变压器及双绕组变压器的工作原理.docx
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变压器及双绕组变压器的工作原理
中文翻译
变压器
1.介绍
要从远端发电厂送出电能，必须应用高压输电。
因为最终的负荷，在一些点高电压必须降低。
变压器能使电力系统各个部分运行在电压不同的等级。
本文我们讨论的原则和电力变压器的应用。
2.双绕组变压器
变压器的最简单形式包括两个磁通相互耦合的固定线圈。
两个线圈之所以相互耦合，是因为它们连接着共同的磁通。
在电力应用中，使用层式铁芯变压器（本文中提到的）。
变压器是高效率的，因为它没有旋转损失，因此在电压等级转换的过程中，能量损失比较少。
典型的效率范围在92到99%上限值适用于大功率变压器。
从交流电源流入电流的一侧被称为变压器的一次侧绕组或者是原边。
它在铁圈中建
立了磁通©,它的幅值和方向都会发生周期性的变化。
磁通连接的第二个绕组被称为变压器的二次侧绕组或者是副边。
磁通是变化的；因此依据楞次定律，电磁感应在二次侧产生了电压。
变压器在原边接收电能的同时也在向副边所带的负荷输送电能。
这就是变压器的作用。
3.变压器的工作原理
当二次侧电路开路是，即使原边被施以正弦电压Vp,也是没有能量转移的。
外加电压在一次侧绕组中产生一个小电流Ie0这个空载电流有两项功能：
（1）在铁芯中产生电磁通，该磁通在零和一©m之间做正弦变化，©m是铁芯磁通的最大值；
（2）它的一个分量说明了铁芯中的涡流和磁滞损耗。
这两种相关的损耗被称为铁芯损耗。
变压器空载电流Ie—般大约只有满载电流的2%—5%因为在空载时，原边绕组中的铁芯相当于一个很大的电抗，空载电流的相位大约将滞后于原边电压相位9000显然
可见电流分量Im=Iosine0，被称做励磁电流，它在相位上滞后于原边电压Vp90Oo就
是这个分量在铁芯中建立了磁通；因此磁通©与Im同相。
第二个分量le=l°sin90,与原边电压同相。
这个电流分量向铁芯提供用于损耗的电流。
两个相量的分量和代表空载电流，即
I0=Irn+Ie
应注意的是空载电流是畸变和非正弦形的。
这种情况是非线性铁芯材料造成的。
如果假定变压器中没有其他的电能损耗一次侧的感应电动势曰和二次侧的感应电
压Es可以表示出来。
因为一次侧绕组中的磁通会通过二次绕组，依据法拉第电磁感应定律，二次侧绕组中将产生一个电动势E,即E=N^©/△to相同的磁通会通过原边自身，产生一个电动势E-正如前文中讨论到的，所产生的电压必定滞后于磁通90o,因此，
它于施加的电压有180o的相位差。
因为没有电流流过二次侧绕组，E.=VSo一次侧空载
电流很小，仅为满载电流的百分之几。
因此原边电压很小，并且Vp的值近乎等于丘。
原
边的电压和它产生的磁通波形是正弦形的；因此产生电动势Ep和E.的值是做正弦变化
的。
产生电压的平均值如下
即是法拉第定律在瞬时时间里的应用。
它遵循
2%
Eavg=N=4fN©m
1/（2f）
其中N是指线圈的匝数。
从交流电原理可知，有效值是一个正弦波，其值为平均电压的
1.11倍；因此
E=4.44fN©m
因为一次侧绕组和二次侧绕组的磁通相等，所以绕组中每匝的电压也相同。
因此
Ep=4.44fNp©m
并且
Es=4.44fNs©m
其中N和Es是一次侧绕组和二次侧绕组的匝数。
一次侧和二次侧电压增长的比率称做变比。
用字母a来表示这个比率，如下式
EpNp
a==-
EsNs
假设变压器输出电能等于其输入电能一一这个假设适用于高效率的变压器。
实际上我们是考虑一台理想状态下的变压器；这意味着它没有任何损耗。
因此
或者
V）IpxprimaryPF=VsIsxsecondaryPF
这里PF代表功率因素。
在上面公式中一次侧和二次侧的功率因素是相等的；因此
从上式我们可以得知
Ep
Es
它表明端电压比等于匝数比，换句话说，一次侧和二次侧电流比与匝数比成反比匝数比可以衡量二次侧电压相对于一次恻电压是升高或者是降低。
为了计算电压，我们需要更多数据。
终端电压的比率变化有些根据负载和它的功率因素。
实际上，变比从标识牌数据获
得，列出在满载情况下原边和副边电压。
当副边电压Vs相对于原边电压减小时，这个变压器就叫做降压变压器。
如果这个电压是升高的，它就是一个升压变压器。
在一个降压变压器中传输变比a远大于1（a>1.0），同样的，一个升压变压器的变比小于1（a<1.0）o当a=1时，变压器的二次侧电压就等于
起一次侧电压。
这是一种特殊类型的变压器，可被应用于当一次侧和二次侧需要相互绝缘以维持相同的电压等级的状况下。
因此，我们把这种类型的变压器称为绝缘型变压器
显然，铁芯中的电磁通形成了连接原边和副边的回路。
在第四部分我们会了解到当
变压器带负荷运行时一次侧绕组电流是如何随着二次侧负荷电流变化而变化的。
从电源侧来看变压器，其阻抗可认为等于Vp/Ipo从等式也=上望互望a
VsIsEs
中我们可知Vp=aVs并且Ip=Is/a。
根据Vs和Is，可得Vp和Ip的比例是
Vp_aVs_aS
IpIs/aIs
但是Vs/Is负荷阻抗Zl,因此我们可以这样表示
2
Zm（primary）=aZl
这个等式表明二次侧连接的阻抗折算到电源侧，其值为原来的a倍。
我们把这种折算方
式称为负载阻抗向一次侧的折算。
这个公式应用于变压器的阻抗匹配。
4.有载情况下的变压器
一次侧电压和二次侧电压有着相同的极性，一般习惯上用点记号表示。
如果点号同在线圈的上端，就意味着它们的极性相同。
因此当二次侧连接着一个负载时，在瞬间就有一个负荷电流沿着这个方向产生。
换句话说，极性的标注可以表明当电流流过两侧的线圈时，线圈中的磁动势会增加。
因为二次侧电压的大小取决于铁芯磁通大小©0,所以很显然当正常情况下负载电
势E.没有变化时，二次侧电压也不会有明显的变化。
当变压器带负荷运行时，将有电流Is流过二次侧，因为H产生的感应电动势相当于一个电压源。
二次侧电流产生的磁动势NIs会产生一个励磁。
这个磁通的方向在任何一个时刻都和主磁通反向。
当然，这是楞次定律的体现。
因此，NJs所产生的磁动势会使主磁通©0减小。
这意味着一次侧线圈中的磁通减少，因而它的电压Ep将会增大。
感应电压的减小将使外施电压和感应电动势之间的差值更大，它将使初级线圈中流过更大的电流。
初级线圈中的电流Ip的增大，意味
着前面所说明的两个条件都满足：
（1）输出功率将随着输出功率的增加而增加
（2）初级线圈中的磁动势将增加，以此来抵消二次侧中的磁动势减小磁通的趋势。
总的来说，变压器为了保持磁通是常数，对磁通变化的响应是瞬时的。
更重要的是，在空载和满载时，主磁通©0的降落是很少的（一般在）1至3%其需要的条件是E降落很多来使电流Ip增加。
在一次侧，电流Ip'在一次侧流过以平衡Is产生的影响。
它的磁动势Mlp'只停留在一次侧。
因为铁芯的磁通©0保持不变，变压器空载时空载电流Io必定会为其提供能量。
故一次侧电流Ip是电流Ip与Io的和。
因为空载电流相对较小，那么一次侧的安匝数与二次侧的安匝数相等的假设是成立的。
因为在这种状况下铁芯的磁通是恒定的。
因此我们仍旧可以认定空载电流I0相对于满载电流是极其小的。
当一个电流流过二次侧绕组，它的磁动势（NJs）将产生一个磁通，于空载电流Io产生的磁通©o不同，它只停留在二次侧绕组中。
因为这个磁通不流过一次侧绕组，所以它不是一个公共磁通。
另外，流过一次侧绕组的负载电流只在一次侧绕组中产生磁通，这个磁通被称为一次侧的漏磁。
二次侧漏磁将使电压增大以保持两侧电压的平衡。
一次侧漏磁也一样。
因此，这两个增大的电压具有电压降的性质，总称为漏电抗电压降。
另外，两侧绕组同样具有阻抗，这也将产生一个电阻压降。
把这些附加的电压降也考虑在内，这样一个实际的变压器的等值电路图就完成了。
由于分支励磁体现在电流里，为了分析我们可以将它忽略。
这就符我们前面计算中可以忽略空载电流的假设。
这证明了它对我们分析变压器时所产生的影响微乎其微。
因为电压降与负载电流成比例关系，这就意味着空载情况下一次侧和二次侧绕组的电压降都为零。
直流发电机
1.介绍
对于所有实际目的来说，直流发电机仅用于特殊场合和地方性发电厂。
这个局限性是由于换向器要把发电机内部的电压整流为直流电压，因此使大规模直流发电不能实行。
结果，所有大规模生产的电能都以三相交流电的形式生产和分配。
今天固态转换器的应用使交流变直流成为可能。
而且，直流发电机的操作特性一直重要，因为大部分的理论能被应用到所有其它机器上。
2.励磁绕组连接
对于一个有四个电极的机器其电刷和励磁绕组的一般布置如图1所示。
四个电刷安
在换向器上，正极电刷和A1端子相连，负极电刷和A2端子相连。
正如在草图中所示，电刷被放置在电极下接近中间的位置，它们与线圈相接触，这些线圈产生很少或不产生电动势，因为它们边被安在电极之间。
图1四极发电机模型
四个励磁磁极通常串联在一起，并且它们的末端与标注F1和F2的端子相连。
它们
这样连接是为了交替产生N,S极。
直流发电机的类型以励磁绕组提供的方式来划分。
一般来说，用来连接励磁绕组和电枢绕组的方式可归结为以下几组（看图2）:
图2直流发电机励磁连接：
（a）它励发电机；（b）自励，自并励；（c）串励发电机；（d）
复励发电机，短并励连接；（e）复励发电机，长并励连接
1它励发电机，励磁绕组被连接到一个独立的直流供电源上。
2•自励发电机，它们可以进一步划分为：
（a）并励发电机，励磁绕组和转子端部相连。
（b）串励发电机，励磁绕组以串联方式和转子绕组相连。
（c）复励发电机，励磁由一个并联和串联的复合绕组提供。
并联绕组包括很多匝相对较细的细线，它们只能承载一个较小的电流，仅为额定电流的很小一个百分比。
另一方面，串联绕组有很少匝粗线，因为它和转子串联，因而承载较重的电流。
在讨论直流发电机端部特性之前，让我们测试一下发电机在空载时的电压和励磁电流之间的关系。
发电机电动势和每个电极的磁通及发电机给定的转速成正比，即，EG=kn
©,通过控制让转速为定值，可以显示出电势EG直接依赖于磁通，在实际的发电机上测试这种依赖关系并不是非常实际的，因为它要牵涉到磁通的测量。
磁通由励磁线圈的安培匝数产生；磁通必需依赖于励磁电流的大小，因为励磁线圈的匝数是恒定的。
这种关系并不是线性的，因为在励磁电流达到某一个值后将出现磁饱和，EG对励磁电流If的
变化关系可以磁化曲线或开路特性曲线来表示，对于这台给定以恒速运转的发电机，没有带负载电流，并且它的励磁是它励方式。
If从0逐渐增大到一个适宜的值，使发电机机端电压达到额定电压以上，并测量相
对应If的每个机端电压EG的值，产生的曲线入图3所示，当If=0时，即励磁回路为开路，由于剩磁，测量到一个很小的电压Er，随着励磁电流的增大，产生的电动势线性地增大到磁化曲线的拐点处，过了这个点以后，增大励磁电流逐渐引起磁路饱和。
图3它励支直流发电机的磁化曲线或开路特性曲线
这意味着使电压达到一定值时需要一个更大的励磁电流。
因为产生的电压EG也直接与转速成比例，因此一旦这条曲线确定，对于任何其它速度,这条磁化曲线能被描出来，这仅仅要求依照
EG'=EG*n/n
在这条曲线上所有点进行调整。
3.电压调整
让我们进一步考虑在发电机上增加一个负载的情况。
因为电枢绕组上有电阻，所以机端电压将要下降，除非采取一些措施保持它恒定，显示机端电压随负载电流变化关系的曲线被叫做负载特性曲线或外特性曲线。
图4（a）直流它励发电机负载特性；（b）电路图
图4显示了它励发电机的外特性，机端电压下降主要是因为电枢电阻RA,即卩Vt=EG-IARA此处Vt是机端电压，IA是发电机带负载时的电枢电流（或负载电流）。
另一个导致机端电压下降的因素是由于电枢反应而导致磁通的减少。
电枢电流建立一
个磁动势，这个磁动势使主磁通发生畸变，导致弱磁效应，这种情况尤其在无附加磁极机器上表现更为突出，这种效应叫做电枢反应。
正如图4所示，因为铁心的非线形，机端电压对于负载电流并没有成线形下降。
由于电枢反应依赖于电枢电流，使得曲线呈下倾特性。
4.并励或自并励
并励发电机的并励励磁绕组电枢绕组平行连接，以便机器本身提供它的自己的励磁，正如图5所示。
电压的建立正如所说的，在励磁磁极中要有剩磁。
通常，假如发电机以前已经用过，将会有剩磁存在。
我们已经在第三部分中看到假如励磁没连上的话如果发电机已经以某速度运转，因为有剩磁将要有小的电压Er产生，这个小的电压将提供给并励绕组并驱动一个小的电流从励磁回路中流过，假如在并励绕组中的这个小的电流的方向正好使剩磁减弱，则这个电压将接近于零，机端电压不能建立。
这种情况下这个弱化主磁极的磁通与剩磁抵消。
假如关系是这样：
弱化主磁极的磁通助增了剩磁通，导致电压变的更大，这反过来意味着更大的电压提供给了主励磁，机端电压快速增大一个常值，这个建立的过程易看成是渐增的，然后更大的增大了励磁电流，它反过来又增大了电压，等。
这个过程终止于一个有限的电压值的原因是磁路的非线性。
这个电路仅有直流电流，以致励磁电流仅依赖于励磁回路的电阻Rf,这可能由励磁绕组电阻加上与它相串联的可变电阻Rin组成。
对于一给定值的励磁回路电阻Rf，按照欧姆定律，励磁电流依赖于所产生的电压。
应该是明显的，在一台新机器上或一台闲置了很常时间已经失去剩磁的机器上，必须要建立磁场，通常做法是通过连接励磁绕组到一独立直流电源上几秒钟，这个过程正是快速建立励磁。
总之，阻止电压建立有四种条件，发电机电压极性取决于转动的方向，假如一台发电机在其它条件都满足的情况下不能建立电压，那肯定是电刷的极性反了，可以通过颠倒转动方向来解决，颠倒方向后关于剩磁通的主磁极性也将颠倒，假如现在电压还不能建立，它意味着主励磁和剩磁是对立的。
串励发电机
正如前面提到的，串励发电机的励磁绕组和电枢绕组串联因为它承载负荷电流，因此励磁线圈仅由几匝细导线。
空载时，仅有剩磁，机端电压小，当加上负载时，磁通增加，机端电压也增加，图7显示了串励发电机在某转速运转时的负载特性，虚线指示同
台机器电枢开路且它励情况下所产生的电动势，这两条曲线的差值简直就是在串励绕组
和电枢绕组上的IR的压降，例如，
Vt=EG-IA（RA+RS）
此处，RS是串励绕组电阻
图7串励发电机：
（a）电路图；（b）负载特性
复励发电机有一个并励和一个串励励磁绕组，后者在并励绕组的顶部，图8显示
了这个电路图，这两个绕组通常这样连接是为了使它们的安培匝数在相同方向，正因为如此，这种发电机被称作积复励。
图8的并联连接被称作长复励。
假如并励绕组直接和电枢端部连接在一块，这种连接被称作短复励，实际中这种连接很少应用，因为和满负荷电流相比，并励绕组承载的电流小，此外串励绕组匝数少，这意味着它的电阻也小，在满负荷时在它上面所对应的电压降是最小的。
图9曲线仅仅反映了并励绕组外特性，正如所示随着一个小串励绕组的增加，机端压降随负荷增加而减小，这样的发电机被称作欠复励，通过增加串励匝数，空载和满载时机端电压能够相等，这种发电机被称作平复励。
假如串励匝数比需要的多些以补偿电压降，这种发电机被称作过复励，在这种情况下，满载电压比空载时还高。
Ze（aEdiO
过复励可能被用于负荷与发电机存在一定距离的场合，在馈电线上的电压降随着负
载增加而得到补偿。
颠倒和并励相对应的串励绕组的极性时，励磁将彼此抵消，且随着负荷电流的增加而尤为突出，这样的发电机被称作差复励，它被用于负荷可能发生或接近短路的场合，例如，馈电线可能断线或短接发电机，不过短路电流仍被限制在一个安全的值，这种类型的发电机的外特性也显示在图9中。
因为复励发电机的外特性能被设计的有很广的变化范围，故这种发电机比其他类型的有更广的用途。
正如插图中所示，在复励合适的角度下，满载时机端电压能被保持在空载时的值上。
电压控制的其他方法是可变电阻的使用，。
例如，装在励磁回路上。
不过，随着负荷的变化，要求恒定调节可变电阻来保持电压。
一个更有用的现在普遍使用的东西是用一台发电机电压自动调节装置，在本质上，电压调节器是一个反馈控制系统，发电机输出的电压能够被感知并于一个固定的参考电压相比较，任何输出电压只要偏离参考电压，就将发出一误差信号，并送入功率放大器,而这个功率放大器提供励磁电流，假如误差信号为正，例如，输出电压大于设定电压，则功率放大器蒋减小它的电流驱动，如此，直到偏差信号减小为零。
ENGLISHORIGINALTEXT
TRANSFORMER
〔.INTRODUCTION
Thehigh-voltagetransmissionwasneedforthecaseelectricalpoweristobeprovidedatconsiderabledistaneefromageneratingstation.Atsomepointthishighvoltagemustbereduced,becauseultimatelyismustsupplyaload.
Thetransformermakesitpossibleforvariouspartsofapowersystemtooperateatdifferentvoltagelevels.Inthispaperwediscusspowertransformerprinciplesandapplications.
2.TOW-WINDINGTRANSFORMERS
Atransformerinitssimplestformconsistsoftwostationarycoilscoupledby
amutualmagneticflux.Thecoilsaresaidtobemutuallycoupledbecausetheylinkacommonflux.
Inpowerapplications,laminatedsteelcoretransformers（towhichthispaper
isrestricted）areused.Transformersareefficientbecausetherotationallossesnormallyassociatedwithrotatingmachineareabsent,sorelativelylittlepowerislostwhentransformingpowerfromonevoltageleveltoanother.Typicalefficienciesareintherange92to99%,thehighervaluesapplyingtothelargerpowertransformers.
Thecurrentflowinginthecoilconnectedtotheacsourceiscalledtheprimarywindingorsimplytheprimary.Itsetsuptheflux©inthecore,whichvariesperiodicallybothinmagnitudeanddirection.Thefluxlinksthesecondcoil,calledthesecondarywindingorsimplysecondary.Thefluxischanging;therefore,itinducesavoltageinthesecondarybyelectromagneticinduction
inaccordaneewithLenz'slaw.Thustheprimaryreceivesitspowerfromthe
sourcewhilethesecondarysuppliesthispowertotheload.Thisactionisknownastransformeraction.
3.TRANSFORMERPRINCIPLES
WhenasinusoidalvoltageVisappliedtotheprimarywiththesecondaryopen-circuited,therewillbenoenergytransfer.TheimpressedvoltagecausesasmallcurrentI0toflowintheprimarywinding.Thisno-loadcurrenthastwofunctions:
（1）itproducesthemagneticfluxinthecore,whichvaries
sinusoidallybetweenzeroand±©mwhere©misthemaximumvalueofthecore
flux;and
（2）itprovidesacomponenttoaccountforthehysteresisandeddycurrentlossesinthecore.Therecombinedlossesarenormallyreferredtoasthecorelosses.
Theno-loadcurrentIeisusuallyfewpercentoftheratedfull-loadcurrent
ofthetransformer（about2to5%）.Sineeatno-loadtheprimarywindingacts
asalargereactaneeduetotheironcore,theno-loadcurrentwilllagtheprimaryvoltagebynearly90o.Itisreadilyseenthatthecurrentcomponent
Im=IoSineo,calledthemagnetizingcurrent,is90oinphasebehindtheprimaryvoltageVp.Itisthiscomponentthatsetsupthefluxinthecore;©is
thereforeinphasewithIm.
Thesecondcomponen
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