变压器的空载运行

1、变压器的空载运行变压器的空载运行 变压器的空载运行变压器的空载运行 原边加额定电压，副边开路、负载电流为零时的运行原边加额定电压，副边开路、负载电流为零时的运行 情况，称为变压器的情况，称为变压器的空载运行空载运行。 一、电磁关系分析一、电磁关系分析 m e1 e2 e1 1 u1u2 i0i2=0 变压器空载运行变压器空载运行 正方向规定正方向规定 （1 1）原边绕组内电流的正方向与电源电压正方向一致；）原边绕组内电流的正方向与电源电压正方向一致； （2 2）按右手螺旋关系，正方向的电流产生正方向的磁通；）按右手螺旋关系，正方向的电流产生正方向的磁通； （3 3）感应电势正方向与产生该电动势

2、的磁通方向之间符合）感应电势正方向与产生该电动势的磁通方向之间符合 右手螺旋关系，故感应电势与电流正方向一致。右手螺旋关系，故感应电势与电流正方向一致。 副边：副边： （1 1）副边绕组感应电势正方向与）副边绕组感应电势正方向与产生该电动势的磁通正方产生该电动势的磁通正方 向之间符合右手螺旋关系；向之间符合右手螺旋关系； （2 2）副边绕组电流正方向与副边绕组电动势正方向一致；）副边绕组电流正方向与副边绕组电动势正方向一致； （3 3）副边绕组端电压的正方向与电流正方向一致。）副边绕组端电压的正方向与电流正方向一致。 二、电压平衡方程式二、电压平衡方程式 正方向规定如前，注意：正方向规定如前，

3、注意： （1 1）正方向规定可以任意正方向规定可以任意 （2 2）通常原边按电动机惯例对待，副边按发电机惯例通常原边按电动机惯例对待，副边按发电机惯例 （3 3）习惯上，端电压习惯上，端电压U表示电压降，电势表示电压降，电势E表示电压升表示电压升 1 1、电压平衡方程式、电压平衡方程式 . 1111 1 UEEI r 副绕组：空载时，I2=0 原绕组： . 22UE 空载电流作用和性质空载电流作用和性质 一方面：用来励磁，一方面：用来励磁，建立磁场建立磁场-无功分量无功分量 另方面：供变压器另方面：供变压器空载损耗空载损耗-有功分量有功分量 性质：主要是感性无功性质性质：主要是感性无功性质-也

4、称励磁电流；也称励磁电流； 大小：与电源电压和频率、线圈匝数、磁路材质大小：与电源电压和频率、线圈匝数、磁路材质 及几何尺寸有关。及几何尺寸有关。 二、空载电流和空载损耗二、空载电流和空载损耗 1. 1. 作用与组成作用与组成 （一）空载电流（一）空载电流 空载电流空载电流i0包含两个分量：包含两个分量： 2 2、性质和大小、性质和大小 性质性质：由于空载电流的无功分量远大于有功分量，所以空载电流主要是感性由于空载电流的无功分量远大于有功分量，所以空载电流主要是感性 无功性质无功性质也称也称励磁电流励磁电流。 另一个是铁损耗分量另一个是铁损耗分量iFeFe, ,称为铁耗电流，主要作用是供铁损耗

5、（磁滞损称为铁耗电流，主要作用是供铁损耗（磁滞损 耗和涡流损耗），超前于主磁通耗和涡流损耗），超前于主磁通9090度。度。 一个是励磁分量一个是励磁分量( (无功分量无功分量) ) i，称为磁化电流，作用是建立磁场，称为磁化电流，作用是建立磁场， 与主磁通同相；与主磁通同相； 大小大小：与电源电压和频率、线圈匝数、磁路材质及几何尺寸有关，用空载电与电源电压和频率、线圈匝数、磁路材质及几何尺寸有关，用空载电 流百分数流百分数I I0 0% %来表示来表示： 0 0 N 100 I I % I 与两个分量的相量关系：与两个分量的相量关系：I0 0= =I+ +IFE FE 通常通常IFEFE10%

6、10%I0 0，故，故I0 0I 3 3、空载电流波形、空载电流波形 由于磁路饱和，空载电流由于磁路饱和，空载电流 与由它产生的主磁通与由它产生的主磁通呈呈非非 线性关系。线性关系。 因此，因此，当主磁通按正弦当主磁通按正弦 规律变化时，规律变化时，空载电流空载电流 呈尖顶波形。呈尖顶波形。 实际空载电流为非正弦波，但为了分析、计算和测量的方便，在实际空载电流为非正弦波，但为了分析、计算和测量的方便，在 相量图和计算式中常用正弦的电流代替实际的空载电流。相量图和计算式中常用正弦的电流代替实际的空载电流。 t 0 i 32 1 1 2 3 0 i （二）空载损耗（二）空载损耗 空载损耗约占额定容

7、量的空载损耗约占额定容量的0.2%0.2%1%1%，而且随变压器容量的，而且随变压器容量的 增大而下降。为减少空载损耗，改进设计结构的方向是采用优增大而下降。为减少空载损耗，改进设计结构的方向是采用优 质铁磁材料：优质硅钢片、激光化硅钢片或应用非晶态合金。质铁磁材料：优质硅钢片、激光化硅钢片或应用非晶态合金。 变压器空载运行时，一次绕组从电源中吸取了少量的电变压器空载运行时，一次绕组从电源中吸取了少量的电 功率功率P0，主要用来补偿铁心中的铁耗，主要用来补偿铁心中的铁耗以及少量的绕组铜耗，以及少量的绕组铜耗， 可认为可认为P0 PFe。 一、空载运行时的物理情况一、空载运行时的物理情况 变压器

8、的变压器的空载运行空载运行是指变压器一次绕组接在额定电是指变压器一次绕组接在额定电 压的交流电源上，而二次绕组开路时的工作情况。压的交流电源上，而二次绕组开路时的工作情况。 1U 2U 1u 2u u1 i0 主磁通主磁通 当变压器的一次绕组加上交流电压当变压器的一次绕组加上交流电压u1时，一次绕组内便有一时，一次绕组内便有一 个交变电流个交变电流i0（即空载电流）流过（即空载电流）流过, ,并建立交变磁场。并建立交变磁场。 N1 N2 11漏磁漏磁 通通 根据电磁感应原理，分别在一、二次绕组产生电动势根据电磁感应原理，分别在一、二次绕组产生电动势e e1 1、e e11 和和e e2 2。

9、e e11 e e1 1 e e2 2 i2=0 u02 主、漏磁通的区别主、漏磁通的区别 (1) 性质上性质上 0与与I0成非线性关系，成非线性关系， 1与与I0成线性关系；成线性关系； (2) 数量上数量上 0占占99%以上，以上，1仅占仅占1%以下；以下； (3) 作用上作用上 0起传递能量的作用，起传递能量的作用， 1起漏抗压降作用。起漏抗压降作用。 根据基尔霍夫电压定律，按上图所示电压、电流和电动势的根据基尔霍夫电压定律，按上图所示电压、电流和电动势的 正方向，可写出一、二次绕组的电动势方程式为：正方向，可写出一、二次绕组的电动势方程式为： u1=i0R1- -e1- -e1 u02

10、=e2 在一般变压器中，电阻压降在一般变压器中，电阻压降i0R1很小，仅占一次绕组电压很小，仅占一次绕组电压 的的0.1%0.1%以下，故可近似认为以下，故可近似认为u1e1。 tsin m 设设 00 1111 2-9090 mm d eNfN sin(t)Esin() dt t 则则 11 4.44 m EfN 有效值有效值 同理，同理，e2=2=2fN2msin( (t t-90)=-90)=E2msin（t-90-90） 有效值有效值 E2=4.444.44fN2m 1 . E mfNj144.4 2 . E mfNj244.4 相量表达式相量表达式 因此，可得出：因此，可得出：E1/

11、E2= =N1/N2U1/U2= =k 定义定义 11 2 11 2022 N N UUEN k ENUU 式中式中k为变压器的电压比，即变比。为变压器的电压比，即变比。 根据主电动势根据主电动势e1的分析方法，同样有的分析方法，同样有 111 4.44 m EjfN 111 4.44 EfN 漏电动势也可以用漏电动势也可以用漏抗压降漏抗压降来表示，即来表示，即 11001 EjL IjI X 由于漏磁通主要经过非铁磁路径由于漏磁通主要经过非铁磁路径, ,磁路不饱和磁路不饱和, ,故磁阻很大且为故磁阻很大且为 常数常数, ,所以漏电抗所以漏电抗 很小且为常数很小且为常数, ,它不随电源电压负载

12、情况它不随电源电压负载情况 而变而变. . 1 X K1K1变压器为降压变压器；变压器为降压变压器； K1K 磁滞、涡流效应磁滞、涡流效应 建立空载磁通建立空载磁通 忽略漏阻抗压降后有效值忽略漏阻抗压降后有效值： m fNEU 111 44. 4 故：故： 1 1 1 1 44. 444. 4fN U fN E m 可知：影响主磁通大小的因素是电源电压、电源频率和可知：影响主磁通大小的因素是电源电压、电源频率和 一次侧线圈的匝数，与铁芯的材质和几何尺寸无关。一次侧线圈的匝数，与铁芯的材质和几何尺寸无关。 电势方程：电势方程： 1001 11 0 11 0 1 220 ()()m mm m m

13、UEI rj I x IRjxIrjx IZI Z UE 空载运行小结空载运行小结 （1 1）感应电动势）感应电动势E的大小与电源频率的大小与电源频率f、绕组匝数、绕组匝数N及铁心中主及铁心中主 磁通的最大值磁通的最大值m m 成正比，在相位上滞后产生它的主磁通成正比，在相位上滞后产生它的主磁通9090度。度。 而而主磁通的大小由电源电压、电源频率和一次线圈匝数决定，与主磁通的大小由电源电压、电源频率和一次线圈匝数决定，与 磁路所用材料的性质及几何尺寸基本无关。磁路所用材料的性质及几何尺寸基本无关。 （3 3）空载电流大小与主磁通、线圈匝数及磁路的磁阻有关。铁）空载电流大小与主磁通、线圈匝数及

14、磁路的磁阻有关。铁 心的饱和程度越高，则磁导率越低，励磁电抗越小，空载电流越心的饱和程度越高，则磁导率越低，励磁电抗越小，空载电流越 大。因此要合理选择铁心截面，使磁通密度大。因此要合理选择铁心截面，使磁通密度B Bm m为最大。为最大。 （4 4）铁心所用材料的导磁性能越好，则励磁电抗越大，空载电）铁心所用材料的导磁性能越好，则励磁电抗越大，空载电 流越小。因此变压器的铁心均用高导磁的材料硅钢片叠成。流越小。因此变压器的铁心均用高导磁的材料硅钢片叠成。 （2 2）电抗是交变磁通所感应的电动势与产生该磁通的电流的比）电抗是交变磁通所感应的电动势与产生该磁通的电流的比 值，线性磁路中，电抗为常数，非线性电路中，电抗的大小随磁值，线性磁路中，电抗为常数，非线性电路中，电抗的大小随磁 路的饱和而减小。路的饱和而减小。 （5 5）气隙对空载电流影响很大，气隙越大，空载电流越大。因气隙对空载电流影响很大，气隙越大，空载电流越大。因 此要严格控制铁心叠片接缝之间的气隙。此要严格控制铁心叠片接缝之间的气隙。 小结小结 （1 1）主磁通大小由电源电压、电源频率和一次线圈匝数决定，）主磁通大小由电源电压、电源频率和一次线圈匝数决定， 与磁路所用的材质及几何尺寸基本无关。与磁路所用的材质及几何尺寸基本无关。 （2 2）空载电流大小与主磁通、线圈匝数及磁路的磁阻