变压器是用于从一个电路转换电源到另一个，而不改变频率的静态机。这是变压器的非常基本的定义。由于没有旋转或运动部件，因此变压器是静态设备。变压器使用交流电源供电。变压器根据互感原理工作。


变压器的历史


如果我们想了解变压器的历史，我们必须追溯到1880年代。在1830年的大约50年之前，就已经发现了感应的特性，这就是变压器的工作原理。后来改进了变压器设计，从而提高了效率，减小了尺寸。逐渐出现了在几KVA，MVA范围内的大容量变压器。1950年，高压电力系统中引入了400KV 电力变压器。在1970年代初期，生产出的额定功率高达1100 MVA。1980年，各种制造商生产了800KV甚至更高KV级的变压器。


电力变压器


在低电压水平下产生电能非常具有成本效益。从理论上讲，这种低电压电平功率可以传输到接收端。如果传输这种低压功率，则会导致更大的线路电流，这实际上会导致更多的线路损耗。但是，如果增加电源的电压电平，则电源的电流会减少，这会导致系统中的欧姆损耗或I 2 R损耗减小，导体的截面积减小，即系统的资本成本降低，并且它也改善了系统的电压调节。由于这些原因，必须提高低电平功率以进行有效的电能传输。这是通过升压变压器完成的在电力系统网络的发送端。由于此高压电源可能无法直接分配给用户，因此必须在降压变压器的帮助下将其在接收端降压至所需水平。因此，电力变压器在电力传输中起着至关重要的作用。


通常在高低压比大于2的情况下使用两个绕组变压器。在高低压比小于2的情况下使用自动变压器是具有成本效益的。同样，单相三相变压器更大。比三相系统中的三个单相变压器组更具成本效益。但是，单个三相变压器单元的运输有点困难，如果其中一个相绕组发生故障，则必须将其完全停止使用。


电力变压器做什么？


变压器用于获取低交流电压，然后将其升压至更高电压，反之亦然。


AC表示交流电：导线/电路中的电荷像正弦波一样来回振荡，而不是沿一个恒定方向在电路周围连续移动。电流在振荡，因为驱动它的电压也在随时间振荡。


变压器中电压的升压和降压是通过两个称为感应器的导线线圈完成的（如果您曾经见过其中一种的科学形式，则类似于电磁铁中使用的圆柱形导线线圈）。两个线圈彼此相邻，但未物理连接。一个线圈是输入，另一个是输出。输入线圈中的波动电压会产生波动磁场。这种波动的磁场反过来会感应输出线圈中波动的电压（这就是为什么它们被称为电感器）的原因。该感应仅在电压/磁场随时间波动时才起作用，这就是为什么它仅适用于交流电，而不适用于直流电的原因。线圈的匝数（导线环）不同。输入电压与输出电压的比率取决于线圈之间的匝数比率。这样便可以提高或降低电压。


为什么要在配电网络的各个点上更改交流电压水平？通常，发电厂发出的电压在施加到输电线上以进行长距离传输之前，要升到很高的值（例如10,000伏）。这样做是因为如果电压很高，电流将会很低。功率=电压*电流，由于从发电厂流出的功率或多或少是恒定的，因此，如果增加传输线中的电压，则通过传输线的电流将减小。为什么要电流低？因为没有什么是电荷的完美导体，甚至没有金属线。在一公里的跨度内，该电线将对电流产生一定程度的阻力。结果是，由于该电阻，一些功率会浪费在加热导线上。电流越高，浪费的功率就越多。因此，努力将电流保持在传输线较低。


可以根据变压器的用途，用途，构造等对变压器进行不同的分类。请注意，有时这些分类会重叠–例如，变压器可以同时是三相变压器和升压变压器。有关更多信息，一些最佳的电气工程书籍更详细地介绍了变压器的工作原理。


变压器的类型如下：


升压变压器和降压变压器


升压变压器将来自变压器初级侧的低压（LV）和高电流转换为变压器次级侧的高电压（HV）和低电流值。


降压变压器将变压器初级侧的高压（HV）和低电流转换为变压器次级侧的低压（LV）和高电流值。


三相变压器和单相变压器


三相变压器通常用于三相电力系统中，因为它比单相变压器更具成本效益。但是，当尺寸很重要时，最好使用一组三相单相变压器而不是三相变压器，因为它比一个三相变压器更容易运输。


电力变压器


电力变压器，配电变压器和仪表变压器：


电力变压器通常用于传输网络中以提高或降低电压水平。它主要在高负载或峰值负载下运行，在满负载或接近满负载时具有最大效率。


配电变压器降低电压以分配给家庭或商业用户。它具有良好的电压调节能力，一天24小时均可在满负载的50％时发挥最大效率。


互感器包括CT和PT，用于将高压和大电流降低到较小的值，这些值可以通过常规仪器进行测量。


两个绕组变压器和自耦变压器


通常使用两绕组变压器，其中高压侧和低压侧之间的比率大于2。


在高压侧和低压侧之间的比率小于2的情况下，对于自耦变压器而言，它更具成本效益。


户外变压器和室内变压器


顾名思义：室外变压器专为室外安装而设计。


而室内变压器是为安装在室内而设计的（可能会猜到！）。


油冷干式变压器


此分类适用于变压器内使用的变压器冷却系统。


在油冷变压器中，冷却介质是变压器油。而在干式变压器中，则使用空气冷却。


铁心式变压器


甲芯型变压器具有两个垂直腿或四肢具有名为轭两个水平部分。芯部为矩形，具有公共磁路。圆柱线圈（HV和LV）放置在两个肢体上。


壳式变压器


甲壳式变压器具有中心臂和两个外四肢。HV，LV线圈都放置在中央臂上。存在双磁路。


浆果式变压器


在浆果型变压器中，铁芯看起来像是轮辐。紧密安装的金属薄板油箱用于容纳这种类型的变压器，内部装有变压器油。



如何调节变压器


变压器非常有用的设备。有了它，我们可以轻松地在交流电路中乘以或除以电压和电流。的确，由于交流电压可以“升高”，电流可以“降低”，以减少沿着将发电站与负载连接的电力线的线电阻功率损耗，因此变压器已使长距离电力传输成为现实。


在两端（无论是发电机还是负载），变压器都会降低电压水平，以实现更安全的运行和更便宜的设备。


从初级到次级增加电压的变压器（次级绕组匝数多于初级绕组匝数）称为升压变压器。相反，设计为正相反的变压器称为降压变压器。


这是一个降压变压器，由初级绕组的高匝数和次级绕组的低匝数证明。作为降压单元，该变压器将高电压，低电流电源转换为低电压，高电流电源。


由于电流的增加，需要在次级绕组中使用较大规格的导线。不必传导那么多电流的初级绕组可以由较小规格的线材制成。


变压器运行的可逆性


贤集网小编觉得，它是可能落后于这些变压器类型的任一操作以执行相反的功能（与AC源的次级绕组，让初级绕组功率的负载供电）：升压可以用作步骤签证和Versa。


但是，正如我们在本章第一部分所看到的那样，要使变压器高效运行，就必须针对特定的电压和电流工作范围来设计各个绕组电感，因此，如果要像这样“向后”使用变压器，则必须在每个绕组的电压和电流的原始设计参数中使用此参数，以免证明效率低下（或避免其被过大的电压或电流损坏！）。


变压器构造


变压器通常以这样的方式构造，使得哪些导线引向初级绕组而哪些导线引向次级绕组并不明显。电力行业中用来减轻混乱的一种惯例是对高压绕组（降压单元中的初级绕组；升压器中的次级绕组）使用“ H”标记。低压绕组的名称。


因此，简单的电源变压器将具有标记为“ H 1 ”，“ H 2 ”，“ X 1 ”和“ X 2 ”的电线。通常对于导线编号（H 1与H 2等）非常重要，我们将在本章稍后探讨。


升压和降压变压器的实际意义


当您回想起功率等于电压乘以电流，并意识到变压器不能产生功率而只能转换时，电压和电流会沿相反的方向（一个向上，另一个向下）“步进”的事实是很合理的。


任何输出功率超过其消耗功率的设备都将违反物理学中的节能法，即不能产生或破坏能量，只能进行转换。就像我们看到的第一个变压器示例一样，从设备的初级到次级，功率传输效率非常好。


当考虑替代方案时，其实际意义变得更加明显：在高效变压器问世之前，电压/电流水平转换只能通过使用电动机/发电机组来实现。


电动机/发电机组的图纸揭示了所涉及的基本原理：


在这样的机器中，电动机机械地耦合到发电机，该发电机被设计成以电动机的旋转速度产生期望水平的电压和电流。


尽管电动机和发电机都是相当有效的设备，但是以这种方式使用它们会使效率低下，从而使总效率在90％或更低的范围内。此外，由于电动机/发电机组显然需要运动部件，因此机械磨损和平衡是影响使用寿命和性能的因素。


另一方面，变压器可以在没有移动部件的情况下以很高的效率转换交流电压和电流的水平，这使得我们理所当然地广泛分配和使用电力成为可能。


公平地说，应该指出的是，电动机/发电机组并不一定在所有应用中都被变压器淘汰。


尽管在交流电压和电流水平转换方面，变压器显然优于电动机/发电机组，但它们不能将交流电源的一种频率转换为另一种频率，或者（本身）不能将直流转换为交流，反之亦然。


电动机/发电机组可以相对简单地完成所有这些工作，尽管已经描述了效率和机械因素的限制。


电动机/发电机组还具有动能存储的独特属性：也就是说，如果电动机由于某种原因而暂时中断，其角动量（旋转质量的惯性）将使发电机在短时间内保持旋转，从而将发电机供电的所有负载与主电源系统中的“毛刺”隔离开来。


升压和降压变压器运行分析


仔细查看SPICE分析中的数字，我们应该看到变压器的比率与两个电感之间的对应关系。请注意，初级电感器（l1）的电感是次级电感器的（10000 H对100 H）的100倍，并且测得的电压降压比为10：1。


具有更大电感的绕组将比另一个绕组具有更高的电压和更少的电流。


由于两个电感器都缠绕在变压器中相同的铁心材料上（为了使两者之间实现最有效的磁耦合），因此影响每个线圈的电感的参数相同，除了每个线圈的匝数外。


如果再看一下电感公式，就会发现电感与线圈匝数的平方成正比：


电感公式


因此，很明显，在最后一个SPICE变压器示例电路中，我们的两个电感器（电感比为100：1）应具有10：1的线圈匝数比，因为10的平方等于100。


得出的结果与我们在初级和次级电压与电流之间的比率（10：1）相同，因此通常可以说，电压和电流的转换比等于初级与次级之间的绕组匝数之比。


降压变压器示例


变压器中线圈匝数比的升/降效果类似于机械齿轮系统中的齿轮齿数比，其转换速度和转矩值的方式几乎相同：


减小扭矩的齿轮系使扭矩降低，同时加快速度。


减小扭矩的齿轮系使扭矩降低，同时加快速度。


用于配电目的的升压和降压变压器与前面显示的功率变压器成比例，其中一些装置像房屋一样高。