变压器负载运行的物理过程

负载运行是变压器最基本的运行状态。变压器负载运行是指原绕组接入电源电压，副绕组接负载时的工作状况。这时变压器的副边也有电流流通，原边的输入电流与空载相比相应增大，副边端电压将受到负载的影响而发生变化。

一、负载运行的物理过程

1、 变压器空载运行时，铁芯中的主磁通仅由原绕组的空载电流I0产生，主磁通在原绕组的感应电势E1近似与外加电压U1平衡、主磁通在副绕组的感应电势E2等于副边端电压U 2 。在U1和f保持一定时，空载电流I0恰能产生维持这种电势平衡所需要的主磁通φ m 。

2、 如上图所示，当副绕组ax端接上负载阻抗ZL后，在电势E2的作用下，副边便有电流I2流过。I2也将产生磁势I2N 2 ，主磁通φm以及E1和E2随之变化，从而打破空载时的平衡状态。因为外加电压U1为常数，为了保持U1与-E1的平衡，抵偿副边磁势的影响，原绕组便从电源多取得一些电流，使原边电流由I0增为I 1 ，这时原边磁势I1N1除了平衡副边磁势I2N2外，恰好产生负载时所需的主通φ m 。即变压器负载时的主磁通φm实际上是由原、副边的合成磁势(I1N 1 +I2N 2 )所产生的。此外，由原、副绕组磁势各自产生的原、副绕组漏磁通φ1δ和φ 2δ ，将在各绕组中分别感应出漏磁电势E1δ和E 2δ 。除上述各种感应电势外，原、副边电流I1和I2还将在各自绕组的电阻上引起电压降I1r1和I 2r2 。

为了维持变压器负载时主磁通为所需值，由副边电流产生的磁势I2N 2 ，必须被原边增加的电流产生的磁势所抵消。因此原边磁势I1N1应包括两部分，即I1N 1 =I0N 1 +(-I2N 2 )

上式说明原绕组磁势包括两部分，第一部分I0N1为励磁分量，用以产生负载时的主磁通φ m ；第二部分-I2N2是因负载而产生的分量，用以抵消副绕组的磁势对主磁通的影响。

可将上式改写为: I1N 1 +I2N 2 =I0N1或I 1 =I 0 +(-I2N 2 /N 1 )

变压器负载时产生主磁通φm的磁势I0N1为原、副绕组磁势的向量和，或者说I0N1是负载时原、副绕组的合成磁势。负载时原绕组的电流I1由两个分量组成，一个是励磁分量I 0 ，用以产生铁芯中的主磁通；另一个是负载分量-I2N 2 /N 1 ，用其所产生的磁势抵消副边磁势对主磁通的影响。

3、 在额定负载时，空载电流I0只占原绕组电流I1的百分之几，故上式中的I0可以略去不计，则有I 1 ≈-I2N 2 /N1

式中负号表示I1和I2的相位相反,两个电流不能同时为正或同时为负,即副绕组的磁势是被原绕组的磁势所平衡。若只考虑I1和I2的数值关系，则有I 1 /I 2 =N 2 /N 1 =1/k

上式表明变压器原、副绕组的电流与原、副绕组的匝数成反比。这说明变压器有变换电流的作用。

考虑到U 1 /U 2 ≈N 1 /N 2 =K，于是U1I 1 =U2I 2 。

如果忽略变压器的内部损耗，则原边输入功率等于副边输出功率。

二、负载运行的技术参数

1、电流比

在额定负载时，空载电流I0只占原绕组电流I1的百分之几，可以略去不计，I 1 =I 0 +(-I2N 2 /N 1 )便可近似地写为I 1 =-I2N2/N1

若只考虑I1和I2的数值关系，则有I 1 /I 2 =N 2 /N 1 =1/k

上式表明变压器原、副绕组的电流与原、副绕组的匝数成反比。

2、阻抗电压

短路试验时，使短路电流为额定值而加于原绕组的电压值U K =I1NZK称为阻抗电压，也称短路电压。阻抗电压一般都以额定电压的百分比表示，即

U^ ^ K =U K /U 1N ×100%或U^ ^ K =I1NZ K /U 1N ×100%

阻抗电压中与电流同相的分量，称为电阻电压U kr ，与电流相差90°的分量，称为电抗电压U kx 。它们也都用额定电压的百分比表示，即

U^ ^ K~~r =I1Nr K /U 1N ×100%、U^ ^ K~~x =I1Nx K /U 1N ×100%

阻抗电压的大小标志着额定负载时变压器内部压降的大小，并反映短路电流的大小。阻抗电压值取决于变压器的结构。从正常运行的角度考虑，要求变压器的阻抗电压应小一些，以降低运行中输出电压的变动和能量的损耗；从限制短路电流的角度考虑，则希望短路阻抗大一些。但阻抗电压过大或过小，都会增加制造成本。因此，变压器阻抗电压应有一个适当的数值。一般中小型变压器的阻抗电压值为4%～10.5%，大型变压器为12.5%～17.5%。阻抗电压的两个分量都与变压器容量有关: Ukr随容量增大面减小，Ukx则随容量增大而增大。阻抗电压中电抗电压所占比重较大，U kr /Ukx之值，中小型变压器在1～5的范围内，大型变压器可达10～15。

3、负载损耗

当变压器副绕组端头短路而流经原绕组的短路电流为额定值时，变压器从电源吸取的功率全部供给原、副绕组铜耗PCu和铁芯损耗P Fe ，这一功率损耗与变压器在额定负载状态下的损耗相当，故称为负载损耗(也称短路损耗), 用Pk表示。由于短路时外施电压很低，铁芯中的主磁通也很小，铁芯损耗可以略去不计 因此可认为负载损耗Pk等于额定负载时的铜损耗P Cu 。负载损耗为P k≈PCu =UkI1Ncosφ K =I^2^1Nrk

4、电压调整率

负载电流变化，变压器副边端电压将随着发生变化。电压调整率是变压器在负载时副边端电压变化程度的一种度量。假定变压器原边接电源电压，副边开路时的端电压为额定值，当副边接入负载后，即使原边电压保持不变，副边端电压也将不再是额定值。原边电压保持为额定值，负载功率因数为常数，空载和负载的副边端电压之差与副边额定电压的比值，即电压变化的标幺值称为电压调整率，用△U^ ^表示，即 △U^ ^=(U 20 -U 2 )/U2N

式中U20为副边空载电压；U2为某一负载时的副边端电压。

电压调整率是变压器的主要性能指标之一。负载电流变化时副边端电压变化的原因，是变压器内部存在电阻和漏抗而引起内部电压降。副边电压的变化程度△U^*^的大小，不仅同变压器本身的阻抗有关，而且与负载的大小和性质有关。

5、变压器效率

变压器输出有功功率P2与输入有功功率P1的百分比称变压器效率，用η表示，即η=P 2 /P 1 ×100%。

变压器输入有功功率与输出有功功率之差是变压器的功率损失，即铁耗PFe和铜耗PCu之和，所以P 1 =P 2 +P Fe +P Cu ，η=P~2~/(P~2~+P~Fe~+P~Cu~)×100%

变压器是静止电器，没有机械损耗，所以效率很高，一般为90%以上，大容量变压器可达97%左右。当变压器输出功率为零时，效率也为零；当输出功率增大，则效率加大,当效率达到最大值，如继续增大变压器输出功率,效率就会下降。这是因为在一定电压下，变压器的铁损是个常数，当输出功率较小时，因铁损不随负载变化，则变压器效率就低。又因为变压器的铜损与负载的电流平方成正比，当负载电流增加到一定程度，由于铜损增加的速度更快，故输出功率达一定值时，变压器的效率随负载的增加而又降低。用数学分析方法可以证明,当铜损和铁损相等时,变压器的效率最高。