變壓器的基本知識(shí)

變壓器的基本知識(shí)

認(rèn)識(shí)變壓器
變壓器在輸配電系統(tǒng)中扮演著電力轉(zhuǎn)換與聯(lián)絡(luò)的工作，例如發(fā)電廠在輸配電時(shí)需要以高電壓方式傳輸（345KV、161KV以及69KV等），接近用戶端又逐次降壓至110V，這些程序都必需藉由變壓器來達(dá)成；日常所使用的很多電器用品，其內(nèi)部也都有變壓器，或配置外接式變壓器，將110V的交流電源轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)碾妷褐担纯稍俳?jīng)由整流濾波線路而得到低電壓的直流工作電源；有些產(chǎn)品已改採用交換式電源(switch power)取代傳統(tǒng)線圈型變壓器，該類變壓器具備高效率、無磁漏、低雜訊之優(yōu)點(diǎn)，逐漸應(yīng)用在如電腦等設(shè)備上。本文將針對(duì)一般小型傳統(tǒng)線圈型變壓器做基本原理介紹，並說明使用與選購相關(guān)常見問題。
1. 電壓器原理
線圈型變壓器於1885年由匈牙利Ganz公司首度生產(chǎn)，至今已超過一世紀(jì)，長時(shí)間以來已經(jīng)廣為運(yùn)用且有諸多改良，設(shè)計(jì)出不同的型態(tài)，但是其原理仍然是一致的。此變壓器利用電能與磁能轉(zhuǎn)換感應(yīng)的原理，將兩組線圈繞製在共同的「鐵心(core)」上，如圖1所示，連接電源端的稱為「一次線圈」或「主線圈(primary coil)」，連接負(fù)載端的稱為「二次線圈」或「副線圈(secondary coil)」。
當(dāng)一次線圈接上交流電源，於該線圈通過的電流會(huì)在鐵心中產(chǎn)生磁通量變化，另一端的二次線圈會(huì)因?yàn)楦袘?yīng)的電動(dòng)勢(shì)(emf)，而產(chǎn)生另一個(gè)相同頻率的交流電。式(1)「法拉第定律(Faraday’s Law)」說明感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量以及線圈匝數(shù)的關(guān)係，其中ε為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，N為線圈匝數(shù)，Φ為磁通量。在理想情況下，線圈每一匝的磁通量BBΦ皆相同，因此dtdBΦ亦為相同，故感應(yīng)電壓與線圈匝數(shù)成正比（式(2)），若二次側(cè)線圈數(shù)(N2)大於一次側(cè)線圈數(shù)(N1)，則該變壓器為「升壓變壓器(stet-up transformer)」，反之若則為「降壓變壓器(step-down transformer)」。

圖1. 變壓器原理示意圖
2. 鐵心的選用
鐵心的設(shè)計(jì)也有不同的形式，鐵心材料的基本訴求就是，必須具備較大的「導(dǎo)磁性(relative permeability, Km)」，亦即較低的磁阻，常見的鐵心材料有經(jīng)過熱處理退火的軟鐵(soft iron)以及矽鋼片等。這些材料通常都具有比空氣高出近萬倍的導(dǎo)磁能力，比起其他材質(zhì)能夠產(chǎn)生更多的磁力線，舉例來說，假若一個(gè)空心線圈能產(chǎn)生一條磁力線，則表示同樣的線圈在矽鋼片上能產(chǎn)生約一萬條磁力線。
鐵心的結(jié)構(gòu)依外觀可分類為「外鐵式」與「內(nèi)鐵式」，如圖2所示，圖3、4說明目前常見的鐵心形式，其中圖3(d)為「EI型鐵心」，雖然EI型鐵心磁漏較高、效率低，但是經(jīng)濟(jì)方便容易製造，是目前最普遍的鐵心形式。圖3(e)為「C型鐵心(cut core)」，圖4右者是由C型鐵心改良而來的「R-core鐵心」，其鐵心橫斷面為類似圓形，以方便繞製線圈，且圓形的截面，可避免一般方型鐵心截面磁力線容易集中於四個(gè)直角端而造成磁力線分布不均，可能造成的磁力局部飽和的問題。圖3(a)、3(b)、與3(c)為「環(huán)形鐵心(toroidal core)」，採用環(huán)形鐵心的變壓器為目前電器特性最良好的變壓器，效率高、磁漏低且暫態(tài)反應(yīng)快，但製作程序較繁瑣，成本也較高。
?

圖4. 目前主要的變壓器類型
鐵心結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則為節(jié)省成本與減少矽鋼片接縫。矽鋼片鐵心的加工皆以沖孔方式?jīng)_出窗口，而沖下之剩餘材料多半無法再加以利用，因此妥善設(shè)計(jì)以降低剩餘材

料是製造成本的重要考量。此外前面提到矽鋼片的導(dǎo)磁性遠(yuǎn)大於空氣，因此若鐵心結(jié)構(gòu)中存在太多的接縫則會(huì)造成電磁轉(zhuǎn)換效能的下降。以最常見的EI型鐵心就有很多不同的接縫外型（圖5），除了減少接縫之外，各個(gè)矽鋼片的接縫相互錯(cuò)開也可加強(qiáng)導(dǎo)磁性能（圖6）。
?

3. 變壓器的損耗
理論上當(dāng)變壓器的轉(zhuǎn)換效率為100%時(shí)，一次線圈側(cè)輸入功率與二次線圈側(cè)輸出功率相同，但實(shí)際上由於激磁所產(chǎn)生的磁力線不可能全部都被侷限在鐵心中，再加上其他的內(nèi)部損耗，轉(zhuǎn)換效率勢(shì)必下降。通常變壓器的損耗可分為兩類：「鐵損」與「銅損」，前者與負(fù)載無關(guān)，因此又稱為「無負(fù)載損」，後者則和負(fù)載的大小有關(guān)，稱為「負(fù)載損」，分別說明如下。
(1) 無負(fù)載損
由於線圈的內(nèi)阻，一次線圈的激磁電流會(huì)造成內(nèi)損(P=I2R)，但是此電流極小，通?？珊雎圆挥?jì)。再者，鐵心矽鋼片的材質(zhì)不同，以及電壓頻率的變化，會(huì)造成「磁滯損(hysteresis loss)」，電壓頻率越高則磁滯損將會(huì)越大。降低磁滯效應(yīng)的作法是目前廣為採用的約含3%矽的材料的矽鋼片鐵心，且另一方面，高導(dǎo)磁的材料通常其磁通飽和密度較低，但可藉由添加矽元來素提高磁通飽和密度。

另一個(gè)很重要的變壓器能量損耗是「渦流損(Eddy Current loss)」，由於鐵心本身也是導(dǎo)體，因當(dāng)鐵心通過磁力線，此時(shí)會(huì)在鐵心內(nèi)與磁力線垂直的切面上形成電流環(huán)路，如圖7(a)所示，渦流同樣會(huì)造成P=I2R的內(nèi)部損耗，變成熱能。渦流的現(xiàn)象是無法完全解決的，但要降低渦流的影響，目前的作法是如圖7(b)的方式，鐵心採用相互絕緣的薄片堆疊而成（參考圖6），每片薄片僅約0.2mm到0.35mm，矽鋼片的厚度越薄，則渦流越小，此外，上段敘述中所提及的添加矽元素於鐵心中，除了提高磁通飽和密度外，也可以降低鐵心導(dǎo)電性，亦即降低渦流。

圖7. 渦流與片狀堆疊鐵心
(2) 負(fù)載損
負(fù)載損包含「電阻損」與「漂游損」兩部份。電阻損起因於線圈本身的電阻，當(dāng)負(fù)載端的電流越大，則電阻損就越大，繞組的電阻損佔(zhàn)變壓器銅損近50%，因此欲降低銅損主要的考量是增加導(dǎo)線的截面積以及減少線圈匝數(shù)。慎選較好的銅材質(zhì)並使用線徑較粗的銅導(dǎo)線也可降低電阻，此外若採用導(dǎo)磁性極高的鐵心材質(zhì)或採用無接縫捲鐵心，則可降低線圈匝數(shù)，達(dá)到降低銅損的目的。
漂游損主要是由於磁漏所致，所有的感應(yīng)磁力線不可能都被侷限在鐵心中，因此磁漏會(huì)在繞組導(dǎo)體中產(chǎn)生渦流，形成損耗，降低漂游損的方式為加裝屏蔽遮罩，此舉除了可減低磁漏對(duì)線圈的影響外，也可以減低變壓器對(duì)外部電子零件或線路的干擾，屏蔽遮罩常見有銅與鋁為材質(zhì)，其中以銅的屏蔽效果較佳，惟價(jià)格較貴。
變壓器的噪音是另一個(gè)常見的問題，即所謂「哼聲(hum)」。哼聲起因?yàn)榻换サ拇帕ψ兓段撈袭a(chǎn)生些微的振動(dòng)，此振動(dòng)頻率與該交流電壓相同，若電源中含有諧波成分，則會(huì)造成噪音的放大。解決變壓器哼聲的幾個(gè)方法如下：
(1) 降低鐵心的磁通密度
降低鐵心的磁通密度可降低變壓器哼聲，但此作法得增加鐵心的截面積，使得變壓器重量大增，造成成本提高且應(yīng)用性降低的困擾。
(2) 使用磁歪斜小的矽鋼片
使用高導(dǎo)磁且具高方向性的矽鋼片，如HI-B型或ZDKH型矽鋼片。
(3) 改善鐵心接縫與組裝
除了減少接縫之外，將鐵心的堆疊方式改以階梯搭接，也可以改善變壓器噪音。此外在鐵心組裝過程中，要注意勿使鐵心產(chǎn)生局部的應(yīng)力存在，應(yīng)使各部份的束縛力均勻化。
(4) 黏著劑真空含浸
此方式為小型變壓器的最佳降噪方法，將整個(gè)組裝後的變壓器放入凡立水(varnish)槽內(nèi)真空含浸，對(duì)於R-core以及環(huán)形變壓器來說，此上可將噪音降至相當(dāng)?shù)?。較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖鞣ㄊ牵阼F心組裝完成後即進(jìn)行一次真空含浸，接著在澇組完成後可再進(jìn)行一次真空含浸。

變壓器是變換交流電壓、電流和阻抗的器件，當(dāng)初級(jí)線圈中通有交流電流時(shí)，鐵芯（或磁芯）中便產(chǎn)生交流磁通，使次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓（或電流）。變壓器由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個(gè)或兩個(gè)以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級(jí)線圈，其余的繞組叫次級(jí)線圈。

一、分類
?? 按冷卻方式分類：干式（自冷）變壓器、油浸（自冷）變壓器、氟化物（蒸發(fā)冷卻）變壓器。
??? 按防潮方式分類：開放式變壓器、灌封式變壓器、密封式變壓器。
??? 按鐵芯或線圈結(jié)構(gòu)分類：芯式變壓器（插片鐵芯、C型鐵芯、鐵氧體鐵芯）、殼式變壓器（插片鐵芯、C型鐵芯、鐵氧體鐵芯）、環(huán)型變壓器、金屬箔變壓器。
?? 按電源相數(shù)分類：單相變壓器、三相變壓器、多相變壓器。
?? 按用途分類：電源變壓器、調(diào)壓變壓器、音頻變壓器、中頻變壓器、高頻變壓器、脈沖變壓器。
　

二、電源變壓器的特性參數(shù)
1、工作頻率

??? 變壓器鐵芯損耗與頻率關(guān)系很大，故應(yīng)根據(jù)使用頻率來設(shè)計(jì)和使用，這種頻率稱工作頻率。

2、額定功率

??? 在規(guī)定的頻率和電壓下，變壓器能長期工作，而不超過規(guī)定溫升的輸出功率。
3、額定電壓
??? 指在變壓器的線圈上所允許施加的電壓，工作時(shí)不得大于規(guī)定值。
4、電壓比
?? 指變壓器初級(jí)電壓和次級(jí)電壓的比值，有空載電壓比和負(fù)載電壓比的區(qū)別。
5、空載電流
??? 變壓器次級(jí)開路時(shí)，初級(jí)仍有一定的電流，這部分電流稱為空載電流?？蛰d電流由磁化電流（產(chǎn)生磁通）和鐵損電流（由鐵芯損耗引起）組成。對(duì)于50Hz電源變壓器而言，空載電流基本上等于磁化電流。
6、空載損耗
??? 指變壓器次級(jí)開路時(shí)，在初級(jí)測得功率損耗。主要損耗是鐵芯損耗，其次是空載電流在初級(jí)線圈銅阻上產(chǎn)生的損耗（銅損），這部分損耗很小。
7、效率
??? 指次級(jí)功率P2與初級(jí)功率P1比值的百分比。通常變壓器的額定功率愈大，效率就愈高。
8、絕緣電阻
??? 表示變壓器各線圈之間、各線圈與鐵芯之間的絕緣性能。絕緣電阻的高低與所使用的絕緣材料的性能、溫度高低和潮濕程度有關(guān)。

三、音頻變壓器和高頻變壓器特性參數(shù)
1、頻率響應(yīng)
??? 指變壓器次級(jí)輸出電壓隨工作頻率變化的特性。
2、通頻帶
??? 如果變壓器在中間頻率的輸出電壓為U0，當(dāng)輸出電壓（輸入電壓保持不變）下降到0.707U0時(shí)的頻率范圍，稱為變壓器的通頻帶B。
3、初、次級(jí)阻抗比
??? 變壓器初、次級(jí)接入適當(dāng)?shù)淖杩筊o和Ri,使變壓器初、次級(jí)阻抗匹配，則Ro和Ri的比值稱為初、次級(jí)阻抗比。在阻抗匹配的情況

四、變壓器的損耗
????當(dāng)變壓器的初級(jí)繞組通電后，線圈所產(chǎn)生的磁通在鐵心流動(dòng)，因?yàn)殍F心本身也是導(dǎo)體，在垂直于磁力線的平面上就會(huì)感應(yīng)電勢(shì)，這個(gè)電勢(shì)在鐵心的斷面上形成閉合回路并產(chǎn)生電流，好象一個(gè)旋渦所以稱為“渦流”。這個(gè)“渦流”使變壓器的損耗增加，并且使變壓器的鐵心發(fā)熱變壓器的溫升增加。由“渦流”所產(chǎn)生的損耗我們稱為“鐵損”。另外要繞制變壓器需要用大量的銅線，這些銅導(dǎo)線存在著電阻，電流流過時(shí)這電阻會(huì)消耗一定的功率，這部分損耗往往變成熱量而消耗，我們稱這種損耗為“銅損”。所以變壓器的溫升主要由鐵損和銅損產(chǎn)生的。
由于變壓器存在著鐵損與銅損，所以它的輸出功率永遠(yuǎn)小于輸入功率，為此我們引入了一個(gè)效率的參數(shù)來對(duì)此進(jìn)行描述，η=輸出功率/輸入功率。

五、變壓器的材料
????要繞制一個(gè)變壓器我們必須對(duì)與變壓器有關(guān)的材料要有一定的認(rèn)識(shí)，為此這里我就介紹一下這方面的知識(shí)。

????1、鐵心材料：
????變壓器使用的鐵心材料主要有鐵片、低硅片，高硅片，的鋼片中加入硅能降低鋼片的導(dǎo)電性，增加電阻率，它可減少渦流，使其損耗減少。我們通常稱為加了硅的鋼片為硅鋼片，變壓器的質(zhì)量所用的硅鋼片的質(zhì)量有很大的關(guān)系，硅鋼片的質(zhì)量通常用磁通密度B來表示，一般黑鐵片的B值為6000-8000、低硅片為9000-11000，高硅片為12000-16000，

????2、繞制變壓器通常用的材料有
????漆包線，沙包線，絲包線，最常用的漆包線。對(duì)于導(dǎo)線的要求，是導(dǎo)電性能好，絕緣漆層有足夠耐熱性能，并且要有一定的耐腐蝕能力。一般情況下最好用Q2型號(hào)的高強(qiáng)度的聚脂漆包線。

????3、絕緣材料
????在繞制變壓器中，線圈框架層間的隔離、繞阻間的隔離，均要使用絕緣材料，一般的變壓器框架材料可用酚醛紙板制作，層間可用聚脂薄膜或電話紙作隔離，繞阻間可用黃臘布作隔離。

????4、浸漬材料：
????變壓器繞制好后，還要過最后一道工序，就是浸漬絕緣漆，它能增強(qiáng)變壓器的機(jī)械強(qiáng)度、提高絕緣性能、延長使用壽命，一般情況下，可采用甲酚清漆作為浸漬材料。