3.1.2三相心组式变压器的磁路
三相心式变压器的磁路特点是:
(1)各相磁路不独立,互相关联。
即每相磁通都要借助其它两相磁路而闭合;
(2)各相磁路长度不等。
中间相的磁路长度小于其它两相的磁路长度,因此中间相的磁阻略小于其它两相的磁阻。
(3)当外施三相对称电压时,三相主磁通
、
、
是对称的,但由于三相磁路的磁阻不对称,而使三相空载电流不对称,中间相的空载电流略小于其它两相的空载电流。
由于空载电流相对于负载电流来说是很小的,所以空载电流的不对称对变压器负载运行影响极小,可以忽略。
目前大多数三相变压器都采用心式结构,因为它具有消耗材料少、运行效率高、占地面积小、维护简单的优点。
对于超高压、大容量巨型变压器,由于受运输条件限制或为了减少备用容量,才采用三相组式变压器。
3.2三相变压器的联结组别
三相变压器的联结组别是表示高、低压绕组联结方式及高、低压侧对应线电动势相位关系的一种标志。
掌握变压器的联结组别,对正确地使用变压器,特别是在进行多台变压器并联运行时尤为重要。
三相变压器高、低压侧线电动势的相位关系与高、低压绕组相电动势的相位关系(即单相变压器联结组别)及三相绕组的联结方式有关。
下面,首先介绍三相绕组的联结方式;然后介绍单相变压器的联结组别;最后介绍三相变压器的联结组别。
一、三相绕组的连接方式
三相绕组通常有两种连接方式,即星形联结和三角形联结。
为了正确连接三相绕组,变压器每相绕组的两个出线端都有一个标志,电力变压器的绕组首、末端标志如表3.2.1所示。
表3.2.1变压器绕组的首、末端标志
绕组名称
单相变压器
三相变压器
中性点
首端
末端
首端
末端
高压绕组
U1
U2
U1、V1、W1
U2、V2、W2
N
低压绕组
u1
u2
u1、v1、w1
u2、v2、w2
n
当把三相绕组的三个末端U2、V2、W2(或u2、v2、w2)连接在一起,而把它们的首端U1、V1、W1(或u1、v1、w1)引出,便是星形联结,用字母Y(或y)表示,如图3.2.1(a)所示。
当把三相绕组按首、末端顺序依次串联成一个闭合回路,然后从首端U1、V1、W1(或u1、v1、w1)引出,便是三角形联结,用字母D(或d)表示,如图3.2.1(b)、(c)所示。
其中,图(b)是按U1-U2W1-W2V1-V2U1次序串联,称为逆序三角形联结;图(c)是按U1-U2V1-V2W1-W2U1次序串联,称为顺序三角形联结。
图3.2.1三相绕组连接方式及其相量图
二、单相变压器的联结组别
1.同名端(同极性端)
单相变压器的高、低压绕组被同一交变的主磁通所交链,高、低压绕组的感应电动势是交变的,即高、低压绕组的极性是交变的。
但在某一瞬间,高、低压绕组都有一端为正极性(高电位),另一端为负极性(低电位),两个绕组上同时为正极性的端点称为同名端(或同极性端),用符号“.”表示。
当然两个绕组上同时为负极性的端点也是同名端。
同名端与绕组的绕向有关。
在绕组电流正方向与磁通正方向符合右手螺旋关系时,可根据:
“凡是从同名端流进的电流,所产生的磁通都是同方向的”这一规律确定出高、低压绕组的同名端。
例如,在图3.2.2(a)或(b)中,从U1和u1端流入电流产生的磁通是同方向的(均指向上),所以U1和u1端为同名端。
同理,图3.2.3(a)或(b)中,U1和u2端为同名端。
(a)绕向相同(b)绕向相反(c)相量图
标志相反标志相同
图3.2.3首端为异名端时电动势反相位
2.高、低压绕组电动势相位关系
为了表示高、低压绕组电动势的相位关系,规定高、低压绕组电动势的正方向均为从首端指向末端,即高压绕组电动势的正方向为
,简写为
;低压绕组电动势的正方向为
,简写为
。
和
可能同相位,也可能反相位,它与绕组的绕向及标志有关,如图3.2.2和图3.2.3所示。
根据同名端的含义,可以确定高、低压绕组电动势的相位关系只有两种情况:
(1)当高、低压绕组的首端
与
为同名端时,则
和
同相位,如图3.2.2所示。
(2)当高、低压绕组的首端
与
为异名端时,则
和
反相位,如图3.2.3所示。
3.单相变压器的联结组别
为了标记高、低压绕组电动势的相位关系,采用所谓“时钟表示法”,即把高压绕组电动势相量
看作时钟的分针(长针),并固定指向时钟的“12点”即“0点”位置上,把低压绕组电动势相量
看作时钟的时针(短针),它在时钟内所指向的数字,就是单相变压器的联结组别号。
例如,图3.2.2可以表示成I,I0;图3.2.3可以表示成I,I6。
其中,I,I表示高、低压绕组为单相绕组,数字0表示低压绕组电动势相量指向“0点”,说明高、低压绕组电动势同相位(因为高压绕组电动势相量已固定指向“0点”);数字6则表示低压绕组电动势相量指向“6点”,说明高、低压绕组电动势反相位。
图3.2.2(a)所示的高、低压绕组绕向相同、标志相同的I,I0联结组别,是国家标准规定的单相变压器的标准联结组别。
三、三相变压器的联结组别
由于三相变压器的同一相高、低压绕组绕在同一铁心柱上,所以三相变压器同一相高、低压绕组电动势的相位关系与单相变压器相同。
根据每一相的高、低压侧电动势相位关系及三相绕组连接方式,可以确定出高、低压侧对应线电动势的相位关系。
三相变压器的联结组别仍采用“时钟表示法”:
把高压侧某一线电动势相量看作时钟的长针,并固定指向“0点”,把低压侧对应线电动势相量看作时钟的短针,它所指向的时钟数字便是其联结组别号。
由于三相变压器高、低压绕组均可以是星形联结或三角形联结,所以三相变压器联结组别较多。
下面介绍几种典型的三相变压器联结组。
1.Y,y0联结组
图3.2.4(a)为Y,y0联结组的绕组连接图,其特点是:
绕在同一铁心柱上的高、低压绕组的绕向及标志均相同,因此同一相高、低压绕组的首端U1与u1、V1与v1、W1与w1分别为同名端。
于是高、低压侧相电动势
和
、
与
、
与
分别同相位,如图3.2.4(b)所示。
画相量图步骤是:
(1)根据高压侧三相绕组的连接方式(Y联结)及
、
、
大小相等,相位依次相差
,按正相序U-V-W画出高压侧三相对称相电动势相量图,注意要使某一线电动势相量,这里取
固定指向“0点”(向上)。
(2)根据低压侧三相绕组的连接方式(y联结)及低压侧与高压侧相电动势相位关系:
与
、
与
、
与
分别同相位,可以画出低压侧电动势的相量图,并画出与高压侧
对应的线电动势相量
。
由于
指向“0点”,所以其联结组别为Y,y0。
Y,y0的意义为:
高、低压绕组均为星形联结,且高、低压侧对应线电动势同相位。
(a)绕组联结图(b)电动势相量图
图3.2.5Y,y6联结组
2.Y,y6联结组
图3.2.5为Y,y6联结组的绕组连接图及电动势相量图。
其同一相的高、低压绕组首端U1与u1、V1与v1、W1与w1分别为异名端,于是高、低压侧相电动势
和
、
与
、
与
分别反相位,对应的线电动势
与
也反相位,
指向“0点”时,
指向“6点”,故其联结组别为Y,y6。
在Y,y0联结组中,若保持高压绕组标志不变,而将低压绕组标志u1、v1、w1按正相序依次改为w1、u1、v1或v1、w1、u1,这相当于把低压侧相量图顺时针旋转了
或
,其中
则由“0点”转到“4点”或“8点”,由此可得Y,y4或Y,y8联结组。
同理,在Y,y6联结组基础上,按正相序依次改变低压绕组的标志,可得Y,y10和Y,y2联结组。
总之,Y,y(或D,d)联结组共有0、2、4、6、8、10等六个偶数的组别。
3.Y,d11连接组
将Y,y0绕组联结图3.2.4(a)中的低压绕组改为三角形联结,如图3.2.6(a)所示(图中各相电动势相量采用首、末端标出),根据高、低压侧相电动势同相位关系可知:
电动势相量u1u2与U1U2、v1v2与V1V2、w1w2与W1W2分别同相,再根据三相绕组串联顺序:
u1-u2w1-w2v1-v2u1,可以得到低压侧电动势相量图,如图3.2.6(b)所示。
其中与高压侧线电动势
(简写
)相对应的线电动势
(简写
)指向“11点”,所以其联结组别为Y,d11。
其意义为:
高压绕组为Y联结,低压绕组为d联结,低压侧线电动势超前高压侧线电动势
,即高、低压侧对应的线电动势有
相位差。
(a)绕组联结图(b)电动势相量图
图3.2.7Y,d1联结组
4.Y,d1连接组别
如果把低压绕组按u1-u2v1-v2w1-w2-u1顺序串联成三角形联结,如图3.2.7(a)所示,此时低压侧电动势相量图如图3.2.7(b)所示。
其中与高压侧线电动势
相对应的线电动势
指向“1点”,所以其联结组别为Y,d1,即低压侧线电动势滞后于高压侧线电动势
。
在Y,d11联结组中,若保持高压绕组标志不变,而将低压绕组标志u1、v1、w1按正相序依次改为w1、u1、v1或v1、w1、u1,可得到Y,d3或Y,d7联结组。
同理,在Y,d1联结组基础上,按正相序依次改变低压绕组的标志,可得Y,d5和Y,d9联结组。
总之,Y,d(或D,y)联结组共有1、3、5、7、9、11等六个奇数的组别。
三相变压器的联结组别很多,为便于制造、使用和并联运行,国家标准规定:
同一铁心柱上的高、低压绕组为同一相绕组,其绕向和标志均相同。
电力变压器的标准联结组为Y,yn0;Y,d11;YN,d11;YN,y0;Y,y0等五种,其中前三种最为常用。
一般它们的使用范围如下:
Y,yn0的二次绕组可以引出中性线,构成三相四线制供电方式,用在低压侧为400V的配电变压器中,供给三相动力负载和单相照明负载,高压侧额定电压不超过35kV。
Y,d11用于低压侧电压超过400V,高压侧电压在
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