变压器设计原则的探讨

2011-08-15文琦

科学之友 2011年8期

关键词：磁通电势绕组

文琦

（桂林天湖水利电业设备有限公司，广西桂林 541213）

目前，我国电力变压器市场的发展非常迅速。变压器对其可靠性、安全性要求也越来越高，文章详细阐述变压器在电力系统、供用电系统等各大系统中的重要性，如进行变压器设计原则探讨、变压器工作原理等。

1 变压器的工作原理以及技术数据

1.1 变压器的工作原理

电力变压器是用来改变交流电压大小的电气设备。它根据电磁感应的原理，把某一等级的交流电压变换成另一等级的交流电压，以满足不同负荷的需要。因此，变压器在电力系统和供用电系统中占有重要的地位。共同的磁路部分一般用的是硅钢片做成的，称之为铁心。双绕组变压器。双绕组变压器工作原理是把接到交流电源的绕组称之为原绕组，而把接到负荷（也称负载）的绕组称之为副绕组，有时把原绕组称为原边或初级，把副绕组称为副边或次级。

变压器副绕组的电压不等于原绕组的电压，若副边电压大于原边绕组电压，则该变压器称为升压变压器，若副边电压小于原边绕组电压，则该变压器称为降压变压器。在工程上也常把电压高的绕组称为高压绕组，电压低的绕组称为低压绕组。

1.2 变压器的数据支持

变压器的各项技术数据基本可分为额定电压组合、额定电压比、冷却方式、重量和尺寸等。其中重量和尺寸（铁芯、绕组、绝缘结构、油箱、绝缘套管）这些基本就构成了变压器的全部的数据支持。每个数据缺一不可，环环相扣。使得变压器在工作运行当中能够安全可靠地对电流进行变压的作用。

2 变压器的设计原则

2.1 变压器的工作设计分析

2.1.1 变压器空载运行

空载运行是变压器的一种极限运动状态。变压器的空载运行，是指原绕组接入电源电压，副绕组开路，副绕组里没有电流的最简单的运行情况。在同一支路内，电压与电流的正方向一致；磁通正方向与电流正方向之间符合右手螺旋关系；感应电动势与磁通之间满足电磁感应定律。电量方向规定：电压u1与电流I0同方向，磁通Ф正方向与电流I0正方向符合右手螺旋定则。电势e与I0电流的正方向相同。由于磁通在交变，根据电磁感应定律，电势公式及电势平衡方程式推导。空载时，主磁通Ф在1次侧产生感应电势E1，在2次侧产生感应电势E2，1次侧的漏磁通Φ1σ在1次侧漏抗电势E1σ。这就是电机学最重要的4.44公式。说明感应电势E1与磁通Φm/频率f/绕组匝数N成正比。以上推导涉及到的电磁量均为正弦变化，可以用相量来表示。用相量表示时应同时考虑有效值和相位。感应电势 E在相位上滞后于磁通Φ90 °。E1σ＝－jX1σI0考虑到1次侧绕组的电阻压降后，其电势平衡方程为：

U1＝－E1－E1σ＋R1I0＝－E1＋jX1σI0＋R1I0＝－E1＋I0Z11 次侧无电流，故：E2＝U2对于1次侧来说，电阻压降和漏抗压降都很小。所以 U1≈－E1＝4.44fN1Φm，可见变压器的磁通主要由电源电压U1/频率f/和1次侧绕组的匝数N1决定。在设计时，若电压U1和频率f给定，则变压器磁通由匝数N1决定。

用一个阻抗（Rm＋jXm）表示主磁通Φ对变压器的作用，用另一个阻抗（R1＋jX1σ）1次侧绕组电阻 R1和漏抗 X1σ的作用，即可得到空载时变压器的等效电路。R1和X1σ受饱和程度的影响很小，基本上保持不变。Rm和Xm随着饱和程度的增大而减小，在实际应用中要注意到这个结论。变压器正常工作时，由于电源电压变化范围小，铁心中主磁通的变化不大，励磁阻抗Zm也基本不变。变压器，其磁通Φ可以由电压U1和频率f控制。

2.1.2 变压器的负载运行

负载运行是变压器最基本的运行状态，变压器的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情况。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，副边的端电压将受到负载的影响而发生变化，这是负载运行与空载运行的主要区别。变压器负载运行基本电磁过程：负载后，2次侧电流产生磁势F2＝N2I2，该磁势将力图改变磁通Φ，而磁通是由电源电压决定的，也就是说Φ基本不变。要维持Φ不变，1次绕组的电流将由原来的 I0变为I1。I1产生磁势F1＝I1N1，F1与F2共同作用产生Φ，F1＋F2的作用相当于空载磁势F0，也即励磁磁势Fm。负载后，1次侧绕组中的电流由两个分量组成，一个是其负载分量 I1L，另一个是产生磁通的励磁分量I0，I1L产生的磁势与2次侧电流产生的磁势大小相等，方向相反，互相抵消。在满载时，I0只占I1L的2%～8%，有时可将I0忽略，即：I1＋I2/k＝0，I1/I2＝1/k。这就是变压器的变流作用，只有在较大负载时才基本成立，用此原理可以设计出电流互感器。

2.2 变压器的设计原则

变压器作为产品，有商品的属性特点。变压器的设计原则与其他商品属性基本一致。在完成功能中追求价格优势是最佳的。不过在当今强调降低成本的同时，设计成为了一大难题。“节能不节钱”引发的思考，值得大家来深思。所以企业单位团体应该设计出更加完美的变压器。轻便、小巧，最重要的是性能俱佳、成本不高。如此的变压器设计得到越来越多的广大市场的青睐和追求。

公司在确定出产品中有的非常详尽。例如列出了变压器的工作频率、传输功率。这种双赢的行为值得其他企业和单位的学习和效仿。不过在推出产品的同时也要考虑到其产品的实践，能否经得起市场的考验，才能在茫茫市场群体中站住脚。

总之，变压器是一种产品，设计原则最好追求价格占优原则为最佳。在设计的同时一定要考虑到能否经得起市场的考验。实践是检验真理的唯一标准，只有经受住考验，才能在市场中立于不败之地。

3 我国变压器的发展趋势

目前，在网运行的部分高能耗配电变压器已不符合行业发展趋势，面临着技术升级、更新换代的需求，未来将逐步被节能、节材、环保、低噪声的变压器所取代。

3.1 未来市场前景广阔

现今变压器还未达到饱和状态，发展前景非常广阔，对于如何宣传、推广、销售变压器成为了当下政府部门和企业单位的一大课题。首先技术必须过硬。其次企业规模、软硬件条件、远期规划也要摆到明面上，才能被市场接受。

3.2 市场潜力巨大

现今社会对于变压器的需求越来越大。各大、中、小城市；城乡、学校的用电也在不断地加大。变压器的种类繁多：如特种变压器、互感器、干式变压器、互流变压器等。只有通过优胜劣汰、不断更新、不断扩大变压器的种类和性能，才能不断的挖掘出市场的潜力和需求。只有不断的改善价格比和性能比、不断的改善技术、加大科技、资金的投入，时刻与我国政府相关部门通力合作，了解市场政策和趋势，才能在变压器市场上得到稳定的发展。