电力电子课程变压器介绍

变压器运行的核心是磁感应,这种现象使变化中的磁场能够在附近的电路中产生电流。在变压器中,其中一个线圈称为“原边”或“输入线圈”，另一个线圈称为“次边”或“输出线圈”.

电力变压器是一种由两个或两个以上的绕组组成的静态电磁感应装置,其设计目的是改造一个 交流电压 和电流进入另一个交流电压和电流系统,通常具有不同的值,但频率相同,用于传输电能。它们可以是低功率、中功率或高功率的,这取决于它们所能承受的最大电压和电流。

两个线圈的转动次数之间的比率决定输出电压和电流。简单地说,如果第二次的转动比第一次的多,输出电压会更高,而电流会更低。相反,如果第二次的转动较少,电压将较低,电流将较高。然而,在这两种情况下,电压和电流(功率)的乘积保持不变,确保(至少在理论上)没有电力损失。这一系统允许电力规模化,使其适合于不同的应用和不同的用户。除了降低电压,变压器也可以提高它.

这在高压输电线路中是有用的,为此,提高电压以减少传输过程中的能量损失是必要的。如果在初级绕组中有交流电流流动,就会产生与次级绕组连接的磁通量,而在次级绕组中就会产生交流量。变压器可以改变电路的"电阻",使其与不同的设备兼容,实现阻抗匹配。

图1显示了变压器的电气符号。位于电感附近的两个黑点表明它们是相互耦合的。变压器的所有参数都紧密相连,例如电流、电压和组成变压器的电感的转动次数。我们尤其:

理论上,主要系统和次级系统的耗散功率是相同的,但实际上,归纳系统的典型方法是考虑小功率和转移损耗。因此,我们有下列的平等性,它也考虑到了二级和一级之间的阻抗适应:

请注意,"A"代表的是转换率。

图1:变压器的电气符号

真正的变压器

由于实际材料没有零阻抗和其他非线性条件存在,实际变压器不能反映理想材料的特性,因此它的特点总是电力损失,尽管小。特别是,应该注意到,某些流动是分散在空气中而不是在铁磁材料中,造成分散。

此外,铁磁材料的渗透性受到限制,而且绕组是由具有小电阻的导体组成的,由于焦耳效应而导致加热和能量损失。此外,铁磁材料也会产生涡流,这也取决于交流电通过变压器的频率。

在图2中可以观察到变压器的等效图,其中包括额外的电容和感应组件,这些组件使理论和理想系统的运行更接近实际系统。注意,由于变压器导体的非理想性,在系统运行过程中产生一定比例的热量,所以电阻元件与主绕组和二次绕组(R1S和R2S)串联存在。另一种耗散是由于铁材料的损耗而产生的磁滞,而铁材料的损耗会产生额外的热量。

进一步的归纳损失源于LD1、LD2和LM。此外,其他寄生电容存在于一个线圈和另一个线圈之间,因为它们是叠加的,并在各层之间有潜在的差异。它们越大,转动的次数越多,变压器的尺寸也越大。

图2:变压器的真实电气图

在电力变压器,特别是电力变压器这一主题范围内,了解如何管理电力损失非常重要,特别是如果目的是优化节能。在通用变压器中,有源功率损失是输入功率和输出功率之间差异的结果。电力损失意味着上游阶段的规模过大,而能源损失则增加了主要来源的消耗。

在电压变换中,铜损失(取决于负载电流的平方)和铁损失(与电压的平方成正比)也被考虑在内。电阻损失是由于焦耳效应造成的,主要是由主绕组和二次绕组的电阻造成的,而电感损失则取决于构成磁芯的材料和层压的类型。为了尽量减少损耗,有必要研究芯的几何形状,特别是其材料(铜、铝或其他),导体的形状,以及不同磁导率的磁性材料的质量。

任何类型的电力变压器的制造商,无论是小型、中型还是大型,都必须遵守政府指令规定的能源效率和生态设计目标,以减少这些装置的能源消耗。

瓦茨和伏特安培

变换器是电力分配系统的基础。伏安等级是指相对于变压器所能提供给负载的能量量的功率分布。伏安(VA)是电力领域测量的基本单位。它表示电路中的表观功率,包括实际功率和无功功率。

实际上,它测量电路中的有源功率和无源功率,同时考虑到总功率,包括非生产性振荡的功率。在交流电路中,电压和电流并不总是相合.功率因数也用于计算,即实际功率与表观功率的比率。

它在0到1之间,更高的功率因数表明电力系统在将表观功率转换为实际功率时效率更高。如果负载纯粹是电阻的,则功率(有源功率)用瓦特表示,并按下列公式计算:

然而,如果负载不是纯粹电阻的,而是包含电感或电容器,就会产生能量积累,使计算复杂化。感应负载以磁场的形式存储能量,而电容负载以电场的形式存储能量,并在每半波的情况下将其返回网络,而不是实际使用它。

因此,电流的一部分反复反复地来回流动,虽然可以测量,但它不利于作为有源功率的瓦茨的实际消费。由于这个特殊原因,实际消费总是低于伏特X安培产品。因此,表观功率用伏安(VA)表示,它与产品伏安相等,也考虑到相移。按惯例,伏安值大约是瓦特值的1.4倍,但会随情况变化。

电压和电流之间的相移是用电压和电流矢量之间角的余弦来计算的,这种余弦被称为COS-PI或功率因数。如上段所述,其范围在0至1之间,相关关系如下:

根据负载的类型,电压和电流之间可能会发生相移(见图3)。当电压施加于电阻负载时,通过它的电流就成比例变化。该功率被称为有源功率,它是用瓦特(W)测量的,其计算非常简单,根据以下产品:

其他负载类型,包括电感和电容,表现不同。如果电压增加,电感器最初会反对电流的通过,因为它会在自身周围形成磁场。电流增加,但有一定的延迟.换句话说,如果你在变压器上施加交流电压,电压达到其顶端,但电流保持在接近零的水平,然后当电压开始下降时,电压就增加了。

电流波形始终呈正弦形,但滞后于电压,在两个正弦体之间,有一个相移等于其角的余弦。当电压和电流完全同步时,COS-PAI等于1。相反地,当它们是最大的无相(最大电压和零电流)时,它等于零。混合介质负载的COS-PI的典型值为0.7%。

图3:负载类型改变电压和电流之间的相移

结论

核心的环形形状优化了磁通量,以最小的材料量达到最大的效率。换句话说,它们非常适合变压器和电感器,因为它们能让用户用较少的材料获得强大的磁场。紧凑型结构减少了部件的质量,便于散热,并尽量减少热变化对电气参数的影响。绕组和铁芯之间的空间有限,也有助于防止涡流导致的过热,这是变压器问题,不可避免地随着频率的增加而增加。