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变压器

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外铁式变压器的同心结构有助减少漏磁。
外铁式变压器的同心结构有助减少漏磁。
一个理想的降压变压器,此图画出了变压器芯中的磁通量。
一个理想的降压变压器,此图画出了变压器芯中的磁通量。
理想变压器的电路图。
理想变压器的电路图。

变压器(德语:Transformator;英语:Transformer;香港及中国大陆部分使用粤语的地方叫“火牛”)是应用法拉第电磁感应定律而升高或降低电压的装置。变压器通常包含两组或以上的线圈。主要用途是升降交流电电压、改变阻抗及分隔电路。电路符号常用T当作编号的开头。例:T01、T201等。

历史

  • 法拉第在1831年8月29日发明了一个“电感环”。这是第一个变压器,但法拉第只是用它来示范电磁感应原理,并没有考虑过它可以有实际的用途[1]
  • 1881年,路森·戈拉尔英语Lucien_Gaulard(Lucien Gaulard)和约翰·狄克逊·吉布斯英语John Dixon Gibbs(John Dixon Gibbs)在伦敦展示一种称为“二次手发电机”的设备,然后把这项技术卖给了美国西屋公司,这可能是第一个实用的电力变压器,但并不是最早的变压器。
  • 1884年,路森·戈拉尔和约翰·狄克逊·吉布斯在采用电力照明的意大利都灵市展示了他们的设备。早期变压器采用直线型铁心,后来被更有效的环形铁心取代。
  • 西屋公司的工程师威廉·史坦雷乔治·威斯汀豪斯、路森·戈拉尔与约翰·狄克逊·吉布斯买来变压器专利以后,在1885年制造了第一台实用的变压器。后来变压器的铁心由E型的铁片叠合而成,并于1886年开始商业运用。

变压器变压原理首先由法拉第发现,但是直到十九世纪80年代才开始实际应用。在发电场应该输出直流电交流电的竞争中,交流电能够使用变压器是其优势之一[2]。变压器可以将电能转换成高电压低电流形式,然后再转换回去,因此大大减小了电能在输送过程中的损失,使得电能的经济输送距离达到更远。如此一来,发电厂就可以建在远离用电的地方。世界大多数电力经过一系列的变压最终才到达用户那里的[3]

基本原理

一个简单的单相变压器由两块导电体组成。当其中一块导电体有一些不定量的电流(如交流电或脉冲式的直流电)通过,便会产生变动的磁场。根据电磁的互感原理,这变动的磁场会使第二块导电体产生电势差。假如第二块导电体是一条闭合电路的一部分,那么该闭合电路便会产生电流。电力于是得以传送。在通用的变压器中,有关的导电体是由(多数为质的)电线组成线圈,因为线圈所产生的磁场要比一条笔直的电线大得多。变压器的原理是由变化的电压加到原线圈在磁芯上产生变化的磁场,从而激发其他线圈产生变化的电动势。原线圈、副线圈的电压VS, VP和两者的绕线的匝数NS, NP之间有正比的关系:

至于变压器两方之间的电流或电压比例,则取决于两方电路线圈的圈数。圈数较多的一方电压较高但电流较小,反之亦然。如果撇除泄漏等因素,变压器两方的电压比例相等于两方的线圈圈数比例,亦即电压与圈数成正比。以算式表示如下:

另外,根据安匝平衡,变压器两侧的交链磁动势必须相等,如下式:

在以上两个算式中:

  • 是输入方的电压(Primary Voltage);
  • 是输出方的电压(Secondary Voltage);
  • 是输入方的线圈圈数(Numbers of turns in the Primary Winding);
  • 则是输出方的线圈圈数(Numbers of turns in the Secondary Winding)。因此可以减小或者增加原线圈和副线圈的匝数比,从而升高或者降低电压,变压器的这个性质使它成为转换电压的重要设备。另外,撇除泄漏的因素,变压器某一方(线圈)的感应电势可以从以下算式求得:

在算式中:

  • 是流经该线圈的电压的方均根值(root mean square);
  • 是电流的频率(单位为Hz);
  • 是线圈的圈数;
  • 是线圈磁通量
  • 是线圈内空间(铁芯)的切面面积(单位为m2);
  • 是通过线圈内空间(铁芯)的磁力(单位为Wb/m2)。
  • 常数值4.44是根据法拉第电磁感应定律证明而得。过程如下:

根据法拉第电磁感应定律,感应电势为: 明志科大机二甲

其中会随感应电势产生正弦变化,以时间函数表示成。带入上式,得:

由于磁通量为正弦函数磁通量之最大值,的结果将会是最大值。换算成方均根值时,为

又电源角频率,故方程写成

  • 根据能量守恒定律,变压器输出的功率不能超越输入它的功率。
  • 根据欧姆定律,变压器的负载所消耗的功率等于流经它的电流与其抵受的电压的乘积。由于变压器遵守这两条定律,它不会是放大器。如果处在变压器两方的电压有所不同,那么流经变压器两方的电流也会不同,而两者的差距则成反比。如果变压器一方的电流比另一方小,那电流较小的一方会有较大的电压;反之亦然。然而,变压器两方所消耗的功率(即一方的电压和电流两值相乘)应是相等的。

转换因子为:

线圈等效自感值为:

线圈等效互感值为:

能量损失

层式铁芯能有效减少涡电流
层式铁芯能有效减少涡电流

理想的变压器没有能量流失,所以拥有100%效率。现实中,大容量变压器的效率达到98%至99%[4][5];但小型的变压器流失会较严重,而它们的效率可能低于85%。在以下叙述中,线圈内的导磁体一律称为“铁芯”。

香港,建筑物能源效益条例(第610章)要求200kVA或以上配电变压器的效率要达到98%,1000kVA或以上则要求达到99%。变压器测试须按照 IEC 60076-1 标准来进行。[6]

铁损通常放在左边(主线圈),也可放在右边。如果放在右边,数值须跟随匝数比的平方(a2)改变。RC代表铁损,XM代表磁阻

变压器的能量流失可以来自这些现象:

  • 铜损,线圈的电阻:电流通过导电体时产生热能(电流要较高,发出的热人体才感觉的到),造成能量损失。和其他种类的流失不同,这种流失并不是来自变压器的铁芯。
  • 涡电流(涡流损):磁力使铁芯产生环回电流,导致能量化成热并流失至外界。把铁芯切成不相通的薄片可以减少这种流失。
  • 磁力流失:所有未被输出方线圈接收的磁场线均会造成能量流失。
  • 磁滞损(Hysteresis losses):铁芯的磁滞现象使每次磁场改变时造成能量流失。这种流失的大小取决于铁芯的原料。
  • 力流失:交替的磁场使导线、铁芯与附近的金属之间的电磁力产生变化,结果形成振动和能量流失。
  • 磁滞伸缩:交替的磁场使铁芯出现伸缩。如果铁芯的原料容易受伸缩影响,分子之间的摩擦会导致能量流失。
  • 冷却设备:大型的变压器一般配备冷却用的电风扇、油泵或注水的散热器。这些设备所使用的能量一般亦算作变压器的能量流失。变压器运作时的噪音一般来自磁力流失或磁滞伸缩所造成的振动。

铜损为:

铁损为:

当司坦麦系数为n=2,且使用于变压器B=V/f,磁滞损为:

涡流损与电源频率平方及最大磁通密度成正比,并与变压器内之矽钢片厚度平方成正比,和司坦麦系数无关:

变压器无法胜任的工作

  • 把直流电转成交流电,或把交流电转换为直流电。前者必须使用逆变器,后者必须使用整流器
  • 改变直流电的电压或电流,必须使用直流-直流转换器
  • 变更交流电的频率,必须使用变频器
  • 单相电转为多相式电力。变压器需要最少两个,才可以把电源成其他的多相电。

变压器的失效

变压器可能因为温度过高达到居里温度,而无法磁电转换而失去作用。

分类

变电站用的大型变压器(110kV)。
变电站用的大型变压器(110kV)。
可调整输出电压的自耦变压器。
可调整输出电压的自耦变压器。

电力变压器

电力变压器是通过电磁耦合把一种等级的电压转换成同频率的另一种等级的电压的一种静止的电气一次设备。电力变压器是电力系统主要的元件之一,常规型变压器用于输、受电(即升、降压),自耦型变压器用于耦合不同电压等级的电力系统。在电力长途传输中,变压器担当重要的角色。

电子变压器

电子变压器一词可能指以下几种之一

  1. 内含电子电路的变压装置
    • AC-AC电子式变压器,例如日光灯用电子变压兼安定器
    • 交换式电源供应器,例如AC-DC交换式电源供应器,或DC-DC电压转换器。
  2. 电子设备中使用的变压器为电子用变压器。例如电源常用的降压变压器。

隔离变压器

隔离变压器英语Isolation_transformer是在使用某些电器时为了人身安全而加设的。隔离变压器的隔离是指变压器初级侧与次级侧之间是电绝缘的,并保有一定的安全距离。变压器的隔离是隔离原副边绕线圈各自的电流。在维修一些家用电器时,应该关闭电源以防止触电,或因漏电产生的危险。须要注意的是,选用隔离变压器的原则是:隔离变压器的容量一定要大于所维修的家电电器的功率。

隔离变压器同样利用电磁感应原理,只是隔离变压器一般是指1:1的变压器。由于次级不和地相连,次级任一根线与地之间没有电位差,使用安全。隔离变压器常用作维修电源。此外,隔离变压器也不全是1:1变压器。控制变压器和电子管设备的电源也是隔离变压器。如电子管扩音机,电子管收音机和示波器和车床控制变压器等电源都是隔离变压器。如为了安全维修电视机常用1比1的隔离变压器。隔离变压器使用很广泛的,在空调中也是使用隔离变压器。

磁饱和变压器

磁饱和变压器用于稳压,可以应付大多数的电压骤降,视乎其设计可以支持1到2秒。

而电压骤降通常少于0.1秒。

电力起动变压器

交流电机起动时为降低对电网的冲击,常常采用降压起动方法,为此设计有专门用途的变压器。

自耦变压器

单相自耦式变压器
单相自耦式变压器

自耦变压器是一个特例,其中一个线圈成为另一个线圈的一部分。自耦变压器也常常用于电机起动。自耦式变压器是只有一组线圈同时用作原线圈及副线圈的变压器。降压时会从共用线圈引出一部分用作副线圈,而当升压时会从共用线圈引出比原线圈多的一部分用作副线圈。 自耦变压器是指它的绕组一部分是高压边和低压边共用的。另一部分只属于高压边。根据结构还可细分为可调压式和固定式。自耦变压器的耦是电磁耦合的意思,普通的变压器是通过原副边线圈电磁耦合来传递能量,原副边没有直接的电的联系,自耦变压器原副边有直接的电的联系,它的低压线圈就是高压线圈的一部分。自耦变压器的工作原理其实和普通变压器一样的,只不过他的原线圈就是它的副线圈。一般的变压器是左边一个原线圈通过电磁感应,使右边的副线圈产生电压,自耦变压器是自己影响自己。自耦变压器是只有一个绕组的变压器,当作为降压变压器使用时,从绕组中抽出一部分线匝作为二次绕组;当作为升压变压器使用时,外施电压只加在绕组的—部分线匝上。通常把同时属于一次和二次的那部分绕组称为公共绕组,自耦变压器的其余部分称为串联绕组,同容量的自耦变压器与普通变压器相比,不但尺寸小,而且效率高,并且变压器容量越大,电压越高.这个优点就越加突出。因此随着电力系统的发展、电压等级的提高和输送容量的增大,自藕变压器由于其容量大、损耗小、造价低而得到广泛应用。

多相变压器

  • 三相变压器

三相变压器广泛使用于工业用途上,用于变换电压电流。三相电流是最常见用于产生、传导及使用电力的方式,因此,了解三相变压器如何连接是必要的。此变压器是由三绕组单相变压器建构在一单独线圈上,并且放置于充满绝缘油的附件上。绝缘油有数个功能,第一、由于绝缘,一个非导电体的电力可提供绕组与外壳之间的电气绝缘;第二、它也可以用来冷却及防止湿气产生(湿气会导致绕组的绝缘下降)。

漏磁变压器

漏磁变压器。
漏磁变压器。

漏磁变压器用于负载急剧变化而又要求逐步趋于稳定状态的电子设备中,如荧光灯电源、离子泵电源等设备。这一类负载表现为开始工作时阻抗较大,需要较高的瞬间电压;而当稳定工作时,负载阻抗较小,需将负载电流限制在允许值内,以使其能正常工作。

谐振变压器

在次级线圈上观察到许多谐振[7]
在次级线圈上观察到许多谐振[7]

谐振变压器(resonant transformer)属于一种漏磁变压器,通过在松散耦合线圈间之次级侧谐振时,互磁通量增加,并且耦合变强。 利用变压器次级侧的短路电感Lk[8]与次级侧外加电容(或雑散电容)Cr形成串联谐振电路。次级线圈的电感为Ls,并且谐振频率1'的ω2由下式确定

谐振变压器的例子有:

  • 可以产生高压的特斯拉线圈,它可以供应比静电式的范德格拉夫起电机更多的电流。[9]
  • 用于CCFL逆变器之中。
  • 用于超外差(superheterodyne)接收机的级间耦合,也就是这类收音机中所使用的中频变压器,它谐振在中频频率,以提供良好的频率选择性。[10]
  • 用于LLC架构交换式电源供应器主变压器之中。

构成

一个变压器通常包括:

  • 两组或以上的线圈:以输入交流电电流与输出感应电流。
  • 一圈金属芯:它把互感的磁场与线圈耦合在一起。变压器一般运行在低频、导线围绕铁芯缠绕成绕组。虽然铁芯会造成一部分能量的损失,但这有助于将磁场限定在变压器内部,并提高效率。电力变压器按照铁芯和绕组的结构分为芯式结构和壳式结构,以及按照磁通的分支数目(三相变压器有3,4或5个分支)分类。它们的性能各不相同。

薄片钢芯

变压器通常采用硅钢材料的铁芯作为主磁路。这样可以使线圈中磁场更加集中,变压器更加紧凑。电力变压器的铁芯在设计的时候必须保防止达到磁路饱和,有时需要在磁路中设计一些气隙减少饱和。实际使用的变压器铁芯采用非常薄,电阻较大的硅钢片叠压而成。这样可以减少每层涡流带来的损耗和产生的热量。电力变压器和音频电路有相似之处。典型分层铁芯一般为E和I字母的形状,称作“EI变压器”。这种铁芯的一个问题就是当断电之后铁芯中会保持剩磁。当再次加电后,剩磁会造成铁芯暂时饱和。对于一些容量超过数百瓦的变压器会造成的严重后果,如果没有采用限流电路,涌流可造成主熔断器熔断。更严重的是,对于大型电力变压器,涌流可造成主绕组变形。

实芯铁芯

在如开关电源之类的高频电路中,有时使用具有较高的磁导率电阻率的铁磁材料粉末铁芯。在更高的频率下,需要使用绝缘体导磁材料,常见的有各种称作铁氧体陶瓷材料。在一些调频无线电电路中的一些变压器铁芯采用可调铁芯,来配合耦合电路达到谐振。

空气芯

卷铁芯

线圈

线圈由电磁线所构成,用于环绕铁蕊,藉以通电产生磁场,或是经由磁场产生感应电流。

绝缘保护

可使用蜡纸隔离

屏蔽物

冷却剂

有的变压器利用液态物质的循环进行热量的疏散。常用的液态物质为变压器油(英语:transformer oil),其主要成分为烷烃环烷烃芳香烃等化合物。变压器油比热容较大,它吸收热量体积膨胀上升,在管中形成循环,再通过散热装置将热量散发到空气中。有的变压器利用气态物质(如六氟化硫)作为冷却剂。由于导热能力的限制,气体冷却剂一般应用于小容量变压器。

关于变压器油,绝大多数采用的是矿物油,极少数的变压器采用的是植物油。矿物油泄露可能会对环境造成污染,而植物油污染程度就会少很多。而且植物油的闪点要比矿物油的高。所以,在将来,植物油可能会取代矿物油。

接头

相关

参考文献

  1. ^ 变压器发明简史. 中国变压器行业信息网. [2013-07-06]. (原始内容存档于2012-07-14). 
  2. ^ 林常平、陈贻评. 电网发展历程与未来展望. 中华民国经济部能源局. [2013-07-06]. (原始内容存档于2015年6月1日). 
  3. ^ Zinecker, Frank. Optimierung eines Tesla-Transformators: Methoden und Anwendungen. Av Akademikerverlag. 2018: 9–17. ISBN 9783330501560. 
  4. ^ De Keulenaer, Hans; Chapman, David; Fassbinder, Stefan; McDermott, Mike. The Scope for Energy Saving in the EU through the Use of Energy-Efficient Electricity Distribution Transformers (PDF). Institution of Engineering and Technology. 2001 [10 July 2014]. 
  5. ^ Kubo, T.; Sachs, H.; Nadel, S. Opportunities for New Appliance and Equipment Efficiency Standards. American Council for an Energy-Efficient Economy. 2001: 39 [June 21, 2009]. 
  6. ^ EMSD, HKSAR. Code of Practice for Energy Efficiency of Building Services Installation (PDF). Buildings Energy Efficiency Ordinace. 
  7. ^ 使用阻抗分析仪观察驻波
  8. ^ Prof. Dr.-Ing. Dieter Gerling, Vorlesung Elektrische Maschinen und Antriebe, Universität München: 169, (原始内容存档于2017-03-05) 
  9. ^ Abdel-Salam, M.; 等. High-Voltage Engineering: Theory and Practice. : 523–524. ISBN 0824741528. 
  10. ^ Carr, Joseph. Secrets of RF Circuit Design. : 193–195. ISBN 0071370676. 
  1. 2007 Electricians Toolbox Etch www.elec-toolbox.com/usefulinfo/xfmr-3ph.htm
  2. 2006, Bonli 3 Phrase Transformer Application https://web.archive.org/web/20111001231159/http://www.bonli.tw/ch-mainpower.html#1
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