《電機(jī)技術(shù)應(yīng)用》課件 1.2.1 變壓器的空載運(yùn)行

變壓器的空載運(yùn)行變壓器變壓器空載運(yùn)行：變壓器的原繞組加上額定電壓，副繞組開路（不接負(fù)載）。電力系統(tǒng)三相電壓對(duì)稱；只需分析一相即可，下面分析變壓器運(yùn)行原理和性能等，均針對(duì)單相變壓器進(jìn)行，所涉及的參數(shù)和物理量均指一相的值。什么是空載運(yùn)行空載運(yùn)行時(shí)的電磁關(guān)系一次側(cè)遵循電動(dòng)機(jī)慣例，磁通與產(chǎn)生它的電流之間符合右手螺旋定則

—同方向

與

—符合右手螺旋定則

與—同方向二次側(cè)遵循發(fā)電機(jī)慣例，電動(dòng)勢(shì)與感應(yīng)它的磁通之間符合右手螺旋定則

與

—符合右手螺旋定則

與—同方向

參考方向的規(guī)定1.主磁通和漏磁通：在不考慮鐵芯磁路飽和的情況下，由空載磁動(dòng)勢(shì)F0產(chǎn)生的主磁通和漏磁通隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化。

繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)主磁通和漏磁通區(qū)別

(1)性質(zhì)上：

Φ0與I0成非線性關(guān)系，Φ1σ與I0成線性關(guān)系；(2)數(shù)量上：

Φ0占99%以上，Φ1σ僅占1%以下；(3)作用上：

Φ0起傳遞能量的作用，Φ1σ起漏抗壓降作用。幅值：有效值：相量：2.主磁通感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)——主電動(dòng)勢(shì)

結(jié)論:主電動(dòng)勢(shì)的大小與電源頻率、繞組匝數(shù)及主磁通的最大值成正比。相位上滯后主磁通，二次主電動(dòng)勢(shì)也有同樣的結(jié)論。繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)漏電動(dòng)勢(shì)也可以用漏抗壓降來表示，即磁路問題電路化處理

由于漏磁通主要經(jīng)過非鐵磁路徑,磁路不飽和,所以漏電抗X1很小且為常數(shù),它不隨電源電壓負(fù)載情況而變。3.漏磁通感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)——漏電動(dòng)勢(shì)根據(jù)主電動(dòng)勢(shì)的分析方法，同樣有繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)基于漏電動(dòng)勢(shì)可以用漏抗壓降來表示

主電動(dòng)勢(shì)也可以采用這種表示方法由于主磁通主要經(jīng)過鐵磁路徑,磁路飽和,所以勵(lì)磁電抗Xm很大且不為常數(shù),它隨電源電壓情況而變。繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

對(duì)三相變壓器，變比為一、二次側(cè)的相電勢(shì)之比，近似為額定相電壓之比Y，d接線Y，y接線變比空載電流

又叫勵(lì)磁電流，指產(chǎn)生主磁通所需要的電流。空載運(yùn)行時(shí)，原邊繞組中流過的電流即為勵(lì)磁電流。包括兩部分分量：磁化電流（無功分量），鐵耗電流(有功分量）。

磁路不飽和：磁通Φ和磁化電流i都按正弦規(guī)律變化，相位與感應(yīng)電勢(shì)相差90度，為純無功電流。（1）磁化電流

（無功分量）

空載電流（2）鐵耗電流（有功分量）

與鐵心損耗對(duì)應(yīng)，鐵耗電流i0Y為有功電流。空載電流作用和性質(zhì)一方面：用來勵(lì)磁建立磁場(chǎng)-----無功分量另方面：供變壓器空載損耗-----有功分量性質(zhì)：主要是感性無功性質(zhì)----也稱勵(lì)磁電流；大?。号c電源電壓和頻率、線圈匝數(shù)、磁路材質(zhì)及幾何尺寸有關(guān)。

空載電流ΦΦiωt1ωt2ωtωt1ωt2ωtiΦiωtΦi鐵芯飽和：當(dāng)磁通為正弦波時(shí)，磁化電流為尖頂波。

空載電流鐵芯飽和：當(dāng)磁通為平頂波時(shí)，磁化電流為正弦波。ΦΦiωt1ωt2ωtωt1ωt2ωtiΦiωtΦi空載損耗變壓器空載時(shí)，一次側(cè)從電源吸收少量的有功功率PO，用來供給鐵損PFe和繞組銅損Io2R1。由于Io和R1均很小，所以PO約等于PFe，即空載損耗近似等于鐵損。鐵損與磁通密度幅值的平方成正比，與電流頻率的1.3次方成正比空載損耗約占額定容量的0.2%~1%，而且隨變壓器容量的增大而下降。為減少空載損耗，改進(jìn)設(shè)計(jì)的方向是采用優(yōu)質(zhì)鐵磁材料：優(yōu)質(zhì)硅鋼片、激光化硅鋼片或應(yīng)用非晶態(tài)合金。等值電路U1.I0.r1x1E1.U1.I0.r1x1rmxmxmx1rmr1>>>>rm,xm,zm分別為勵(lì)磁電阻、勵(lì)磁電抗、勵(lì)磁阻抗。由于磁路具有飽和特性，所以zm=rm+jxm不是常數(shù)，隨磁路飽和程度增大而減小。在U1一定時(shí)，I0大小取決于Zm。從運(yùn)行角度講，希望I0越小越好，所以變壓器常采用高導(dǎo)磁材料，增大Zm減小I0，以提高運(yùn)行效率和功率因數(shù)。U1.I0.E1.rmxm（1）一次側(cè)電動(dòng)勢(shì)平衡方程（2）二次側(cè)電動(dòng)勢(shì)平衡方程電動(dòng)勢(shì)平衡方程U1.I0.r1x1E1.空載等效電路rmxm主磁通原理如果忽略很小的漏阻抗壓降，并寫成有效值形式，有主磁通原理對(duì)一次側(cè)電動(dòng)勢(shì)平衡方程可知：影響主磁通大小的因素是電源電壓、電源頻率和一次側(cè)線圈的匝數(shù)，與鐵芯的材質(zhì)和幾何尺寸無關(guān)。相量圖可作出變壓器空載時(shí)的相量圖：（1）以

為參考相量（2）與同相，超前

，（3）滯后（4）畫出（5）畫出

（1）感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的大小與電源頻率f、繞組匝數(shù)N及鐵心中主磁通的最大值φm成正比，在相位上滯后產(chǎn)生它的主磁通90度。

（3）電抗是交變磁通所感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)與產(chǎn)生該磁通的電流的比值，線性磁路中電抗為常數(shù)，非線性電路中，電抗的大小隨磁路的飽和而減小。

（2）主磁通的大小由電源電壓、電源頻率和一次線圈匝數(shù)決定，與磁路所用材料的性質(zhì)及幾何尺寸基本無關(guān)。結(jié)論

（5）鐵心所用材料的導(dǎo)磁性能越好，則勵(lì)磁電抗越大，空載電流越小,因此變壓器的鐵心均用高導(dǎo)磁的材料硅鋼片疊成。

（6）氣隙對(duì)空載電流影響很大，氣隙越大空載電流越大，因此要嚴(yán)格控制鐵心疊片接縫之間的氣隙。結(jié)論

（4）空載電流大小與主磁通、線圈匝數(shù)及磁路的磁阻有關(guān)，鐵心的飽和程度越高，則磁導(dǎo)率越低，勵(lì)磁電抗越小，空載電流越大。1、為了得到正弦形的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)鐵芯飽和和不飽和時(shí)，空載電流各呈什么波形，為什么？答：鐵心不飽和時(shí)，空載電流、電動(dòng)勢(shì)和主磁通均成正比，若想得到正弦波電動(dòng)勢(shì)，空載電流應(yīng)為正弦波；鐵心飽和時(shí)，空載電流與主磁通成非線性關(guān)系（見磁化曲線），電動(dòng)勢(shì)和主磁通成正比關(guān)系，若想得到正弦波電動(dòng)勢(shì)，空載電流應(yīng)為尖頂波。2、試述變壓器激磁電抗和漏抗的物理意義。它們分別對(duì)應(yīng)什么磁通，對(duì)已制成的變壓器，它們是否是常數(shù)？答：激磁電抗是表征鐵心磁化性能和鐵心損耗的一個(gè)綜合參數(shù)；漏電抗是表征繞組漏磁效應(yīng)的一個(gè)參數(shù)。激磁電抗對(duì)應(yīng)于主磁通，漏電抗對(duì)應(yīng)于漏磁通，對(duì)于制成的變壓器，勵(lì)磁電抗不是常數(shù)，它隨磁路的飽和程度而變化，漏電抗在頻率一定時(shí)是常數(shù)。思考與練習(xí)3、變壓器空載運(yùn)行時(shí)，原線圈加額定電壓，這時(shí)原線圈電阻R1很小，為什么空載電流I0不大？如將它接在同電壓（仍為額定值）的直流電源上，會(huì)如何？答：

因?yàn)榇嬖诟袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)E1,根據(jù)電動(dòng)勢(shì)方程：可知，盡管R1很小，但由于勵(lì)磁阻抗Zm很大，所以I0不大.如果接直流電源，由于磁通恒定不變，繞組中不感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即E1=0,E1σ=0，因此電壓全部降在電阻上，即有I=U1/R1，因?yàn)镽1很小，所以電流很大。思考與練習(xí)4、變壓器空載運(yùn)行時(shí)，是否要從電網(wǎng)取得功率？這些功率屬于什么性質(zhì)？起什么作用？為什么小負(fù)荷用戶使用大容量變壓器無論對(duì)電網(wǎng)和用戶均不利？答：要從電網(wǎng)取得功率，有功功率供給變壓器本身損耗，即鐵心損耗和繞組銅耗，它轉(zhuǎn)化成熱能散發(fā)到周圍介質(zhì)中；無功功率為主磁場(chǎng)和漏磁場(chǎng)儲(chǔ)能。小負(fù)荷用戶使用大容量變壓器時(shí)，在經(jīng)濟(jì)技術(shù)兩方面都不合理。對(duì)電網(wǎng)來說，由于變壓器容量大，勵(lì)磁電流較大，而負(fù)荷小，電流負(fù)載分量小，使電網(wǎng)功率因數(shù)降低，輸送有功功率能力