电力变压器的工作原理

1、电力变压器的基本物理量

当电力变压器连接到电源系统时，接收电网电能的一侧通常称为电源侧绕组，也称为二次绕组。输出电能与电力负荷连接的一侧称为负载侧绕组，也称为二次绕组。为了解释变压器的工作原理，首先介绍以下物理量：

Uи——变压器一次侧额定电压值；

Uи——变压器二次侧额定电压值；

E——侧感应电势；

E——二次侧感应电势；

I——侧绕组中的一次电流；

I——二次侧负载电流；

N——侧绕组匝数一次；

N——二次侧绕组匝数；

Φм——铁芯主磁通极大值；

Iо——变压器励磁电流；

Z——变压器一次侧阻抗；

Z——二次侧阻抗变压器；

Po——变压器空载损失；

Ｐｓс——变压器短路损失；

∫——电源频率；

S——变压器功率。

对于三绕组变压器，变压器一侧物理量加注符号1次侧加注2、低压侧加注3或用小写字母表示。

二、单相变压器的工作原理

电力变压器是一种改变电压和传输电力的电器。其一侧与电源连接，电源电压接收电网中的电能；二次侧为输出端，与电气设备连接，从电源中提供电力负载。电路与磁路的关系如图5所示 - 1所示。

当一个侧绕组连接到电源时，在额定电压的作用下，一个工作频率为50Hz交流电，交变电流建立相同频率的正弦波交变磁通，在铁芯中形成磁路，同时通过变压器的一、二侧绕组。当电压保持不变时，铁芯中的磁通也保持不变，即主磁通。变压器二次开启时，即变压器处于空载状态，绕组流过的电流为空载电流，空载电流与变压器绕组匝数N的乘积，即IN是变压器的主磁势侧。

根据电磁感应原理，当变化的磁通量通过线圈时，可以产生感应电势。由于磁通量同时通过套在同一铁芯上的两组绕组，在变压器一次绕组中产生感应电势E，二次绕组两端产生感应电势E，如果变压器一次绕组连接负载，负载电流I载电流I就会流过，这样变压器就会将从电源中接收的电力传输到负载，输出电能，这是变压器的基本工作原理。

1.变压器的空载状态

如果变压器只接通电源侧，二次负载不接通电路，则变压器的二次电流I=0,这种工作状态就是变压器的空载运行状态。根据愣次定律，如果励磁电流太小可忽略，则绕组的一次压降IZ变压器一次侧的感应电势也可以忽略不计E 与电源电压相等，方向相反，有以下电压平衡关系：U=-E、U=E

根据电磁感应定律，感应电势的值取决于磁通的变化率，因此有以下关系：

、

感应电势按正弦规律变化的有效值等于其极大值√2，所以，有

变压器的一次电压与二次电压之比称为电压比(简称变比)，即

所以

因此，变压器的变比是指变压器空载时一次电压与二次电压之比，即一次绕组匝数与二次绕组匝数之比。

2.变压器的负载状态

如果变压器二次电路连接，在变压器二次绕组端电压的作用下，流过负载的电流I是变压器的负载电流，这取决于二次负载阻抗Z。

变压器具有负载电流，可以改变变压器芯中的磁通量。负载电流I和变压器二次绕组匝数N的乘积为二次侧磁势。这种磁位对铁芯中磁通量的作用是去磁。它减少了主磁通量，从而相应减少了一次绕组中的感应电位。电源电压U与感应电势E之间存在差，在此差值电压的作用下，增加了一次绕组中的电流I。此时，一次绕组中的电流不仅是励磁电流，还增加了平衡二次去磁势的电流I（二次负载电流转换为变压器一侧的电流值）以保持铁芯中的主磁通量不变。二次负载电流越大，电流I越大，即一次电流I越大。因此，变压器通过电磁原理将电源的电能传输给负载。一般变压器空载电流I只占额定电流的2% - 如果忽略励磁电流，变压器就会有磁平衡：IN=IN

其中,I包含I和//I。

由此可知

因此，变压器一次电流与二次电流之比等于二次匝数与一次匝数之比，即变比K的倒数。

3.变压器短路试验

变压器的另一种工作状态是变压器的短路工作状态。当变压器一侧接入额定电压，二次侧接入负载阻抗小（接近零）时，变压器的短路工作状态，如焊机和电弧炉变压器，根据短路工作状态设计。如果电力变压器处于正常负载状态 在运行过程中，二次负载阻抗突然变小，甚至等于零。这种状态称为变压器的突然短路态。变压器的突然短路将在一次和二次绕组中产生比正常额定电流大得多的短路电流。短路电流的热作用和电力作用可以使变压器超过允许的值，并使变压器被强大的电力烧毁和损坏。因此，需要连接各种保护装置，如熔断器、继电保护和温度保护，以保护变压器不会因短路而损坏。

为了进一步掌握变压器短路，我们通过对变压器的短路试验获得了一些必要的技术参数。变压器短路试验的接线如图所示（a）所示。

调整变压器一次侧电压，使一次绕组中的电流I在二次绕组短路状态下的值等于一次绕组中的额定电流，称为短路电压Usc

变压器铭牌上的阻抗电压，就是变压器短路电压与额定电压比值的百分数，即

在实际工作中，变压器短路电压也称为短路阻抗或阻抗电压百分比，因为当变压器通过额定电流I时，变压器一侧绕组两端的电压降至

因此，将短路电压除以额定电流，可以得到变压器绕组的电阻值，即

短路试验时，功率表测量的值称为铜损，通常将测量数据转换为75℃变压器铭牌上标有时间值。