Transformer 的基础知识
本文件解释了变压器的基本理论和操作
2024 年 8 月 29 日更新
1. Transformer 简介
变压器是电气和电子系统的重要组成部分。
提供电气隔离并执行转换电压和电流的重要任务。尽管设计过程有时可以被视为一种“艺术”，但它们的构造和功能是基于基本物理原理的。
本文深入探讨变压器理论、操作和性能的基础知识，深入了解其核心特性和实际考虑。
2. Transformer 基本理论
变压器提供电路之间的电气隔离，这对于不同应用中的安全性和功能至关重要。
变压器由磁芯以及缠绕其上的初级线圈和次级线圈组成。
当在初级线圈上施加交流电压时，它将产生与铁芯中交变磁通相对应的交流电流。
该磁通在次级线圈和初级线圈中都会感应出电压，从而实现法拉第感应定律。
上图表示变压器的基本元件：磁芯，初级线圈和次级线圈缠绕在磁芯的柱上。
施加到初级的交流电压 (Vp) 会在初级产生交流电流 (Ip)。
该电流在磁芯中产生交变磁通。
该交变磁通量在初级线圈的每一匝和次级线圈的每一匝中感应出电压。
由于磁通量是常数，即在初级和次级中都是相同的：
该方程式表明，通过控制初级线圈与次级线圈的匝数比，变压器可用于升高或降低交流电压。（电压变压器作用）。
还可以证明：
初级伏安 = 次级伏安
该方程表明，通过控制变压器初级与次级匝数比，可以升高或降低交流电流。
（电流互感器动作）
值得注意的是，初级绕组和次级绕组之间没有电连接。
因此，变压器提供了一种将一个电路与另一个电路隔离的方法。
这些特性（电压/电流变换和隔离）无法通过任何其他方式有效获得，因此世界上几乎每一件电气和电子设备都需要使用变压器。
3. BH曲线
磁芯材料的磁性对变压器的性能影响很大。当变压器的初级线圈通电时，磁化电流会产生磁化力 (H)，从而在磁芯中产生磁通量 (B)。B 和 H 之间的这种关系由材料的 BH 曲线表示。
磁化力（H）等于磁化电流与匝数的乘积，单位为安培-匝。
BH 曲线说明了磁通密度与磁化力的关系，这意味着随着 (H) 的增加，(B) 也会上升，直到磁芯材料饱和。
在饱和状态下，（H）的进一步增加不会显著增加（B），这就是为什么设计变压器在饱和点以下运行对于确保高效性能至关重要。
从BH曲线可以看出，随着磁化力从零增加，磁通量增加到某个最大磁通值。
超过这个水平，磁化力进一步增加，磁通量不会明显增加。磁性材料被称为“饱和”。
变压器的正常设计确保磁通密度低于会引起饱和的水平。
可以使用以下公式确定通量密度：
在哪里：
E表示施加电压的有效值。
N表示绕组的匝数。
B表示铁芯中磁通密度的最大值（特斯拉）。
A表示磁芯中磁性材料的截面积（平方米）。
f 表示施加电压的频率。
笔记
1 特斯拉 = 1 韦伯/米²
1 韦伯/平方米 = 10,000 高斯
每米 1 安匝 = 4 px 10-3 奥斯特
实际上，所有磁性材料一旦被磁化，即使磁化力降至零，仍会保留部分磁化强度。
这种效应被称为“剩磁”，其结果是材料的 BH 曲线对磁化力减小的响应与对磁化力增加的响应不同。
实际情况中真实磁性材料的BH曲线如下：
上面显示的曲线称为材料的“磁滞”回线，它表示材料的真实 BH 响应。（第一条 BH 曲线表示真实 BH 回线响应的平均值或均值）。
BH曲线的斜率、饱和度以及磁滞回线的大小取决于所用材料的类型以及其他因素。
下面的例子可以说明这一点：
 | 低品位铁芯 高饱和磁通密度 大环路 = 大磁滞损耗 适用于50/60Hz |
 | 高品质铁芯 高饱和磁通密度 中等环路 = 中等磁滞损耗 适用于400 Hz变压器 |
 | 铁氧体磁芯 - 无气隙 中饱和磁通密度 小环路 = 小磁滞损耗 适用于高频变压器 |
 | 铁氧体磁芯 - 大气隙 小环路 = 小磁滞损耗 适用于大直流电流的高频电感器 |
4. 磁滞损耗
BH曲线表现出一种称为滞后现象。
这是磁芯材料的磁化强度落后于磁化力的现象，由此产生的能量损失称为磁滞损耗。
磁滞回线越大的材料，其损耗越大。
该损失由 BH 磁滞回线内的面积表示。
因此，变压器铁芯采用磁滞损耗低的材料设计，以提高效率。
5.涡流损耗
涡流（也称为傅科电流）是由交变磁通在磁芯材料内感应出的电流环。
电流会产生电阻损耗，导致铁芯发热，这种现象称为涡流损耗，因为它们看起来像涡流或漩涡。
为了最大限度地减少损耗，变压器铁芯由层压板或铁氧体材料制成，以限制这些电流的路径。
6. 变压器等效电路
具有一个初级绕组和两个次级绕组的理想变压器可以表示如下图所示
这种变压器有以下特点：
- 无损失
- 所有绕组之间完美耦合
- 无限开路阻抗（即，次级开路时没有输入电流）。
- 绕组间无限绝缘
实际上，变压器由于各种非理想特性而与理想模型不同。变压器等效电路包含以下方面：
- 绕线电阻
- 电容
- 磁芯损耗
- 充磁电感
- 漏电感
这些变量有助于预测变压器的性能和与理想模型的偏差。
许多这些特性可以用变压器等效电路来表示：
在哪里：
R1、R2、R3代表绕组线的电阻。
C1、C2、C3表示绕组间的电容。
Rp 表示涡流和磁滞损耗造成的损耗。这些是实际功率损耗，有时称为铁芯损耗，可通过执行开路功率测量来测量。由于没有负载电流，通电绕组中的 I 2 R 铜损非常小，空载时测得的瓦数几乎全部来自铁芯。
Lp 表示由磁化电流引起的阻抗。这是产生 BH 环路图中使用的磁化力 H 的电流。请注意，如果变压器在 BH 曲线的非线性区域内运行，则此电流可能不是简单的正弦波，而是可能具有扭曲的尖峰形状。这通常是线频层压型变压器的情况。
L1、L2、L3 表示每个绕组的漏电感。（这在 Voltech Note 104-105“漏电感”中有详细讨论。）
7. 结论
变压器的等效电路反映由铁芯和绕组组成的磁路的真实特性。
因此，可以放心地使用等效电路来了解和预测变压器在各种情况下的电气性能。
掌握变压器运行的基本原理和实际考虑可以帮助工程师在不同应用中有效地设计、测试和应用变压器。
8. 进一步阅读
了解变压器的等效电路可让工程师分析和预测变压器在各种运行条件下的电气性能。它还有助于优化设计和测试流程，确保变压器符合质量和效率标准。
本系列的进一步技术说明讨论了如何使用等效电路参数对变压器进行实际测试以保证其在制造环境中的质量。