變壓器運(yùn)行的是磁感應(yīng)，這種現(xiàn)象允許變化的磁場(chǎng)在附近的電路中產(chǎn)生電流。在變壓器中，這個(gè)過(guò)程涉及纏繞在鐵芯上的兩個(gè)線圈。交流電進(jìn)入個(gè)線圈（稱為“初級(jí)”），并產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，在第二個(gè)線圈（稱為“次級(jí)”）中感應(yīng)出電流。

電力變壓器是一種靜態(tài)電磁感應(yīng)裝置，由兩個(gè)或多個(gè)繞組組成，設(shè)計(jì)用于將一個(gè)交流電壓和電流系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為另一個(gè)交流電壓和電流系統(tǒng)，通常具有不同的值但具有相同的頻率，用于傳輸電能。它們可以是低功率、中功率或高功率，具體取決于它們可以承受的電壓和電流。

兩個(gè)線圈的匝數(shù)之比決定了輸出電壓和電流。簡(jiǎn)單地說(shuō)，如果次級(jí)的匝數(shù)比初級(jí)的匝數(shù)多，則輸出電壓會(huì)更高，而電流會(huì)更低。相反，如果次級(jí)的匝數(shù)較少，則電壓會(huì)更低，電流會(huì)更高。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(méi)有功率損耗。該系統(tǒng)允許電力擴(kuò)展，使其適用于不同的應(yīng)用和不同的用戶。除了降低電壓外，變壓器還可以提高電壓。

這在高壓輸電線路中很有用，因?yàn)楦邏狠旊娋€路需要提高電壓以減少傳輸過(guò)程中的能量損失。如果交流電在初級(jí)繞組中流動(dòng)，則產(chǎn)生磁通量，與次級(jí)繞組連接，并在次級(jí)繞組中產(chǎn)生交流電。變壓器可以改變電路的“電阻”，使其與不同的設(shè)備兼容并實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

圖1顯示了變壓器的電氣符號(hào)。位于電感器附近的兩個(gè)黑點(diǎn)表示它們是相互耦合的。變壓器的所有參數(shù)都緊密相連，例如組成變壓器的電流、電壓和電感器的匝數(shù)。特別是，我們有：

從理論上講，初級(jí)和次級(jí)的功耗是相同的，但實(shí)際上，始終需要考慮電感系統(tǒng)中典型的小功率和傳輸損耗。因此，我們有以下等式，其中還考慮了次級(jí)和初級(jí)之間的阻抗適應(yīng)：

請(qǐng)注意，“α”表示轉(zhuǎn)換率。

圖1：變壓器的電氣符號(hào)

真正的變壓器

由于真實(shí)材料沒(méi)有零阻抗并且存在其他非線性條件，因此真實(shí)變壓器無(wú)法反映理想變壓器的特性，因此它總是以功率損耗為特征，盡管功率損耗很小。特別需要注意的是，一些流動(dòng)分散在空氣中而不是鐵磁材料中，從而產(chǎn)生分散體。

此外，鐵磁材料的磁導(dǎo)率受到限制，繞組由導(dǎo)體組成，其特點(diǎn)是電阻小，由于焦耳效應(yīng)導(dǎo)致加熱和能量損失。此外，鐵磁材料中也會(huì)產(chǎn)生渦流，這也取決于通過(guò)變壓器的交流電的頻率。

在圖2中可以看到變壓器的等效圖，其中包括額外的電容和電感元件，使理論和理想系統(tǒng)的運(yùn)行更接近真實(shí)系統(tǒng)。請(qǐng)注意，由于變壓器導(dǎo)體的不理想性，與初級(jí)和次級(jí)繞組（R1 和 R2）串聯(lián)的電阻元件的存在，在系統(tǒng)運(yùn)行期間會(huì)產(chǎn)生一定比例的熱量。由于黑色金屬材料的損耗，磁滯引入了另一種耗散，由于 Rm 而產(chǎn)生額外的熱量。

進(jìn)一步的電感損耗來(lái)自 Ld1、Ld2 和 Lm。此外，一個(gè)線圈和另一個(gè)線圈之間還存在其他寄生電容，因?yàn)樗鼈兪钳B加的，并且在各層之間具有電位差。匝數(shù)越多，變壓器的尺寸越大，它們就越大。

 

圖2：變壓器的真實(shí)電氣圖

在電力變壓器，特別是電力變壓器的主題中，了解如何管理功率損耗非常重要，尤其是在旨在優(yōu)化節(jié)能的情況下。在通用變壓器中，有功功率損耗是輸入功率和輸出功率之差的結(jié)果。功率損耗意味著上游級(jí)的尺寸過(guò)大，而能量損耗會(huì)增加電源的消耗。

在電壓變換中，還考慮了銅損耗（取決于負(fù)載電流的平方）和鐵損耗（與電壓的平方成正比）。電阻損耗是由于焦耳效應(yīng)引起的，主要是由初級(jí)和次級(jí)繞組的電阻引起的，而電感損耗則取決于構(gòu)成磁芯的材料和疊片的類型。為了盡量減少損耗，有必要研究磁芯的幾何形狀，特別是其材料（銅、鋁或其他）、電導(dǎo)體的形狀以及具有不同磁導(dǎo)率的磁性材料的質(zhì)量。

任何類型的電力變壓器制造商，無(wú)論是小型、中型還是大型，都必須遵守政府指令設(shè)定的能源效率和生態(tài)設(shè)計(jì)目標(biāo)，以降低這些設(shè)備的能耗。

瓦特和伏安

變壓器是配電系統(tǒng)的基礎(chǔ)。VA 額定值是指相對(duì)于變壓器可以提供給負(fù)載的能量的功率分配。伏安 （VA） 是電力領(lǐng)域的基本測(cè)量單位。它表示電路中的視在功率，包括有功功率和無(wú)功功率。

在實(shí)踐中，它同時(shí)測(cè)量電路中的有功功率和無(wú)功功率，同時(shí)考慮總功率，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同相的。功率因數(shù)也用于計(jì)算，即有功功率與視在功率之間的比率。

它介于 0 和 1 之間，功率因數(shù)越高，表明電氣系統(tǒng)在將視在功率轉(zhuǎn)換為有功功率方面效率更高。如果負(fù)載是純電阻的，則功率（有功功率）以瓦特表示，并使用以下公式計(jì)算：

電力電子課程：第 16 部分 –變壓器

但是，如果負(fù)載不是純電阻的，而是包含電感器或電容器，則會(huì)發(fā)生能量累積，從而使計(jì)算復(fù)雜化。感性負(fù)載以磁場(chǎng)的形式存儲(chǔ)能量，而容性負(fù)載將其存儲(chǔ)為電場(chǎng)，并在每半波時(shí)將其返回到網(wǎng)絡(luò)，而無(wú)需實(shí)際使用它。

因此，一部分電流反復(fù)來(lái)回傳遞，盡管可以測(cè)量，但它對(duì)作為有功功率的實(shí)際消耗（以瓦特為單位）的貢獻(xiàn)不大。由于這個(gè)特定原因，實(shí)際消耗量始終低于 Volt x Ampere 乘積。因此，視在功率以伏安 （VA） 表示，它相當(dāng)于乘積伏特 x 安培，也考慮了相移。按照慣例，伏安的值大約是瓦特值的 1.4 倍，但它會(huì)因情況而異。

電壓和電流之間的相移是用電壓和電流矢量之間夾角的余弦計(jì)算的，稱為余波或功率因數(shù)。如上一段所述，它的范圍介于 0 和 1 之間，相對(duì)關(guān)系如下：

根據(jù)負(fù)載類型，電壓和電流之間可能存在相移（見(jiàn)圖3）。當(dāng)電壓施加到電阻負(fù)載時(shí)，流過(guò)它的電流成比例變化。功率稱為有功功率，以瓦特 （W） 為單位，其計(jì)算非常簡(jiǎn)單，根據(jù)以下產(chǎn)品：

其他負(fù)載類型（包括電感和電容）的行為不同。如果電壓增加，電感器初會(huì)阻止電流通過(guò)，因?yàn)樗鼤?huì)在自身周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。電流增加，但有一定的延遲。換句話說(shuō)，如果在變壓器上施加交流電壓，電壓達(dá)到其頂點(diǎn)，但電流保持接近于零，然后在電壓已經(jīng)開始降低時(shí)增加。

電流波形始終是正弦波形，但滯后于電壓波形，并且在兩個(gè)正弦波之間，存在等于其角度余弦 （cos-phi） 的相移。當(dāng)電壓和電流完全同相時(shí)，cos-phi 等于 1。相反，當(dāng)它們異相（電壓和零電流）時(shí)，它等于零?；旌辖橘|(zhì)負(fù)載的 cos-phi 的典型值為 0.7。

圖 3：負(fù)載類型會(huì)改變電壓和電流之間的相移。

結(jié)論

磁芯的環(huán)形形狀優(yōu)化了磁通量，以少的材料量實(shí)現(xiàn)了的效率。換句話說(shuō)，它們非常適合變壓器和電感器，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S用戶使用更少的材料獲得強(qiáng)磁場(chǎng)。緊湊的結(jié)構(gòu)減少了元件的質(zhì)量，便于散熱，并限度地減少了熱變化對(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引起的過(guò)熱，這是變壓器的一個(gè)問(wèn)題，隨著頻率的增加，這個(gè)問(wèn)題不可避免地會(huì)增加。