简述变压器负载和空载的特性区别

作为静态设备，变压器的效率范围可高达98%至99%，但理想变压器与实际变压器完全不同。由于绕组电阻、漏磁通等损耗的存在，实际变压器的性能可能会偏离理想状态。

所以需要将所有这些影响都被考虑在内，以评估变压器在负载或空载时的性能。本文将简单介绍变压器在负载条件下和空载条件下的区别以及行为特性。

空载时的理想变压器

尽管没有变压器是理想的，但变压器在其设计的操作期间接近其理想特性。理想变压器没有初级和次级绕组电阻。初级产生的全部通量都与次级相连，因此没有漏磁通。

此外，由于磁芯的磁导率无限大，它承载着无限量的磁通量而不会进入饱和状态。磁芯的涡流和磁滞损耗被忽略。当这种理想变压器空载运行时，次级电流为零（次级端子开路），具体如下图所示：

当初级被电压为V₁的电源激励时，初级绕组汲取电流I₁以在铁芯中产生必要的磁通量。该电流称为磁化电流 I_m。由于绕组是纯电感的，绕组电阻为零。

由于这种纯电感，磁化电流 I_m滞后电源电压V₁ 90度。该电流I_m非常小，并产生与电流I_m同相的交变磁通量。

该磁通量与初级和次级绕组都相连，并在各自的绕组中产生EMF E₁和E_{2 。}根据楞次定律，这些感应EMF与电源电压V₁（这是产生EMF的原因）相反，因此，E₁与V₁大小相等，但与V₁反相。

类似地，E₂与V₁反相，但其幅度取决于次级线圈的匝数，即N₂。因此，EMF E₁和E₂都与V₁异相但彼此同相。输入到变压器的功率是初级电压和电流以及它们之间的余弦角的乘积。

这里初级电压和初级电流（或磁化电流）之间的相位角为90度。余弦90为零，因此输入功率为零。这是因为在空载下，次级或输出功率为零，并且由于理想情况，损耗也为零。因此，空载时理想变压器的输入功率为零。

负载时的理想变压器

考虑到理想变压器已加载并且负载的性质是感性的，因此输出或次级电流滞后于输出或次级端电压V₂一个角度 Φ，如下图所示。该次级电流I₂产生与铁芯中的主磁通相反的次级磁通。所以N₂I₂被称为去磁安匝数（mmf）。

为了减少次级磁通对主磁通的影响，初级吸取额外的电流I₁ '，该电流称为电流的负载分量。安匝数N₁I₁'平衡N₂I₂安匝数，因此净通量保持不变。电流I_1'与I₂方向相反，其大小由I₁'=N₂/N₁×I₂决定。

由于零电阻压降，在次级E₂中感应的EMF等于V₂并且方向相同。

空载时实际变压器

由于铁芯的有限磁导率、有限的绕组电阻和两个绕组中的漏磁通等各种原因，实际变压器与理想变压器不同。当铁芯受到交变磁通时，铁芯中会产生涡流和磁滞损耗。

这些被称为铁损或铁损。实际变压器的初级绕组具有一定的电阻，因此初级铜损也很小。所以，实际变压器运行时，需要初级电流来供给铁芯和绕组损耗。

因此空载电流由两部分组成。第一个组件是磁化组件Im，它负责在铁芯中产生必要的磁通量。另一个组件是有源或磁芯损耗组件Ic，它提供磁芯中的总损耗。所以初级电流：

I_o = I_m + I_c

由于实际变压器中的绕组电阻，空载电流Io不再滞后电压90度。因此，Io比电压 V₁滞后一个角度Φo，因此不存在负载功率因数，如下图所示：

从上面的相量图中，可以得到：

• 空载电流的磁化分量，I_m=I_osinΦo
• 空载电流的铁损分量，I_c=I_ocosΦo
• 空载电流大小，I_o=√ (I²_m+I²_c )

其中Φo初级电压和电流之间的空载角。

空载总输入功率W_o=V₁×I_o×cosΦo。

需要注意的是，对于设计良好的变压器，初级的空载电流约为额定或满载电流的3%至5%。由于绕组电阻小，铜损小到可以忽略不计。因此，空载运行的实际变压器的功率输入代表了变压器中的铁损，并且在所有负载条件下都是恒定的。

W_o=V₁×I_o×cosΦo=铁损

负载时实际变压器（没有绕组电阻和漏抗）

当负载连接到变压器时，次级电流开始流过负载。根据次级连接的负载，次级电流I₂的大小和相位会发生变化。

在阻性负载的情况下，I₂与V₂同相，如果是感性负载，则I₂滞后于V₂，对于容性负载，I₂超前于V₂。由于次级磁力势N₂I₂，次级电流I₂在铁芯中建立了磁通量 Φ2。

该次级磁通量与磁化元件产生的主磁通量相反。mmf称为退磁安培匝数。由于这种相反的通量，在初级E₁中感应的EMF会减少。由于向量差V₁ – E1的增加，初级从电源汲取更多电流。这种额外的电流消耗是由负载引起的，因此称为初级电流I2'的负载分量。

该负载分量电流与I₂反相并产生磁通Φ₂' 以抵消Φ₂的影响。因此，mmf N₁I₂'平衡了mmf N₂I₂。因此，变压器中的净磁通量是恒定的，这就是变压器也被称为恒磁通机的原因。

从以上分析可以得出：

• N₁I₂'=N₂I₂
• I₂'= (N₂/N₁)I₂
• I₂'= KI₂

因此，变压器在负载下的初级电流 I₁有两个分量。第一个是空载电流Io，它同时具有磁化分量Im和磁芯损耗分量_Ic。该初级电流以Φo 角滞后于电源电压。其他电流是电流I₂'的负载分量，与次级电流I₂反相。该电流的相位由所连接负载的性质决定。

需要注意的是，上述说明忽略了实际变压器中的各种压降，例如电阻压降和漏抗压降。因此，E₂与V₂相同。以上三个图为变压器在不同负载下运行的相量图。初级电流I₁是电流Io和I₂'的矢量和。对于感性负载，次级电流I₂滞后V₂角度Φ2。在阻性负载中，I₂与E₂同相；在容性负载中，I₂超前E₂角度Φ2。

负载时实际变压器（带有绕组电阻和漏抗）

实际使用的变压器绕组具有一定的电阻。初级和次级绕组的这些电阻不仅导致各自绕组中的电压降I₁R₁和I₂R₂，而且还导致欧姆损耗I₁²R₁和I₂²R₂。

当电流流过初级I₁时，绕组电阻会导致电压降I₁R₁并且因此在初级中感应的EMF不再等于电源电压V_1，因此E₁=V₁ – I₁R_1。

类似地，由于次级绕组中的I₂R₂压降，次级中感应的EMF不会出现在负载端子上。因此，V₂=E₂–I₂R_2。

在以上两个等式中，减法应该以矢量方式进行。这些压降是纯电阻性的，因此它们是同相的相应电流。

此外，在实际变压器中，除了连接初级和次级绕组的互通或有用磁通之外，完成通过空气的路径并单独与各自绕组连接的一小部分磁通称为漏磁通。初级漏磁通由电流 I₁ 产生，仅与初级绕组相连。而次级漏磁通由电流I₂产生，只与次级绕组相连。这些漏磁通会在各自的绕组中引起自感应EMF E_2 。

因此，要在初级中产生E_1，电源电压必须克服初级中的自感应EMF。类似地，为了产生次级端电压V₂，感应电动势E₂必须克服由于漏磁通引起的次级自感应电动势。这些EMF被视为与绕组串联的虚拟电抗上的电压降或电抗降。因此，I₁X₁是初级电抗压降，I₂X₂是次级电抗压降。

这样，变压器的基本电压方程变为：

E₁=V₁– I₁R₁– jI₁X₁

V₂=E₂ –I₂R₂–jI₂X₂

因此，通过考虑漏抗和绕组电阻的影响，变压器可以可视化如下图所示。

此外，变压器中的初级电流不需要负载电流来维持铁芯中的互通量以及响应铁芯损耗。在空载等效情况下，带负载的实际变压器如下图所示。这也称为变压器的等效电路。

下图显示了带负载运行的变压器的相量图。次级电流I₂滞后于负载电压V₂一个角度Φ2，因此负载的功率因数为cosΦ2。次级侧的压降I₂R₂与次级电流同相，而I₂X₂压降相对于电流I₂超前90度。通过将这些压降添加到V₂ ，可以得到如下图所示的感应二次EMF E _{2 。}

I₂'是流过初级的电流，对应于次级电流I₂。Io是空载电流，它同时具有I_m和I_c分量。因此，初级中流动的总电流是I₂'和Io的相量和。–E₁是初级感应电动势，它是90度的磁头。

初级绕组电阻压降I₁R₁与_I1同相，漏压降 I₁X ₁相对于 I₁超前90度。因此，通过添加–E ₁并降低I₁R₁和I₁X₁，可以得到电压V1，如相量图中所示。

总结

众所周知，变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心（磁芯）。所以，变压器空载运行与负载运行的区别主要体现在次级线圈中，变压器负载运行次级线圈接负载，产生功率大，空载运行次级线国开路，产生功率小。

另外需要注意的是，变压器在理想情况下和实际使用时也是有区别的，在实际使用过程中效率会有所降低。