《電機技術應用》課件 1.2.1 變壓器的空載運行

變壓器的空載運行變壓器變壓器空載運行：變壓器的原繞組加上額定電壓，副繞組開路（不接負載）。電力系統(tǒng)三相電壓對稱；只需分析一相即可，下面分析變壓器運行原理和性能等，均針對單相變壓器進行，所涉及的參數(shù)和物理量均指一相的值。什么是空載運行空載運行時的電磁關系一次側遵循電動機慣例，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—同方向二次側遵循發(fā)電機慣例，電動勢與感應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，由空載磁動勢F0產(chǎn)生的主磁通和漏磁通隨時間按正弦規(guī)律變化。

繞組的感應電動勢主磁通和漏磁通區(qū)別

(1)性質上：

Φ0與I0成非線性關系，Φ1σ與I0成線性關系；(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.主磁通感應的電動勢——主電動勢

結論:主電動勢的大小與電源頻率、繞組匝數(shù)及主磁通的最大值成正比。相位上滯后主磁通，二次主電動勢也有同樣的結論。繞組的感應電動勢漏電動勢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),它不隨電源電壓負載情況而變。3.漏磁通感應的電動勢——漏電動勢根據(jù)主電動勢的分析方法，同樣有繞組的感應電動勢基于漏電動勢可以用漏抗壓降來表示

主電動勢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。繞組的感應電動勢

對三相變壓器，變比為一、二次側的相電勢之比，近似為額定相電壓之比Y，d接線Y，y接線變比空載電流

又叫勵磁電流，指產(chǎn)生主磁通所需要的電流。空載運行時，原邊繞組中流過的電流即為勵磁電流。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，相位與感應電勢相差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）

與鐵心損耗對應，鐵耗電流i0Y為有功電流?？蛰d電流作用和性質一方面：用來勵磁建立磁場-----無功分量另方面：供變壓器空載損耗-----有功分量性質：主要是感性無功性質----也稱勵磁電流；大?。号c電源電壓和頻率、線圈匝數(shù)、磁路材質及幾何尺寸有關。

空載電流ΦΦiωt1ωt2ωtωt1ωt2ωtiΦiωtΦi鐵芯飽和：當磁通為正弦波時，磁化電流為尖頂波。

空載電流鐵芯飽和：當磁通為平頂波時，磁化電流為正弦波。ΦΦiωt1ωt2ωtωt1ωt2ωtiΦiωtΦi空載損耗變壓器空載時，一次側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，改進設計的方向是采用優(yōu)質鐵磁材料：優(yōu)質硅鋼片、激光化硅鋼片或應用非晶態(tài)合金。等值電路U1.I0.r1x1E1.U1.I0.r1x1rmxmxmx1rmr1>>>>rm,xm,zm分別為勵磁電阻、勵磁電抗、勵磁阻抗。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，I0大小取決于Zm。從運行角度講，希望I0越小越好，所以變壓器常采用高導磁材料，增大Zm減小I0，以提高運行效率和功率因數(shù)。U1.I0.E1.rmxm（1）一次側電動勢平衡方程（2）二次側電動勢平衡方程電動勢平衡方程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，有主磁通原理對一次側電動勢平衡方程可知：影響主磁通大小的因素是電源電壓、電源頻率和一次側線圈的匝數(shù)，與鐵芯的材質和幾何尺寸無關。相量圖可作出變壓器空載時的相量圖：（1）以

為參考相量（2）與同相，超前

，（3）滯后（4）畫出（5）畫出

（1）感應電動勢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的電動勢與產(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及幾何尺寸基本無關。結論

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

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

（4）空載電流大小與主磁通、線圈匝數(shù)及磁路的磁阻有關，鐵心的飽和程度越高，則磁導率越低，勵磁電抗越小，空載電流越大。1、為了得到正弦形的感應電動勢，當鐵芯飽和和不飽和時，空載電流各呈什么波形，為什么？答：鐵心不飽和時，空載電流、電動勢和主磁通均成正比，若想得到正弦波電動勢，空載電流應為正弦波；鐵心飽和時，空載電流與主磁通成非線性關系（見磁化曲線），電動勢和主磁通成正比關系，若想得到正弦波電動勢，空載電流應為尖頂波。2、試述變壓器激磁電抗和漏抗的物理意義。它們分別對應什么磁通，對已制成的變壓器，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綜合參數(shù)；漏電抗是表征繞組漏磁效應的一個參數(shù)。激磁電抗對應于主磁通，漏電抗對應于漏磁通，對于制成的變壓器，勵磁電抗不是常數(shù)，它隨磁路的飽和程度而變化，漏電抗在頻率一定時是常數(shù)。思考與練習3、變壓器空載運行時，原線圈加額定電壓，這時原線圈電阻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，會如何？答：

因為存在感應電動勢E1,根據(jù)電動勢方程：可知，盡管R1很小，但由于勵磁阻抗Zm很大，所以I0不大.如果接直流電源，由于磁通恒定不變，繞組中不感應電動勢，即E1=0,E1σ=0，因此電壓全部降在電阻上，即有I=U1/R1，因為R1很小，所以電流很大。思考與練習4、變壓器空載運行時，是否要從電網(wǎng)取得功率？這些功率屬于什么性質？起什么作用？為什么小負荷用戶使用大容量變壓器無論對電網(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，它轉化成熱能散發(fā)到周圍介質中；無功功率為主磁場和漏磁場儲能。小負荷用戶使用大容量變壓器時，在經(jīng)濟技術兩方面都不合理。對電網(wǎng)來說，由于變壓器容量大，勵磁電流較大，而負荷小，電流負載分量小，使電網(wǎng)功率因數(shù)降低，輸送有功功率能力