變壓器運(yùn)行的核心是磁感應(yīng),這種現(xiàn)象使變化中的磁場(chǎng)能夠在附近的電路中產(chǎn)生電流。在變壓器中,其中一個(gè)線圈稱為“原邊”或“輸入線圈”，另一個(gè)線圈稱為“次邊”或“輸出線圈”.

電力變壓器是一種由兩個(gè)或兩個(gè)以上的繞組組成的靜態(tài)電磁感應(yīng)裝置,其設(shè)計(jì)目的是改造一個(gè)?交流電壓 和電流進(jìn)入另一個(gè)交流電壓和電流系統(tǒng),通常具有不同的值,但頻率相同,用于傳輸電能。它們可以是低功率、中功率或高功率的,這取決于它們所能承受的最大電壓和電流。

兩個(gè)線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)之間的比率決定輸出電壓和電流。簡單地說,如果第二次的轉(zhuǎn)動(dòng)比第一次的多,輸出電壓會(huì)更高,而電流會(huì)更低。相反,如果第二次的轉(zhuǎn)動(dòng)較少,電壓將較低,電流將較高。然而,在這兩種情況下,電壓和電流(功率)的乘積保持不變,確保(至少在理論上)沒有電力損失。這一系統(tǒng)允許電力規(guī)模化,使其適合于不同的應(yīng)用和不同的用戶。除了降低電壓,變壓器也可以提高它.

這在高壓輸電線路中是有用的,為此,提高電壓以減少傳輸過程中的能量損失是必要的。如果在初級(jí)繞組中有交流電流流動(dòng),就會(huì)產(chǎn)生與次級(jí)繞組連接的磁通量,而在次級(jí)繞組中就會(huì)產(chǎn)生交流量。變壓器可以改變電路的"電阻",使其與不同的設(shè)備兼容,實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

圖1顯示了變壓器的電氣符號(hào)。位于電感附近的兩個(gè)黑點(diǎn)表明它們是相互耦合的。變壓器的所有參數(shù)都緊密相連,例如電流、電壓和組成變壓器的電感的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)。我們尤其:

理論上,主要系統(tǒng)和次級(jí)系統(tǒng)的耗散功率是相同的,但實(shí)際上,歸納系統(tǒng)的典型方法是考慮小功率和轉(zhuǎn)移損耗。因此,我們有下列的平等性,它也考慮到了二級(jí)和一級(jí)之間的阻抗適應(yīng):

請(qǐng)注意,"A"代表的是轉(zhuǎn)換率。

圖1:變壓器的電氣符號(hào)

真正的變壓器

由于實(shí)際材料沒有零阻抗和其他非線性條件存在,實(shí)際變壓器不能反映理想材料的特性,因此它的特點(diǎn)總是電力損失,盡管小。特別是,應(yīng)該注意到,某些流動(dòng)是分散在空氣中而不是在鐵磁材料中,造成分散。

此外,鐵磁材料的滲透性受到限制,而且繞組是由具有小電阻的導(dǎo)體組成的,由于焦耳效應(yīng)而導(dǎo)致加熱和能量損失。此外,鐵磁材料也會(huì)產(chǎn)生渦流,這也取決于交流電通過變壓器的頻率。

在圖2中可以觀察到變壓器的等效圖,其中包括額外的電容和感應(yīng)組件,這些組件使理論和理想系統(tǒng)的運(yùn)行更接近實(shí)際系統(tǒng)。注意,由于變壓器導(dǎo)體的非理想性,在系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生一定比例的熱量,所以電阻元件與主繞組和二次繞組(R1S和R2S)串聯(lián)存在。另一種耗散是由于鐵材料的損耗而產(chǎn)生的磁滯,而鐵材料的損耗會(huì)產(chǎn)生額外的熱量。

進(jìn)一步的歸納損失源于LD1、LD2和LM。此外,其他寄生電容存在于一個(gè)線圈和另一個(gè)線圈之間,因?yàn)樗鼈兪钳B加的,并在各層之間有潛在的差異。它們?cè)酱?轉(zhuǎn)動(dòng)的次數(shù)越多,變壓器的尺寸也越大。

圖2:變壓器的真實(shí)電氣圖

在電力變壓器,特別是電力變壓器這一主題范圍內(nèi),了解如何管理電力損失非常重要,特別是如果目的是優(yōu)化節(jié)能。在通用變壓器中,有源功率損失是輸入功率和輸出功率之間差異的結(jié)果。電力損失意味著上游階段的規(guī)模過大,而能源損失則增加了主要來源的消耗。

在電壓變換中,銅損失(取決于負(fù)載電流的平方)和鐵損失(與電壓的平方成正比)也被考慮在內(nèi)。電阻損失是由于焦耳效應(yīng)造成的,主要是由主繞組和二次繞組的電阻造成的,而電感損失則取決于構(gòu)成磁芯的材料和層壓的類型。為了盡量減少損耗,有必要研究芯的幾何形狀,特別是其材料(銅、鋁或其他),導(dǎo)體的形狀,以及不同磁導(dǎo)率的磁性材料的質(zhì)量。

任何類型的電力變壓器的制造商,無論是小型、中型還是大型,都必須遵守政府指令規(guī)定的能源效率和生態(tài)設(shè)計(jì)目標(biāo),以減少這些裝置的能源消耗。

瓦茨和伏特安培

變換器是電力分配系統(tǒng)的基礎(chǔ)。伏安等級(jí)是指相對(duì)于變壓器所能提供給負(fù)載的能量量的功率分布。伏安(VA)是電力領(lǐng)域測(cè)量的基本單位。它表示電路中的表觀功率,包括實(shí)際功率和無功功率。

實(shí)際上,它測(cè)量電路中的有源功率和無源功率,同時(shí)考慮到總功率,包括非生產(chǎn)性振蕩的功率。在交流電路中,電壓和電流并不總是相合.功率因數(shù)也用于計(jì)算,即實(shí)際功率與表觀功率的比率。

它在0到1之間,更高的功率因數(shù)表明電力系統(tǒng)在將表觀功率轉(zhuǎn)換為實(shí)際功率時(shí)效率更高。如果負(fù)載純粹是電阻的,則功率(有源功率)用瓦特表示,并按下列公式計(jì)算:

然而,如果負(fù)載不是純粹電阻的,而是包含電感或電容器,就會(huì)產(chǎn)生能量積累,使計(jì)算復(fù)雜化。感應(yīng)負(fù)載以磁場(chǎng)的形式存儲(chǔ)能量,而電容負(fù)載以電場(chǎng)的形式存儲(chǔ)能量,并在每半波的情況下將其返回網(wǎng)絡(luò),而不是實(shí)際使用它。

因此,電流的一部分反復(fù)反復(fù)地來回流動(dòng),雖然可以測(cè)量,但它不利于作為有源功率的瓦茨的實(shí)際消費(fèi)。由于這個(gè)特殊原因,實(shí)際消費(fèi)總是低于伏特X安培產(chǎn)品。因此,表觀功率用伏安(VA)表示,它與產(chǎn)品伏安相等,也考慮到相移。按慣例,伏安值大約是瓦特值的1.4倍,但會(huì)隨情況變化。

電壓和電流之間的相移是用電壓和電流矢量之間角的余弦來計(jì)算的,這種余弦被稱為COS-PI或功率因數(shù)。如上段所述,其范圍在0至1之間,相關(guān)關(guān)系如下:

根據(jù)負(fù)載的類型,電壓和電流之間可能會(huì)發(fā)生相移(見圖3)。當(dāng)電壓施加于電阻負(fù)載時(shí),通過它的電流就成比例變化。該功率被稱為有源功率,它是用瓦特(W)測(cè)量的,其計(jì)算非常簡單,根據(jù)以下產(chǎn)品:

其他負(fù)載類型,包括電感和電容,表現(xiàn)不同。如果電壓增加,電感器最初會(huì)反對(duì)電流的通過,因?yàn)樗鼤?huì)在自身周圍形成磁場(chǎng)。電流增加,但有一定的延遲.換句話說,如果你在變壓器上施加交流電壓,電壓達(dá)到其頂端,但電流保持在接近零的水平,然后當(dāng)電壓開始下降時(shí),電壓就增加了。

電流波形始終呈正弦形,但滯后于電壓,在兩個(gè)正弦體之間,有一個(gè)相移等于其角的余弦。當(dāng)電壓和電流完全同步時(shí),COS-PAI等于1。相反地,當(dāng)它們是最大的無相(最大電壓和零電流)時(shí),它等于零。混合介質(zhì)負(fù)載的COS-PI的典型值為0.7%。

圖3:負(fù)載類型改變電壓和電流之間的相移

結(jié)論

核心的環(huán)形形狀優(yōu)化了磁通量,以最小的材料量達(dá)到最大的效率。換句話說,它們非常適合變壓器和電感器,因?yàn)樗鼈兡茏層脩粲幂^少的材料獲得強(qiáng)大的磁場(chǎng)。緊湊型結(jié)構(gòu)減少了部件的質(zhì)量,便于散熱,并盡量減少熱變化對(duì)電氣參數(shù)的影響。繞組和鐵芯之間的空間有限,也有助于防止渦流導(dǎo)致的過熱,這是變壓器問題,不可避免地隨著頻率的增加而增加。