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)沒有次級電流流動時(shí)，流過變壓器初級繞組的電流會產(chǎn)生磁通量，從而在次級繞組中感應(yīng)出電壓。該初級電流稱為勵(lì)磁電流，由于初級繞組的 CEMF 較大，因此相當(dāng)小。由于變壓器是通過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。磁芯不會將所有磁通量都傳輸?shù)酱渭壘€圈。一些磁通量會因?yàn)榇艤鴵p失，磁滯是材料抵抗磁極性快速變化的趨勢。由于變壓器由交流電壓供電，初級線圈的磁場每秒改變其極性 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)致磁場和鐵芯材料發(fā)生相對運(yùn)動，鐵芯材料中也會感應(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。渦流會在鐵芯中產(chǎn)生熱量，從而導(dǎo)致?lián)p耗。通過用許多薄鋼板（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，因此電流不能流過整個(gè)鐵芯，而只能流過每個(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（用綠色箭頭表示）。由于鐵芯具有導(dǎo)電性，該磁場會感應(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的平面中流動，當(dāng)通過鐵芯的電阻時(shí)，會導(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)）來解決此問題。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。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，并且保持相對恒定。磁滯和渦流的影響在很大程度上不會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)電流通過變壓器時(shí)，會產(chǎn)生磁場和熱量。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。散熱也會降低線圈的電阻，因?yàn)椴牧系碾娮钑S著溫度的升高而增加。

磁通鏈損耗

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

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

次級繞組也存在同樣的問題。當(dāng)次級電流流動時(shí)，由于次級繞組的磁通泄漏，并非所有次級繞組磁通都能削弱初級磁通。由于對初級 CEMF 的阻力較小，因此無法通過太多的初級電流來產(chǎn)生保持次級電壓恒定所需的磁通。隨著變壓器電流的增加，這種磁通泄漏會導(dǎo)致次級電壓降低。

次級電壓降

較低的次級電壓也是次級繞組上正常電壓降的結(jié)果。當(dāng)電流流過變壓器的初級或次級繞組時(shí)，線圈上的電壓會有所下降。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，變壓器初級繞組的電阻很小。電阻可能只有十分之一歐姆；如果初級電源電壓高，初級電流低，總電壓降。如果次級繞組匝數(shù)較少，次級電壓較低，次級電流會較高。雖然如果使用較大的導(dǎo)線來承載增加的電流，次級繞組電阻會較低，但次級線圈上的總電壓降可能占總電壓的足夠百分比。這可能會導(dǎo)致輸出電壓太低，無法正常運(yùn)行負(fù)載。

例如，假設(shè)供電電壓為 500 V 的初級繞組的有效電阻為 0.1 歐姆。同一變壓器的次級繞組的感應(yīng)電壓為 100 V，有效電阻為 0.02 歐姆。如果初級繞組中流過的電流為 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，則次級線圈中的電流必須為 250 安培。次級繞組電壓降將為 0.02 歐姆 x 250 安培，即 5 V，即感應(yīng)電壓的 5%。因此，實(shí)際次級電壓僅為 95 V。電流增加時(shí)，次級繞組中此電壓降的影響會更大。如果我們在沒有電流流過和額定電流流過的情況下測量實(shí)際次級繞組電壓，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： 變壓器的次級電壓從無負(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)償次級電壓降，變壓器的次級繞組上會有額外的匝數(shù)，從而增加感應(yīng)電壓。即使變壓器的次級繞組電壓有所下降，變壓器仍會在滿額定負(fù)載電流下產(chǎn)生滿次級電壓。由于額外的匝數(shù)，變壓器電壓在負(fù)載較小或無負(fù)載時(shí)會比次級繞組承載滿負(fù)載電流時(shí)更高。對于小容量變壓器來說尤其如此。