深入理解变压器中的励磁电抗

深入理解变压器中的励磁电抗江春冬;贾海朋;张萍;张雪萍【摘要】从磁场和电感两个角度分析了变压器中励磁电抗参数，得出的结论使相关人员在理解励磁电抗对变压器运行性能的影响时更加清晰.【期刊名称】《实验室科学》【年(卷)，期】2013(016)002【总页数】2页(P4-5)【关键词】变压器;励磁;电抗;等效电路【作者】江春冬;贾海朋;张萍;张雪萍【作者单位】河北工业大学控制科学与工程学院，天津300130【正文语种】中文【中图分类】TM47在〃电机学”或〃电机与拖动基础”课程中，分析〃变压器”一节空载情况下的电动势平衡方程和等效电路时，为了方便，引入了这样的一个参数:励磁阻抗Zm。励磁阻抗可以表示成励磁电阻和励磁电抗二部分，励磁电阻反映变压器铁心发热的损耗，励磁电抗反映铁心的磁化性能。深入理解励磁电抗对理解变压器的运行是有一定帮助的。1理论分析参考相关教材和文献，我们知道，励磁阻抗Zm可表示成[1-2]:Rm为励磁电阻，Xm为励磁电抗。Zm、Rm、Xm与其它参数间的关系为：Im为励磁电流，pFe为铁心损耗。这样，我们可以把空载时的变压器等效成二个线圈串联的电路，其中一个是没有铁心的线圈，由变压器一次绕组的电阻R1和一次绕组的漏电抗X1表示，X1表征了漏磁通对电路的电磁效应，该线圈阻抗表示成:Z1=R1+jX1，另一个是带铁心的线圈，阻抗为Zm=Rm+jXm，这样处理后，单相变压器空载运行时的等效电路可如图1所示［1,3］。由于漏磁通所经过的路径大多是非铁磁物质，磁导率为常数，可以认为漏磁通路径是线性的，所以R1和X1是常量，而Rm和Xm因铁心中存在发热和饱和现象，故它们都是变量，是虚拟值。Rm还比较容易理解，它表征铁心发热而消耗有功功率的一个参数，Xm表征铁心磁化性能的一个综合参数，随铁心饱和程度的增加而减小。尽管实际应用中，由于我们要求电源电压变化范围不大，所以把Zm视为常值，但Zm毕竟是随着铁心的发热和损耗的变化而变化的。深入了解参数变化对Zm的影响，特别是对Xm的影响，对理解变压器的运行是有一定帮助的。那么，Xm究竟是一个什么样的物理量，其值的大小与哪些因素有关?对变压器的磁场又会产生什么样的影响呢？当不考虑铁耗时，由主磁通产生的一次侧感应电动势可以表示为［1］：图1变压器空载运行时的等效电路磁路一定时，F=N1Im=emRk，代入上式［4-5］，有:上面诸式中，Rk代表磁路的磁阻，八k=1/Rk为磁路的磁导，fl为一次侧电源频率。可见，励磁电抗与电源频率、一次侧绕组匝数的平方和磁导成正比。根据励磁电抗性质，同时，我们也可以将励磁电抗表示成励磁电感的形式［4-5］。那么，线圈的电感又与什么有关呢？从大学物理或电路课，我们可以知道，线圈中自感的表达式有二个［6-8］:L=N-^/I或L=E/(dI/dt)，其中，①、E、I分别为流经线圈的磁通，线圈感应电动势和流过线圈的电流［3］。前一个表达式反应的是自感计算的根本。我们以此再来推导一下变压器的Lm或Xm。A为铁心面积，l为磁路等效长度，B和H为线圈中的磁密和磁场强度，□为材料磁导率。2结论有了前面的说明和推导，根据式(1)~(4),我们可以得到如下结论。引入的励磁电抗Xm是表征变压器磁场一个参数，它与铁心材料的性质、铁心面积和磁路的等效长度都有关系。在选择铁磁材料及变压器铁心结构时，如果不考虑其它因素，我们希望选择的铁心能够使Xm大些，这样，当我们需要激发同样大小的磁通时，就可以选择较小的励磁电流Im。如果对同样的铁心结构，抽去铁心，用空气代替铁心，励磁电抗Xm将大大减小，这是因为真空磁导率较铁磁材料的磁导率低很多［9-10］。也可以理解由于空气的磁导率小，磁阻大，激发相同的磁场就需要更大的励磁电流，因此Xm大大减小。⑷当绕组匝数增加时，其它条件不变，Xm也会增加，增加的数量可用Xm与匝数的平方成正比来计算。⑸当铁心截面积增加时，其它条件不变，Xm也会增加，增加的比例与截面积增加的比例相同。(6)当磁路的有效长度增加时，其它条件不变，Xm会减小，因为Xm与磁路的有效长度成反比。⑺当电源频率增加时，其它条件不变，Xm会增加，因为Xm与电源频率成正比。上述论断是假设磁路不完全饱和时得出的，如果考虑饱和，变化趋势不变，只是量值上可能会有所不同。参考文献(References)"1]顾绳谷.电机及拖动基础(第4版，上册)[M].北京：机械工业出版社，2008:64-73.付茂林，彭志华.大学物理(下册)[M].武汉:华中科技大学出版社，2009.:85-94.申洪，宋敬江.大学物理[M].北京:北京航空航天大学出版社，2010:133-143.[3]孙文斗.如何理解自感系数的二种定义[J].延边大学学报(自然科学版)，2003,29(4):255-256.[5]郭硕鸿.电动力学(第三版)[M].北京:高等教育出版社，2008:29-33.[2]袁佑新，王亚兰，彭万全，等.基于可变电抗的高压软起动器研究[J].电力自动化设备，2007,27(11):38-41.[9]常雨芳，袁佑新，徐艳，等.电力电子电抗器拓扑结构与阻抗变换分析[J].电力电子技术，2012,46(2):21-22,29.[8]张宇.新型变压器可控电抗器技术研究[D].武汉:华中科技大学，2009:18-32.[10]阎治安，程少华，李利，等.可控电抗器及其在异步时机软起动器中的应用[J].防爆电机，2008,43(5):26-28.[6]Tor