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 一、變壓器簡(jiǎn)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(wú)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(chǎng)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(wú)窮大，沒(méi)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(wú)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(méi)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(shì)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　　（a）

　　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(guò)程中沒(méi)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 　　　　　　　　　　　　（3）

　?。?）、（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Φσ1，同樣，二次繞組也會(huì)產(chǎn)生漏磁通Φσ2。

　　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：

　　Φm=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(wú)關(guān)。

　　即：變壓器的鐵損為恒定損耗，與負(fù)載無(wú)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(méi)有電流通過(guò)，沒(méi)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(wú)功功率占比較大，對(duì)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*需要研究的問(wèn)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PFE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(guò)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(guò)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(kāi)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)UK表示。

　　注意：短路阻抗是一個(gè)無(wú)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PCu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PCuN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(cè)量繞組的溫度或直接測(cè)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(duì)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(guò)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/SN，S為實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷，SN為額定負(fù)荷。

　　可以證明：

　　PCu=PFE=β2PCuN

　　時(shí)，變壓器的效率zui高。

　　此時(shí)，

　　βm=√(PFE/PCuN)。

　　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-PFe-PCu)/P1

　　=1-(PFe+PCu)/ (P2+ PFe+PCu)

　　=1-( PFe+β2PCuN)/(βSNcosφ2+PFe+β2PCuN)

　　變壓器zui大效率計(jì)算公式如下：

　　ηm=1-2 PFe/(βcosφ2+2PFe)。

五、變壓器效率測(cè)試

　　變壓器效率測(cè)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(duì)功率測(cè)量準(zhǔn)確度影響很大（詳見(jiàn)銀河文庫(kù)“不同功率因數(shù)下相位誤差對(duì)功率測(cè)量準(zhǔn)確度的影響”），建議變壓器效率測(cè)試采用高精度的互感器及變頻功率分析儀或DT數(shù)字變送器等低角差的測(cè)量?jī)x器。