变压器的应用

变压器运行的是磁感应，这种现象允许变化的磁场在附近的电路中产生电流。在变压器中，这个过程涉及缠绕在铁芯上的两个线圈。交流电进入个线圈（称为“初级”），并产生变化的磁场，在第二个线圈（称为“次级”）中感应出电流。

电力变压器是一种静态电磁感应装置，由两个或多个绕组组成，设计用于将一个交流电压和电流系统转换为另一个交流电压和电流系统，通常具有不同的值但具有相同的频率，用于传输电能。它们可以是低功率、中功率或高功率，具体取决于它们可以承受的电压和电流。

两个线圈的匝数之比决定了输出电压和电流。简单地说，如果次级的匝数比初级的匝数多，则输出电压会更高，而电流会更低。相反，如果次级的匝数较少，则电压会更低，电流会更高。然而，在这两种情况下，电压和电流（功率）的乘积保持不变，确保（至少在理论上）没有功率损耗。该系统允许电力扩展，使其适用于不同的应用和不同的用户。除了降低电压外，变压器还可以提高电压。

这在高压输电线路中很有用，因为高压输电线路需要提高电压以减少传输过程中的能量损失。如果交流电在初级绕组中流动，则产生磁通量，与次级绕组连接，并在次级绕组中产生交流电。变压器可以改变电路的“电阻”，使其与不同的设备兼容并实现阻抗匹配。

图1显示了变压器的电气符号。位于电感器附近的两个黑点表示它们是相互耦合的。变压器的所有参数都紧密相连，例如组成变压器的电流、电压和电感器的匝数。特别是，我们有：

从理论上讲，初级和次级的功耗是相同的，但实际上，始终需要考虑电感系统中典型的小功率和传输损耗。因此，我们有以下等式，其中还考虑了次级和初级之间的阻抗适应：

请注意，“α”表示转换率。

图1：变压器的电气符号

真正的变压器

由于真实材料没有零阻抗并且存在其他非线性条件，因此真实变压器无法反映理想变压器的特性，因此它总是以功率损耗为特征，尽管功率损耗很小。特别需要注意的是，一些流动分散在空气中而不是铁磁材料中，从而产生分散体。

此外，铁磁材料的磁导率受到限制，绕组由导体组成，其特点是电阻小，由于焦耳效应导致加热和能量损失。此外，铁磁材料中也会产生涡流，这也取决于通过变压器的交流电的频率。

在图2中可以看到变压器的等效图，其中包括额外的电容和电感元件，使理论和理想系统的运行更接近真实系统。请注意，由于变压器导体的不理想性，与初级和次级绕组（R1 和 R2）串联的电阻元件的存在，在系统运行期间会产生一定比例的热量。由于黑色金属材料的损耗，磁滞引入了另一种耗散，由于 Rm 而产生额外的热量。

进一步的电感损耗来自 Ld1、Ld2 和 Lm。此外，一个线圈和另一个线圈之间还存在其他寄生电容，因为它们是叠加的，并且在各层之间具有电位差。匝数越多，变压器的尺寸越大，它们就越大。

图2：变压器的真实电气图

在电力变压器，特别是电力变压器的主题中，了解如何管理功率损耗非常重要，尤其是在旨在优化节能的情况下。在通用变压器中，有功功率损耗是输入功率和输出功率之差的结果。功率损耗意味着上游级的尺寸过大，而能量损耗会增加电源的消耗。

在电压变换中，还考虑了铜损耗（取决于负载电流的平方）和铁损耗（与电压的平方成正比）。电阻损耗是由于焦耳效应引起的，主要是由初级和次级绕组的电阻引起的，而电感损耗则取决于构成磁芯的材料和叠片的类型。为了尽量减少损耗，有必要研究磁芯的几何形状，特别是其材料（铜、铝或其他）、电导体的形状以及具有不同磁导率的磁性材料的质量。

任何类型的电力变压器制造商，无论是小型、中型还是大型，都必须遵守政府指令设定的能源效率和生态设计目标，以降低这些设备的能耗。

瓦特和伏安

变压器是配电系统的基础。VA 额定值是指相对于变压器可以提供给负载的能量的功率分配。伏安 （VA） 是电力领域的基本测量单位。它表示电路中的视在功率，包括有功功率和无功功率。

在实践中，它同时测量电路中的有功功率和无功功率，同时考虑总功率，包括非生产性振荡的功率。在交流电路中，电压和电流并不总是同相的。功率因数也用于计算，即有功功率与视在功率之间的比率。

它介于 0 和 1 之间，功率因数越高，表明电气系统在将视在功率转换为有功功率方面效率更高。如果负载是纯电阻的，则功率（有功功率）以瓦特表示，并使用以下公式计算：

电力电子课程：第 16 部分 –变压器

但是，如果负载不是纯电阻的，而是包含电感器或电容器，则会发生能量累积，从而使计算复杂化。感性负载以磁场的形式存储能量，而容性负载将其存储为电场，并在每半波时将其返回到网络，而无需实际使用它。

因此，一部分电流反复来回传递，尽管可以测量，但它对作为有功功率的实际消耗（以瓦特为单位）的贡献不大。由于这个特定原因，实际消耗量始终低于 Volt x Ampere 乘积。因此，视在功率以伏安 （VA） 表示，它相当于乘积伏特 x 安培，也考虑了相移。按照惯例，伏安的值大约是瓦特值的 1.4 倍，但它会因情况而异。

电压和电流之间的相移是用电压和电流矢量之间夹角的余弦计算的，称为余波或功率因数。如上一段所述，它的范围介于 0 和 1 之间，相对关系如下：

根据负载类型，电压和电流之间可能存在相移（见图3）。当电压施加到电阻负载时，流过它的电流成比例变化。功率称为有功功率，以瓦特 （W） 为单位，其计算非常简单，根据以下产品：

其他负载类型（包括电感和电容）的行为不同。如果电压增加，电感器初会阻止电流通过，因为它会在自身周围产生磁场。电流增加，但有一定的延迟。换句话说，如果在变压器上施加交流电压，电压达到其顶点，但电流保持接近于零，然后在电压已经开始降低时增加。

电流波形始终是正弦波形，但滞后于电压波形，并且在两个正弦波之间，存在等于其角度余弦 （cos-phi） 的相移。当电压和电流完全同相时，cos-phi 等于 1。相反，当它们异相（电压和零电流）时，它等于零。混合介质负载的 cos-phi 的典型值为 0.7。

 
图 3：负载类型会改变电压和电流之间的相移。

结论

磁芯的环形形状优化了磁通量，以少的材料量实现了的效率。换句话说，它们非常适合变压器和电感器，因为它们允许用户使用更少的材料获得强磁场。紧凑的结构减少了元件的质量，便于散热，并限度地减少了热变化对电气参数的影响。绕组和铁芯之间的空间有限也有助于防止涡流引起的过热，这是变压器的一个问题，随着频率的增加，这个问题不可避免地会增加。