《电机技术应用》课件 1.2.1 变压器的空载运行

变压器的空载运行变压器变压器空载运行：变压器的原绕组加上额定电压，副绕组开路（不接负载）。电力系统三相电压对称；只需分析一相即可，下面分析变压器运行原理和性能等，均针对单相变压器进行，所涉及的参数和物理量均指一相的值。什么是空载运行空载运行时的电磁关系一次侧遵循电动机惯例，磁通与产生它的电流之间符合右手螺旋定则

—同方向

与

—符合右手螺旋定则

与—同方向二次侧遵循发电机惯例，电动势与感应它的磁通之间符合右手螺旋定则

与

—符合右手螺旋定则

与—同方向

参考方向的规定1.主磁通和漏磁通：在不考虑铁芯磁路饱和的情况下，由空载磁动势F0产生的主磁通和漏磁通随时间按正弦规律变化。

绕组的感应电动势主磁通和漏磁通区别

(1)性质上：

Φ0与I0成非线性关系，Φ1σ与I0成线性关系；(2)数量上：

Φ0占99%以上，Φ1σ仅占1%以下；(3)作用上：

Φ0起传递能量的作用，Φ1σ起漏抗压降作用。幅值：有效值：相量：2.主磁通感应的电动势——主电动势

结论:主电动势的大小与电源频率、绕组匝数及主磁通的最大值成正比。相位上滞后主磁通，二次主电动势也有同样的结论。绕组的感应电动势漏电动势也可以用漏抗压降来表示，即磁路问题电路化处理

由于漏磁通主要经过非铁磁路径,磁路不饱和,所以漏电抗X1很小且为常数,它不随电源电压负载情况而变。3.漏磁通感应的电动势——漏电动势根据主电动势的分析方法，同样有绕组的感应电动势基于漏电动势可以用漏抗压降来表示

主电动势也可以采用这种表示方法由于主磁通主要经过铁磁路径,磁路饱和,所以励磁电抗Xm很大且不为常数,它随电源电压情况而变。绕组的感应电动势

对三相变压器，变比为一、二次侧的相电势之比，近似为额定相电压之比Y，d接线Y，y接线变比空载电流

又叫励磁电流，指产生主磁通所需要的电流。空载运行时，原边绕组中流过的电流即为励磁电流。包括两部分分量：磁化电流（无功分量），铁耗电流(有功分量）。

磁路不饱和：磁通Φ和磁化电流i都按正弦规律变化，相位与感应电势相差90度，为纯无功电流。（1）磁化电流

（无功分量）

空载电流（2）铁耗电流（有功分量）

与铁心损耗对应，铁耗电流i0Y为有功电流。空载电流作用和性质一方面：用来励磁建立磁场-----无功分量另方面：供变压器空载损耗-----有功分量性质：主要是感性无功性质----也称励磁电流；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。

空载电流ΦΦiωt1ωt2ωtωt1ωt2ωtiΦiωtΦi铁芯饱和：当磁通为正弦波时，磁化电流为尖顶波。

空载电流铁芯饱和：当磁通为平顶波时，磁化电流为正弦波。ΦΦiωt1ωt2ωtωt1ωt2ωtiΦiωtΦi空载损耗变压器空载时，一次侧从电源吸收少量的有功功率PO，用来供给铁损PFe和绕组铜损Io2R1。由于Io和R1均很小，所以PO约等于PFe，即空载损耗近似等于铁损。铁损与磁通密度幅值的平方成正比，与电流频率的1.3次方成正比空载损耗约占额定容量的0.2%~1%，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。等值电路U1.I0.r1x1E1.U1.I0.r1x1rmxmxmx1rmr1>>>>rm,xm,zm分别为励磁电阻、励磁电抗、励磁阻抗。由于磁路具有饱和特性，所以zm=rm+jxm不是常数，随磁路饱和程度增大而减小。在U1一定时，I0大小取决于Zm。从运行角度讲，希望I0越小越好，所以变压器常采用高导磁材料，增大Zm减小I0，以提高运行效率和功率因数。U1.I0.E1.rmxm（1）一次侧电动势平衡方程（2）二次侧电动势平衡方程电动势平衡方程U1.I0.r1x1E1.空载等效电路rmxm主磁通原理如果忽略很小的漏阻抗压降，并写成有效值形式，有主磁通原理对一次侧电动势平衡方程可知：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。相量图可作出变压器空载时的相量图：（1）以

为参考相量（2）与同相，超前

，（3）滞后（4）画出（5）画出

（1）感应电动势E的大小与电源频率f、绕组匝数N及铁心中主磁通的最大值φm成正比，在相位上滞后产生它的主磁通90度。

（3）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，电抗的大小随磁路的饱和而减小。

（2）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。结论

（5）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。

（6）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。结论

（4）空载电流大小与主磁通、线圈匝数及磁路的磁阻有关，铁心的饱和程度越高，则磁导率越低，励磁电抗越小，空载电流越大。1、为了得到正弦形的感应电动势，当铁芯饱和和不饱和时，空载电流各呈什么波形，为什么？答：铁心不饱和时，空载电流、电动势和主磁通均成正比，若想得到正弦波电动势，空载电流应为正弦波；铁心饱和时，空载电流与主磁通成非线性关系（见磁化曲线），电动势和主磁通成正比关系，若想得到正弦波电动势，空载电流应为尖顶波。2、试述变压器激磁电抗和漏抗的物理意义。它们分别对应什么磁通，对已制成的变压器，它们是否是常数？答：激磁电抗是表征铁心磁化性能和铁心损耗的一个综合参数；漏电抗是表征绕组漏磁效应的一个参数。激磁电抗对应于主磁通，漏电抗对应于漏磁通，对于制成的变压器，励磁电抗不是常数，它随磁路的饱和程度而变化，漏电抗在频率一定时是常数。思考与练习3、变压器空载运行时，原线圈加额定电压，这时原线圈电阻R1很小，为什么空载电流I0不大？如将它接在同电压（仍为额定值）的直流电源上，会如何？答：

因为存在感应电动势E1,根据电动势方程：可知，尽管R1很小，但由于励磁阻抗Zm很大，所以I0不大.如果接直流电源，由于磁通恒定不变，绕组中不感应电动势，即E1=0,E1σ=0，因此电压全部降在电阻上，即有I=U1/R1，因为R1很小，所以电流很大。思考与练习4、变压器空载运行时，是否要从电网取得功率？这些功率属于什么性质？起什么作用？为什么小负荷用户使用大容量变压器无论对电网和用户均不利？答：要从电网取得功率，有功功率供给变压器本身损耗，即铁心损耗和绕组铜耗，它转化成热能散发到周围介质中；无功功率为主磁场和漏磁场储能。小负荷用户使用大容量变压器时，在经济技术两方面都不合理。对电网来说，由于变压器容量大，励磁电流较大，而负荷小，电流负载分量小，使电网功率因数降低，输送有功功率能力