变压器中的磁化和励磁电流波形分析
变压器中的磁化和励磁电流波形分析
变压器中的磁化电流和励磁电流波形分析是电力工程领域的重要内容，通过图形方法可以直观地展示这些波形的特征及其产生原理。本文将详细介绍磁化电流和励磁电流的波形特征、傅里叶分析结果以及三次谐波的影响。
磁化电流波形分析
铁磁材料的相对磁导率随磁场强度的变化而变化，这一特性使得磁化电流的分析变得复杂。然而，可以通过材料的正常磁化曲线或制造商提供的励磁伏安与磁通密度曲线来计算磁化电流。
假设变压器施加的电压为正弦波，则磁通量也近似为正弦波。在变压器铁芯未饱和的情况下，磁化电流将呈现与磁通量同相的正弦波形状。但为了经济性考虑，变压器通常在磁化曲线的拐点附近运行，此时存在一定程度的饱和。因此，磁化电流虽然对称，但并非正弦波。
通过傅里叶分析，可以将磁化电流波形分解为基波分量和一系列奇次谐波，其中三次谐波占主导地位，其幅度通常为基频的30%至40%，具体取决于铁芯的饱和程度。
图 1. 从磁化曲线推导磁化电流波
励磁电流波形分析
考虑到磁滞、涡流损耗和正弦变化的磁通量，励磁电流的电流-时间曲线将形成复杂的波形。励磁电流严重失真，表明存在显著的三次、五次、七次及更高次谐波，同时基频分量的不对称性导致波形不对称。
图 3. 由磁滞回线得出的励磁电流波
三次谐波的影响
抑制磁化电流中的三次谐波会导致磁通量波形失真，呈现出双峰形状。这种失真会进一步在绕组中感应出较大的三次谐波电压，可能对绝缘体造成过大的应力。
图 5. 扭曲的磁通和带有三次谐波的 EMF
负载对电流波形的影响
当变压器次级绕组提供负载电流时，励磁电流与初级侧的负载电流结合形成总初级电流。如果次级负载为正弦波且为满载值，所得初级电流将略有失真，因为励磁电流的谐波仅占总电流的一小部分。如果负载是无源的，增加负载的效果是使初级电流更加平滑。
总结
当铁芯受到磁化力时，随着磁化力的增大，最终的磁化强度趋于接近极限，即铁接近饱和状态。假设磁芯中没有磁滞损耗，磁化曲线上任何点的坐标代表磁芯中的磁通和产生磁通的磁化电流的同时值。
磁化电流的波形不是正弦波，而是随着铁接近饱和而变得更加尖峰。然而，磁化电流是对称的。将该波形分解为一系列分量正弦曲线的结果是一条基频和一系列奇次谐波的曲线，其中三次谐波占主导地位。
考虑磁滞损耗，以类似的方式获得励磁电流。所得波形既不是正弦波也不是对称的，并且和以前一样，三次谐波占主导地位。抑制磁化电流中的三次谐波将使磁通失真，其波形将呈现出包含三次谐波的双顶，进而在绕组中感应出峰值电动势。