变压器

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变压器
一個理想的降壓變壓器,此圖畫出了變壓器芯中的磁通量。
變壓器的電路圖。

變壓器英语Transformer)是應用法拉第電磁感應定律而升高或降低電壓的裝置。 變壓器通常包含兩組或以上的線圈。主要用途是升降交流電電壓、改變阻抗及分隔電路。

歷史[编辑]

变压器变压原理首先由法拉第於发现,但是直到十九世纪80年代才开始实际应用。在發電場應該輸出直流电交流電的競爭中,交流电能够使用变压器是其优势之一[2]。变压器可以將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。如此一來,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。

基本原理[编辑]

一個簡單的單相變壓器由兩塊導電體組成。當其中一塊導電體有一些不定量的電流 (如交流電或脈沖式的直流電) 通過,便會產生變動的磁場。根據電磁的互感原理,這變動的磁場會使第二塊導電體產生電勢差。假如第二塊導電體是一條閉合電路的一部份,那麼該閉合電路便會產生電流。電力於是得以傳送。 在通用的變壓器中,有關的導電體是由 (多數為質的) 電線組成線圈,因為線圈所產生的磁場要比一條筆直的電線大得多。 變壓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、副线圈的電壓 VS, VP 和兩者的繞線的匝數 NS, NP 之間有正比的關係:

至於變壓器兩方之間的電流或電壓比例,則取決於兩方電路線圈的圈數。圈數較多的一方電壓較高但電流較小,反之亦然。 如果撇除泄漏等因素,變壓器兩方的電壓比例相等於兩方的線圈圈數比例,亦即電壓與圈數成正比。以算式表示如下:

\frac{V_p}{V_s}=\frac{N_p}{N_s}.

另外,主副线圈中的电流按照线圈圈数成反比,如下式:

I_s N_s = I_p N_p

在以上两个算式中:

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,變壓器的這個性質使它成為轉換電壓的重要設備。 另外,撇除泄漏的因素,變壓器某一方 (線圈) 的電壓可以從以下算式求得:

 E=4.44*N*(B*A)*f

在算式中:

  • E是流經該線圈的電壓的方根均值(root mean square);
  • f是電流的頻率 (單位為赫茲);
  • N是線圈的圈數;
  • A是線圈內空間 (鐵芯) 的切面面積(單位為米^2);
  • B是通過線圈內空間 (鐵芯) 的磁力(單位為韋伯/米^2)。
  • 常數值 4.44 是為了使算式結果對應於計算出來的單位而設。

由於變壓器遵守這兩條定律,它不會是放大器。如果處在變壓器兩方的電壓有所不同,那麼流經變壓器兩方的電流也會不同,而兩者的差距則成反比。如果變壓器一方的電流比另一方小,那電流較小的一方會有較大的電壓;反之亦然。然而,變壓器兩方所消耗的功率 (即一方的電壓和電流兩值相乘) 應是相等的。

轉換因子為:

a=\frac{N_1}{N_2}.

線圈等效自感值為:

L=\frac{N^2}{R_i}.

線圈等效互感值為:

M=\frac{N_1 N_2}{R_i}.

能量损失[编辑]

理想的變壓器沒有能量流失,所以擁有 100% 效率。在現實之中,大容量的變壓器的效率可達 98%;但小型的變壓器流失會較嚴重,而它們的效率可能低於 85%。 變壓器的能量流失可以來自這些現象: (在以下敘述中,線圈內的導磁體一律稱為「鐵芯」)

  • 銅損,線圈的電阻:電流通過導電體時產生熱能(電流要較高,發出的熱人體才感覺的到),造成能量損失。和其他種類的流失不同,這種流失並不是來自變壓器的鐵芯。
  • 渦流損:磁力使鐵芯產生環迴電流,導致能量化成熱並流失至外界。把鐵芯切成不相通的薄片可以減少這種流失。
  • 磁力流失:所有未被輸出方線圈接收的磁場線均會造成能量流失。
  • 磁滯損:鐵芯的滯後作用使每次磁場改變時造成能量流失。這種流失的大小取決於鐵芯的原料。
  • 力流失:交替的磁場使導線、鐵芯與附近的金屬之間的電磁力產生變化,結果形成振動和能量流失。
  • 磁滞伸縮:交替的磁場使鐵芯出現伸縮。如果鐵芯的原料容易受伸縮影響,分子之間的摩擦會導致能量流失。
  • 冷卻設備:大型的變壓器一般配備冷卻用的電風扇、油泵或注水的散熱器。這些設備所使用的能量一般亦算作變壓器的能量流失。

變壓器運作時的噪音一般來自磁力流失或磁致伸縮所造成的振動。

銅損為:

P_c=I_1^2 R_c.

鐵損為:

P_i=P_h+P_e.

當司坦麥系數為n=2,且使用於變壓器B=V/f,磁滯損為:

P_h=k_hfB^n=k_h\frac{V^2}{f}.

渦流損與電源頻率平方及最大磁通密度成正比,並與變壓器內之矽鋼片厚度平方成正比,和司坦麥系數無關:

P_e=k_ef^2B^2=k_eV^2.

變壓器無法勝任的工作[编辑]

  • 直接把直流電轉成交流電,或直接把交流電轉換為直流電。前者必須使用逆变器,后者必須使用整流器
  • 改變直流電的電壓或電流。
  • 變更交流電的頻率,必須使用变频器
  • 把單相電流轉為多相電流。

分類[编辑]

變電站用的大型變壓器(110kV)。
可调整輸出电压的变压器。

电力变压器[编辑]

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電气一次設備。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,變壓器擔當重要的角色。

电子变压器[编辑]

电子变压器一詞可能指以下幾種之一

  1. 內含電子電路的變壓裝置
    • AC-AC 電子式變壓器,例如日光燈用電子變壓兼安定器
    • 交換式電源供應器,例如 AC-DC 交換式電源供應器,或 DC-DC 電壓轉換器。
  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[编辑]

隔离变压器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級側與次級側之间是电绝缘的,並保有一定的安全距離。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,应该關閉電源以防止触电,或因漏電產生的危險。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。如为了安全维修彩电常用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[编辑]

用于稳压。

电力起动变压器[编辑]

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[编辑]

單相自耦式變壓器

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。 自耦式變壓器是只有一組線圈同時用作原線圈及副線圈的變壓器。降壓時會從共用線圈引出一部份用作副線圈,而當升壓時會從共用線圈引出比原線圈多的一部份用作副線圈。 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,同容量的自藕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[编辑]

  • 三相變壓器

三相變壓器廣泛使用於工業用途上,用於變換電壓電流。三相電流是最常見用於產生、傳導及使用電力的方式,因此,了解三相變壓器如何連接是必要的。 此變壓器是由三繞組單相變壓器建構在於一單獨線圈上,並且放置於充滿絕緣油的附件上。絕緣油有數個功能,第一、由於絕緣,一個非導電體的電力可提供繞組與外殼之間的電氣絕緣;第二、它也可以用來冷卻及防止濕氣產生(濕氣會導致繞組的絕緣下降)。

漏磁變壓器[编辑]

漏磁變壓器。

漏磁變壓器用於負載急劇變化而又要求逐步趨於穩定狀態的電子設備中,如熒光燈電源、離子泵電源等設備。這一類負載表現為開始工作時阻抗較大,需要較高的瞬間電壓;而當穩定工作時,負載阻抗較小,需將負載電流限製在允許值內,以使其能正常工作。

諧振變壓器[编辑]

諧振變壓器 (resonant transformer) 屬於一種漏感變壓器,利用變壓器的漏感與外加電容形成諧振電路。 諧振變壓器的例子有:


構成[编辑]

一個變壓器通常包括:

  • 兩組或以上的線圈:以輸入交流電電流與輸出感應電流。
  • 一圈金屬芯: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。

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薄片鋼芯[编辑]

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、损opoopopopooppopo

实芯铁芯[编辑]

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素体陶瓷材料。 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[编辑]

卷铁芯[编辑]

线圈[编辑]

線圈由电磁线所構成,用於環繞鐵蕊,藉以通電產生磁場,或是經由磁場產生感應電流。

绝缘保护[编辑]

屏蔽物[编辑]

冷却剂[编辑]

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。

接頭[编辑]

相關[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ 变压器发明简史. 中國變壓器行業信息網. [2013-07-06]. 
  2. ^ 林常平、陳貽評. 電網發展歷程與未來展望. 中華民國經濟部能源局. [2013-07-06]. 
  3. ^ Abdel-Salam, M. et al.. High-Voltage Engineering: Theory and Practice. : 523–524. ISBN 0824741528. 
  4. ^ 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 http://www.bonli.tw/ch-mainpower.html#1