第8节 实际考虑 - 变压器 (修订中)
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# 1. 电源容量
正如已经观察到的，变压器必须经过精心设计，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预期值的初级和次级绕组电流。
这意味着绕组导体必须由适当规格的导线制成，以避免任何加热问题。
# 1.1. 理想变压器
理想的变压器应具有完美的耦合（无漏感）、完美的电压调节 (opens new window)、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电流量。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_实际_变压器设计业务中，必须做出妥协。
此外，绕组导体绝缘是遇到高压的一个问题，因为它们经常出现在升压和降压配电变压器中。
不仅绕组必须与铁芯很好地绝缘，而且每个绕组都必须与另一个绕组充分绝缘，以保持绕组之间的电气隔离。
# 1.2. 变压器额定值
考虑到这些限制，变压器的初级和次级绕组电压和电流的额定值是一定水平的，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，采用初级电压额定值为 120 伏、次级电压额定值为 48 伏和 VA 额定值为 1 kVA (1000 VA) 的降压变压器。最大绕组电流可以这样确定：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根据绕组电压和 VA 或 kVA 来确定额定值。
# 2. 能量损失
当变压器传输电力时，它们会以最小的损耗进行传输。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一些力量去了哪里，以及是什么导致它失去了。
当然，由于导线绕组的电阻会导致功率损耗。 (opens new window)除非使用超导线，否则总会有功率通过载流导体的电阻以热的形式耗散。由于变压器需要如此长的电线，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失的一种方法，但只有在成本、尺寸和重量显著增加的情况下。
# 2.1. 涡流损耗
除了电阻损耗外，变压器的大部分功率损耗是由于磁芯中的磁效应造成的。这些“铁芯损耗”中最重要的可能是_涡流损耗_，这是由于感应电流通过铁芯的铁芯而导致的电阻性功率耗散。
因为铁既是电导体，又是磁通量的极好“导体”，铁中会产生感应电流，就像交流磁场在次级绕组中感应出电流一样。
这些感应电流——正如法拉第定律 (opens new window)的垂直性条款所描述的——倾向于在垂直于初级绕组匝数的铁芯横截面上循环。
它们的圆周运动给了它们不寻常的名字：就像水流中的漩涡一样，循环而不是直线移动。
铁是一种良好的电导体，但不如通常用于制造绕组的铜或铝好。因此，这些“涡流”在通过磁芯循环时必须克服显著的电阻。
在克服铁提供的阻力时，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。
# 2.2. 感应加热
这种现象非常明显，以至于它经常被用作加热含铁（含铁）材料的手段。下面的照片显示了一个“感应加热”装置，用于提高大管段的温度。
被高温绝缘材料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。为了最大化涡流效应，使用高频交流电而不是电源线频率（60 Hz）。
图片右侧的箱式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定的“设定点”。
感应加热：初级绝缘绕组感应电流进入有损铁管（次级）。
# 2.3. 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片状，每片片上都覆盖有绝缘漆，以便将铁芯分成薄片。结果是涡流在核心中循环的宽度非常小：
将铁芯分成薄绝缘叠片可最大限度地减少涡流损耗。
_像这里显示的叠层_磁芯是几乎所有低频变压器的标准配置。回想一下被切成两半的变压器的照片，铁芯是由许多薄片而不是一个实心片组成的。
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希望的效果。
另一种用于最小化涡流损耗的类似技术，在高频应用中效果更好，是用铁粉而不是薄铁片制造铁芯。
与叠片一样，这些铁颗粒单独涂有电绝缘材料，这使得铁芯除了在每个颗粒的宽度范围内之外都是不导电的。在处理射频电流的变压器中经常发现有粉铁芯。
# 2.4. 磁滞
另一个“铁损”是_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，都需要投入一定的能量来克服这种对立。
这种类型的损耗可以通过良好的磁芯材料选择（选择具有低磁滞的磁芯合金，如“薄”的 B/H 磁滞曲线所证明的那样）和设计磁芯以实现最小磁通密度（大横截面积）来减轻.
# 2.5. 高频集肤效应
变压器的能量损失往往会随着频率的增加而恶化。绕组导体内的集肤效应减少了电荷流动的可用横截面积，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失。
随着更高的频率、涡流和磁滞效应变得更加严重，磁芯损耗也被夸大了。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地工作。
在大多数线路频率非常稳定的配电系统中，人们会认为过高的频率不会造成问题。不幸的是，它确实以非线性负载产生的谐波形式出现。
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，它们会导致严重的变压器过热。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”等级表示。
# 3. 杂散电容和电感
除了额定功率和功率损耗之外，变压器通常还存在电路设计人员必须注意的其他不良限制。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，从匝到匝（在单个绕组中），以及从绕组到铁芯。
# 3.1. 变压器谐振频率
通常，这种电容在电源应用中无关紧要，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，电容与绕组的设计电感一起使变压器能够以特定频率_谐振，这在应用频率可能达到这一点的信号应用中绝对是一个设计问题（通常_电源变压器的谐振频率 (opens new window)为远远超出其设计运行的交流电源的频率）。
# 3.2. 通量遏制
通量遏制（确保变压器的磁通量不会逸出以干扰另一个设备，并确保其他设备的磁通量与变压器铁芯屏蔽）是电感器和变压器共同关心的另一个问题。
# 3.3. 漏感
与磁通抑制问题密切相关的是漏感。我们已经在本章前面的 SPICE 仿真中看到了漏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一个电感，它表现为与负载的串联阻抗。
因此，负载吸收的电流越多，次级绕组端子上可用的电压就越低。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，放电照明电路需要一个具有“松散”（不良）电压调节的升压变压器，以确保在通过灯形成电弧后降低电压。满足该设计标准的一种方法是设计具有漏磁路径的变压器，以使磁通量绕过次级绕组。
由此产生的漏磁通会产生漏电感，进而会产生放电照明所需的不良调节。
# 4. 核心饱和度
变压器的性能也受到磁芯磁通量限制的限制。对于铁磁芯变压器，我们必须注意铁芯的饱和极限。
请记住，铁磁材料不能支持无限磁通密度：它们倾向于在某个水平“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的电压过高而过载时，铁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_会使_初级绕组到次级绕组的波形失真，从而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 (opens new window)中的谐波含量通常会导致问题。
# 4.1. 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。
这会导致正弦波通量波形被严重裁剪，并且只有在通量变化时（低于饱和水平）才会产生二次电压脉冲：
调峰变压器的电压和磁通波形。
# 4.2. 在低于正常频率的情况下运行
变压器磁芯异常饱和的另一个原因是工作频率低于正常值。例如，如果设计为以 60 Hz 运行的电源变压器被迫以 50 Hz 运行，则磁通量必须达到比以前更高的峰值水平，才能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，50 Hz 驱动的变压器铁芯中的磁通量更高。
由于瞬时绕组电压与变压器中瞬时磁通量的_变化率_成正比，电压波形达到相同的峰值，但需要更长的时间来完成每个半周期，要求磁通量保持相同的变化率像以前一样改变，但时间更长。
因此，如果通量必须以与以前相同的速率上升，但时间更长，它将上升到更大的峰值。
在数学上，这是另一个微积分的例子。因为电压与磁通的变化率成正比，我们说电压波形是磁通波形的_导数_，“导数”是微积分运算，根据变化率定义一个数学函数（波形）改变另一个。
但是，如果我们采取相反的观点，并将原始波形与其导数联系起来，我们可以将原始波形称为导数波形的_积分_。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累积的面积成正比。由于 50 Hz 波形的每个半周期在它和图表的零线之间累积的面积比 60 Hz 波形要多——而且我们知道磁通量是电压的积分——磁通量将达到更高的值下图。
以相同速率变化的通量在 50 Hz 时上升到比在 60 Hz 时更高的水平。
变压器饱和的另一个原因是初级绕组中存在直流电流。变压器初级绕组上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。
初级中的 DC 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，可以通过良好的设计来避免这种情况：设计绕组和磁芯，使磁通密度保持远低于饱和水平。
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，因为它可以减少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制之间提供安全裕度，以适应偶尔出现的异常情况，例如频率变化和直流偏移。
# 5. 浪涌电流
当变压器最初连接到交流电压源时，可能会有大量电流通过初级绕组，称为_浪涌电流_。这类似于突然连接到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。
在连续工作的变压器中，这两个波形相移 90°。由于磁通 (Φ) 与铁芯中的磁动势 (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，并且两者都将滞后电压波形 90 °：
连续稳态运行：磁通量，如电流，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。
为了使变压器产生一个相反的电压降来平衡这个施加的源电压，必须产生一个快速增加值的磁通量。结果是绕组电流迅速增加，但实际上并不比正常情况下快：
在交流电压峰值处将变压器连接到线路：通量从零迅速增加，与稳态操作相同。
磁芯磁通和线圈电流都从零开始，并累积到连续运行期间所经历的相同峰值。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），这是磁通和绕组电流都处于负峰值的时间点，变化率为零（dΦ/dt = 0 和 di/ dt = 0)。
随着电压达到正峰值，磁通和电流波形达到最大正变化率，并随着电压下降到零电平向上达到正峰值：
从 e=0 V 开始与上图中的连续运行不同。这些预期的波形是不正确的——Φ 我应该从零开始。
然而，在这种情况下假设的连续模式运行和突然启动条件之间存在显著差异：在连续运行期间，当电压为零时，磁通量和电流水平处于负峰值；然而，在一个闲置的变压器中，磁通量和绕组电流都应该_从零开始_。
当磁通量响应于电压上升而增加时，它将从零向上增加，而不是从以前的负（磁化）条件开始，就像我们通常在已通电一段时间的变压器中那样。
因此，在刚刚“启动”的变压器中，通量将达到其正常峰值幅度的大约两倍，因为它“积分”了电压波形前半周期下的区域：
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余量来避免在这种情况下饱和，因此在电压的前半个周期内，铁芯几乎肯定会饱和。
在饱和期间，需要不成比例的 mmf 来产生磁通量。这意味着产生 mmf 并在磁芯中引起磁通量的绕组电流将不成比例地上升到一个_容易超过_其正常峰值两倍的值：
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）饱和情况下更高。
这是连接到交流电压源时在变压器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的那一刻碰巧在其铁芯中有一些剩磁，则浪涌可能会更加严重。正因为如此，变压器过电流保护装置通常是“慢动作”类型的，以便在不断开电路的情况下承受这样的电流浪涌。
# 6. 热量和噪音
除了不希望的电气效应外，变压器还可能表现出不希望的物理效应，最显著的是产生热量和噪声。噪声主要是一种滋扰效应，但热量是一个潜在的严重问题，因为如果允许过热，绕组绝缘会损坏。
良好的设计可以最大限度地减少发热，确保铁芯不接近饱和水平，确保涡流最小化，并且绕组不会过载或操作太接近最大载流量。
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，并排出会损害绕组绝缘完整性的水分。
变压器外壳外部的散热“散热器”管提供了对流油流路径，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。
无油或“干式”变压器通常根据字母等级系统根据最大工作温度“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最低到最高的顺序：
- __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 级：__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_现象的效应：铁磁物体在磁化时表现出的长度轻微变化。
在大型电力变压器周围听到的熟悉的“嗡嗡声”是铁芯以 120 Hz 的频率膨胀和收缩的声音（系统频率的两倍，美国为 60 Hz）——每个峰值为一个周期的铁芯收缩和膨胀。磁通量波形——加上初级和次级绕组之间的机械力产生的噪声。
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谐振变压器（在大部分电流波形中必须在饱和状态下运行）在高温和嘈杂的情况下运行。
# 6.1. 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)。但是，当次级“加载”（当前提供给负载）时，绕组会产生一个 mmf，该 mmf 会被初级绕组中的“反射” 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 在绕组之间产生排斥的物理力，这将使它们振动。
变压器设计人员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这些应力。但是，在重负载（高电流）条件下，这些应力可能大到足以导致变压器发出可听噪声。
# 7. 总结
- 电力变压器在它们可以从初级绕组传输到次级绕组的功率量方面受到限制。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，浪费能量。
- 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_（由于克服铁在特定方向磁化的趋势而导致的功率损失）。
- 频率增加导致电力变压器内的功率损耗增加。电力系统中谐波的存在是频率显著高于正常频率的来源，这可能导致大型变压器过热。
- 由于导线绝缘（电介质）将绕组匝与铁芯以及彼此分离，变压器和电感器都包含某些不可避免的电容。该电容可能足够大，足以为变压器提供自然_谐振频率_，这在信号应用中可能会出现问题。
- _漏感_是由磁通量未 100% 耦合在变压器绕组之间引起的。任何不涉及_将_能量从一个绕组转移到另一个绕组的磁通都会存储和释放能量，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，次级电压“下降”更多）。
- 变压器铁芯的磁_饱和_可能由过高的初级电压、以过低的频率运行和/或任何绕组中存在直流电流引起。通过保守的设计可以最小化或避免饱和，这在峰值磁通密度值和磁芯的饱和极限之间提供了足够的安全裕度。
- 当最初连接到交流电压源时，变压器通常会经历显著的_浪涌电流。_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）表现出的一种常见现象，主要是由铁芯的_磁致伸缩引起的。_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产生噪声。
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