理解电力变压器电压调节

早期 SPICE 仿真显示，即使输入电压恒定，变压器输出电压也会随负载电阻变化而变化。

影响此变化的因素包括初次级绕组电感、绕组电阻、绕组间磁耦合程度。

对电力变压器而言，目标是向负载呈现近乎恒定的电压。因此，次级电压应在宽负载电流范围内波动尽可能小。

电压调节公式

电压调节衡量变压器在变化负载电流下维持稳定次级电压的有效性。计算公式如下：

何为“额定负载”？

“额定负载”指变压器在其最大允许次级电流下运行的点。此工作点主要由绕组线径（载流量）和冷却方式决定。

以首个 SPICE 变压器仿真为例，比较 1 kΩ 负载与 200 Ω 负载（代表额定负载）下的输出电压。回顾初级电压恒定 10.00 V AC：

freq v(3,5) i(vi1)
6.000E+01 9.962E+00 9.962E-03 Output with 1kΩ load
freq v(3,5) i(vi1)
6.000E+01 9.348E+00 4.674E-02 Output with 200Ω load

注意负载加重（电流增大）时输出电压下降。为说明近似空载条件，可用极高电阻替代次级负载：

transformer
v1 1 0 ac 10 sin
rbogus1 1 2 1e-12
rbogus2 5 0 9e12
l1 2 0 100
l2 3 5 100
k l1 l2 0.999
vi1 3 4 ac 0
rload 4 5 9e12
.ac lin 1 60 60
.print ac v(2,0) i(v1)
.print ac v(3,5) i(vi1)
.end

freq v(2) i(v1)
6.000E+01 1.000E+01 2.653E-04
freq v(3,5) i(vi1)
6.000E+01 9.990E+00 1.110E-12 Output with (almost) no load

次级电压从空载约 9.990 V 降至额定负载 9.348 V。代入调节公式得：

此例调节率超 3%，对电力变压器属差。优良电力变压器驱动纯电阻负载时调节率应小于 3%。感性负载通常恶化调节，故此分析属最佳情况。

受益于差调节的应用

某些器件刻意使用调节差的变压器。例如气体放电灯需高初始电压击穿电弧，之后电压需求降低。自然随负载降压的升压变压器对此很理想。

交流电弧焊机同样用降压变压器，击弧时供高电压，建弧后依赖低电压。设计者常通过移动铁芯进出变压器调节弧电流，降低磁耦合、降低空载电压、恶化调节——恰是所需效果。

铁谐振变压器

铁谐振变压器是特种电力变压器，铁芯处于持续磁饱和状态。此状态下，初级电压变化仅引起铁芯磁通密度微小变化，导致次级电压近乎恒定，即使供电波动。

铁谐振变压器中的谐振电路

铁芯饱和会畸变输出波形，但铁谐振变压器通过辅助次级绕组配合一个或多个电容器组成谐振腔，调谐至电源频率，来缓解此问题。此谐振腔滤除铁芯饱和和非线性负载产生的谐波，同时储能在短暂输入扰动期间维持输出电压。

铁谐振变压器提供输出电压调节。

主要优势包括：输入变化时输出电压稳健、谐波滤除、短时断电维持输出。某些设计甚至允许与不同步交流电源并联运行，实现无缝电源切换。

铁谐振变压器的已知缺点

这些变压器因饱和铁芯磁滞损耗消耗大量功率，产生显著热量。对频率变化敏感，限制了无稳定调速发电机的使用。此外，谐振电路可能产生高电压，需昂贵电容器并对维护人员构成安全隐患。

虽存在基于半导体的电力调节方案，但在许多应用中无法匹敌铁谐振变压器的简洁性和成本效益。

回顾

• 电压调节量化变压器在变化负载下保持次级电压稳定的能力。百分比越低性能越好。
• 铁谐振变压器设计用于在大输入变化下维持稳定输出电压。

相关工作表

• 稳压电源工作表
• 基本交直流电源工作表