理想变压器的等效电路模型
普高（杭州）科技开发有限公司 张兴柱 博士
理想变压器，是我们电路中非常熟悉的一个元件。既然图1是一个实际变压器的物理结构，那么它在理想情况下的等效电路模型又会是怎样呢？假定组成图1磁元件的铁芯具有非常大的导磁率，即μ→无穷，且由外部电流产生的全部磁场均均匀地分布在铁芯内。
(a) 方形铁芯 (b) 环形铁芯
图1： 单输出变压器的物理结构
因为：→∝μ 所以：01→=
c
m
c A l R μ 所以：02211→+i n i n 或有：
2
1
12n n i i ?= （1） 再由法拉第电磁感应定律，可得： dt d n v Φ=11 ，dt
d n v Φ
=22 故有：
1
2
12n n v v = （2） 从方程（1）和（2
），可得图1变压器在理想情况下的等效电路，如图2(a)所示。
(a) (b)
图2： 理想变压器的等效电路模型
由于方程（1）中有一个负号，故也可采用图2(b)来表示理想变压器的等效电路模型，它与图2(a)的区别是电流i 2的参考方向，在这种参考方向下，一个理想变压器满足下列电压电流关系：
2
112//n n i i =1
212//n n v v = （3）
方程组（3）就是我们在电路中看到的关于变压器元件的电压和电流关系，通过关系，可以看出，由铁芯和两个绕组组成的单输出变压器，其绕组两端的电压之比与绕组的匝数之比成正比，绕组中流过的电流之比与绕组的匝数成反比，如果将两个绕组中的一个看成是输入绕组（或原边绕组），将绕组中的另一个看成是输出绕组（或副边绕组），那么图1的变压器和其等效电路模型就可分别用图3 (a)和图3 (b)来表示，这种变压器的表示方法已被开关电源文献和书籍中所规范，所以本文及后续要介绍的文章，也将以此来表示变压器。原边或一次侧用下标p 表示，副边或二次侧用下标s 表示。因此方程组（3）将变成方程组（4）：
(a) 变压器结构 (b) 等效电路
图3： 开关电源中规范化表示的变压器
s
p p s N N i i //=p
s p s N N v v //= （4）
当变压器的副边不止一个绕组时，该变压器就是多输出变压器，多输出变压器在理想情况下的电压电流关系可以用方程组（5）表示，其中K 为副边绕组的个数。此时原边的电流，
∑==K
j sj
sj p i N i N p 1p
sj p sj N N v v //=K
j ,1= （5）
可用各副边电流折算到原边后的电流之和来计算，即)(1
sj
K
j p
sj
p i N N i ∑==
，一般情况下，各副边
的电流与负载电流有关，所以在每一副边的负载电流决定后，变压器原边的电流也就可以被决定了。
变压器总结 首先看变压器的序电抗及等值电路 1：变压器负序电抗及等值电路与正序相同 2：零序电抗及等值电路与变压器的结构以及接线方式，需要按每一种结构，每一种接线仔细分析后确定，要特别注意零序等值电路的画法 3：画变压器零序等值电路时将变压器正序等值电路中的激磁电抗Xm以零序激磁电抗Xmo代替 4：在分析经电抗接地情况时，注意接地电抗中流过的是三倍零序电流，故在等值电路中接地电抗值应以三倍表示，电阻也是三倍 电力系统各序网络的制定 对应对称分量法分析计算不对称故障时，首先必须做出电力系统的各序网络。为此，应根据电力系统的接线图，中性点接地情况等原始资料，在故障点分别施加各序电势，从故障点开始，逐步查明各序电流流通的情况。凡是某一序电流能流通的元件，都必须包括在该网络中，并用相应的序参数和等值电路表示。 例如
在这里要看懂这个复合序网图，首先分解两卷变和三卷变的各序等值电路 1：两卷 （母线端） Jx1 jx2 正序 负序 零序有四种接线方式 一：三角形连接 （母线端） Jx0 (1) f V (1)f I 1E LD
母线端 二：星行连接jx0 三：星行接地连接 Jx0 四：星形带阻抗接地 J3Xg jx0 上面的四种零序接线图简化后，就很容易整理出两两接线图 表2.1 双绕组变压器零序等值电路
同理：）三绕组变压器 jx1 jx2 三jx3绕组正（负）序等值电路 零序与二卷变一样，所以组合方式如下图 表2.2 三绕组变压器零序等值电路 等值电路图均同左图， 但Z III 应改为Z III //Z Ⅱ V :1k 图2.13 三绕组变压器正负序等值电路 3 13 3I II I I I
1.Introduction to Transformers（引言） EMTDC中使用变压器有两种方法：经典方法和统一的磁等效电路（unified magnetic equivalent circuit (UMEC)）方法。 经典方法用来模拟同一变压器铁芯上的绕组。也就是说，每一相都是独立的，各单相变压器之间没有相互作用。而UMEC方法计及了相间的相互作用：由此，可以对3相3臂或3相5臂式变压器构造进行精确的模拟。 每一模型中，铁芯的非线性特征是最基本的不同。经典模型中的铁芯饱和是通过对选定绕组使用补偿注入电流实现的。UMEC方法采用完全插值，采用分断线性化的?-I曲线来表征饱和特性。 2.Transformer Models Overview（变压器模型概述） 对电力系统进行电磁暂态分析过程中必然会出现变压器。PSCAD中有两种方法对变压器进行模拟：经典方法和UMEC方法。 经典方法仅限于单相设备，其中不同的绕组处于同一铁芯腿上。而UMEC方法，考虑到来铁芯的几何外形和相间的相互耦合因素。 除了以上的显著区别外，两种变压器模型之间最基本的区别是对铁芯非线性特性的描述。在经典模型中，非线性特性采用近似地基于“拐点”、“空心电抗”和额定电压的磁化电流曲线进行模拟。而UMEC模型则直接采用V-I曲线进行模拟。 与经典模型不同，UMEC模型没有配置在线分接头调整功能。但是，可以在指定绕组上设置分接头，不过分接头在仿真过程中不能动态调整。 3.1-Phase Auto Transformer（单相自耦变压器） 此组件基于经典方法模拟了单相自耦变压器。用户可以选择采用磁化支路（线性铁芯）或注入电流模拟磁化特性。理想情况下，可以忽略磁化支路，变压器即为理想模式，仅保留串联的漏抗。
（四）、等值电路 变压器空载时，从一次绕组看进去的等效阻抗为Z m ，有 ? -1E ＝? 0I （m m jx r +）＝? 0I Z m （3－14） Z m ＝m m jx r +；m r 称励磁电阻，是变压器铁心损耗的等效电阻，即m Fe r I p 20=；m x 为主磁通在铁心中引起的等效电抗，称为励磁电抗，其大小正比于铁心磁路的磁导。 将式（3—14）代入式（3—11）得 ? ? -=11E U +? 0I Z 1＝? 0I Z m ＋? 0I Z 1＝? 0I （Zm ＋Z 1） 相应的等值电路如图3－7所示。 例3－2 一台180kV ·A 的铝线变压器，已知U 1N ／U 2N =10000／400V ，Y ，yn 接线，铁心截面积S Fe =160cm 2，铁心中最大磁密度B m =1．445T ，试求一次及二次侧绕组匝数及变压器变比。 图3－7 变压器空载时的等值电 路
解 变压器变比 k = 2 1U U =253 /4003 / 10000= 铁心中磁通 Фm =B m S Fe =1．445 ×160×10－ 4＝231×10— 4Wb 高压绕组匝数 N 1＝1125 10 2315044.4310000 44.44 1 ＝－????= Φm f U 匝 低压绕组匝数 N 2＝4525 1125 1 == k N 匝 第三节 变压器的负载运行 当变压器一次绕组加上电源电压? 1U ，二次绕组接上负载Z L ，这时变压器就投入了负载运行，如图3—8所示。 图3－8 变压器负载运行 一、变压器负载运行时的电磁关系
变压器负载运行时，二次绕组中流过电流? 2I ，产生磁动势? 2F =? 2I N 2，由于二次绕组的磁动势也作用在同一条主磁路上，从而打破了变压器空载运行时的电动势平衡状态。变压器负载运行时，一次绕组中的电流从空载时的0? I 转变成负载时的? 1I 。变压器负载运行时，铁心中合成磁动势为? 2I N 2＋ ? 1I N 1，并由此建立主磁通Ф，同时在一次绕组二次绕组中感 应电动势?1E 和? 2E 。从空载运行到负载运行，一次侧电流由空载时的0?I 增加了??1I ＝?1I －0? I ，该增量所产生的磁动势正好与二次侧所产生的磁动势互相抵消，从而使变压器中的电磁关系重新达到平衡状态。即 ? ?1I N 1＋? 2I N 2＝0 或 ? ?1I ＝? -21 2I N N （3-15） 上式表明一次绕组从电源吸收的电功率，通过电磁感应关系传递到二次绕组并向负载输出功率。 二、基本方程式 （一）、电压平衡方程式 根据图3－8，变压器负载运行时，由于一次侧二次侧漏磁电动势的存在，由基尔霍夫定律得到以下电动势平衡方程式，即 ??-=11E U ＋j ?1I 1x ＋?1I 1r ＝－?1E +? 1I Z 1 ??-=22E U －j ?2I 2x －?2I 2r ＝?2E －? 2I Z 2 ? 2I N 2＋? 1I N 1＝? 0I N 1， 2 1 21N N E E k ==， L Z U =? 2? 2I
变压器初、次线匝数,与其输入输出电压及输出功率有关，功率大小又与硅钢片截面积有关。 第一种: 常用小型变压器每伏匝数计算公式为：N=10000/ 这里：N—每伏匝数，F—交流电频率（我国为50HZ），B—磁通密度，S——铁芯截面积 磁通密度一般因材料而异，常见的硅钢片取左右. 根据此公式，你量一下变压器磁芯尺寸，计算出截面积，就可推算出每伏匝数。知道每伏匝数后，即可方便计算出初、次线匝数了。 例如：量得一小型变器中间舌宽为2CM，叠厚为3CM，则基截面为：2*3=6（CM^2） 如用H23片，取B值为。则计算每伏匝数为： N＝10000/*50**6=（匝/伏） 如果初线接220V电源，则初线匝数=220*=（匝）取1179即可。设次级输出电源为12V，则12*=，取64匝即可，你如果是自己维修绕制，还需根据功率和电压再计算出线经大小。 第二种: 只要知道铁芯中柱的截面积、导磁率即可以计算匝数，知道功率就能计算线径。
例题： 变压器初级电压220V，次级电压12V，功率为100W，求初、次级匝数及线径。 选择变压器铁芯横截面积： S＝×根号P＝×根号100＝×10≈13(平方CM)， EI形铁芯中间柱宽为3CM，叠厚为，即3× 求每伏匝数：N＝×100000/B×S B＝硅钢片导磁率，中小型变压器导磁率在6000～12000高斯间选取，现今的硅钢片的导磁率一般在10000高斯付近，取10000高斯。 公式简化：N＝×100000/10000×S＝45/S N＝45/13≈(匝) 初、次级匝数： N1＝220×＝770(匝) N2＝12×＝42(匝) 在计算次级线圈时，考虑到变压器的漏感及线圈的铜阻，故须增加5%的余量。 N2＝42×≈44(匝) 求初、次级电流： I1＝P/U＝100/220≈(A) I2＝P/U＝100/12≈(A) 求导线直径：(δ是电流密度，一般标准线规为每M
我们知道，与一般的电流电压测量不同，磁场强度和磁感应强度的测量都是间接测量。磁场强度通过测量励磁电流后计算得到，磁感应强度是通过测量感应磁通后计算得到，参与计算的样品有效参数Le和Ae将直接与测量结果相关。 磁场强度的计算公式：H = N xI / Le 式中：H为磁场强度，单位为A/m；N为励磁线圈的匝数；I为励磁电流（测量值），单位位A；Le为测试样品的有效磁路长度，单位为m。 磁感应强度计算公式：B = Φ / (N xAe) 式中：B为磁感应强度，单位为Wb/m^2；Φ为感应磁通（测量值），单位为Wb；N为感应线圈的匝数；Ae为测试样品的有效截面积，单位为m^2。 根据样品尺寸计算样品的有效参数Le和Ae，在不同的行业中，计算方法往往不统一，这可能使测试结果缺乏可比性。 在SMTest软磁测量软件中，样品有效参数的计算依照行业标准SJ/T10281。下面以环形样品为例，讲述样品有效磁路长度Le和有效截面积Ae的计算方法。 第一种情况：指定叠片系数Sx，指定样品的外径A、内径B和高度C。 根据SJ/T10281标准，先计算样品的磁芯常数C1和C2，然后根据磁芯常数计算Le和Ae，这是严格按照标准执行的计算方法。
第二种情况：指定材料密度De和样品质量W，指定样品的外径A、内径B和高度C。 根据SJ/T10281标准，先计算样品的磁芯常数C1和C2，然后根据磁芯常数计算Le和Ae，并可推算叠片系数Sx，这是另外一种计算方法，与标准有点差别，但计算结果与标准比较接近。 第三种情况：指定材料密度De和样品质量W，指定样品的外径A和内径B，不指定样品的高度。 不按SJ/T10281标准求磁芯常数，而是按平常的数学公式来求Le和Ae。这种计算方法与标准相差较大，只有环形样品才有这种计算方法。
一、按变压器的效率最高时的负荷率βM来计算变压器容量 当建筑物的计算负荷确定后，配电变压器的总装机容量为： S=Pjs/βb×cosφ2(KVA) (1) 式中Pjs ——建筑物的有功计算负荷KW; cosφ2——补偿后的平均功率因数，不小于0.9; βb——变压器的负荷率。 因此，变压器容量的最终确定就在于选定变压器的负荷率βb。 我们知道，当变压器的负荷率为： βb=βM=Po/PKH (2) 时效率最高 式中Po——变压器的空载损耗; PKH ——变压器的短路损耗。 然而高层建筑中设备用房多设于地下层，为满足消防的要求，配电变压器一般选 用干式或环氧树脂浇注变压器，表一为国产SGL型电力变压器最佳负荷率。 表国产SGL型电力变压器最佳负荷率βm 容量(千伏安) 500 630 800 1000 1250 1600 空载损耗(瓦) 1850 2100 2400 2800 3350 3950 负载损耗(瓦) 4850 5650 7500 9200 11000 13300 损失比α2：2.62 2.69 3.13 3.20 3.28 3.37 最佳负荷率βm% 61.8 61.0 56.6 55.2 55.2 54.5 技术文章选择变压器容量的简便方法: 我们在平时选用配电变压器时,如果把变压器容量选择过大,就会形成“大马拉小车”的现象。这不仅增加了设备投资,而且还会使变压器长期处于空载状态,使无功损失增加。如果变压器容量选择过小,将会使变压器长期处与过负荷状态,易烧毁变压器。因此,正确选择变压器容量是电网降损节能的重要措施之一,在实际应用中,我们可以根据以下的简便方法来选择变压器容量。高频变压器 变压器容量本着“小容量，密布点”的原则，配电变压器应尽量位于负荷中心，供电半径不超过0.5千米。
.-电力变压器的参数与数学模型
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电力变压器的参数与数学模型 2.3.1理想变压器 对于理想变压器，假定： 绕组电阻为零；因此绕组损耗I2R为零。铁心磁导率是无穷大，所以铁心磁阻为零。不计漏磁通；即整个磁通为铁心和一次侧绕组、二次侧绕组相交链的磁通。不计铁心损耗。 图2-20双绕组变压器内部结构图2-21 双绕组变压器示意图从安培和法拉第定律知: （2-46） 磁场强度矢量Hc 为 （2-47） 其中，磁场强度、磁感应强度和磁通量的关系为 由于理想变压器铁心磁导率为无限大，则磁阻R c近似为零。 （2-48） 上式可写为： 图2-21为双绕组变压器的示意图。 （2-49） 或者 图2-21中的标记点表示电压E1和E2，在标记点侧是＋极，为同相。如果图2-21中的其中一个电压极性反向，那么E1与E2相位相差180o。 匝数比k定义如下：
理想单相双绕组变压器的基本关系为 （2-50） （2-51） 由推导可得两个关于复功率和阻抗的关系如下。图2-21中流进一次侧绕组的复功率为 （2-52） 代入（2-50）和（2-51） （2-53） 可见，流进一次侧绕组的复功率S1与流出二次侧绕组的复功率S2相等。即理想变压器没有有功和无功损耗。 如果阻抗Z2与图2-21中理想变压器的二次侧绕组相连，那么 （2-54） 这个阻抗，当折算到一次侧时，为 （2-55） 因此，与二次侧绕组相连的阻抗Z2折算到一次侧，需将Z2乘以匝数比的平方k2。 2.3.2实际双绕组变压器 1.简化条件 实际单相双绕组变压器，与理想变压器的区别如下： 计及绕组电阻；铁心磁导率为有限值；磁通不完全由铁心构成；计及铁心有功和无功损耗。 图2-22实际单相双绕组变压器的等效电路图 电阻串联于图中一次侧绕组，用于计及该绕组损耗I2R。电抗为一次绕组的漏电抗，串联于一次绕组用于计及一次绕组的漏磁通。这个漏磁通是仅与一次绕组交链的磁通的组成部分，它引起电压降落，对应且超前。漏电抗引起无功损耗。类似的，二次绕组中串联了电阻和电抗。 由于变压器铁心磁导率为有限值，式（2-48）中磁阻为非零。除以，化简后得到，
1. 理想变压器 理想变压器(ideal transformer)也是一种耦合元件，它是从实际变压器中抽象出来的理想化模型。理想变压器要同时满足如下三个理想化条件： （1）变压器本身无损耗；这意味着绕制线圈的金属导线无电阻，或者说，绕制线圈的金属导线的导电率为无穷大，其铁芯的导磁率为无穷大。 （2）耦合系数1=k ，12 1== L L M k 即全耦合； （3）21L L 、和M 均为无限大，但保持n L L =2 1 不变，n 为匝数比。 理想变压器的电路符号如图1所示， 图1 理想变压器 2. 全耦合变压器 全耦合变压器如图2所示，其耦合系数1=k ，但21L L 和是有限值。由于其耦合系数1=k ，所以全耦合变压器的电压关系与理想变压器的电压关系完全相同。即 2 121N N u u = 图2 全耦合变压器 全耦合变压器初级电流()t i 1由两部分组成，()()()t i t i t i ' +=Φ11，一部分()t i Φ称
为励磁电流，它是次极开路时电感1L 上的电流，()()ξξΦd u L t i t ?= 1 1 1；另一部分 ()t i ' 1，()()t i N N t i 21 21-='，它与次极电流()t i 2满足理想变压器的电流关系。根 据上述分析可得到图3所示全耦合变压器的模型，图中虚线框部分为理想变压器模型。 图3 全耦合变压器模型 3. 实际变压器 实际变压器的电感即不能为无限大，耦合系数也往往小于1。这就是说，它们的磁通除了互磁通外，还有漏磁通，漏磁通所对应的电感称为漏感。如果从两个线圈的电感中减去各自所具有的漏感，考虑变压器绕组的损耗，我们就可以得到一个利用全耦合变压器表示的变压器的模型，如图4 所示，其中11S M L L L -=称为励磁（或磁化）电感。 图4 实际变压器模型 若L M 足够大，则该模型可以等效为图5。 u 1－+ u 2 N 1 N 2
变压器损耗分为铁损和铜损,铁损又叫空载损耗,就是其固定损耗, 实是铁芯所产生的损耗（也称铁芯损耗,而铜损也叫负荷损耗,1 、变压器损耗计算公式 ⑴有功损耗：△ P=PO+KT B 2PK --------- ⑴ ⑵无功损耗：△ Q=QO+K"T 2QK——（2） ⑶综合功率损耗：△ PZ=A P+KQX Q ----（3） QO IO%SN Q? UK%SN 式中：Q0 ----- 空载无功损耗（kvar） P0――空载损耗（kW） PK额定负载损耗（kW） SN变压器额定容量（kVA） 10%――变压器空载电流百分比。 UK%短路电压百分比 3 ――平均负载系数 KT――负载波动损耗系数 QK额定负载漏磁功率（kvar） KQ无功经济当量（kW/kvar） 上式计算时各参数的选择条件： （1）取KT=1.05; ⑵对城市电网和工业企业电网的6kV?10kV降压变压器取系统最小负荷时，其无功当量 KQ=0.1kW/kvar; （3）变压器平均负载系数，对于农用变压器可取3 =20%;对于工业企业，实行三班制，可取 3 =75%; ⑷变压器运行小时数T=8760h，最大负载损耗小时数：t=5500h; （5）变压器空载损耗P0、额定负载损耗PK 10%、UK%见产品资料所示。 2、变压器损耗的特征 P0――空载损耗，主要是铁损，包括磁滞损耗和涡流损耗；
磁滞损耗与频率成正比; 与最大磁通密度的磁滞系数的次方成正比。 涡流损耗与频率、最大磁通密度、矽钢片的厚度三者的积成正比。 P 负载损耗，主要是负载电流通过绕组时在电阻上的损耗，一般称铜损。其大小随负载电流而 变化，与负载电流的平方成正比;（并用标准线圈温度换算值来表示）。 负载损耗还受变压器温度的影响，同时负载电流引起的漏磁通会在绕组内产生涡流损耗，并在绕组 外的金属部分产生杂散损耗。 变压器的全损耗△ P=PO+PC 变压器的损耗比=PC /P0 变压器的效率=PZ/（PZ+ △ P），以百分比表示；其中PZ为变压器二次侧输出功率。一、变损电量的计 算：变压器的损失电量有铁损和铜损两部分组成。铁损与运行时间有关，铜损与负荷大小有关。因此，应分别计算损失电量。 1、铁损电量的计算：不同型号和容量的铁损电量，计算公式是： 铁损电量（千瓦时）=空载损耗（千瓦）x供电时间（小时） 配变的空载损耗（铁损），由附表查得，供电时间为变压器的实际运行时间，按以下原则确定： （1）对连续供电的用户，全月按720 小时计算。 （2）由于电网原因间断供电或限电拉路，按变电站向用户实际供电小时数计算，不得以难计算为由，仍按全月运行计算，变压器停电后，自坠熔丝管交供电站的时间，在计算铁损时应予扣除。 （3）变压器低压侧装有积时钟的用户，按积时钟累计的供电时间计算。 2、铜损电量的计算：当负载率为40%及以下时，按全月用电量（以电能表读数）的2%计收，计算公式：铜损电量（千瓦时）=月用电量（千瓦时）X 2% 因为铜损与负荷电流（电量）大小有关，当配变的月平均负载率超过40%时，铜损电量应按月用电量的3%计收。负载率为40%时的月用电量，由附表查的。负载率的计算公式为：负载率=抄见电量/ 式中：S――配变的额定容量（千伏安）；T ――全月日历时间、取720小时； COSZ――功率因数，取0.80。 电力变压器的变损可分为铜损和铁损。铜损一般在0.5%。铁损一般在5~7%。干式变压器的变损比油侵式要小。合计变损：0.5+6=6.5 计算方法：1000KVA X 6.5%=65KVA 65KV/X 24 小时X 365 天=568400KWT度） 变压器上的标牌都有具体的数据。 变压器空载损耗空载损耗指变压器二次侧开路，一次侧加额率与额定电压的正弦波电压时变压器所吸取的功率。一般
变压器的等效电路和向量图 2009-09-26 23:16:48 标签Tag： 1224人阅读 一变压器的折算法 将变压器的副边绕组折算到原边，就是用一个与原绕组匝数相同的绕组，去代替匝数为N2的副绕组，在代替的过程中，保持副边绕组的电磁关系及功率关系不变。 二参数折算 折算前 原边 N1 U1 I1 E1 R1 X1σ 副边 N2 U2 I2 E2 R2 X2σRL XL 折算后 原边 N1 U1 I1 E1 R1 X1σ 副边 N2' U2' I2' E2' R2' X2σ'RL' XL'
变压器副绕组折算到原边后其匝数为N1，折算后的副边各量加“ ' ”以区别折算前的各量。 1 电势折算 E2'＝Фm＝E1 E2＝Фm 所以E2'/E2＝N1/N2＝k，E2＝kE2 折算前后电磁关系不变，那么铁心中的磁通不变，k为变比，也即是电势，电压折算的系数2 磁势折算 N1I2'=N2I2=I2N2/N1=I2/k 变压器折算前后副绕组磁势不变。k也为电流折算系数。 3 阻抗折算 阻抗折算要保持功率不变 折算前后副边铜耗不变 I2'I2'R2'＝I2I2R2 R2'=(I2/I2')(I2/I2')R2=kkR2 (kk)---阻抗折算系数 副边漏抗上的无功功率不变，则
I2'I2'X2σ'=I2I2X2σ X2σ'=(I2/I2')(I2/I2')X2σ=kkX2σ 负载阻抗上的功率不变，则可求出 I2'I2'RL'=I2I2RL RL'=kkRL I2'I2'XL'=I2I2XL XL'=kkXL 4 副边电压折算 u2'=I2'ZL'=(I2/k)(RL+jXL)kk=kI2（RL+jXL）=kU2三变压器的等效电路 折算后方程 U1=－E1＋I1（R1＋jX1σ） U2'=E2'－I2'（R2＋jX2σ） I1+I2'=Im≈I0 －E1=－E2=Im(Rm+jXm)=ImZm
实际变压器的等效电路模型 普高（杭州）科技开发有限公司 张兴柱 博士 实际变压器中的铁芯，其导磁率虽然很高，但并不是无限大，另外由外部电流所产生的磁场也并不能全部分布在铁芯内部，而总会有一小部分分布到铁芯周围的空气中。所以实际的变压器，其等效电路模型与（1）式所表示的会有一些区别。 s p p s N N i i //=p s p s N N v v //= （1） 下面先来看看在漏磁可以忽略，但铁芯导磁率μ为有限这一情况下的变压器等效电路模型。 图1：变压器结构 当铁芯的导磁率μ有限时，从图1及磁路KVL 定律可得： s s p p c i N i N R ?=Φ 故铁芯中的磁通为： ）（s s p p c i N i N R ?=Φ1 再因为： dt d N v p p Φ= ，dt d N v s s Φ= 所以有： dt L i N N i dt d R N v p mp s p s p c p p m 2di ][=?= （2） s p s p N N v v = （3） 其中：m c p c p mp l A N R N L 22μ==，为变压器原边绕组的电感量，也叫原边的激磁电感。
s p s p mp i N N i i ?=，为变压器原边激磁电感中的电流，称为变压器原边的激磁电流。 观察方程（2）和（3），发现在铁芯导磁率有限且忽略漏磁时的变压器等效电路模型，可用图2表示。由该等效电路可以看出，此时的变压器模型实际上可以看作是由匝比为Np:Ns 的理想变压器（如红色虚线框所示）和原边激磁电感Lmp 并联所成。 图2： 变压器的实际等效电路（1） 从图2还可以看出，如果变压器的副边开路，即i s =0，那么变压器的原边就等效为一个激磁电感Lmp ，所以变压器原边的激磁电感可以通过电桥进行测试，测试时只要将变压器的副边开路，在变压器的原边测量其电感就可。 事实上，任何变压器在原边都有一个激磁电感。在开关电源中，其功率变压器所允许的这个激磁电感大小往往与变换器的拓扑有关，在有些拓扑中（如对称驱动的半桥变换器、全桥变换器），其变压器的激磁电感可以非常大，因而在这些拓扑中的变压器可采用高导磁率的铁芯，而且不用加气隙；在有些拓扑中（如反激变换器、不对称半桥变换器），其变压器的激磁电感不能很大，所以在这些拓扑中的变压器要加上一定的气隙或采用导磁率相对低一些的铁芯。激磁电感虽然是变压器由于铁芯导磁率不是很高而引入的一个等效参数，但在开关电源的不少拓扑中，且可以采用这个激磁电感来实现别的功能，如在不对称半桥变换器和有源去磁正激变换器中，可用这个激磁电感来实现原边MOSFET 的ZVS ；在半桥或全桥LLC 变换器中，可用这个激磁电感来实现谐振工作方式等等。 除了激磁电感外，变压器铁芯中的磁通还会有一小部分漏到铁芯外面，形成所谓的漏磁。图3 (a)是包含漏磁时的变压器示意图，图3(b)是将原边和副边的漏磁分别用两个小电感表示 v (a) (b) 图3：包含漏磁时的变压器结构示意图
变压器的等效电路和向量图 ?2009-09-26 23:16:48 标签Tag： ?1224人阅读 一变压器的折算法 将变压器的副边绕组折算到原边，就是用一个与原绕组匝数相同的绕组，去代替匝数为N2的副绕组，在代替的过程中，保持副边绕组的电磁关系及功率关系不变。 二参数折算 折算前 原边 N1 U1 I1 E1 R1 X1σ 副边 N2 U2 I2 E2 R2 X2σ RL XL 折算后 原边 N1 U1 I1 E1 R1 X1σ 副边 N2' U2' I2' E2' R2' X2σ' RL' XL' 变压器副绕组折算到原边后其匝数为N1，折算后的副边各量加“ ' ”以区别折算前的各量。 1 电势折算 E2'＝4.44fN1Фm＝E1 E2＝4.44fN2Фm 所以E2'/E2＝N1/N2＝k，E2＝kE2 折算前后电磁关系不变，那么铁心中的磁通不变，k为变比，也即是电势，电压折算的系数 2 磁势折算
N1I2'=N2I2=I2N2/N1=I2/k 变压器折算前后副绕组磁势不变。k也为电流折算系数。 3 阻抗折算 阻抗折算要保持功率不变 折算前后副边铜耗不变 I2'I2'R2'＝I2I2R2 R2'=(I2/I2')(I2/I2')R2=kkR2 (kk)---阻抗折算系数 副边漏抗上的无功功率不变，则 I2'I2'X2σ'=I2I2X2σ X2σ'=(I2/I2')(I2/I2')X2σ=kkX2σ 负载阻抗上的功率不变，则可求出 I2'I2'RL'=I2I2RL RL'=kkRL I2'I2'XL'=I2I2XL XL'=kkXL 4 副边电压折算 u2'=I2'ZL'=(I2/k)(RL+jXL)kk=kI2（RL+jXL）=kU2 三变压器的等效电路 折算后方程 U1=－E1＋I1（R1＋jX1σ） U2'=E2'－I2'（R2＋jX2σ） I1+I2'=Im≈I0 －E1=－E2=Im(Rm+jXm)=ImZm
变压器参数含义 1 额定容量Se：指变压器在出厂时铭牌标定的额定电压、额定电流下连续运行时能输送的容量,单位kVA。其计算公式为： 三相变压器Se= 单相变压器量Se=UeIe 。 2、额定电压Ue：指变压器长时间运行时所能承受的工作电压(铭牌上的Ue值,是指调压分接开关在中间分头时的额定电压);单位为kV。 3、额定电流Ie：在额定容量Se和允许温升条件下,允许长期通过的工作电流,单位为A。 4、短路电压Ud%：也称阻抗电压(UK%),将变压器的二次绕组短路,一次侧施加电压,至额定电流值时,原边的电压和额定电压Ue之比的百分数。即：Ud%=Ud/Ue：100% 变压器的并列运行要求Ud%值相同,当变压器二次侧短咱时,Ud%值将决定短路电流大小,所以是考虑短路电流热稳定和动稳定及继电保护整定的重要依据。 5、空载电流I。当变压器在一次侧额定电压下,二次侧绕组空载时,在一次绕组中通过的电流,称空载电流。它起变压器的激磁作用,故又称激磁电流;一般以其占额定电流的百分数表示。空载电流的大小决定于变压器容量、磁路结构和硅钢片质量等。 6、空载损耗(铁损)ΔP0：指变压器二次侧开路,一次侧加额定电压时,变压器的损耗。它等于变压器铁芯的涡流损耗和激磁损耗,是变压器的重要性能指标。 7、短路损耗(铜损)ΔPd：变压器的铁损包括两个方面。一是磁滞损耗,当交流电流通过变压器时,通过变压器硅钢片的磁力线其方向和大小随之变化,使得硅钢片内部分子相互摩擦,放出热能,从而损耗了一部分电能,这便是磁滞损耗。另一是涡流损耗,当变压器工作时。铁芯中有磁力线穿过,在与磁力线垂直的平面上就会产生感应电流,由于此电流自成闭合回路形成环流,且成旋涡状,故称为涡流。涡流的存在使铁芯发热,消耗能量,这种损耗称为涡流损耗。 8、铜损是指变压器线圈电阻所引起的损耗。当电流通过线圈电阻发热时,一部分电能就转变为热能而损耗。由于线圈一般都由带绝缘的铜线缠绕而成,因此称为铜损。 9、电压比：变压器两组线圈圈数分别为N1 和N2 ,N1 为初级,N2 为次级。在初级线圈上加一交流电压,在次级线圈两端就会产生感应电动势。当N2>N1 时,其感应电动势要比初级所加的电压还要高,这种变压器称为升压变压器。
0.65和0.8的系数来自实用电工速算口诀 已知变压器容量，求其各电压等级侧额定电流 口诀 a ： 容量除以电压值，其商乘六除以十。 说明：适用于任何电压等级。 在日常工作中，有些电工只涉及一两种电压等级的变压器额定电流的计算。将以上口诀简化，则可推导出计算各电压等级侧额定电流的口诀： 容量系数相乘求。 已知变压器容量，速算其一、二次保护熔断体（俗称保险丝）的电流值。 口诀 b ： 配变高压熔断体，容量电压相比求。 配变低压熔断体，容量乘9除以5。 说明： 正确选用熔断体对变压器的安全运行关系极大。当仅用熔断器作变压器高、低压侧保护时，熔体的正确选用更为重要。这是电工经常碰到和要解决的问题。 已知三相电动机容量，求其额定电流 口诀（c）：容量除以千伏数，商乘系数点七六。 说明： （1）口诀适用于任何电压等级的三相电动机额定电流计算。由公式及口诀均可说明容量相同的电压等级不同的电动机的额定电流是不相同的，即电压千伏数不一样，去除以相同的容量，所得“商数”显然不相同，不相同的商数去乘相同的系数0.76，所得的电流值也不相同。若把以上口诀叫做通用口诀，则可推导出计算220、380、660、3.6kV电压等级电动机的额定电流专用计算口诀，用专用计算口诀计算某台三相电动机额定电流时，容量千瓦与电流安培关系直接倍数化，省去了容量除以千伏数，商数再乘系数0.76。 三相二百二电机，千瓦三点五安培。 常用三百八电机，一个千瓦两安培。 低压六百六电机，千瓦一点二安培。 高压三千伏电机，四个千瓦一安培。 高压六千伏电机，八个千瓦一安培。 （2）口诀c 使用时，容量单位为kW，电压单位为kV，电流单位为A，此点一定要注意。 （3）口诀c 中系数0.76是考虑电动机功率因数和效率等计算而得的综合值。功率因数为0.85，效率不0.9，此两个数值比较适用于几十千瓦以上的电动机，对常用的10kW以下电动机则显得大些。这就得使用口诀c计算出的电动机额定电流与电动机铭牌上标注的数值有误差，此误差对10kW以下电动机按额定电流先开关、接触器、导线等影响很小。 （4）运用口诀计算技巧。用口诀计算常用380V电动机额定电流时，先用电动机配接电源电压0.38kV数去除0.76、商数2去乘容量（kW）数。若遇容量较大的6kV电动机，容量kW数又恰是6kV数的倍数，则容量除以千伏数，商数乘以0.76系数。 （5）误差。由口诀c 中系数0.76是取电动机功率因数为0.85、效率为0.9而算得，这样计算不同功率因数、效率的电动机额定电流就存在误差。由口诀c 推
电力变压器仿真模型的设计 摘要 随着电力系统的飞速发展，对变压器的保护要求也越来越高。研究三相变压器地暂态过程，建立一个完善的变压器仿真模型，对变压器保护方案的设计具有非常重要地意义。 本文在Matlab的编程环境下，分析了当前的变压器仿真的方法。在单相情况下，分析了在饱和和不饱和的励磁涌流现象，和单相励磁涌流的特征。在三相情况下，在用分段拟和加曲线压缩法的基础上，分别用两条修正的反正切函数，和两条修正的反正切函数加上两段模拟饱和情况的直线两种方法建立了Yd11、Ynd11、Yny0和Yy0四种最常用接线方式下三相变压器的数学仿真模型，并在Matlab下仿真实现。通过对三相励磁涌流和磁滞回环波形分析，三相励磁涌流的特征分析，总结出影响三相变压器励磁涌流地主要因素。最后，分析了两种方法的优劣，建立比较完善的变压器仿真模型。 关键词：三相变压器、励磁涌流、仿真、数学模型
Abstract Along with the electric power system’ development, the request of the protection of the transformer is more and more high. It has count for much meaning to the transformer protecting project to study the transient of a three-phase transformer, and found a perfect three-phase transformer’s digital model. This paper is worked with Matlab, analyzes the current methods of transformer’s digital model. In single-phase transformer, it is analyzed that the inrush current in saturate and unsaturated states, and the characters of the single-phase transformer’s inrush current. In three-phase transformer, with the foundation of the method of compressing curves, we use respectively two modified functions, and two modified functions and two straight line to establish four kinds of transformer’s digital model, such as Yd11, Ynd11, Yny0, Yy0, and realize these with Matlab. After analyzing the wave form of the three-phase transformer’s inrush current and hysteresis, and the characters of three-phase transformer’s inrush current, it is concluded that the primary factors which affect three-phase transformer’s inrush current. Finally, after analyzing the advantages and disadvantages of two methods, a good digital model of three-phase transformer is established. Keywords:three-phase transformer, inrush current, simulation, digital model
2.3-电力变压器的参数与数学模型
电力变压器的参数与数学模型 2.3.1理想变压器 对于理想变压器，假定： 绕组电阻为零；因此绕组损耗I2R为零。铁心磁导率是无穷大，所以铁心磁阻为零。不计漏磁通；即整个磁通为铁心和一次侧绕组、二次侧绕组相交链的磁通。不计铁心损耗。 图2-20双绕组变压器内部结构图2-21 双绕组变压器示意图从安培和法拉第定律知: （2-46） 磁场强度矢量Hc 为 （2-47） 其中，磁场强度、磁感应强度和磁通量的关系为 由于理想变压器铁心磁导率为无限大，则磁阻R c近似为零。 （2-48） 上式可写为： 图2-21为双绕组变压器的示意图。 （2-49） 或者 图2-21中的标记点表示电压E1和E2，在标记点侧是＋极，为同相。如果图2-21中的其中一个电压极性反向，那么E1与E2相位相差180o。 匝数比k定义如下：
理想单相双绕组变压器的基本关系为 （2-50） （2-51） 由推导可得两个关于复功率和阻抗的关系如下。图2-21中流进一次侧绕组的复功率为 （2-52） 代入（2-50）和（2-51） （2-53） 可见，流进一次侧绕组的复功率S1与流出二次侧绕组的复功率S2相等。即理想变压器没有有功和无功损耗。 如果阻抗Z2与图2-21中理想变压器的二次侧绕组相连，那么 （2-54） 这个阻抗，当折算到一次侧时，为 （2-55） 因此，与二次侧绕组相连的阻抗Z2折算到一次侧，需将Z2乘以匝数比的平方k2。 2.3.2实际双绕组变压器 1.简化条件 实际单相双绕组变压器，与理想变压器的区别如下： 计及绕组电阻；铁心磁导率为有限值；磁通不完全由铁心构成；计及铁心有功和无功损耗。 图2-22实际单相双绕组变压器的等效电路图 电阻串联于图中一次侧绕组，用于计及该绕组损耗I2R。电抗为一次绕组的漏电抗，串联于一次绕组用于计及一次绕组的漏磁通。这个漏磁通是仅与一次绕组交链的磁通的组成部分，它引起电压降落，对应且超前。漏电抗引起无功损耗。类似的，二次绕组中串联了电阻和电抗。 由于变压器铁心磁导率为有限值，式（2-48）中磁阻为非零。除以，化简后得到，
变压器功率计算方法 0.65和0.8的系数来自实用电工速算口诀 已知变压器容量，求其各电压等级侧额定电流 口诀a ： 容量除以电压值，其商乘六除以十。 说明：适用于任何电压等级。 在日常工作中，有些电工只涉及一两种电压等级的变压器额定电流的计算。将以上口诀简化，则可推导出计算各电压等级侧额定电流的口诀： 容量系数相乘求。 已知变压器容量，速算其一、二次保护熔断体（俗称保险丝）的电流值。 口诀b ： 配变高压熔断体，容量电压相比求。 配变低压熔断体，容量乘9除以5。 说明： 正确选用熔断体对变压器的安全运行关系极大。当仅用熔断器作变压器高、低压侧保护时，熔体的正确选用更为重要。这是电工经常碰到和要解决的问题。 已知三相电动机容量，求其额定电流 口诀（c）：容量除以千伏数，商乘系数点七六。 说明：
（1）口诀适用于任何电压等级的三相电动机额定电流计算。由公式及口诀均可说明容量相同的电压等级不同的电动机的额定电流是不相同的，即电压千伏数不一样，去除以相同的容量，所得“商数”显然不相同，不相同的商数去乘相同的系数0.76，所得的电流值也不相同。若把以上口诀叫做通用口诀，则可推导出计算220、380、660、3.6kV 电压等级电动机的额定电流专用计算口诀，用专用计算口诀计算某台三相电动机额定电流时，容量千瓦与电流安培关系直接倍数化，省去了容量除以千伏数，商数再乘系数0.76。 三相二百二电机，千瓦三点五安培。 常用三百八电机，一个千瓦两安培。 低压六百六电机，千瓦一点二安培。 高压三千伏电机，四个千瓦一安培。 高压六千伏电机，八个千瓦一安培。 （2）口诀c 使用时，容量单位为kW，电压单位为kV，电流单位为A，此点一定要注意。 （3）口诀c 中系数0.76是考虑电动机功率因数和效率等计算而得的综合值。功率因数为0.85，效率不0.9，此两个数值比较适用于几十千瓦以上的电动机，对常用的10kW以下电动机则显得大些。这就得使用口诀c计算出的电动机额定电流与电动机铭牌上标注的数值有误差，此误差对10kW以下电动机按额定电流先开关、接触器、导线等影响很小。 （4）运用口诀计算技巧。用口诀计算常用380V电动机额定电流时，
初中生就会的变压器的主要计算公式： 第一步：变压器的功率= 输出电压* 输出电流（如果有多组就每组功率相加） 得到的结果要除以变压器的效率，否则输出功率不 足。100W以下除0.75，100W-300W除0.9，300W 以上除0.95.事实上变压器的骨架不一定很合适计 算结果，所以这只是要设计变压器的功率，比如一 个变压器它的输入220V,输出是12V 8A，那么它的 需要的功率是12*8/0.75=128W，后面的例子以此参 数为例（市售的产品一般不会取理论上的值，因为 它们考虑的更多是成本，所以它们选的功率不会大 这么多） 第二步：决定需要的铁芯面积；需要的铁芯面积=1.25变压器的功率.单位为平方厘米。上例的铁芯面 积是1.25*128=14.142=14.2平方厘米 第三步：选择骨架，铁芯面积就是铁芯的长除以3（得到的数就是舌宽，就是中间那片的宽度），再乘以铁芯要 叠的厚度，如上例它应该选择86*50或86*53的骨 架，从成本考虑选86*50，它的面积是 8.6/3*5=14.333，由于五金件的误差，真实的面积大 约是14.0。这个才是真实的铁芯面积 第四步：计算每V电压需要的匝数，公式：
100000000÷4.44*电源频率*铁芯面积*铁芯最大磁感应强度 当电源电压为50Hz时（中国大陆），代入以上公式，得到以下公式; 450000÷铁芯面积*铁芯最大磁感应强度 铁芯最大磁感应强度一般取10000—14000（高斯）之 间，质量好的取14000-12000，一般的取 10000-12000，个人一般取中间12000，这个取值直 接影响到匝数，取值大了变压器损耗也大，小了线 又要多，就要在成本和损耗中折中选择 以上例: 450000÷14.0*12000=2.678=2.7 初极220V即220*2.7=594匝，次级12V即 12*2.7=32.4匝。由于次级需有损耗，所以需要增 加损耗1.05—1.03（线小补多些，线大补少些）。 即32.4*1.04=33.7=34匝。这样空载电压会稍高， 但是负载会降到正常电压。 第五步;选择线径，线径很多电工书里都会有一个表注明是 4.5A或2.5A的电流密度时电线可以通过的电流，