變壓器是用于從一個電路轉(zhuǎn)換電源到另一個，而不改變頻率的靜態(tài)機。這是變壓器的非?；镜亩x。由于沒有旋轉(zhuǎn)或運動部件，因此變壓器是靜態(tài)設備。變壓器使用交流電源供電。變壓器根據(jù)互感原理工作。

變壓器的歷史

如果我們想了解變壓器的歷史，我們必須追溯到1880年代。在1830年的大約50年之前，就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了感應的特性，這就是變壓器的工作原理。后來改進了變壓器設計，從而提高了效率，減小了尺寸。逐漸出現(xiàn)了在幾KVA，MVA范圍內(nèi)的大容量變壓器。1950年，高壓電力系統(tǒng)中引入了400KV 電力變壓器。在1970年代初期，生產(chǎn)出的額定功率高達1100 MVA。1980年，各種制造商生產(chǎn)了800KV甚至更高KV級的變壓器。

電力變壓器

在低電壓水平下產(chǎn)生電能非常具有成本效益。從理論上講，這種低電壓電平功率可以傳輸?shù)浇邮斩?。如果傳輸這種低壓功率，則會導致更大的線路電流，這實際上會導致更多的線路損耗。但是，如果增加電源的電壓電平，則電源的電流會減少，這會導致系統(tǒng)中的歐姆損耗或I 2 R損耗減小，導體的截面積減小，即系統(tǒng)的資本成本降低，并且它也改善了系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)。由于這些原因，必須提高低電平功率以進行有效的電能傳輸。這是通過升壓變壓器完成的在電力系統(tǒng)網(wǎng)絡的發(fā)送端。由于此高壓電源可能無法直接分配給用戶，因此必須在降壓變壓器的幫助下將其在接收端降壓至所需水平。因此，電力變壓器在電力傳輸中起著至關(guān)重要的作用。

通常在高低壓比大于2的情況下使用兩個繞組變壓器。在高低壓比小于2的情況下使用自動變壓器是具有成本效益的。同樣，單相三相變壓器更大。比三相系統(tǒng)中的三個單相變壓器組更具成本效益。但是，單個三相變壓器單元的運輸有點困難，如果其中一個相繞組發(fā)生故障，則必須將其完全停止使用。

電力變壓器做什么？

變壓器用于獲取低交流電壓，然后將其升壓至更高電壓，反之亦然。

AC表示交流電：導線/電路中的電荷像正弦波一樣來回振蕩，而不是沿一個恒定方向在電路周圍連續(xù)移動。電流在振蕩，因為驅(qū)動它的電壓也在隨時間振蕩。

變壓器中電壓的升壓和降壓是通過兩個稱為感應器的導線線圈完成的（如果您曾經(jīng)見過其中一種的科學形式，則類似于電磁鐵中使用的圓柱形導線線圈）。兩個線圈彼此相鄰，但未物理連接。一個線圈是輸入，另一個是輸出。輸入線圈中的波動電壓會產(chǎn)生波動磁場。這種波動的磁場反過來會感應輸出線圈中波動的電壓（這就是為什么它們被稱為電感器）的原因。該感應僅在電壓/磁場隨時間波動時才起作用，這就是為什么它僅適用于交流電，而不適用于直流電的原因。線圈的匝數(shù)（導線環(huán)）不同。輸入電壓與輸出電壓的比率取決于線圈之間的匝數(shù)比率。這樣便可以提高或降低電壓。

為什么要在配電網(wǎng)絡的各個點上更改交流電壓水平？通常，發(fā)電廠發(fā)出的電壓在施加到輸電線上以進行長距離傳輸之前，要升到很高的值（例如10,000伏）。這樣做是因為如果電壓很高，電流將會很低。功率=電壓*電流，由于從發(fā)電廠流出的功率或多或少是恒定的，因此，如果增加傳輸線中的電壓，則通過傳輸線的電流將減小。為什么要電流低？因為沒有什么是電荷的完美導體，甚至沒有金屬線。在一公里的跨度內(nèi)，該電線將對電流產(chǎn)生一定程度的阻力。結(jié)果是，由于該電阻，一些功率會浪費在加熱導線上。電流越高，浪費的功率就越多。因此，努力將電流保持在傳輸線較低。

可以根據(jù)變壓器的用途，用途，構(gòu)造等對變壓器進行不同的分類。請注意，有時這些分類會重疊–例如，變壓器可以同時是三相變壓器和升壓變壓器。有關(guān)更多信息，一些最佳的電氣工程書籍更詳細地介紹了變壓器的工作原理。

變壓器的類型如下：

升壓變壓器和降壓變壓器

升壓變壓器將來自變壓器初級側(cè)的低壓（LV）和高電流轉(zhuǎn)換為變壓器次級側(cè)的高電壓（HV）和低電流值。

降壓變壓器將變壓器初級側(cè)的高壓（HV）和低電流轉(zhuǎn)換為變壓器次級側(cè)的低壓（LV）和高電流值。

三相變壓器和單相變壓器

三相變壓器通常用于三相電力系統(tǒng)中，因為它比單相變壓器更具成本效益。但是，當尺寸很重要時，最好使用一組三相單相變壓器而不是三相變壓器，因為它比一個三相變壓器更容易運輸。

電力變壓器

電力變壓器，配電變壓器和儀表變壓器：

電力變壓器通常用于傳輸網(wǎng)絡中以提高或降低電壓水平。它主要在高負載或峰值負載下運行，在滿負載或接近滿負載時具有最大效率。

配電變壓器降低電壓以分配給家庭或商業(yè)用戶。它具有良好的電壓調(diào)節(jié)能力，一天24小時均可在滿負載的50％時發(fā)揮最大效率。

互感器包括CT和PT，用于將高壓和大電流降低到較小的值，這些值可以通過常規(guī)儀器進行測量。

兩個繞組變壓器和自耦變壓器

通常使用兩繞組變壓器，其中高壓側(cè)和低壓側(cè)之間的比率大于2。

在高壓側(cè)和低壓側(cè)之間的比率小于2的情況下，對于自耦變壓器而言，它更具成本效益。

戶外變壓器和室內(nèi)變壓器

顧名思義：室外變壓器專為室外安裝而設計。

而室內(nèi)變壓器是為安裝在室內(nèi)而設計的（可能會猜到?。?/span>

油冷干式變壓器

此分類適用于變壓器內(nèi)使用的變壓器冷卻系統(tǒng)。

在油冷變壓器中，冷卻介質(zhì)是變壓器油。而在干式變壓器中，則使用空氣冷卻。

鐵心式變壓器

甲芯型變壓器具有兩個垂直腿或四肢具有名為軛兩個水平部分。芯部為矩形，具有公共磁路。圓柱線圈（HV和LV）放置在兩個肢體上。

殼式變壓器

甲殼式變壓器具有中心臂和兩個外四肢。HV，LV線圈都放置在中央臂上。存在雙磁路。

漿果式變壓器

在漿果型變壓器中，鐵芯看起來像是輪輻。緊密安裝的金屬薄板油箱用于容納這種類型的變壓器，內(nèi)部裝有變壓器油。

如何調(diào)節(jié)變壓器

變壓器非常有用的設備。有了它，我們可以輕松地在交流電路中乘以或除以電壓和電流。的確，由于交流電壓可以“升高”，電流可以“降低”，以減少沿著將發(fā)電站與負載連接的電力線的線電阻功率損耗，因此變壓器已使長距離電力傳輸成為現(xiàn)實。

在兩端（無論是發(fā)電機還是負載），變壓器都會降低電壓水平，以實現(xiàn)更安全的運行和更便宜的設備。

從初級到次級增加電壓的變壓器（次級繞組匝數(shù)多于初級繞組匝數(shù)）稱為升壓變壓器。相反，設計為正相反的變壓器稱為降壓變壓器。

這是一個降壓變壓器，由初級繞組的高匝數(shù)和次級繞組的低匝數(shù)證明。作為降壓單元，該變壓器將高電壓，低電流電源轉(zhuǎn)換為低電壓，高電流電源。

由于電流的增加，需要在次級繞組中使用較大規(guī)格的導線。不必傳導那么多電流的初級繞組可以由較小規(guī)格的線材制成。

變壓器運行的可逆性。

但是，正如我們在本章第一部分所看到的那樣，要使變壓器高效運行，就必須針對特定的電壓和電流工作范圍來設計各個繞組電感，因此，如果要像這樣“向后”使用變壓器，則必須在每個繞組的電壓和電流的原始設計參數(shù)中使用此參數(shù)，以免證明效率低下（或避免其被過大的電壓或電流損壞?。?/span>

變壓器構(gòu)造

變壓器通常以這樣的方式構(gòu)造，使得哪些導線引向初級繞組而哪些導線引向次級繞組并不明顯。電力行業(yè)中用來減輕混亂的一種慣例是對高壓繞組（降壓單元中的初級繞組；升壓器中的次級繞組）使用“ H”標記。低壓繞組的名稱。

因此，簡單的電源變壓器將具有標記為“ H 1 ”，“ H 2 ”，“ X 1 ”和“ X 2 ”的電線。通常對于導線編號（H 1與H 2等）非常重要，我們將在本章稍后探討。

升壓和降壓變壓器的實際意義

當您回想起功率等于電壓乘以電流，并意識到變壓器不能產(chǎn)生功率而只能轉(zhuǎn)換時，電壓和電流會沿相反的方向（一個向上，另一個向下）“步進”的事實是很合理的。

任何輸出功率超過其消耗功率的設備都將違反物理學中的節(jié)能法，即不能產(chǎn)生或破壞能量，只能進行轉(zhuǎn)換。就像我們看到的第一個變壓器示例一樣，從設備的初級到次級，功率傳輸效率非常好。

當考慮替代方案時，其實際意義變得更加明顯：在高效變壓器問世之前，電壓/電流水平轉(zhuǎn)換只能通過使用電動機/發(fā)電機組來實現(xiàn)。

電動機/發(fā)電機組的圖紙揭示了所涉及的基本原理：

在這樣的機器中，電動機機械地耦合到發(fā)電機，該發(fā)電機被設計成以電動機的旋轉(zhuǎn)速度產(chǎn)生期望水平的電壓和電流。

盡管電動機和發(fā)電機都是相當有效的設備，但是以這種方式使用它們會使效率低下，從而使總效率在90％或更低的范圍內(nèi)。此外，由于電動機/發(fā)電機組顯然需要運動部件，因此機械磨損和平衡是影響使用壽命和性能的因素。

另一方面，變壓器可以在沒有移動部件的情況下以很高的效率轉(zhuǎn)換交流電壓和電流的水平，這使得我們理所當然地廣泛分配和使用電力成為可能。

公平地說，應該指出的是，電動機/發(fā)電機組并不一定在所有應用中都被變壓器淘汰。

盡管在交流電壓和電流水平轉(zhuǎn)換方面，變壓器顯然優(yōu)于電動機/發(fā)電機組，但它們不能將交流電源的一種頻率轉(zhuǎn)換為另一種頻率，或者（本身）不能將直流轉(zhuǎn)換為交流，反之亦然。

電動機/發(fā)電機組可以相對簡單地完成所有這些工作，盡管已經(jīng)描述了效率和機械因素的限制。

電動機/發(fā)電機組還具有動能存儲的獨特屬性：也就是說，如果電動機由于某種原因而暫時中斷，其角動量（旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的慣性）將使發(fā)電機在短時間內(nèi)保持旋轉(zhuǎn)，從而將發(fā)電機供電的所有負載與主電源系統(tǒng)中的“毛刺”隔離開來。

升壓和降壓變壓器運行分析

仔細查看SPICE分析中的數(shù)字，我們應該看到變壓器的比率與兩個電感之間的對應關(guān)系。請注意，初級電感器（l1）的電感是次級電感器的（10000 H對100 H）的100倍，并且測得的電壓降壓比為10：1。

具有更大電感的繞組將比另一個繞組具有更高的電壓和更少的電流。

由于兩個電感器都纏繞在變壓器中相同的鐵心材料上（為了使兩者之間實現(xiàn)最有效的磁耦合），因此影響每個線圈的電感的參數(shù)相同，除了每個線圈的匝數(shù)外。

如果再看一下電感公式，就會發(fā)現(xiàn)電感與線圈匝數(shù)的平方成正比：

電感公式

因此，很明顯，在最后一個SPICE變壓器示例電路中，我們的兩個電感器（電感比為100：1）應具有10：1的線圈匝數(shù)比，因為10的平方等于100。

得出的結(jié)果與我們在初級和次級電壓與電流之間的比率（10：1）相同，因此通常可以說，電壓和電流的轉(zhuǎn)換比等于初級與次級之間的繞組匝數(shù)之比。

降壓變壓器示例

變壓器中線圈匝數(shù)比的升/降效果類似于機械齒輪系統(tǒng)中的齒輪齒數(shù)比，其轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)矩值的方式幾乎相同：

減小扭矩的齒輪系使扭矩降低，同時加快速度。

減小扭矩的齒輪系使扭矩降低，同時加快速度。

用于配電目的的升壓和降壓變壓器與前面顯示的功率變壓器成比例，其中一些裝置像房屋一樣高。