介绍了变形金刚

在本教程中，我们将看到变形金刚的简要介绍。我们将学习什么是电力变压器，变压器的结构，变压器的工作原理，变压器的分类，损耗和效率以及一些应用。

介绍了变形金刚

变压器是电气系统中最常见的设备之一，它把工作在不同电压下的电路连接起来。变压器通常用于需要交流电压从一个电压电平转换到另一个电压电平的应用场合。

根据电气设备或装置或负载的要求，可以在交流电路中使用变压器来降低或增加电压和电流。各种应用使用各种各样的变压器，包括电源，仪表和脉冲变压器。

一般来说，变压器可分为两类，即电子变压器和电力变压器。电子变压器工作电压很低，额定功率低。这些都是用于消费者电子设备比如电视、个人电脑、CD/DVD播放机和其他设备。

电力变压器这个术语是指具有高功率和额定电压的变压器。它们广泛应用于发电、输电、配电和公用事业系统中，以提高或降低电压水平。但这两种变压器所涉及的操作是一样的。所以让我们来详细介绍一下变压器。

什么是变压器?

变压器是一种静态设备(意味着没有活动部件)，它由一个、两个或多个线圈组成，这些线圈通过磁耦合和电分离，有或没有磁芯。它通过电磁感应原理将电能从一个电路传输到另一个电路。

连接到交流主电源的绕组称为一次绕组，连接到负载或从中提取能量的绕组称为二次绕组。这两个具有适当绝缘的绕组被缠绕在层压铁芯上，在绕组之间提供磁路。

当一次绕组用交变电压源通电时，在变压器铁心内会产生交变磁通或交变磁场。这种磁通幅值取决于施加的电压大小，电源的频率和一次侧的匝数。

这种磁通通过铁芯循环，因此与次级绕组连接。基于电磁感应原理，这种磁连接在二次绕组中感应一个电压。这被称为两个电路之间的相互感应。二次电压取决于二次电压的匝数以及磁通量和频率。

变压器广泛应用于电力系统中，以产生相同频率的可变电压和电流值。因此，通过适当的一次和二次匝数比例，变压器就能得到所需的电压比。

变压器结构

变压器的主要部件有铁芯、绕组、容器或罐、套管、保护器和散热器。

核心

对于高功率应用，变压器铁心由高磁导率材料制成，为磁通量提供低磁阻路径。核心的横截面可以是正方形或长方形。

一般来说，铁芯变压器比空芯变压器能提供更好的电力转换。空气芯变压器用于高频应用(2khz以上)，而低频应用(2khz以下)则使用铁芯变压器。

在所有类型的变压器中，铁芯都是由硅钢片或薄钢片组成的，它们的组装目的是为磁通提供连续的磁路。有了这种叠层铁芯，涡流损耗被降到了最低。

这些层压钢板的厚度为0.35至5毫米，用清漆、氧化物或磷酸盐绝缘，然后形成一个核心。

为了获得更好的磁性，可使用热轧晶粒取向(HRGO)钢、冷轧晶粒取向(CRGO)钢或高B (HiB)层压。对于小型变压器，铁芯采用热轧硅钢层压E和I, C和I或O的形式。

绕组

一般来说，(双绕组)变压器有两个绕组，即一次绕组和二次绕组，由优质铜制成。

绝缘的绞线导体用作承载大电流的绕组。这种绝缘避免了匝间的接触。

连接在初级绕组上的电压称为初级电压，而在次级绕组上的感应电压称为次级电压。如果二次电压大于一次电压，称为升压变压器，如果低于一次电压，称为降压变压器。因此，绕组根据电压等级分为高压和低压绕组。

与低压绕组相比，高压绕组需要更多的绝缘来承受高电压，也需要更多的间隙到铁芯和主体。

变压器线圈可以是同心线圈或夹芯线圈。铁心型变压器采用同心线圈，壳型变压器采用夹芯线圈。在同心布置中，低压绕组放置在铁芯附近，高压绕组放置在低压绕组周围，以满足较低的绝缘和间隙要求。最常用的变压器线圈包括螺旋线圈、夹层线圈、圆盘线圈和交叉线圈。

变压器的其他必要部件是保存罐，它用来提供必要的储油，这样在重负荷下，油的压力就会稳定下来。当变压器中的油受热时，油自然会膨胀和收缩。在这种情况下，石油承受着巨大的压力，所以如果没有保护罐，就有可能导致变压器破裂。

衬套为从变压器绕组取下的输出端子提供绝缘。这些可以是陶瓷或电容器型衬套，根据工作电压水平选择这些。由于结构简单、耐用、坚固，变压器只需少量维护。由于没有运动部件，变压器的效率非常高，可从95%到98%不等。

变压器的分类

变压器根据各种因素分为几种类型，包括额定电压、结构、冷却类型、交流系统的相数、使用地点等。让我们讨论一下这些类型的变压器。

基于函数

变压器根据电压水平的转换分为两种类型。这些是升压和降压变压器。

升压变压器

在升压变压器中，二次电压大于一次电压。这是由于与次级线圈相比，初级线圈的数量较少。这种变压器是用来把电压提高到更高的水平的。这些用于传输系统，额定功率更高。

降压变压器

在降压变压器中，由于二次绕组匝数较少，二次电压小于一次电压。因此，这种类型的变压器被用来降低电压到电路的特定水平。大多数电源使用降压变压器来保持电路工作范围到指定的安全电压限制。这些类型的变压器用于配电系统(电力变压器)和电子电路(电子变压器)。

需要注意的是，变压器是一个可逆装置，因此它既可以作为升压变压器，也可以作为降压变压器。例如，如果电路需要高电压，我们将高压端子连接到负载，而负载或电路需要低电压，我们将低压端子连接到负载。

变压器电压的比率是由匝数比决定的。绕组匝数越多，产生的电压就越高。因此，降压变压器在次级电源上的匝数较少，以产生低电压，而在一次电源上的匝数较多，以承受交流电源的高电压水平。

匝数比=一次电压/次电压=一次匝数/次匝数

匝数比为VP /VS = NP /NS

基于核心建设

根据结构，变压器分为两种类型的方式，绕组放置在铁心。这两种类型分别是铁芯型和壳型变压器。

核心式变压器

在这种类型的变压器中，绕组环绕着铁心的相当一部分。配电变压器一般为铁芯型。一些大型电力变压器是外壳型的。

形状缠绕的圆柱形线圈用于铁心型变压器，这些线圈可以是矩形、椭圆形或圆形的。对于小尺寸铁心型变压器，使用简单的矩形铁心和圆形或矩形形式的圆柱线圈。

对于大型铁心型变压器，采用十字形铁心与圆形或圆形圆柱线圈。在大多数铁心型变压器中，由于圆柱线圈的机械强度大，所以采用圆柱线圈。这些圆柱形线圈缠绕在螺旋层中，由绝缘材料如布、纸、云母等相互绝缘。

与高压绕组相比，低压绕组易于绝缘;因此，它被放置在更靠近核心的地方。

壳式变压器

在壳式变压器中，铁芯作为与铁芯式变压器相反的外壳包裹着相当一部分铜绕组。在这种类型中，线圈是以前的缠绕，但是多层圆盘型线圈，以煎饼的形式受伤。这些多层盘线圈在不同的层是由纸分开彼此。整个绕组由堆叠的盘片组成，盘片之间的绝缘空间形成水平的绝缘和冷却管道。

Berry变压器是最常用的外壳型变压器。在壳型，核心有三个分支和缠绕在中央分支。低压和高压绕组都分为不同的线圈，线圈交替排列。在低压绕组之间，高压绕组被夹在中间。同样，为了减少绝缘要求，低压绕组被放置在靠近铁芯的地方。这种结构是高额定变压器的首选。

基于供给的本质

根据电源的性质，变压器可以是单相或三相变压器。单相变压器设计用于单相系统;因此它有两个绕组来转换电压水平。这些用于配电系统的远端。与三相变压器相比，这些变压器的额定功率更小。这种变压器多采用铁芯式结构。

要使用三相系统，我们需要三个单相变压器。因此，为了经济上的优势，考虑三相变压器三相运行。它由三个绕组或线圈组成，它们以适当的方式连接，以匹配输入电压。这类变压器的一次绕组和二次绕组根据负载电压要求采用星型-三角或三角-星型接线方式

基于使用

1. 电力变压器
2. 配电变压器
3. 仪表变压器

其他类型的变压器

根据冷却的类型，这些被分为

1. 自冷式风冷变压器
2. 风冷式变压器
3. 充油自冷变压器
4. 充油水冷式变压器
5. 充油强制油冷变压器

变压器工作原理

变压器的工作是基于两个线圈或绕组之间的相互感应原理，这两个线圈或绕组由一个共同的磁通连接在一起。当一次绕组用交流电源供电时，一次绕组中形成一个磁通。

由于磁芯为磁通提供了一个低磁阻路径，磁通与初级和次级绕组都有联系。因此，初级绕组产生的大部分磁通与次级绕组相连。这被称为主通量或有用通量。不与二次绕组连接的磁通称为泄漏磁通。大多数变压器都设计成具有较低的泄漏通量以减少损耗。

根据电磁感应的法拉第定律，该磁链与一次绕组和二次绕组都在其中诱导了电磁。每个线圈所产生的电动势与匝数成正比。在一次绕组中产生的电压或电动势称为反电动势，它与输入电源电压相反，直到没有一次电流流过。

但通过变压器的一次电流很小。次级绕组中产生的电动势就是开路电压。如果二次电路关闭或负载接通，二次电流开始流经它，导致产生去磁磁通。由于这种退磁通量，在施加电压和反电动势之间产生了不平衡。

为了恢复这两者之间的平衡，从电源吸取更多的电流，从而产生等效磁场以与二次磁场平衡。

由于相同的互磁通切断两个绕组，在两个绕组的每一匝感应的电动势是相同的。因此，每个绕组的总感应电动势必须与该绕组的匝数成正比。这就建立了已知的感应电动势与匝数之间的关系。给出为

E1 / e2 = n1 / n2

由于两个绕组的端电压与其感应电动势略有不同，我们可以写成

V1 / V2 = N1、N2

这被称为变压器的变换比。该变换值在升压变压器时大于1，在降压变压器时小于1。

就安培转平衡而言，

I1N1 = I2N2

I1和I2 = N2 / N1

变压器等效电路

机器或设备的等效电路仅仅是将固定和可变电阻和电抗组合在一起的方程的解释，它精确地模拟或描述了机器的完整行为。

一般来说，有关变压器电压和电流的问题可以用相量图来解决。然而，为了便于计算，用等效电路表示变压器是非常方便的。

将直接电路理论应用到该等效电路中，可以很容易地求出变压器中的电流和电压。

上图显示的是变压器的等效电路，其中假定一次绕组和二次绕组的电阻和电抗都是绕组外部的(分别显示)。空载电流Io是磁化分量Iu和有源分量Iw的组合。

因此，磁化电流的影响用Xo表示，有源分量或铁芯损耗分量的影响用无感电阻Ro表示。如图所示，Ro和Xo都通过主绕组连接。这种并联组合称为空载条件下的等效电路。

当负载连接到二次电路时，电流I2开始流经二次电路，并导致X2和R2之间的电压降。如上所述，由于二次电流I2，一次电流更多。所以一次电流I1在R1和X1上造成了相当大的下降。

为了简化计算，等效电路进一步简化，将二次电阻和电抗转移到一次侧，使E2/E1比值在相位和幅度上都不受影响。

初级等效的次级电动势是

E2 ' = E2 / K

其中K是变换比

同样，二次端电压的一次当量为

V2 ' = V2 / K

次电流的一次当量为

I2 = I2 / K

设R2 '是传递到初级侧的电阻，在初级侧产生的下降与在次级侧产生的相同。所以I2'R2 '是电压降R2 '。这证明了I2'R2 '和I2R2的比值必须与N1/N2(匝数比)相同。

因此,

(i2'r2 ') / (i2r2) = (n1 / n2) = (1/ k)

R2 ' = R2 × (i2 / i2 ') × (1/ k)

但(I2 / I2 ') = (N1/N2) = (1/K)

因此，R2 ' = R2 /K²

同样，X2 ' = X2 /K²

同样地，负载电阻和电抗也可以转移到一次侧。有了所有这些传输值，变压器的精确等效电路如下所示。

也可以将初级电阻和抗(或阻抗)转移到次级电阻，就像次级电阻和抗(或阻抗)转移到初级电阻一样。设R1′和X1′为从初级侧转移到次级侧的电阻和电抗，则

R1 ' = K²R1

X1 ' = K²X1

值得注意的是，空载电流是满载电流的一小部分，E1与V1相差很小，因此电流I2 '实际上等于I1。

因此，忽略R1和X1上无负载电流Io引起的电压降。因此，将由Ro和Xo组成的空载并联支路左移至最左位置，进一步简化了精确等效电路，如下图所示。

该电路称为指原侧变压器的适当等效电路。因此，通过添加串联电阻和电抗，分析变得简单。

变压器的损失

变压器没有活动部件，因此没有机械损耗。因此，变压器中的损耗被认为是电能损耗。变压器中存在两种类型的电损耗，即铁芯损耗和铜损耗。

铁芯或铁芯损耗

这些损失包括迟滞和涡流损失。

变压器铁心设置的磁通量为交变型;因此，它经历了一个磁化和退磁的循环。在此过程中，需要适当的功率使铁芯的元素磁体连续反转。这被称为滞后效应，由于这种相当大的能量损失发生。

滞回损耗= K_hB_米^1.67f v瓦

在那里,

K_h=滞后常数

B_米=最大通量密度

f =频率

V =岩心的体积

因为变压器铁芯是由铁磁材料构成的，也是良导体。因此，与地核相连的磁通量在地核中诱发了电动势。因此，堆芯在堆芯内形成涡流，从而在堆芯内产生相当大的涡流损失。

涡流损失= K_eB_米²f²t²W /单位体积

在那里,

K_e=涡流常数

T =岩心厚度

从以上两个方程可以看出，固定频率下的电源电压是恒定的，因此磁通在磁芯中的依次磁通密度几乎是恒定的。因此，迟滞和涡流损耗在所有负载中都是恒定的。因此核心损失也被称为恒定损失。

采用硅钢等具有极低迟滞回线的优质芯材，使迟滞损失降到最低或减少。另一方面，采用叠层铁芯可以减小涡流损耗。这些恒定或铁芯损耗可以通过在变压器上开路来测量。

铜的损失

当变压器承载负载电流时，这些损耗发生在变压器的绕组电阻中。变压器中的总铜损耗是将一次和二次铜损耗相加得到的。这些是通过在变压器上进行短路休息发现的。

变压器中的其他损耗包括介电损耗和杂散负载损耗。杂散损耗是由罐体和绕组导体内的涡流造成的。介电损耗发生在变压器的油、固体绝缘等绝缘材料中。

变压器的效率

它是在特定负载和功率因数下运行的变压器的有用输出功率与输入功率之比。

效率=产出/投入

=产量/(产量+总损失)或

=(输入-损失)/输入

= 1-(损失/投入)

变压器的效率一般在95 ~ 98%之间。从上面的效率方程可以看出，效率取决于瓦数，而不取决于伏安额定值。因此，在任何伏安额定值下，变压器的效率取决于功率因数。效率在单位功率因数时达到最大值，并通过计算OC和SC测试的总损失来确定。

变压器的应用

• 在输电和配电系统等电力传输系统中，提高或降低电压水平。
• 在变电站、工业控制电路等情况下，隔离低压电路和高压电路。
• 仪表变压器，如电流和电压互感器，用于保护和仪表指示系统。
• 这些也用于阻抗匹配。