一變壓器簡介

　　變壓器是利用電磁感應(yīng)原理傳輸電能或電信號(hào)的器件, 它具有電壓變換、電流變化和阻抗變換及電氣隔離的作用。

1理想變壓器工作原理

　　理想變壓器基于下述兩個(gè)假設(shè)：
　　1、變壓器效率等于1，無任何能量損耗。即忽略了實(shí)際鐵芯變壓器線圈的電阻以及鐵芯在交變磁場作用下所產(chǎn)生的能量損耗。
　　2、鐵芯的磁導(dǎo)率μ趨近于無窮大，沒有漏磁通。線圈的互感磁通等于自感磁通，耦合系數(shù)K為1，線圈自感系數(shù)L1、L2趨于無窮大，但是，L1/L2為常數(shù)，數(shù)值上等于原副邊匝數(shù)比的平方。
　　理想變壓器的工作原理如下：
 

 

圖1 理想變壓器工作原理（變壓器）

　　變壓器的主要部件是一個(gè)鐵心和套在鐵心上的兩個(gè)繞組。兩繞組只有磁耦合沒電連接。在一次繞組中施加交變電壓，交變電壓產(chǎn)生交變電流，交變電流產(chǎn)生交鏈一、二次繞組的交變磁通Φ，在一次和二次繞組中分別感應(yīng)出電動(dòng)勢E₁、E₂。
理想變壓器的繞組電阻為零，有：

　　E₁=-U₁，E₂=-U₂

　　假設(shè)一次和二次線圈的匝數(shù)分別為N₁和N₂，一次和二次繞組鉸鏈的磁鏈分別為Ψ₁和Ψ₂，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，下述方程組成立：

　　U₁=-E₁=-dΨ₁/dt=d(N₁Φ)/dt=N₁dΦ/dt　?。╝）

　　U₂=-E₂=-dΨ₂/dt=d(N₂Φ)/dt=N₂dΦ/dt　?。╞）

　?。╝）式除以（b）式，可得：

　　U₁/U₂=N₁/N₂　　　　　　　　　　　　　?。?）

　　理想變壓器效率等于1，一次與二次繞組之間在能量傳輸過程中沒有損耗，可知：

　　U₁I₁=U₂I₂

　　聯(lián)立式（1）可得：

　　I₁/I₂=N₂/N₁　　　　　　　　　　　　　?。?）

　?。?）式除以（2）式，可得：

　　(U₁/I₁)/(U₂/I₂)=(N₁/N₂)²

　　U₁/I₁及U₂/I₂分別為一次和二次繞組的阻抗，分別記為Z₁和Z₂，則：

　　Z₁/Z₂=(N₁/N₂)² 　　　　　　　　　　　?。?）

　　（1）、（2）、（3）三式分別表示了理想變壓器的電壓變換、電流變換和阻抗變換關(guān)系。

2實(shí)際變壓器工作原理

　　實(shí)際變壓器繞組電阻不為零；
　　實(shí)際變壓器交變磁通在鐵芯中會(huì)產(chǎn)生渦流損耗和磁滯損耗；

　　實(shí)際變壓器鐵芯磁導(dǎo)率為有限值，一次繞組產(chǎn)生的磁通會(huì)有部分與空氣形成磁路，不與二次繞組鉸鏈，稱為漏磁通Φ_σ1，同樣，二次繞組也會(huì)產(chǎn)生漏磁通Φ_σ2。
　　因此：

　　E₁≠U₁、E₂≠U₂。

　　同時(shí)鉸鏈一次繞組和二次繞組的磁通稱為主磁通Φ。由于空氣的磁滯很大，一般主磁通遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于漏磁通。
　　實(shí)際變壓器效率小于1，其工作原理如下：

圖2 實(shí)際變壓器工作原理（變壓器效率<1）

二變壓器空載試驗(yàn)與鐵損

　　交變磁通在變壓器鐵芯中會(huì)產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗，這兩項(xiàng)變頻器損耗統(tǒng)稱為變壓器鐵損。鐵損取決于變壓器的磁通，主要是主磁通。
　　變壓器的主磁通：

　　Φ_m=E₁/4.44fN₁

　　由于繞組的電阻很小，

　　E₁≈U₁

　　因此，主磁通主要取決于一次或二次繞組的電壓和頻率，與負(fù)載電流的大小基本無關(guān)。
　　即：變壓器的鐵損為恒定損耗，與負(fù)載無關(guān)。
　　變壓器空載運(yùn)行時(shí)，輸出功率為零，輸入功率就是變壓器損耗。二次繞組沒有電流通過，沒有損耗，輸入功率減去一次繞組的銅損，就是變壓器鐵損。由于一次繞組電流很小，粗略計(jì)算時(shí)，銅損可以忽略不計(jì)，變壓器的空載輸入功率約等于變壓器的鐵損。
　　變壓器處于空載運(yùn)行時(shí)，功率因數(shù)較低，無功功率占比較大，對電網(wǎng)不利，因此，提高變壓器空載功率因數(shù)是變壓器廠家長期需要研究的問題。鐵損固定的情況下，空載電流越小，空載功率因數(shù)越高，因此，空載電流百分比（空載電流與額定電流的比值）　也就成了變壓器的一個(gè)重要指標(biāo)。
　　獲取鐵損及空載電流是變壓器空載試驗(yàn)的主要目的，鐵損一般用P_FE表示，空載電流一般用I₀表示。

三變壓器短路試驗(yàn)與銅損

　　變壓器的一次和二次繞組中都有一定的電阻，當(dāng)電流流過繞組時(shí)，產(chǎn)生的變壓器損耗，稱為變壓器銅損或I^2R損耗。
　　銅損一般通過短路試驗(yàn)獲取。短路試驗(yàn)方法如下：
　　將變壓器高壓側(cè)短路，低壓側(cè)從零開始加電壓，逐漸加到低壓側(cè)電流為額定電流。此時(shí)低壓側(cè)所加電壓與額定電壓之比的百分?jǐn)?shù)稱為短路阻抗，也稱阻抗電壓，一般用符號(hào)U_K表示。
　　注意：短路阻抗是一個(gè)無量綱的物理量，”單位”不是V，也不是Ω，而是“%”。
　　變壓器短路試驗(yàn)時(shí)，繞組兩端電壓（短路阻抗）很低，因此，鐵損很小，變壓器的輸入功率主要為銅損。銅損一般用P_Cu表示，而變壓器短路試驗(yàn)的銅損相當(dāng)于額定銅損，一般用P_CuN表示。
　　固定電流時(shí)，銅損與繞組的電阻有關(guān)，而繞組電阻與溫度有關(guān)，所以，短路試驗(yàn)時(shí)，需要準(zhǔn)確測量繞組的溫度或直接測量繞組的直流電阻。
　　獲取銅損及短路阻抗是變壓器短路試驗(yàn)的主要目的。

四變壓器效率特性

　　變壓器效率用η表示，變壓器的負(fù)荷率用β表示，變壓器效率特性曲線如圖3所示：

圖3 變壓器效率特性曲線

　　1.空載時(shí)輸出功率為零，所以變壓器效率η=0。
　　2.負(fù)載較小時(shí)，鐵損耗相對較大，變壓器效率η較低。
　　3.負(fù)載增加，變壓器效率η亦隨之增加。超過某一負(fù)載時(shí)，因銅耗占的正例增大，變壓器效率η反而降低。
　　β=S/S_N，S為實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷，S_N為額定負(fù)荷。

　　可以證明：

　　P_Cu=P_FE=β²P_CuN

　　時(shí)，變壓器的效率最高。

　　此時(shí)，

　　β_m=√(P_FE/P_CuN)。

　　記輸入功率和輸出功率分別為P₁和P₂，變壓器的二次側(cè)運(yùn)行功率因數(shù)為cosφ2，則：

　　η=P₂/P₁

　　=(P₁-P_Fe-P_Cu)/P₁

　　=1-(P_Fe+P_Cu)/ (P₂+ P_Fe+P_Cu)

　　=1-( P_Fe+β²P_CuN)/(βS_Ncosφ2+P_Fe+β²P_CuN)

　　變壓器最大效率計(jì)算公式如下：

　　η_m=1-2 P_Fe/(β_mS_Ncosφ2+2P_Fe)。

五變壓器效率測試

　　變壓器效率測試主要包括空載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)，空載試驗(yàn)獲取鐵損及空載電流，短路試驗(yàn)獲取獲取銅損及短路阻抗。
　　普通變壓器的空載功率因數(shù)較低，可低于0.1，電力變壓器的空載功率因數(shù)稍高，一般在0.1～0.2之間。
　　普通變壓器的短路功率因數(shù)較高，一般在0.1以上，電力變壓器為了提高短路阻抗，短路功率因數(shù)很低，一般在0.1以下，大容量的電力變壓器的空載功率因數(shù)可低至約0.01。低功率因數(shù)下，互感器，功率表或功率分析儀等儀器的角差對功率測量準(zhǔn)確度影響很大（詳見銀河文庫“不同功率因數(shù)下相位誤差對功率測量準(zhǔn)確度的影響”），建議變壓器效率測試采用高精度的互感器及WP4000變頻功率分析儀或DT數(shù)字變送器等低角差的測量儀器。

 

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