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变压器运用实例教程:变压器调压时电路性能的变化

2020-9-25 09:49:00  181 变压器 电路设计 功率
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变压器调压
我们在有关变压器的一系列系列文章中看到,当变压器的初级绕组通电时,它会产生次级电压和电流,次级电压和电流的大小取决于变压器的匝数比(TR)。因此,如果单相变压器的降压匝数比为2:1,并且将240V电压施加到高压初级绕组上,则我们希望在次级绕组上看到120 VAC的输出端电压,因为我们假设成为理想的变压器。
但是,在现实世界中,绕线磁路并不总是正确的,所有变压器都遭受由I 2 R铜损和磁芯损组成的损耗,这会使理想的次级值降低117 VAC,并且降低了百分之几。这个是正常的。但是,还有另一个与变压器(和电机)有关的值,当变压器提供全功率时,该值也会对该次级电压值产生影响,这称为“调节”。

单相变压器的电压调整率是在变化的次级负载条件下,其次级端子电压相对于其原始空载电压的变化百分比(或每单位值)。换句话说,调节确定由于变压器连接的负载的变化而在变压器内部发生的次级端子电压的变化,从而如果这些损耗很高并且次级电压变得太低,则会影响其性能和效率。
当无负载连接到变压器次级绕组时,即其输出端子开路,则不存在闭环条件,因此不存在输出负载电流(IL  = 0),并且变压器充当高自感的单绕组。注意,空载次级电压是固定初级电压和变压器匝数比的结果。
用简单的负载阻抗给次级绕组加载会导致次级电流以任何功率因数流过变压器的内部绕组。因此,由于绕组的内阻导致电压下降,并且其泄漏电抗导致输出端子电压发生变化。
从一个无负载状态其次级端电压之间的变压器电压调节变化时,我大号 = 0,(开路)到全负载状态下,当我大号 = I MAX(最大电流)对于恒定的初级电压被给定为:
变压器电压调整率的分数变化



请注意,此电压调整率以无负载端子电压的分数或单位变化表示时,可以通过以下两种方式之一进行定义:电压调整率下调(Reg down)和电压调整率上调(Reg up)。也就是说,当负载连接到次级输出端子时,端子电压下降,或者当移除负载时,次级端子电压上升。因此,变压器的调节将取决于将哪个电压值用作参考电压,负载或空载值。
我们还可以将变压器电压调节表示为空载条件和满载条件之间的百分比变化,如下所示:
变压器调压百分比变化



因此,例如,如果单相变压器具有100伏的空载开路端子电压,并且在施加连接的负载时相同的端子电压降至95伏,则变压器的电压调整率应为0.05或5 %(((100 – 95)/ 100)* 100%)。因此,变压器的电压调节率可以表示为空载电压的单位变化值或百分比变化值。

变压器调压示例No1
500VA,10:1单相降压变压器的初级绕组由恒定的240Vrms电源供电。当连接到1.1Ω阻抗时计算变压器的百分比调整率
给出的数据:VA = 500,TR = 10:1,V P = 240V,Z S =1.1Ω,找到%Reg。


因此,V S(空载)  = 24伏


因此,VS(满载)  = 23.45伏


然后,为变压器计算的下调百分比为:2.29%,或四舍五入为2.3%

变压器调压示例2
电压调整率为4%的单相变压器在满载电流下的次级端子电压为115.4伏。计算除去负载时的空载端电压。


然后我们可以看到,所连接负载的变化使变压器的端电压在其“空载”电压和“满载”电压之间发生变化,从而使变压器电压调节功能成为变压器的外部功能。因此,无论负载电流值是多少,电压调节百分比越低,变压器次级端子的电压越稳定。如果连接的负载是纯电阻性的,则电压降会较小。因此,理想的变压器将具有零电压调节,即V S(满载)等于V S(空载),因为损耗为零。
因此,我们现在知道,变压器的电压调整率是其满载电压和空载电压之间的差值,该差值可以表示为比率或百分比(%)值。但是,为什么次级电压会随着负载电流的变化而变化或下降。

变压器有载
当变压器的次级绕组提供负载时,由于叠层铁心的绕组的电阻率,在铁心中会产生电磁铁损,而在绕组中会产生铜损,这对初级绕组和次级绕组都是如此。

这些损耗会在变压器绕组中产生电抗和电阻,从而提供一个阻抗路径,次级输出电流(I S)必须流经该阻抗路径,如图所示。
由于次级绕组由电阻和电抗组成,因此在变压器绕组中必须发生一定量的内部压降,具体取决于有效阻抗和所提供的负载电流(欧姆定律状态):V = I * Z 。
然后我们可以看到,随着次级负载电流的增加,变压器绕组内下降的电压也必须增加,并且对于恒定的初级电源电压,次级输出电压因此必须下降。
次级绕组的阻抗(Z)是其电阻(R)和泄漏电抗(X)的相量之和,每个组件上产生的压降不同。然后,我们可以将次级阻抗以及空载和满载电压定义为:


因此,次级绕组的空载电压定义为:
V S(空载)   = E S
其满载电压定义为:
V S(满载)   = E S  – I S R – I S X
或V S(满载)   = E S  – I S(R + jX)
∴V S(满载)   = E S  – I S * Z
显然,我们可以看到,变压器绕组由串联的电抗和电阻组成,两者的负载电流相同。由于电压和电流对于电阻是同相的,因此,以I S R 给出的电阻两端的电压降必须与次级电流I S “同相” 。
然而,在纯电感器具有感抗,X 大号电流滞后90 ö以便跨越给定为我的电抗的电压降小号 X角度Φ导致当前大号作为其一个感性负载。
由于次级绕组的阻抗Z是电阻和电抗的相量之和,因此它们各自的相角为:


当V = I * Z时,次级阻抗两端的电压降为:
V 降   = I S(RcosΦ+XcosΦ)
且当V S(满负载) = V S(空载) – V drop时,百分比调节可表示为:
滞后功率因数表达式



对于cos(Φ)和sin(Φ)之间的正调节表达式,变压器的次级端子电压将降低(下降),表明功率因数滞后(感性负载)。对于cos(Φ)和sin(Φ)之间的负调节表达式,变压器的次级端子电压将增加(上升),表示超前的功率因数(容性负载)。因此,对于超前和滞后负载,变压器的调节表达式都是相同的,只是其变化表示电压上升或下降的符号。
领先的功率因数表达



因此,正调节条件在次级绕组内产生电压下降(下降),而负调节条件在绕组内产生电压上升(上升)。尽管领先的功率因数负载不像电感性负载(线圈,螺线管或扼流圈)那么常见,但是以小电流向轻负载供电的变压器可能会遇到电容性条件,从而导致端子电压升高。

变压器调压示例3
一个10KVA单相变压器可提供110伏的空载次级电压。如果等效次级绕组电阻为0.015Ω,并且其总电抗为0.04Ω,则在向功率因数滞后0.85的负载供电时,请确定其电压调节率。
给出的数据:VA = 10000,V S(空载) = 110V,R =0.015Ω,X =0.04Ω,找到%Reg。
如果COSφ= 0.85,Φ= COS -1(0.85)= 31.8 Ô    ∴sinΦ= 0.527
次级电流定义为:
I S  = VA / V = 10000/110 = 90.9安培
电压调节百分比为:

  

变压器调压汇总
在此有关变压器电压调节的教程中,我们已经看到,当变压器次级绕组加载时,其输出电压会发生变化,并且该电压变化可以表示为比率,或更常见的是表示为百分比值。在空载情况下,没有次级电流,这意味着次级电压处于最大值。
但是,在满载时,次级电流流动会在绕组内产生铁芯损耗和铜损耗。铁芯损耗是由于初级绕组电压产生的变压器磁路而引起的固定损耗,而次级绕组的铜损耗是与连接到次级绕组的负载电流需求有关的可变损耗。然后,负载电流的变化将导致损耗的变化,从而影响调节。变压器的电压调节越小,次级端子电压随负载变化的变化就越小,这在调节电源电路中非常有用。
我们还说过,对于滞后的功率因数(感性负载),次级端子电压将降低。如果变压器提供的滞后功率因数非常低,则大的次级电流将流过,由于绕组中的压降更大,导致电压调节不良。领先的功率因数(容性负载),输出端子电压将上升。因此,正调节在绕组中产生电压降,而负调节在绕组中产生电压上升。虽然不可能具有零电压调节条件(仅理想变压器),但是当绕组的铁芯损耗和铜损耗大致相等时,通常会出现最小调节,因此通常会产生最大效率。



王栋春 2020-9-25 22:38:00
跟着楼主一起了解一下变压器的相关知识
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