2.4 变压器的运行特性

2.4.1 变压器的外特性与电压变化率

1. 变压器的外特性

当电源电压和负载的功率因数等于常数时，二次端电压随负载电流变化的规律为变压器的外特性，即U₂=f（I₂）。

由变压器的简化等效电路可以看出，在变压器负载运行时，由于变压器内部存在电阻和漏抗，故当负载电流流过时，变压器内部将产生阻抗压降，使二次端电压随负载电流的变化而变化。图2-12为不同性质的负载时，变压器的外特性曲线。由图可知，变压器二次电压的大小不仅与负载电流的大小有关，而且还与负载的功率因数有关。

2. 电压变化率

所谓电压变化率是指变压器一次侧施以交流50Hz的额定电压，二次空载电压U₂₀与带负载后的某一功率因数下二次电压U₂之差，与二次额定电压U_2N的比值用ΔU表示即：

电压变化率ΔU是表征变压器运行性能的重要指标之一，它的大小反映了供电电压的稳定性。电压变化率的大小与负载的大小、性质（感性、容性、阻性）及变压器的短路阻抗有关。当变压器的负载为纯电阻性质时，电压变化率较小；当变压器的负载为感性时，电压变化率较大，且为正值。

2.4.2 变压器的损耗和效率

1. 变压器的损耗

变压器在能量传递过程中会产生能量损耗。但变压器没有旋转部分，无机械损耗。变压器的损耗主要包括铁损和一、二次绕组的铜损两部分。

变压器的效率是很高的。变压器的一次绕组从电源侧获得有功功率P₁，除了一小部分变压器的内部损耗外，都转变为输出功率P₂。变压器在运行中产生的内部损耗包括：变压器铁损和铜损两部分。

1）变压器的铁损P_Fe。变压器一次侧加交流电压时，在铁心中产生交变的磁通，从而在铁心中产生的磁滞损耗和涡流损耗，称为变压器的铁损。变压器在空载运行时的损耗为：

由于空载电流I₀和一次绕组电阻R₁都比较小，所以可以忽略不计，因此变压器的空载损耗主要是铁损，即P_Fe≈P₀。变压器的铁损与磁通密度的幅值的二次方成正比，与电源频率的1.3次方成正比。当电源电压不变时，变压器主磁通的幅值基本不变，因此当频率恒定时，变压器的铁损只和外加电源电压的大小有关。当电源电压一定时，其铁损基本不变（和负载大小基本无关），故称之为“不变损耗”。

2）变压器的铜损P_Cu。当有电流通过变压器一、二次绕组时，就要产生一定的功率和电能损耗，即铜损：

可见变压器铜损的大小主要取决于负荷电流的大小。若P_CuN为变压器额定负载时的铜损，其值近似为变压器的短路损耗，可通过短路试验测得，则变压器的在任意负载下的铜损可以表示为：

式中，为变压器的负载系数。可见变压器的铜损与负载系数的二次方成正比。

2. 变压器的效率η

变压器的效率：

变压器的效率一般在95%以上。当变压器负载的功率因数一定时，变压器的效率与负载系数的关系称为变压器的效率特性，如图2-13所示。从图中可以看出，当变压器的输出功率为0时，效率也为0，随着输出功率的增加，效率也增加，达到最大值后，随着负载电流的增加效率开始降低。这是因为变压器的铁损基本不变，而铜损则与负荷电流的二次方成正比，当负载电流增加到一定程度后，铜损很快增大使得变压器的效率下降。可以证明，当变压器的铜损与铁损相等时，变压器的效率达到最大值。一般变压器的最大效率出现在负载系数为0.5～0.6时。