实际注意事项 - Transformers

电源容量

正如已经观察到的，变压器必须精心设计，以实现可接受的功率耦合、严格的电压调节和低励磁电流失真。此外，变压器必须设计成能够毫无问题地承载初级和次级绕组电流的预期值。

这意味着绕组导体必须由适当规格的导线制成，以避免任何发热问题。

理想的变压器

理想的变压器应具有完美的耦合（无漏感）、完美的电压调节、完美的正弦励磁电流、无磁滞或涡流损耗，以及足够粗的导线以处理任何数量的电流。不幸的是，理想的变压器必须无限大和无限重才能满足这些设计目标。

因此，在业务实用 变压器设计，必须妥协。

此外，绕组导体绝缘是遇到高压的一个问题，因为它们通常出现在升压和降压配电变压器中。

不仅绕组必须与铁芯绝缘良好，而且每个绕组必须相互充分绝缘，以保持绕组之间的电气隔离。

变压器额定值

考虑到这些限制，变压器具有一定水平的初级和次级绕组电压和电流，尽管电流额定值通常来自分配给变压器的伏安 (VA) 额定值。

例如，以初级额定电压为 120 伏、次级额定电压为 48 伏、VA 额定值为 1 kVA (1000 VA) 的降压变压器为例。最大绕组电流可确定为：kVA (1000 VA)。最大绕组电流可以这样确定：

有时绕组会承受以安培为单位的额定电流，但这通常出现在小型变压器上。大型变压器几乎总是以绕组电压和VA或kVA为额定值。

能量损失

当变压器传输电力时，它们的损耗最小。如前所述，现代电力变压器设计的效率通常超过 95%。然而，很高兴知道这些失去的力量去了哪里，以及是什么导致它失去了。

当然，由于导线绕组的电阻会造成功率损耗。除非使用超导线，否则总是会通过载流导体的电阻以热量的形式耗散功率。由于变压器需要如此长的导线，因此这种损耗可能是一个重要因素。

增加绕组线的规格是最小化这种损耗的一种方法，但只会显着增加成本、尺寸和重量。

涡流损耗

除了电阻损耗之外，变压器功率损耗的大部分是由于磁芯中的磁效应造成的。也许这些“核心损耗”中最重要的是涡流损耗 ，这是由于感应电流通过铁芯的铁而引起的电阻功率耗散。

因为铁既是电的导体又是磁通量的优良“导体”，所以铁中会产生感应电流，就像交流磁场在次级绕组中感应出的电流一样。

这些感应电流——如法拉第定律的垂直条款所述——倾向于垂直于初级绕组匝数通过铁芯的横截面。

它们的圆周运动赋予了它们不同寻常的名字：就像水流中的涡流一样，不是直线运动而是循环运动。

铁是一种良好的电导体，但不如通常用来制造绕组线的铜或铝好。因此，这些“涡流”在穿过核心时必须克服显着的电阻。

在克服熨斗提供的阻力时，它们以热量的形式耗散功率。因此，我们有一个难以消除的变压器效率低下的根源。

感应加热

这种现象是如此明显，以至于它经常被用作加热含铁（含铁）材料的一种手段。下图显示了一个“感应加热”装置，用于提高大管段的温度。

由高温绝缘层覆盖的线圈环绕管道的圆周，通过电磁感应在管壁内产生涡流。为了最大限度地发挥涡流效应，使用高频交流电而不是电源线频率（60Hz）。

图片右侧的盒子单元产生高频交流电并控制电线中的电流量，以将管道温度稳定在预先确定的“设定点”。

感应加热：初级绝缘绕组将电流感应到有损耗的铁管（次级）中。

减轻涡流

减轻变压器铁芯中这些浪费的涡流的主要策略是将铁芯制成薄片，每片薄片都涂有绝缘漆，以便将铁芯分成薄片。结果是涡流在磁芯中流通的宽度非常小：

将铁芯分成薄的绝缘叠片可最大限度地减少涡流损耗。

层压 像这里显示的磁芯是几乎所有低频变压器的标准配置。回想一下变压器对半切开的照片，铁芯是由许多薄片组成的，而不是一块实心的。

涡流损耗随着频率的增加而增加，因此设计用于在更高频率电源（例如 400 Hz，用于许多军事和飞机应用）上运行的变压器必须使用更薄的叠片，以将损耗降至可观的最小值。

这具有增加变压器制造成本的不良影响。

另一种类似的最小化涡流损耗的技术更适用于高频应用，是用铁粉代替薄铁片制作磁芯。

与层压板一样，这些铁颗粒单独涂有电绝缘材料，这使得铁芯不导电，除了在每个颗粒的宽度内。铁粉芯常见于处理射频电流的变压器中。

磁滞

另一个“磁芯损耗”是磁磁滞 .所有铁磁材料在暴露于外部磁场后都倾向于保持一定程度的磁化。

这种保持磁化的趋势称为“磁滞”，每次初级绕组产生的磁场改变极性（每个交流周期两次）时，需要一定的能量投资来克服这种反向变化。

这种类型的损耗可以通过良好的磁芯材料选择（选择磁滞低的磁芯合金，如“薄”B/H 磁滞曲线所证明的那样）和设计磁芯的最小磁通密度（大横截面积）来减轻.

高频趋肤效应

变压器的能量损失会随着频率的增加而恶化。绕组导体内的趋肤效应减少了电荷流的可用横截面积，从而随着频率的升高而增加有效电阻，并通过电阻耗散产生更多的功率损耗。

磁芯损耗也会随着频率、涡流和磁滞效应变得更加严重而被夸大。出于这个原因，大尺寸的变压器被设计为在有限的频率范围内有效运行。

在大多数线路频率非常稳定的配电系统中，人们会认为频率过高不会造成问题。不幸的是，它以非线性负载产生的谐波的形式出现。

正如我们在前面的章节中看到的，非正弦波形等效于不同幅度和频率的多个正弦波形的相加序列。在电力系统中，这些其他频率是基本（线路）频率的整数倍，这意味着它们将始终高于而不是低于变压器的设计频率。

在很大程度上，它们会导致变压器严重过热。电力变压器可以设计为处理一定水平的电力系统谐波，这种能力有时用“K 因子”额定值表示。

杂散电容和电感

除了额定功率和功率损耗之外，变压器通常还具有电路设计人员必须意识到的其他不良限制。与其更简单的对应物——电感器一样，变压器由于导体之间的绝缘电介质而表现出电容：从绕组到绕组、匝到匝（在单个绕组中）以及绕组到磁芯。

变压器谐振频率

通常，这个电容在电源应用中是无关紧要的，但小信号应用（尤其是高频应用）可能无法很好地容忍这种怪癖。

此外，具有电容以及绕组设计电感的效应使变压器能够谐振 在特定频率下，绝对是信号应用中的一个设计问题，其中应用的频率可能会达到这一点（通常电源变压器的谐振频率远远超出其设计用于操作的交流电源的频率）。

通量遏制

磁通控制（确保变压器的磁通量不会逸出而干扰另一个设备，并确保其他设备的磁通量与变压器磁芯屏蔽）是电感和变压器共同关心的另一个问题。

漏感

与磁通抑制问题密切相关的是漏电感。我们已经在本章前面的 SPICE 仿真中看到了漏电感对电压调节的不利影响。因为漏感相当于与变压器绕组串联的电感，所以它表现为与负载的串联阻抗。

因此，负载吸收的电流越大，次级绕组端子上的可用电压就越低。通常，变压器设计需要良好的电压调节，但也有特殊的应用。

如前所述，放电照明电路需要具有“松散”（差）电压调节的升压变压器，以确保在通过灯的电弧建立后降低电压。满足此设计标准的一种方法是设计具有磁通泄漏路径的变压器，以便磁通绕过次级绕组。

由此产生的漏磁通会产生漏电感，进而产生放电照明所需的不良调节。

核心饱和度

变压器的性能还受到磁芯磁通量限制的限制。对于铁磁芯变压器，我们必须注意磁芯的饱和极限。

请记住，铁磁材料不能支持无限的磁通密度：它们往往会在某个水平上“饱和”（由材料和磁芯尺寸决定），这意味着磁场力 (mmf) 的进一步增加不会导致磁力的成比例增加场通量（Φ）。

当变压器的初级绕组因施加过大的电压而过载时，磁芯磁通可能会在交流正弦波周期的峰值时刻达到饱和水平。如果发生这种情况，次级绕组中感应的电压将不再与为初级线圈供电的电压波形匹配。

换句话说，过载的变压器会失真 从初级绕组到次级绕组的波形，在次级绕组的输出中产生谐波。正如我们之前所讨论的，交流电力系统中的谐波含量通常会引起问题。

峰值变压器

称为峰值变压器的特殊变压器 利用这一原理在源电压波形的峰值附近产生短暂的电压脉冲。核心设计为在远低于峰值的电压水平下快速而急剧地饱和。

这会导致严重裁剪的正弦波通量波形，以及仅当通量发生变化（低于饱和水平）时才会出现次级电压脉冲：

峰值变压器的电压和磁通波形。

以低于正常频率的操作

变压器铁芯异常饱和的另一个原因是在低于正常频率的情况下运行。例如，如果设计为以 60 Hz 运行的电力变压器被迫以 50 Hz 运行，则磁通必须达到比以前更高的峰值水平，以产生与电源电压平衡所需的相同反向电压。

即使源电压与以前相同，也是如此。

与相同电压下的 60 Hz 相比，由 50 Hz 驱动的变压器磁芯中的磁通量更高。

由于瞬时绕组电压与瞬时磁通量的变化率成正比 在变压器中，电压波形达到相同的峰值，但需要更长的时间才能完成每个半周期，这就要求磁通保持与以前相同的变化率，但时间更长。

因此，如果通量必须以与以前相同的速率攀升，但在更长的时间内，它将攀升至更大的峰值。

在数学上，这是微积分的另一个例子。因为电压与通量的变化率成正比，所以我们说电压波形是导数 的通量波形，“导数”是根据另一个数学函数（波形）的变化率定义一个数学函数（波形）的微积分运算。

但是，如果我们采取相反的观点，将原始波形与其导数联系起来，我们可以称原始波形为积分 导数波形。在这种情况下，电压波形是磁通波形的导数，磁通波形是电压波形的积分。

任何数学函数的积分都与该函数曲线下方的累积面积成正比。由于与 60 Hz 波形相比，50 Hz 波形的每个半周期在其与曲线图零线之间积累的面积更大——而且我们知道磁通量是电压的积分——磁通量将在下图。

以相同速率变化的磁通在 50 Hz 时比在 60 Hz 时上升到更高的水平。

变压器饱和的另一个原因是初级绕组中存在直流电流。变压器初级绕组两端的任何直流电压下降都会在铁芯中产生额外的磁通量。这种额外的磁通“偏置”或“偏移”将推动交变磁通波形在一个半周期内比另一个更接近饱和。

初级直流将波形峰值移向饱和上限。

对于大多数变压器来说，磁芯饱和是一种非常不利的影响，通过良好的设计可以避免这种情况：设计绕组和磁芯，使磁通密度远低于饱和水平。

这确保了 mmf 和 Φ 之间的关系在整个磁通周期中更加线性，这很好，因为它减少了磁化电流波形的失真。

此外，针对低磁通密度设计磁芯可在正常磁通峰值和磁芯饱和限值之间提供安全裕度，以适应频率变化和直流偏移等偶然的异常情况。

浪涌电流

当变压器最初连接到交流电压源时，初级绕组中可能会出现大量电流浪涌，称为浪涌电流 .这类似于突然接通电源而启动的电动机所表现出的浪涌电流，尽管变压器浪涌是由不同的现象引起的。

我们知道，变压器铁芯中瞬时磁通的变化率与初级绕组上的瞬时电压降成正比。或者，如前所述，电压波形是磁通波形的导数，磁通波形是电压波形的积分。

在连续运行的变压器中，这两个波形相移 90°。由于磁通 (Φ) 与磁芯中的磁通势 (mmf) 成正比，而 mmf 与绕组电流成正比，因此电流波形将与磁通波形同相，并且都将滞后电压波形 90 °：

连续稳态操作：磁通量，像电流一样，滞后施加的电压 90°。

让我们假设变压器的初级绕组在瞬时电压处于其正峰值的确切时刻突然连接到交流电压源。

为了使变压器产生相反的电压降以平衡施加的电源电压，必须产生值迅速增加的磁通量。结果是绕组电流迅速增加，但实际上并没有比正常情况下更快：

在交流电压峰值时将变压器连接到线路：磁通从零快速增加，与稳态操作相同。

磁芯磁通和线圈电流均从零开始，并逐渐增加到连续运行期间经历的相同峰值。因此，在这种情况下没有“浪涌”或“浪涌”或电流。

或者，让我们考虑一下如果变压器与交流电压源的连接发生在瞬时电压为零的确切时刻会发生什么。

在连续运行期间（当变压器已通电一段时间后），这是磁通和绕组电流均处于负峰值的时间点，经历零变化率（dΦ/dt =0 和 di/ dt =0).

随着电压建立到其正峰值，磁通和电流波形建立到它们的最大正变化率，并随着电压下降到零电平而上升到它们的正峰值：

从e=0 V开始和上图连续运行是不一样的。这些预期的波形是不正确的——Φ，我应该从零开始。

然而，在这种情况下，连续模式运行和突然启动条件之间存在显着差异：在连续运行期间，当电压处于零点时，通量和电流水平处于负峰值；然而，在一直处于闲置状态的变压器中，磁通量和绕组电流都应从 零 开始 .

当磁通量随着电压上升而增加时，它会从零向上增加，而不是像我们通常在通电一段时间的变压器中那样从以前的负（磁化）条件增加。

因此，在刚刚“启动”的变压器中，当它“积分”电压波形前半周期下的面积时，磁通将达到其正常峰值幅度的大约两倍：

从 e=0 V 开始，Φ 从初始条件 Φ=0 开始，增加到正常值的两倍，假设它不会使核心饱和。

在理想的变压器中，磁化电流也会上升到其正常峰值的大约两倍，从而产生必要的 mmf 以产生高于正常值的磁通量。

然而，大多数变压器的设计在正常磁通峰值和饱和极限之间没有足够的裕量来避免在这种情况下饱和，因此磁芯在电压的前半周期几乎肯定会饱和。

在饱和期间，需要不成比例的 mmf 量来产生磁通量。这意味着绕组电流会产生 mmf 从而导致磁芯中的磁通，将不成比例地上升到一个很容易超过的值 两倍于正常峰值：

从 e=0 V 开始，电流也会增加到不饱和磁芯正常值的两倍，或者在（设计用于）饱和情况下要高得多。

这是在连接到交流电压源时在变压器的初级绕组中引起浪涌电流的机制。如您所见，浪涌电流的大小在很大程度上取决于与电源进行电气连接的确切时间。

如果变压器在连接到电源时的磁芯中碰巧有一些剩磁，则浪涌可能会更加严重。正因为如此，变压器过流保护装置通常是“慢动作”型的，以在不开路的情况下耐受这样的电流浪涌。

热量和噪音

除了有害的电气效应之外，变压器还可能表现出不希望的物理效应，最显着的是产生热量和噪音。噪音主要是一种令人讨厌的影响，但热量是一个潜在的严重问题，因为如果允许过热会损坏绕组绝缘。

良好的设计可以最大限度地减少发热，确保铁芯不会接近饱和水平，涡流最小，绕组不会过载或运行太接近最大载流量。

大型电力变压器将其铁芯和绕组浸入油浴中以传递热量和消音器，并排出水分，否则会损害绕组绝缘的完整性。

变压器外壳外部的散热“散热器”管提供对流油流路径，将热量从变压器铁芯传递到环境空气：

大型电力变压器浸没在散热绝缘油中。

根据字母等级系统，无油或“干式”变压器通常根据最大工作温度“升高”（温度升高超过环境温度）进行额定：A、B、F 或 H。这些字母代码排列按照耐热性从低到高的顺序：

• A 类： 在 40°C（最高）环境空气温度下，绕组温升不超过 55°C。
• B 类： 在 40°C（最高）环境空气温度下，绕组温升不超过 80°C。
• F 级： 在 40°C（最高）环境空气温度下，绕组温升不超过 115°C。
• H 类： 在 40°C（最高）环境空气温度下，绕组温升不超过 150°C。

可听噪声是一种主要源于磁致伸缩现象的影响 ：铁磁性物体被磁化时长度的微小变化。

在大型电力变压器周围听到的熟悉的“嗡嗡声”是铁芯在 120 Hz（系统频率的两倍，在美国为 60 Hz）时膨胀和收缩的声音——铁芯的每个峰值收缩和膨胀一个周期磁通波形 - 加上初级和次级绕组之间机械力产生的噪声。

同样，保持铁芯中的低磁通量水平是最小化这种影响的关键，这解释了为什么铁磁变压器（必须在大部分电流波形中饱和运行）在高温和嘈杂环境中工作。

绕组磁力造成的损耗

电力变压器中另一个产生噪声的现象是重载时初级和次级绕组之间的物理反作用力。

如果次级绕组开路，则不会有电流通过，因此不会产生磁动势 (mmf)。然而，当次级被“加载”（当前提供给负载）时，绕组会产生一个 mmf，它会被初级绕组中“反射”的 mmf 抵消，以防止磁芯磁通水平发生变化。

由于次级（负载）电流而在初级和次级绕组之间产生的这些相反的 mmf 会在绕组之间产生排斥的物理力，这会使它们发生振动。

变压器设计者必须在绕组线圈的构造中考虑这些物理力，以确保有足够的机械支撑来处理应力。但是，在重载（高电流）条件下，这些应力可能大到足以导致变压器发出可闻噪声。

评论：

• 电力变压器可以从初级绕组传输到次级绕组的功率有限。大型设备的额定值通常为 VA（伏安）或 kVA（千伏安）。
• 变压器绕组中的电阻会导致效率低下，因为电流会散发热量，浪费能源。
• 变压器铁芯中的磁效应也会导致效率低下。这些影响包括涡流 （铁芯中的循环感应电流）和磁滞 （由于克服了铁在特定方向上磁化的趋势而造成的功率损失）。
• 频率增加会导致电源变压器内的功率损耗增加。电力系统中谐波的存在是频率明显高于正常频率的来源，这可能会导致大型变压器过热。
• 由于线绝缘（电介质）将绕组匝与铁芯以及彼此分开，变压器和电感器都具有一定的不可避免的电容。这个电容足够大，可以给变压器一个自然的谐振频率 ，这在信号应用中可能会出现问题。
• 漏感 是由变压器绕组之间的磁通量未 100% 耦合引起的。任何与转移无关的助焊剂 从一个绕组到另一个绕组的能量将存储和释放能量，这就是（自）电感的工作原理。漏感往往会恶化变压器的电压调节（对于给定的负载电流量，次级电压“下降”更多）。
• 磁饱和 变压器铁芯的异常可能由过高的初级电压、在过低的频率下运行和/或任何绕组中存在直流电流引起。可以通过保守设计最小化或避免饱和，这在峰值磁通密度值和磁芯饱和极限之间提供足够的安全裕度。
• 变压器经常经历显着的浪涌电流 最初连接到交流电压源时。当瞬时电源电压为零时连接到交流电源时，浪涌电流最为严重。
• 噪声是变压器（尤其是电力变压器）的常见现象，主要由磁致伸缩引起 的核心。在重（大电流）次级绕组负载的情况下，引起绕组振动的物理力也可能会产生噪声。