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(jī)。這是變壓器的非?；镜亩x。由于沒有旋轉(zhuǎn)或運(yùn)動部件，因此變壓器是靜態(tài)設(shè)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(yīng)的特性，這就是變壓器的工作原理。后來改進(jìn)了變壓器設(shè)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(dá)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(dǎo)致更大的線路電流，這實際上會導(dǎo)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(dǎo)致系統(tǒng)中的歐姆損耗或I 2 R損耗減小，導(dǎo)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(jìn)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(luò)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(yùn)輸有點(diǎn)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(dǎo)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(yīng)器的導(dǎo)線線圈完成的（如果您曾經(jīng)見過其中一種的科學(xué)形式，則類似于電磁鐵中使用的圓柱形導(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(luò)的各個點(diǎn)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(jìn)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(dǎo)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(fèi)在加熱導(dǎo)線上。電流越高，浪費(fèi)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(jìn)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(xì)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(dāng)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(yùn)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(luò)中以提高或降低電壓水平。它主要在高負(fù)載或峰值負(fù)載下運(yùn)行，在滿負(fù)載或接近滿負(fù)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(fù)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(jìn)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(shè)計。

而室內(nèi)變壓器是為安裝在室內(nèi)而設(shè)計的（可能會猜到?。?。

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(shè)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(fù)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(jī)還是負(fù)載），變壓器都會降低電壓水平，以實現(xiàn)更安全的運(yùn)行和更便宜的設(shè)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(shè)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(dǎo)線。不必傳導(dǎo)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(yùn)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(yùn)行，就必須針對特定的電壓和電流工作范圍來設(shè)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(shè)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?。?。

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(dǎo)線引向初級繞組而哪些導(dǎo)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(biāo)記。低壓繞組的名稱。

因此，簡單的電源變壓器將具有標(biāo)記為“ H 1 ”，“ H 2 ”，“ X 1 ”和“ X 2 ”的電線。通常對于導(dǎo)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(dāng)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(jìn)”的事實是很合理的。

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

當(dāng)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(jī)/發(fā)電機(jī)組來實現(xiàn)。

電動機(jī)/發(fā)電機(jī)組的圖紙揭示了所涉及的基本原理：

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

盡管電動機(jī)和發(fā)電機(jī)都是相當(dāng)有效的設(shè)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(jī)/發(fā)電機(jī)組顯然需要運(yùn)動部件，因此機(jī)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(dāng)然地廣泛分配和使用電力成為可能。

公平地說，應(yīng)該指出的是，電動機(jī)/發(fā)電機(jī)組并不一定在所有應(yīng)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(jī)/發(fā)電機(jī)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(jī)/發(fā)電機(jī)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(jī)械因素的限制。

電動機(jī)/發(fā)電機(jī)組還具有動能存儲的獨(dú)特屬性：也就是說，如果電動機(jī)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(jī)在短時間內(nèi)保持旋轉(zhuǎn)，從而將發(fā)電機(jī)供電的所有負(fù)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(yùn)行分析

仔細(xì)查看SPICE分析中的數(shù)字，我們應(yīng)該看到變壓器的比率與兩個電感之間的對應(yīng)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(yīng)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?？梢哉f，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(jī)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。