变压器效率特性的分析与优化

1.变压器的损耗

变压器在能量传递过程中会产生损耗。变压器的损耗主要包括铁损耗和原、副绕组的铜损耗两部分。由于无机械损耗，故其效率比旋转电机高，一般中、小型电力变压器效率在95%以上，大型电力变压器效率可达99%以上。

（1）铁损耗pFe。变压器的铁损耗主要是铁芯中的磁滞和涡流损耗，它决定于铁芯中磁通密度大小、磁通交变的频率和硅钢片的质量。另外还有由铁芯叠片间绝缘损伤引起的局部涡流损耗、主磁通在结构部件中引起的涡流损耗等。

变压器的铁损耗与一次侧外加电源电压的大小有关，而与负载大小无关。当电源电压一定时，变压器主磁通基本不变，其铁损耗也就基本不变了，故铁损耗又称之为“不变损耗”。

（2）铜损耗pCu。变压器的铜损耗主要是电流在原、副绕组直流电阻上的损耗，另外还有因集肤效应引起导线等效截面变小而增加的损耗以及漏磁场在结构部件中引起的涡流损耗等。

变压器铜损耗的大小与负载电流的平方成正比，即与负载大小有关，所以把铜损耗称为“可变损耗”。

可见，变压器总损耗为

2.变压器的效率

变压器效率是指变压器的输出功率P2与输入功率P1之比，用百分数表示，即

变压器效率的大小反映了变压器运行的经济性能的好坏，是表征变压器运行性能的重要指数之一。

由式（1.57）可知，变压器的效率可用直接负载法通过测量输出功率P2和输入功率P1来确定。但工程上常用间接法来计算变压器的效率，即通过空载试验和短路试验，求出变压器的铁损耗pFe和铜损耗pCu，然后按下式计算效率：

由前面分析可知：

（1）额定电压下的空载损耗P0等于铁损耗pFe，而铁损耗不随负载而变化，即pFe=P0=常值。

（2）额定电流时的短路损耗pkN等于额定电流时的铜损耗pCuN，而铜损耗与负载电流的平方成正比，即可得到

（3）变压器的电压变化率很小，负载时U2的变化可不予考虑，可认为U2≈U2N，于是输出功率

式（1.59）和式（1.60）中，β=I2/I2N为负载系数。

把式（1.59）和式（1.60）代入式（1.58）得到

对于已制成的变压器，P0和pkN是一定的，所以效率与负载大小及功率因数有关。

3.变压器的效率特性

在功率因数一定时，变压器的效率与负载系数之间的关系η=f（β），称为变压器的效率特性曲线，如图1.25所示。

图1.25　变压器效率特性曲线

从图1.25可以看出，空载时，β=0，P2=0，η=0；随着负载增大，效率增加很快；当负载达到某一数值时，效率最大，然后负载继续增大时，效率开始降低。这是因为随负载的增大，铜损耗按β的平方成正比增大，因此超过某一负载之后，铜损耗增大快，效率随β的增大反而变小了。

将式（1.61）对β取一阶导数，并令其为零，得变压器产生最大效率的条件：(www.xing528.com)

式中：βm为最大效率时的负载系数。

式（1.62）说明，当铜损耗等于铁损耗，即可变损耗等于不变损耗时，效率最高。将βm代入式（1.62）便可求得最大效率ηmax

由于电力变压器长期接在电网上运行，总有铁损耗，而铜损耗却随负载而变化，一般变压器不可能总在额定负载下运行，因此，为提高变压器的运行效益，设计时使铁损耗相对比较小些，一般取βm=0.5～0.6之间。

【例1.4】 一台三相电力变压器，SN=100kVA，U1N/U2N=6300/400V，Y，d接线，I0%=7%，P0=600W，Uk=4.5%，pkN=2250W，=0.0225，=0.039。试求：

（1）额定负载且功率因数cosφ2=0.8（滞后）时的二次端电压。

（2）额定负载且功率因数cosφ2=0.8（滞后）时的效率。

（3）cosφ2=0.8（滞后）时的最大效率。

解：（1）额定负载且功率因数cosφ2=0.8（滞后）时的二次端电压为

（2）额定负载且功率因数cosφ2=0.8（滞后）时的效率为

（3）cosφ2=0.8（滞后）时的最大效率为

小　结

电压变化率ΔU和效率η是衡量变压器运行性能的两个主要指标。电压变化率ΔU的大小反映了变压器负载运行时二次端电压的稳定性，而效率η则表明变压器运行时的经济性。ΔU和η的大小不仅与变压器的本身参数有关，而且还与负载的大小和性质有关。

习　题

（1）变压器外加电压一定，当负载（阻感性）电流增大，一次电流如何变化？二次电压如何变化？当二次电压偏低时，对于降压变压器该如何调节分接头？

（2）变压器负载运行时引起副边端电压变化的原因是什么？副边电压变化率是如何定义的，它与哪些因素有关？当副边带什么性质负载时有可能使电压变化率为零？

（3）电力变压器的效率与哪些因素有关？何时效率最高？

（4）为何电力变压器设计时，一般取P0＜pkN？如果取P0=pkN，变压器最适合带多大负载？

（5）某三相铝线变压器，SN=1250kVA，U1N/U2N=10000/400V，Y，yn0连接，室温20℃，在低压边做空载试验，测出U0=400V，I0=25.2A，p0=2405W；在高压边做短路试验，测得Uk=440V，Ik=72.17A，pk=13590W。试求：①变压器高压侧的参数并画出T形等效电路；③当额定负载且cosφ2=0.8（滞后）和cosφ2=0.8（超前）时的电压变化率、二次端电压和效率。

（6）某三相变压器的额定容量SN=5600kVA，额定电压U1N/U2N=6000/3300V，Y，d连接。空载损耗P0=18kW，短路损耗pk=56kW，试求：①当输出电流为额定电流，cosφ2=0.8（滞后）时的效率；③效率最高时的负载系数和最高效率。

综合实训

1.实训目标

三相变压器运行特性测定。

2.实训要求

做三相变压器负载实验。