《变压器与电动机》变压器的外特性、电压调整率及空载、短路试验（举一反三考点练）- 讲义

举一反三考点练 《变压器与电动机》变压器的外特性、电压调整率及空载、短路试验-讲义 1.掌握变压器的基本结构。 2.了解变压器的工作原理。 知识点一 变压器的外特性和电压调整率 一、变压器的外特性： 1. 定义与特性曲线： （1）定义：当一次绕组电压和负载功率因数一定时，二次绕组输出电压与负载电流的关系，称为变压器的外特性，可用实验方法测得。 （2）曲线特征：如图1所示。 2. 不同负载类型的外特性分析： （1）纯电阻负载： 功率因数特性：（电阻性）； 电压变化规律：随着负载电流的增大，变压器二次绕组的输出电压逐渐降低，下降幅度较小； 物理机制：仅存在电阻压降，无功电流为零，主磁通影响小。 （2）电感性负载： 功率因数特性：（滞后无功）； 电压变化规律：随着负载电流的增大，变压器二次绕组的输出电压下降较快； 物理机制：滞后无功电流产生去磁作用，主磁通减少，二次感应电动势下降，加剧电压下降。 （2）电容性负载： 功率因数特性：（为负值，超前无功）； 电压变化规律：随的增加而增加； 物理机制：超前无功电流产生助磁作用，主磁通增加，上升，抵消阻抗压降并使电压上升。 3. 关键结论 （1）功率因数是外特性的主要影响因素，确定负载功率因数后，外特性曲线唯一确定。 （2）感性负载导致电压下降最快，容性负载可提升电压，电阻性负载介于两者之间。 二、变压器的电压调整率： 1. 定义与公式： （1）定义：变压器从空载到额定负载（）时，二次绕组输出电压的变化量与空载额定电压的百分比，用表示，反映供电电压稳定性。 （2）计算公式： 式中：——变压器空载时二次绕组的额定电压，单位是(伏)； —— 变压器输出额定电流时二次绕组的输出电压，单位是(伏)。 2.影响因素： （1）变压器参数：一次、二次绕组的电阻R和漏抗X越小，电压调整率越小（电力变压器因R、X小，额定负载时）。 （2）负载性质：功率因数越低（尤其感性负载），电压调整率越大；容性负载可减小甚至反向电压变化。 图1 变压器的外特性曲线 当变压器负载为电感性时，随着负载电流增大，二次绕组输出电压的变化趋势是（ ） A. 逐渐上升 B. 逐渐下降且下降速度较快 C. 逐渐下降但下降幅度较小 D. 保持不变 【答案】B 【解析】电感性负载的无功电流滞后，对主磁通有较强去磁作用，导致二次绕组电动势 E2下降，因此输出电压随负载电流增大而快速下降。纯电阻负载下降较缓，电容性负载因助磁作用会上升，电感性负载属于快速下降。 1.变压器外特性曲线的横轴和纵轴分别是（ ） A. 一次电压，二次电压 B. 负载电流，二次电压 C. 负载功率因数，二次电压 D. 负载电流，一次电压 【答案】B 【解析】外特性曲线是二次绕组输出的电压与负载电流的关系，横轴为负载电流（I2），纵轴为二次电压（U2）。 2.当变压器负载为纯电阻时，外特性曲线表现为（ ） A. 电压随电流增大而缓慢下降 B. 电压随电流增大而快速上升 C. 电压随电流增大而快速下降 D. 电压不随电流变化 【答案】A 【解析】纯电阻负载时，输出电压逐渐降低，但下降得并不多，即缓慢下降。 3.下列哪种负载会导致变压器二次电压随电流增大而上升（ ） A. 纯电阻负载 B. 电感性负载 C. 电容性负载 D. 阻感性负载 【答案】C 【解析】电容性负载的超前无功电流有助磁作用，主磁通增加，E2上升，导致二次电压随电流增大而上升。 1.电压调整率的定义是（ ） A. 空载电压与额定负载电压的差值 B. 额定负载电压与空载电压的差值占额定电压的百分比 C. 空载电压与额定负载电压的差值占空载电压的百分比 D. 额定负载电流与空载电流的差值占额定电流的百分比 【答案】C 【解析】公式为，即差值占空载电压 U2N的百分比。 2.当负载功率因数降低时，变压器的电压调整率会（ ） A. 增大 B. 减小 C. 不变 D. 先增大后减小 【答案】A 【解析】负载功率因数下降时，电压调整率会明显增大，功率因数降低（如感性负载）导致调整率增大。 3.变压器外特性曲线的形状主要取决于（ ） A. 一次绕组匝数 B. 二次绕组电阻 C. 负载功率因数 D. 电源频率 【答案】C 【解析】功率因数对变压器外特性的影响是很大的，负载的功率因数确定之后，外特性曲线也就随之确定。 · 一次电压和功率因数一定时，二次电压与负载电流的关系曲线，反映负载变化对输出电压的影响。 · 纯电阻负载电压下降较缓，电感性负载下降较快，电容性负载因助磁作用电压随电流增大而上升。 · 电压调整率是空载到额定负载时，二次电压变化量与空载额定电压的百分比，衡量电压稳定性。 · 低功率因数（如感性负载）会显著增大电压调整率，提高功率因数可减小电压波动。 知识点二 变压器的空载实验 一、试验目的： 测定变压器的变比、空载电流、空载损耗和励磁阻抗等关键参数，为评估变压器性能（如铁心质量、绕组状态）及并联运行提供依据，如图2所示。 二、核心试验内容： 1.测变比： （1）方法：双电压表法，一次、二次绕组均接电压表。调节调压变压器使一次绕组电压达额定值，此时二次绕组空载电压也为额定值。 （2）计算公式：，一次侧额定电压，为二次侧空载额定电压）。 （3）意义：变比是变压器并联运行的重要参数，确保并联时电压匹配。 2.测空载电流和空载损耗： （1）试验条件：二次绕组开路，一次绕组加额定电压，主磁通达额定工作值。 （2）空载电流：电流表A直接测量，反映铁心磁化所需电流。小型变压器空载电流应为额定电流的5%～10%，超过20%表明异常（如铁心饱和或绕组匝间短路），可能导致温升过高。 （3）空载损耗（铁损，）：功率表测量，因二次侧无电流（无铜损）且一次侧铜损可忽略，输入功率近似等于铁损（磁滞损耗+涡流损耗）。铁损超标说明铁心质量不合格。 3.测量计算励磁阻抗、电阻和电抗： （1）励磁阻抗：，是表征铁心磁化性能和损耗的综合参数，等于励磁电阻与励磁电抗的矢量和。 （2）励磁电阻：，等效铁损的电阻参数。 （3）励磁电抗：，等效铁心磁化性能的电抗参数。 （4）特性：铁心磁化曲线非线性，随饱和程度增加而减小；但正常运行时工作在磁化曲线线性段，可近似视为常值。试验通常在低压侧加额定电压，高压侧空载，需将低压侧阻抗折算到高压侧：。 4.空载功率因数（）： （1）计算公式：。 （2）意义：反映铁心和绕组质量，越小（空载电流小且铁损低），质量越好。可通过测量判断匝数是否恰当或有无匝间短路。 三、关键原理与应用： 1.能量关系：空载时二次侧无输出，输入功率主要用于铁损（忽略一次侧微小铜损）。 2.质量判断：通过空载电流、空载损耗及功率因数，可识别铁心饱和、绕组短路等问题。 3.试验便捷性：低压侧加电压可降低试验设备要求，折算公式确保参数等效性。 图2 变压器的空载试验 变压器空载试验的主要目的不包括以下哪一项（ ） A. 测定变比 B. 测量空载电流 C. 计算铜损 D. 确定励磁阻抗 【答案】C 【解析】变压器空载试验的目的是测定变比、空载电流、空载损耗和励磁阻抗。由于试验时二次绕组开路，一次绕组空载电流很小，铜损可忽略不计，因此不涉及铜损的计算（铜损主要在负载试验中测量）。 1.变压器空载试验时，二次绕组的状态是（ ） A. 短路 B. 开路 C. 接额定负载 D. 接 50% 负载 【答案】B 【解析】空载试验要求二次绕组开路，以确保无负载电流，此时仅一次绕组有极小的空载电流。 2.空载试验中，变比的测量方法是（ ） A. 单电压表法 B. 双电压表法 C. 电流表法 D. 功率表法 【答案】B 【解析】双电压表法即在一次侧和二次侧各接电压表，一次侧加额定电压，二次侧测空载电压计算变比。 3.空载损耗的本质是（ ） A. 铁损 B. 铜损 C. 涡流损耗 D. 磁滞损耗 【答案】A 【解析】空载时无负载电流，二次侧铜损为零，一次侧铜损可忽略，故空载损耗即铁损（包括磁滞和涡流损耗）。 1.空载试验中，若铁心饱和程度增加，励磁阻抗会（ ） A. 增大 B. 不变 C. 减小 D. 先增大后减小 【答案】C 【解析】铁心饱和时，磁导率下降，励磁电抗 Xm减小，导致励磁阻抗 Zm减小（磁化曲线非线性）。 2.下列哪项不是空载试验的测量参数（ ） A. 变比 k B. 短路阻抗 C. 空载电流 I0​ D. 励磁电抗 Xm​ 【答案】B 【解析】短路阻抗是负载试验的测量参数，空载试验主要测变比、I0、P0 及励磁阻抗（含 Xm）。 3.当变压器空载电流超过 20% 额定电流时，可能的原因是（ ） A. 绕组匝间短路 B. 铁心不饱和 C. 变比过大 D. 励磁电阻过大 【答案】A 【解析】空载电流过大可能是铁心过饱和或绕组短路（短路使等效阻抗减小，电流增大）；铁心不饱和时电流应正常，变比和励磁电阻不直接导致电流过大。 · 变比通过双电压表法测量，一次侧加额定电压，二次侧空载电压对应额定值。 · 空载损耗即铁损，功率表直接测量；空载电流反映铁心饱和或绕组短路问题（小型变压器允许误差＜10%）。 · 励磁阻抗特性：由励磁电阻（铁损等效）和励磁电抗（磁化性能等效）组成，非线性但正常运行时可近似为常值，通常在低压侧加电压以方便测量。 知识点三 变压器的短路试验 一、试验概述： 1.试验别称：负载试验，是变压器基本试验之一，如图3所示为短路试验现场图。 图3 变压器短路试验现场图 2.核心目的： （1）测定额定铜损耗、短路电压、短路阻抗等关键参数。 （2）检查绕组质量，评估变压器负载运行性能。 3.基本接线： （1）二次绕组直接短路，一次绕组接可调电源（如调压变压器）。 （2）通常高压侧接电源，低压侧短路，便于控制试验电流（高压侧电流较小，安全性高且测量方便）。 如图4所示为变压器短路试验电路图。 二、核心测试内容 ： 1.测额定铜损耗： （1）试验方法： 一次绕组电压从零逐步升高，直至一次侧电流达到额定值，此时二次侧电流同步达到额定值。 （2）原理： 二次绕组短路，不对外输出功率，输入功率几乎全部消耗于一、二次绕组电阻（铜损）。因试验电压极低（远低于额定电压），铁芯磁通极小，铁损可忽略不计，故功率表读数即为额定负载时的铜损（）。 2.测短路电压，又称阻抗电压： （1）定义： 一次侧电流达到额定值时，一次绕组所加的电压，用额定电压的百分比表示。 （2）典型范围：中小型电力变压器：4%~10.5%；大型电力变压器：12.5%~17.5% 3.计算短路阻抗参数： （1）测试数据： 电压表测一次侧电压，电流表测一次侧电流，功率表测输入功率。 （2）计算公式： 短路阻抗： 短路电阻： 短路电抗： 三、试验实施要点： 1.电压调节原则： 一次绕组电压必须从零开始逐步升高，避免过大冲击电流损坏设备。 2.铁损忽略条件： 短路试验电压低（通常为额定电压的4%~17.5%），铁芯处于低磁通密度状态，铁损（磁滞、涡流损耗）可忽略，仅需考虑铜损。 四、参数意义与设计考量 ： 1.短路阻抗的双重影响： （1）正常运行：希望较小，以降低电压降，改善变压器外特性（负载时端电压更稳定）。 （2）短路故障：希望较大，以限制短路电流幅值，避免绕组因过大电动力受损。 （3）设计平衡：通过调整绕组结构（如漏磁路径、匝数）控制，兼顾运行稳定性与短路保护需求。 2.工程应用价值 ： （1）铜损数据：用于评估变压器效率，优化负载运行经济性。 （2）短路电压：是变压器并列运行的重要参数（需匹配以避免环流），也是短路电流计算的关键依据。 图4 变压器短路试验电路图 变压器短路试验的主要目的不包括以下哪一项（ ） A. 测量额定铜损耗 B. 确定短路电压 C. 计算励磁阻抗 D. 检查绕组质量 【答案】C 【解析】短路试验的目的是测出额定铜损耗、短路电压、短路阻抗，并检查绕组质量。励磁阻抗是变压器空载试验中测量的参数，短路试验主要关注漏阻抗（短路阻抗）。 1.变压器短路试验时，二次绕组的状态是（ ） A. 开路 B. 短路 C. 接额定负载 D. 接空载 【答案】B 【解析】短路试验的定义是二次绕组短路，一次侧加电压。 2.短路试验中，功率表测量的是（ ） A. 铁损耗 B. 铜损耗 C. 总损耗（铁损 + 铜损） D. 励磁功率 【答案】B 【解析】因试验时电压低，铁损可忽略，功率表读数为铜损。 3.短路阻抗对变压器外特性的影响是（ ） A. 阻抗越大，外特性越陡峭（电压波动大） B. 阻抗越大，外特性越平缓（电压波动小） C. 阻抗越小，短路电流越小 D. 阻抗大小与外特性无关 【答案】A 【解析】短路阻抗大，负载变化时漏抗压降增大，输出电压下降明显，外特性更陡峭；阻抗小则短路电流大。 1.短路试验中，铁损耗可以忽略的原因是（ ） A. 绕组电阻很大 B. 电源频率很低 C. 施加的电压很低 D. 绕组电流很小 【答案】C 【解析】电压低导致铁芯磁通低，铁损与磁通平方成正比；此时电流达额定值。 2.下列关于短路试验的说法，错误的是 ( ) A. 试验时需从零开始升压 B. 低压侧通常短路，高压侧加电源 C. 可测量短路电抗和短路电阻 D. 二次绕组对外输出额定功率 【答案】D 【解析】二次绕组短路，不对外输出功率。 3.短路阻抗的组成包括（ ） A. 励磁电阻和励磁电抗 B. 一次绕组漏电阻和二次绕组漏电阻 C. 一次绕组漏阻抗和二次绕组漏阻抗的折算值 D. 铁芯损耗电阻和绕组电抗 【答案】C 【解析】短路阻抗是变压器的漏阻抗，包括一次侧和二次侧漏电阻、漏电抗（二次侧参数需折算到一次侧）。 · 短路试验测额定铜损耗、短路电压（阻抗电压）、短路阻抗，检查绕组质量。 · 二次侧短路，一次侧加电压至额定电流，此时功率表读数为铜损（铁损因电压低可忽略）。 · 短路电压为额定电流时的一次侧电压，用额定电压百分比表示。 · 短路阻抗（漏阻抗）影响外特性，正常运行希望其小，短路故障时希望其大以限制电流，通常高压侧加电源、低压侧短路测试。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$