磁芯損耗

鐵芯損耗分為兩類：渦流損耗和磁滯損耗。

磁滯損耗

當(dāng)沒(méi)有次級(jí)電流流動(dòng)時(shí)，流過(guò)變壓器初級(jí)繞組的電流會(huì)產(chǎn)生磁通量，從而在次級(jí)繞組中感應(yīng)出電壓。該初級(jí)電流稱為勵(lì)磁電流，由于初級(jí)繞組的 CEMF 較大，因此相當(dāng)小。由于變壓器是通過(guò)磁通量傳輸能量的設(shè)備，因此集中磁通量可提高變壓器的效率。

初級(jí)繞組的磁通量纏繞在稱為磁芯的鐵或鋼材料上，以集中磁通量。磁芯材料為磁通量提供了比露天更好的路徑。磁芯不會(huì)將所有磁通量都傳輸?shù)酱渭?jí)線圈。一些磁通量會(huì)因?yàn)榇艤鴵p失，磁滯是材料抵抗磁極性快速變化的趨勢(shì)。由于變壓器由交流電壓供電，初級(jí)線圈的磁場(chǎng)每秒改變其極性 60 次。并非所有的磁芯材料都能快速改變極性，因此磁通量會(huì)有所減弱。磁芯材料中使用特殊的高硅鋼，以限度地減少磁滯損耗。

渦流損耗

由于交流電源電壓導(dǎo)致磁場(chǎng)和鐵芯材料發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，鐵芯材料中也會(huì)感應(yīng)出電壓，從而導(dǎo)致鐵芯中產(chǎn)生電流。這些電流稱為渦流 ，由勵(lì)磁電流提供。渦流會(huì)在鐵芯中產(chǎn)生熱量，從而導(dǎo)致?lián)p耗。通過(guò)用許多薄鋼板（稱為疊片）構(gòu)造鐵芯，可以限度地減少渦流。各個(gè)疊片彼此絕緣，因此電流不能流過(guò)整個(gè)鐵芯，而只能流過(guò)每個(gè)薄疊片。這樣可以減少總電流和相關(guān)熱量。

圖 1 展示了變壓器中的疊層鐵芯如何減輕渦流造成的能量損失。變壓器繞組中的交流電在鋼芯內(nèi)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)（用綠色箭頭表示）。由于鐵芯具有導(dǎo)電性，該磁場(chǎng)會(huì)感應(yīng)出電流環(huán)（用紅線表示），稱為渦流。這些電流在垂直于磁場(chǎng)的平面中流動(dòng)，當(dāng)通過(guò)鐵芯的電阻時(shí)，會(huì)導(dǎo)致能量以熱量的形式耗散，從而導(dǎo)致功率損失。許多變壓器采用疊層鐵芯設(shè)計(jì)（右側(cè)）而不是實(shí)心鐵芯（左側(cè)）來(lái)解決此問(wèn)題。疊層鐵芯由堆疊的薄鋼疊片組成，每個(gè)疊片都涂有非導(dǎo)電材料。這種結(jié)構(gòu)可防止渦流在疊片之間交叉，將其限制在每個(gè)疊片的厚度內(nèi)流動(dòng)。由于電流大小與封閉環(huán)面積成正比，因此這種配置可顯著減少渦流 并限度地減少鐵芯中的能量損失。

圖 1. 疊層變壓器鐵芯可減少渦流。圖片由Wikimedia Commons提供

與變壓器鐵芯相關(guān)的損耗是磁性的，并且保持相對(duì)恒定。磁滯和渦流的影響在很大程度上不會(huì)隨電流的變化而變化，因?yàn)樗鼈兪氰F芯設(shè)計(jì)和材料所固有的。

線圈損耗

變壓器的功能與任何電路或設(shè)備類似。當(dāng)電流通過(guò)變壓器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)和熱量。這種熱量稱為線圈或銅損，可用公式 I 2 R 量化。關(guān)鍵在于線圈損耗與流過(guò)變壓器的電流相關(guān)。為了減少這種熱損失，變壓器通常使用銅導(dǎo)體進(jìn)行繞制，因?yàn)榕c同等尺寸的鋁導(dǎo)體相比，銅導(dǎo)體的電阻較低?？梢允褂眯滦统瑢?dǎo)材料進(jìn)一步減少熱損失。散熱也會(huì)降低線圈的電阻，因?yàn)椴牧系碾娮钑?huì)隨著溫度的升高而增加。

磁通鏈損耗

無(wú)論我們?nèi)绾畏胖米儔浩骶€圈或構(gòu)造鐵芯，初級(jí)繞組的勵(lì)磁電流都會(huì)產(chǎn)生一些磁通量，這些磁通量不會(huì)穿過(guò)線圈。這被稱為漏磁通。

初級(jí)磁通會(huì)為初級(jí)產(chǎn)生 CEMF，但無(wú)法橫穿繞組的所有匝。這會(huì)降低 CEMF 并增加初級(jí)勵(lì)磁電流。因此，次級(jí)繞組中應(yīng)產(chǎn)生更多電壓，但由于并非所有磁通都會(huì)橫穿次級(jí)繞組的匝，因此次級(jí)電壓不會(huì)增加。由于無(wú)法使用額外的磁通，初級(jí)勵(lì)磁電流的增加被浪費(fèi)了。

次級(jí)繞組也存在同樣的問(wèn)題。當(dāng)次級(jí)電流流動(dòng)時(shí)，由于次級(jí)繞組的磁通泄漏，并非所有次級(jí)繞組磁通都能削弱初級(jí)磁通。由于對(duì)初級(jí) CEMF 的阻力較小，因此無(wú)法通過(guò)太多的初級(jí)電流來(lái)產(chǎn)生保持次級(jí)電壓恒定所需的磁通。隨著變壓器電流的增加，這種磁通泄漏會(huì)導(dǎo)致次級(jí)電壓降低。

次級(jí)電壓降

較低的次級(jí)電壓也是次級(jí)繞組上正常電壓降的結(jié)果。當(dāng)電流流過(guò)變壓器的初級(jí)或次級(jí)繞組時(shí)，線圈上的電壓會(huì)有所下降。電壓降的大小取決于電流和導(dǎo)體的電阻。根據(jù)歐姆定律，電壓降是電流和導(dǎo)體電阻的乘積。

與施加的電壓相比，變壓器初級(jí)繞組的電阻很小。電阻可能只有十分之一歐姆；如果初級(jí)電源電壓高，初級(jí)電流低，總電壓降。如果次級(jí)繞組匝數(shù)較少，次級(jí)電壓較低，次級(jí)電流會(huì)較高。雖然如果使用較大的導(dǎo)線來(lái)承載增加的電流，次級(jí)繞組電阻會(huì)較低，但次級(jí)線圈上的總電壓降可能占總電壓的足夠百分比。這可能會(huì)導(dǎo)致輸出電壓太低，無(wú)法正常運(yùn)行負(fù)載。

例如，假設(shè)供電電壓為 500 V 的初級(jí)繞組的有效電阻為 0.1 歐姆。同一變壓器的次級(jí)繞組的感應(yīng)電壓為 100 V，有效電阻為 0.02 歐姆。如果初級(jí)繞組中流過(guò)的電流為 50 安培，則電壓降（安培 x 歐姆）將為 5 V，即電源電壓的 1%。如果輸入功率等于輸出功率，則次級(jí)線圈中的電流必須為 250 安培。次級(jí)繞組電壓降將為 0.02 歐姆 x 250 安培，即 5 V，即感應(yīng)電壓的 5%。因此，實(shí)際次級(jí)電壓僅為 95 V。電流增加時(shí)，次級(jí)繞組中此電壓降的影響會(huì)更大。如果我們?cè)跊](méi)有電流流過(guò)和額定電流流過(guò)的情況下測(cè)量實(shí)際次級(jí)繞組電壓，則電壓變化就是變壓器的百分比電壓調(diào)節(jié)。百分比電壓調(diào)節(jié)=Vs(無(wú)負(fù)載)?Vs(滿負(fù)載)Vs(滿負(fù)載)×100以下是一個(gè)示例計(jì)算： 變壓器的次級(jí)電壓從無(wú)負(fù)載時(shí)的 126 V 變?yōu)闈M載時(shí)的 119 V。該變壓器的電壓調(diào)節(jié)百分比是多少？

百分比電壓調(diào)節(jié)=126V?119V119V×100=0.055×100=5.5%

為了補(bǔ)償次級(jí)電壓降，變壓器的次級(jí)繞組上會(huì)有額外的匝數(shù)，從而增加感應(yīng)電壓。即使變壓器的次級(jí)繞組電壓有所下降，變壓器仍會(huì)在滿額定負(fù)載電流下產(chǎn)生滿次級(jí)電壓。由于額外的匝數(shù)，變壓器電壓在負(fù)載較小或無(wú)負(fù)載時(shí)會(huì)比次級(jí)繞組承載滿負(fù)載電流時(shí)更高。對(duì)于小容量變壓器來(lái)說(shuō)尤其如此。