變壓器結(jié)構(gòu)
變壓器結(jié)構(gòu)提供磁路，通常稱為“變壓器鐵芯”，旨在為磁場提供流動路徑。該磁路對于兩個(gè)輸入和輸出繞組之間感應(yīng)電壓必不可少。
然而，這種變壓器結(jié)構(gòu)（兩個(gè)繞組纏繞在不同的支路上）效率不高，因?yàn)槌跫壚@組和次級繞組彼此分離得很好。這導(dǎo)致兩個(gè)繞組之間的磁耦合較低，并且變壓器本身會產(chǎn)生大量磁通泄漏。但除了這種“O”形結(jié)構(gòu)外，還有不同類型的“變壓器結(jié)構(gòu)”和設(shè)計(jì)可用來克服這些低效率，從而產(chǎn)生更小、更緊湊的變壓器。
變壓器結(jié)構(gòu)
通過將兩個(gè)繞組緊密接觸，從而改善磁耦合，可以提高簡單變壓器結(jié)構(gòu)的效率。增加和集中線圈周圍的磁路可以改善兩個(gè)繞組之間的磁耦合，但也會增加變壓器鐵芯的磁損耗。
除了為磁場提供低磁阻路徑外，鐵芯還設(shè)計(jì)用于防止鐵芯內(nèi)部產(chǎn)生循環(huán)電流。循環(huán)電流稱為“渦流”，會導(dǎo)致鐵芯發(fā)熱和能量損失，從而降低變壓器的效率。
這些損耗主要是由于鐵電路中感應(yīng)的電壓造成的，鐵電路不斷受到外部正弦電源電壓產(chǎn)生的交變磁場的影響。減少這些不必要的功率損耗的一種方法是用薄鋼片構(gòu)成變壓器鐵芯。
在大多數(shù)類型的變壓器結(jié)構(gòu)中，中心鐵芯由高磁導(dǎo)率材料制成，通常由薄硅鋼片制成。這些薄片組裝在一起，以提供所需的磁路，同時(shí)將磁損耗降至。鋼板本身的電阻率很高，因此通過使片層非常薄，可以減少任何渦流損耗。
這些鋼變壓器層壓板的厚度從 0.25 毫米到 0.5 毫米不等，并且由于鋼是導(dǎo)體，因此層壓板和任何固定螺柱、鉚釘或螺栓都通過一層非常薄的絕緣清漆涂層或通過在表面使用氧化層彼此電絕緣。
變壓器鐵芯結(jié)構(gòu)
通常，變壓器結(jié)構(gòu)的名稱取決于初級和次級繞組如何纏繞在中央層壓鋼芯上。兩種常見和基本的變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是閉芯變壓器和殼芯變壓器。
在“閉芯”型（鐵芯形式）變壓器中，初級和次級繞組繞在鐵芯環(huán)外部并環(huán)繞鐵芯環(huán)。在“殼型”（殼形式）變壓器中，初級和次級繞組穿過鋼磁路（鐵芯）內(nèi)部，鐵磁路在繞組周圍形成一個(gè)殼，如下圖所示。
變壓器鐵芯結(jié)構(gòu)
在這兩種類型的變壓器磁芯設(shè)計(jì)中，連接初級和次級繞組的磁通量完全在磁芯內(nèi)傳播，不會通過空氣損失磁通量。在磁芯型變壓器結(jié)構(gòu)中，一半繞組纏繞在變壓器磁路的每個(gè)支腿（或肢）上，如上圖所示。
線圈的排列方式并非是初級繞組在一個(gè)支路、次級繞組在另一個(gè)支路，而是將初級繞組的一半和次級繞組的一半同心地疊放在每個(gè)支路中，以增加磁耦合，從而使幾乎所有的磁力線同時(shí)穿過初級和次級繞組。然而，在這種類型的變壓器結(jié)構(gòu)中，一小部分磁力線會流出鐵芯，這被稱為“漏磁通”。
殼式變壓器鐵芯克服了這種漏磁通問題，因?yàn)槌跫壓痛渭壚@組都纏繞在同一個(gè)中心腿或肢上，該中心腿或肢的橫截面積是兩個(gè)外肢的兩倍。這樣做的好處是，磁通有兩個(gè)閉合磁路，在左右兩側(cè)線圈外部流動，然后再返回到中心線圈。
這意味著，這種變壓器結(jié)構(gòu)外柱周圍的磁通量等于Φ/2。由于磁通量在線圈周圍有一條閉合路徑，因此具有降低鐵芯損耗和提高整體效率的優(yōu)勢。
變壓器鐵芯
但是您可能想知道，對于這種類型的變壓器結(jié)構(gòu)，初級和次級繞組是如何繞在這些疊層鐵或鋼芯上的。首先將線圈繞制在具有圓柱形、矩形或橢圓形橫截面的成型器上，以適應(yīng)疊層鐵芯的結(jié)構(gòu)。在殼式和芯式變壓器結(jié)構(gòu)中，為了安裝線圈繞組，從較大的鋼板上沖壓或沖壓出各個(gè)疊片，并將其形成類似于字母“E”、“L”、“U”和“I”的薄鋼條，如下所示。
變壓器鐵芯類型
這些疊片沖壓件連接在一起時(shí)形成所需的鐵芯形狀。例如，兩個(gè)“E”沖壓件加上兩個(gè)端部閉合的“I”沖壓件形成EI鐵芯，形成標(biāo)準(zhǔn)殼式變壓器鐵芯的一個(gè)元件。這些單獨(dú)的疊片在構(gòu)造過程中緊密對接在一起，以減少接頭處氣隙的磁阻，從而產(chǎn)生高度飽和的磁通密度。
變壓器鐵芯疊片通常交替堆疊以形成重疊接頭，并添加更多疊片對以構(gòu)成正確的鐵芯厚度。疊片的這種交替堆疊還使變壓器具有減少磁通泄漏和鐵損的優(yōu)勢。EI 鐵芯疊片變壓器結(jié)構(gòu)主要用于隔離變壓器、升壓變壓器和降壓變壓器以及自耦變壓器。
變壓器繞組布置
變壓器繞組是變壓器結(jié)構(gòu)的另一個(gè)重要部分，因?yàn)樗鼈兪抢@在鐵芯層壓部分周圍的主要載流導(dǎo)體。在單相雙繞組變壓器中，將存在兩個(gè)繞組，如圖所示。連接到電壓源并產(chǎn)生磁通量的繞組稱為初級繞組，第二個(gè)繞組稱為次級繞組，其中由于互感而產(chǎn)生電壓。
如果次級輸出電壓小于初級輸入電壓，則變壓器稱為“降壓變壓器”。如果次級輸出電壓大于初級輸入電壓，則變壓器稱為“升壓變壓器”。
類型
式結(jié)構(gòu)
變壓器繞組中用作主要載流導(dǎo)體的電線類型是銅或鋁。雖然鋁線比銅線更輕且通常更便宜，但必須使用更大的導(dǎo)體橫截面積來承載與銅線相同的電流量，因此它主要用于大型電力變壓器應(yīng)用。
低壓電氣和電子電路中使用的小型千伏安電力和電壓變壓器往往使用銅導(dǎo)體，因?yàn)殂~導(dǎo)體的機(jī)械強(qiáng)度比同等的鋁導(dǎo)體高，導(dǎo)體尺寸也更小。缺點(diǎn)是，如果加上鐵芯，這些變壓器會重得多。
變壓器繞組和線圈大致可分為同心線圈和夾層線圈。在鐵心式變壓器結(jié)構(gòu)中，繞組通常以同心方式圍繞鐵心柱排列（如上圖所示），電壓較高的繞組纏繞在電壓較低的二次繞組上。
夾層線圈或“薄餅”線圈由扁平導(dǎo)體以螺旋形式纏繞而成，因?qū)w排列成圓盤而得名。交替的圓盤以交錯(cuò)排列的方式從外向內(nèi)螺旋纏繞，各個(gè)線圈堆疊在一起，并由絕緣材料（如紙或塑料片）隔開。夾層線圈和繞組更常見于殼型鐵芯結(jié)構(gòu)。
螺旋繞組也稱為螺旋繞組，是另一種非常常見的圓柱形線圈布置，用于低壓大電流變壓器應(yīng)用。繞組由大橫截面積的矩形導(dǎo)體組成，這些導(dǎo)體在其側(cè)面纏繞，絕緣線股沿著圓柱體的長度連續(xù)平行纏繞，相鄰的匝或盤之間插入合適的墊片，以限度地減少平行線股之間的循環(huán)電流。線圈以類似于螺旋鉆的螺旋形式向外延伸。
磁芯
變壓器鐵芯
變壓器中用于防止導(dǎo)線短路的絕緣層通常是空氣冷卻變壓器中的一層薄薄的清漆或瓷漆。這種薄薄的清漆或瓷漆在繞在鐵芯上之前涂在電線上。
在較大的電力和配電型變壓器中，導(dǎo)體之間使用油浸紙或布進(jìn)行絕緣。整個(gè)鐵芯和繞組浸入并密封在裝有變壓器油的保護(hù)罐中。變壓器油既是絕緣體，也是冷卻劑。
變壓器點(diǎn)方向
我們不能簡單地取一個(gè)疊層鐵芯，然后將其中一個(gè)線圈結(jié)構(gòu)纏繞在其上。我們可以這樣做，但可能會發(fā)現(xiàn)次級電壓和電流可能與初級電壓和電流不同相。兩個(gè)線圈繞組相對于另一個(gè)繞組確實(shí)具有不同的方向。任一線圈都可以順時(shí)針或逆時(shí)針纏繞在鐵芯上，因此為了跟蹤它們的相對方向，使用“點(diǎn)”來標(biāo)識每個(gè)繞組的特定端。
這種識別變壓器方向或繞線方向的方法稱為“點(diǎn)約定”。然后，變壓器繞組的繞制方式應(yīng)使繞組電壓之間存在正確的相位關(guān)系，變壓器的極性定義為次級電壓相對于初級電壓的相對極性，如下所示。
使用點(diǎn)方向的變壓器構(gòu)造
采用點(diǎn)方向構(gòu)造
個(gè)變壓器在兩個(gè)繞組上并排顯示兩個(gè)“點(diǎn)”。流出次級點(diǎn)的電流與進(jìn)入初級側(cè)點(diǎn)的電流“同相”。因此，點(diǎn)端電壓的極性也是同相的，因此當(dāng)初級線圈點(diǎn)端電壓為正時(shí)，次級線圈點(diǎn)端兩端的電壓也為正。
第二臺變壓器的繞組兩端有兩個(gè)點(diǎn)，這意味著變壓器的初級線圈和次級線圈繞組以相反的方向繞制。結(jié)果是流出次級點(diǎn)的電流與流入初級點(diǎn)的電流“相位差”180 度。因此，點(diǎn)端電壓的極性也是相位差，因此當(dāng)初級線圈點(diǎn)端電壓為正時(shí)，相應(yīng)次級線圈兩端的電壓將為負(fù)。
然后，變壓器的結(jié)構(gòu)可以是這樣的，即次級電壓相對于初級電壓可以是“同相”或“異相”。變壓器具有多個(gè)不同的次級繞組，這些繞組彼此電氣隔離，因此了解每個(gè)次級繞組的點(diǎn)極性很重要，這樣它們就可以以串聯(lián)輔助（次級電壓相加）或串聯(lián)反向（次級電壓相差）配置連接在一起。
調(diào)整變壓器匝數(shù)比的能力通常是理想的，以補(bǔ)償電源電壓變化、變壓器調(diào)節(jié)或變化負(fù)載條件的影響。變壓器的電壓控制通常是通過改變匝數(shù)比來實(shí)現(xiàn)的，因此電壓比也會改變，這樣高壓側(cè)的繞組的一部分就會被抽出，以便于調(diào)整。高壓側(cè)的抽頭是，因?yàn)槊吭央妷旱陀诘蛪捍渭墏?cè)。
變壓器初級抽頭變化
分接變換
在這個(gè)簡單的例子中，初級抽頭變化是根據(jù)電源電壓變化±5%計(jì)算的，但可以選擇任何值。一些變壓器可能有兩個(gè)或多個(gè)初級繞組或兩個(gè)或多個(gè)次級繞組，用于不同的應(yīng)用，從單個(gè)磁芯提供不同的電壓。
變壓器結(jié)構(gòu) – 鐵芯損耗
鐵或鋼承載磁通量的能力比在空氣中大得多，這種允許磁通量流動的能力稱為磁導(dǎo)率。大多數(shù)變壓器鐵芯由低碳鋼制成，其磁導(dǎo)率約為 1500，而空氣的磁導(dǎo)率僅為 1.0。
這意味著鋼疊片鐵芯承載的磁通量比空氣高 1500 倍。然而，當(dāng)磁通量在變壓器鋼芯中流動時(shí)，鋼芯中會發(fā)生兩種損耗。一種稱為“渦流損耗”，另一種稱為“磁滯損耗”。
磁滯損耗
變壓器磁滯損耗是由于分子與磁化鐵芯所需的磁力線流動之間的摩擦引起的，由于正弦電源電壓的影響，磁力線的值和方向不斷變化，首先朝一個(gè)方向，然后朝另一個(gè)方向。
這種分子摩擦?xí)a(chǎn)生熱量，這代表變壓器的能量損失。過多的熱量損失會隨著時(shí)間的推移縮短用于制造繞組和結(jié)構(gòu)的絕緣材料的壽命。因此，變壓器的冷卻非常重要。
此外，變壓器的設(shè)計(jì)工作頻率是特定的。降低電源頻率將導(dǎo)致磁滯增加和鐵芯溫度升高。因此，將電源頻率從 60 赫茲降低到 50 赫茲將增加磁滯量，降低變壓器的 VA 容量。
渦流損耗
另一方面，變壓器渦流損耗是由磁通量圍繞鐵芯流動引起的鋼中感應(yīng)出的循環(huán)電流引起的。產(chǎn)生這些循環(huán)電流是因?yàn)殍F芯對磁通量的作用就像一個(gè)線圈。由于鐵芯是良好的導(dǎo)體，因此實(shí)心鐵芯感應(yīng)出的渦流會很大。
渦流對變壓器的實(shí)用性沒有任何貢獻(xiàn)，相反，它通過充當(dāng)負(fù)力來阻止感應(yīng)電流的流動，從而在鐵芯內(nèi)產(chǎn)生電阻加熱和功率損耗。
疊層鐵芯
疊片鐵芯
變壓器鐵芯內(nèi)的渦流損耗無法完全消除，但可以通過減小鋼芯厚度來大大減少和控制。變壓器或線圈的磁芯材料不再采用一個(gè)大的實(shí)心鐵芯，而是將磁路分成許多薄的壓制鋼片，稱為“疊片”。
變壓器結(jié)構(gòu)中使用的疊片是連接在一起的非常薄的絕緣金屬條，以形成堅(jiān)固但疊片的鐵芯，如我們上面所見。這些疊片通過一層清漆或紙相互絕緣，以增加鐵芯的有效電阻率，從而增加總電阻以限制渦流的流動。
所有這些絕緣措施的結(jié)果是，鐵芯中不必要的感應(yīng)渦流功率損耗大大降低，因此所有變壓器和其他電磁機(jī)器的磁鐵電路都是層壓的。在變壓器結(jié)構(gòu)中使用層壓板可減少渦流損耗。
變壓器結(jié)構(gòu) – 銅損
能量損失表現(xiàn)為熱量，這是由于磁滯和磁路中的渦流造成的，通常稱為“變壓器鐵芯損耗”。由于這些損耗是交變磁場的結(jié)果，所有磁性材料都會發(fā)生這種損耗。只要初級繞組通電，變壓器中就會始終存在變壓器鐵芯損耗，即使次級繞組沒有連接負(fù)載。此外，磁滯和渦流損耗的組合通常稱為“變壓器鐵損”，因?yàn)樵斐蛇@些損耗的磁通量在所有負(fù)載下都是恒定的。
銅損
但變壓器還存在另一種能量損失，稱為“銅損”。變壓器銅損主要由初級和次級繞組的電阻引起。大多數(shù)變壓器線圈都使用電阻值為歐姆 ( Ω ) 的銅線纏繞，根據(jù)歐姆定律，銅線的電阻會阻礙流過它的任何磁化電流。
當(dāng)電氣負(fù)載連接到變壓器的次級繞組時(shí)，大電流開始在初級和次級繞組中流動，電能和功率 ( I 2 R ) 會以熱量的形式損耗。通常，銅損會隨負(fù)載電流而變化，空載時(shí)幾乎為零，滿載時(shí)電流時(shí)銅損。
可以通過更好的設(shè)計(jì)和構(gòu)造來提高變壓器的伏安 (VA) 額定值，以減少這些鐵芯和銅損耗。具有高電壓和電流額定值的變壓器需要大橫截面積的導(dǎo)體來幫助限度地減少銅損耗。通過強(qiáng)制空氣或油來提高散熱率（更好的冷卻），或通過改善其絕緣性使其能夠承受更高的溫度，從而提高變壓器的 VA 額定值。
然后我們可以定義一個(gè)理想的變壓器具有：
無磁滯回線或磁滯損耗 → 0
磁芯材料的電阻率無限大，導(dǎo)致渦流損耗為零 → 0繞組電阻為零，導(dǎo)致I 2 *R銅損為零 → 0
