有载变压器和无载变压器的区别有哪些
出处:网络整理 发布于:2025-09-04 17:13:35
一、定义
无载运行
定义:变压器侧(初级绕组)接入额定电压和额定频率的交流电源,而二次侧(次级绕组)开路,不接任何负载的运行状态。
俗称:空载运行。
类比:就像一台插着电但处于待机模式的电视机,它本身消耗少量电能(待机功耗),但并没有执行播放节目的主要功能。
有载运行
定义:变压器侧接入电源,二次侧接上负载阻抗,电路闭合,有电流流过并向负载输送电能的运行状态。
类比:同样是那台电视机,现在你按下开关,开始播放节目。它从电网汲取更多的电能,并将其转换为光、声、热。
二、主要区别对比
为了更直观,我们用一张表格来总结区别:
对比维度无载(空载)运行有载运行
二次侧状态开路($I_2 = 0$)接通负载($I_2 > 0$)
侧电流很小,主要为励磁电流 $I_0$(约占额定电流的2%-6%)较大,为负载电流 $I_1$ 与励磁电流 $I_0$ 的矢量和,主要由负载大小决定
能量转换不传递有功功率,只消耗少量能量用于产生磁场和铁损传递有功功率,将侧的电能传递到二次侧供给负载
功率因数很低(通常0.1-0.2),因为主要是感性的励磁电流较高,接近负载的功率因数(如感性负载时,cosφ<1)
损耗主要来源铁损(磁滞损耗和涡流损耗)铜损(绕组电阻热损耗)和铁损
输出电压$U_2 = U_{2N}$(等于额定电压)$U_2 < U_{2N}$(由于内部阻抗压降,电压下降)
主要用途试验测量(空载试验测铁损和励磁参数)、电网无功补偿正常工作的主要状态,完成电能的传输和电压变换
三、深入解析
1. 磁动势和主磁通
无载:侧只有很小的励磁电流 $I_0$ 来建立主磁通 $\Phi_m$,从而在一、二次绕组中感应出电动势 $E_1$ 和 $E_2$。
有载:二次侧有电流 $I_2$ 流过,$I_2$ 会产生一个磁动势 $F_2 = I_2 N_2$,这个磁动势试图改变主磁通 $\Phi_m$。根据楞次定律,它的作用是削弱主磁通。
2. 电压变化
无载:由于没有电流,不存在内部阻抗压降,因此输出电压 $U_2$ 等于感应电动势 $E_2$,即额定电压。
有载:当电流 $I_2$ 流过变压器内部的漏阻抗(电阻和漏抗)时,会产生电压降。因此,输出电压 $U_2$ 会低于感应电动势 $E_2$,且随着负载的增加而下降。电压变化率($\Delta U% = \frac{U_{2N}-U_2}{U_{2N}} \times 100%$)是变压器的一个重要性能指标。
3. 能量平衡关系
无载:从电网吸收的功率(空载功率 $P_0$)全部用于补偿自身的损耗,即铁损 $P_{Fe}$ 和绕组的微小铜损 $I_0^2 R_1$(可忽略)。故有 $P_0 \approx P_{Fe}$。空载试验的目的就是测量铁损。
有载:从电网吸收的有功功率 $P_1$,一部分用于补偿铁损 $P_{Fe}$ 和铜损 $P_{Cu}$($I_1^2R_1 + I_2^2R_2$),剩下的全部传递给负载,即输出功率 $P_2$。关系为:$P_1 = P_2 + P_{Fe} + P_{Cu}$。
总结与启示
本质区别:无载运行是变压器的“准备”或“待机”状态,其存在是为了建立传递能量的磁场;有载运行则是其“工作”状态,真正实现了电能的传输和变换。
工程意义:
变压器不允许长期空载运行,因为功率因数极低,会对电网造成无功冲击,是一种不经济的运行方式(俗称“大马拉小车”)。
变压器的效率在有载运行时才是一个重要指标,$\eta = \frac{P_2}{P_1} \times 100%$。效率在负载为额定容量的50%~75%时通常。
通过空载试验和短路试验可以测出变压器的参数(铁损、励磁特性、铜损、阻抗电压等),这些参数是评估变压器性能和质量的关键。
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