變壓器

變壓器交流電壓，但不改變電源頻率的電能轉換器。變壓器主要構件包含兩組或以上的線圈和鐵芯，用途是升降交流電的電壓、改變阻抗及分隔電路。電路符號常用T當作編號的開頭。例：T01、T201等。歷史.變壓器變壓原理首先由法拉第發現，但是直到十九世紀80年代才開始實際應用。在發電場應該輸出直流電和交流電的競爭中，交流電能夠使用變壓器是其優勢之一。變壓器可以將電能轉換成高電壓低電流形式，然後再轉換回去，因此大大減小了電能在輸送過程中的損失，使得電能的經濟輸送距離達到更遠。如此一來，發電廠就可以建在遠離用電的地方。世界大多數電力經過一系列的變壓最終才到達使用者那裡的。基本原理.一個簡單的單相變壓器由兩塊導電體組成。當其中一塊導電體有一些不定量的電流電線組成線圈，因為線圈所產生的磁場要比一條筆直的電線大得多。變壓器的原理是由變化的電壓加到原線圈在磁芯上產生變化的磁場，從而激發其他線圈產生變化的電動勢。原線圈、副線圈的電壓VS, VP和兩者的繞線的匝數NS, NP之間有正比的關係：至於變壓器兩方之間的電流或電壓比例，則取決於兩方電路線圈的圈數。圈數較多的一方電壓較高但電流較小，反之亦然。如果撇除洩漏等因素，變壓器兩方的電壓比例相等於兩方的線圈圈數比例，亦即電壓與圈數成正比。以算式表示如下：formula_1。另外，根據安匝平衡，變壓器兩側的交鏈磁動勢必須相等，如下式：formula_2在以上兩個算式中：formula_7在算式中：根據法拉第電磁感應定律，感應電勢為：formula_14其中formula_15會隨感應電勢產生正弦變化，以時間函式表示成formula_16。帶入上式，得：formula_17由於磁通量formula_18為正弦函式磁通量之最大值，formula_19的結果將會是最大值。換算成方均根值時，為formula_20又電源角頻率formula_21，故方程式寫成formula_22轉換因子為：formula_23。線圈等效自感值為：formula_24。線圈等效互感值為：formula_25。能量損失.理想的變壓器沒有能量流失，所以擁有100%效率。現實中，大容量變壓器的效率達到98%至99%；但小型的變壓器流失會較嚴重，而它們的效率可能低於85%。在以下敘述中，線圈內的導磁體一律稱為「鐵芯」。在香港，建築物能源效益條例要求200kVA或以上配電變壓器的效率要達到98%，1000kVA或以上則要求達到99%。變壓器測試須按照 IEC 60076-1 標準來進行。鐵損通常放在左邊改變。RC代表鐵損，XM代表磁阻 。變壓器的能量流失可以來自這些現象：銅損為：formula_26鐵損為：formula_27當司坦麥系數為n=2，且使用於變壓器B=V/f，磁滯損為：formula_28渦流損與電源頻率平方及最大磁通密度成正比，並與變壓器內之矽鋼片厚度平方成正比，和司坦麥系數無關：formula_29變壓器的失效.變壓器可能因為溫度過高達到居禮溫度，而無法磁電轉換而失去作用。分類.電力變壓器.電力變壓器是透過電磁耦合把一種等級的電壓轉換成同頻率的另一種等級的電壓的一種靜止的電氣一次裝置。電力變壓器是電力系統主要的元件之一，常規型變壓器用於輸、受電，自耦型變壓器用於耦合不同電壓等級的電力系統。在電力長途傳輸中，變壓器擔當重要的角色。電子變壓器.電子變壓器一詞可能指以下幾種之一隔離變壓器.是在使用某些電器時為了人身安全而加設的。隔離變壓器的隔離是指變壓器初級側與次級側之間是電絕緣的，並保有一定的安全距離。變壓器的隔離是隔離原副邊繞線圈各自的電流。在維修一些家用電器時，應該關閉電源以防止觸電，或因漏電產生的危險。須要注意的是，選用隔離變壓器的原則是：隔離變壓器的容量一定要大於所維修的家電電器的功率。隔離變壓器同樣利用電磁感應原理，只是隔離變壓器一般是指1：1的變壓器。由於次級不和地相連，次級任一根線與地之間沒有電位差，使用安全。隔離變壓器常用作維修電源。此外，隔離變壓器也不全是1：1變壓器。控制變壓器和電子管裝置的電源也是隔離變壓器。如電子管擴音機，電子管收音機和示波器和車床控制變壓器等電源都是隔離變壓器。如為了安全維修電視機常用1比1的隔離變壓器。隔離變壓器使用很廣泛的，在空調中也是使用隔離變壓器。磁飽和變壓器.磁飽和變壓器用於穩壓，可以應付大多數的電壓驟降，視乎其設計可以支援1到2秒。而電壓驟降通常少於0.1秒。電力起動變壓器.交流電機起動時為降低對電網的衝擊，常常採用降壓起動方法，為此設計有專門用途的變壓器。自耦變壓器.自耦變壓器是一個特例，其中一個線圈成為另一個線圈的一部分。自耦變壓器也常常用於電機起動。自耦式變壓器是隻有一組線圈同時用作原線圈及副線圈的變壓器。降壓時會從共用線圈引出一部份用作副線圈，而當升壓時會從共用線圈引出比原線圈多的一部份用作副線圈。自耦變壓器是指它的繞組一部分是高壓邊和低壓邊共用的。另一部分只屬於高壓邊。根據結構還可細分為可調壓式和固定式。自耦變壓器的耦是電磁耦合的意思，普通的變壓器是透過原副邊線圈電磁耦合來傳遞能量，原副邊沒有直接的電的聯絡，自耦變壓器原副邊有直接的電的聯絡，它的低壓線圈就是高壓線圈的一部分。自耦變壓器的工作原理其實和普通變壓器一樣的，只不過他的原線圈就是它的副線圈。一般的變壓器是左邊一個原線圈透過電磁感應，使右邊的副線圈產生電壓，自耦變壓器是自己影響自己。自耦變壓器是隻有一個繞組的變壓器，當作為降壓變壓器使用時，從繞組中抽出一部分線匝作為二次繞組；當作為升壓變壓器使用時，外施電壓只加在繞組的—部分線匝上。通常把同時屬於一次和二次的那部分繞組稱為公共繞組，自耦變壓器的其餘部分稱為串聯繞組，同容量的自耦變壓器與普通變壓器相比，不但尺寸小，而且效率高，並且變壓器容量越大，電壓越高．這個優點就越加突出。因此隨著電力系統的發展、電壓等級的提高和輸送容量的增大，自藕變壓器由於其容量大、損耗小、造價低而得到廣泛應用。多相變壓器.三相變壓器廣泛使用於工業用途上，用於變換電壓及電流。三相電流是最常見用於產生、傳導及使用電力的方式，因此，瞭解三相變壓器如何連線是必要的。此變壓器是由三繞組單相變壓器建構在一單獨線圈上，並且放置於充滿絕緣油的附件上。絕緣油有數個功能，第一、由於絕緣，一個非導電體的電力可提供繞組與外殼之間的電氣絕緣；第二、它也可以用來冷卻及防止濕氣產生。漏磁變壓器.漏磁變壓器用於負載急劇變化而又要求逐步趨於穩定狀態的電子裝置中，如熒光燈電源、離子泵電源等裝置。這一類負載表現為開始工作時阻抗較大，需要較高的瞬間電壓；而當穩定工作時，負載阻抗較小，需將負載電流限製在允許值內，以使其能正常工作。諧振變壓器.諧振變壓器屬於一種漏磁變壓器，透過在鬆散耦合線圈間之次級側諧振時，互磁通量增加，並且耦合變強。利用變壓器次級側的短路電感Lk與次級側外加電容(或等效雑散電容)Cr形成串聯諧振電路。次級線圈的電感為Ls，並且諧振頻率1'的ω2由下式確定formula_30諧振變壓器的例子有：構成.一個變壓器通常包括：芯.薄片鋼芯.變壓器通常採用矽鋼材料的鐵芯作為主磁路。這樣可以使線圈中磁場更加集中，變壓器更加緊湊。電力變壓器的鐵芯在設計的時候必須保防止達到磁路飽和，有時需要在磁路中設計一些氣隙減少飽和。實際使用的變壓器鐵芯採用非常薄，電阻較大的矽鋼片疊壓而成。這樣可以減少每層渦流帶來的損耗和產生的熱量。電力變壓器和音訊電路有相似之處。典型分層鐵芯一般為E和I字母的形狀，稱作“EI變壓器”。這種鐵芯的一個問題就是當斷電之後鐵芯中會保持剩磁。當再次加電後，剩磁會造成鐵芯暫時飽和。對於一些容量超過數百瓦的變壓器會造成的嚴重後果，如果沒有采用限流電路，湧流可造成主熔斷器熔斷。更嚴重的是，對於大型電力變壓器，湧流可造成主繞組變形。實芯鐵芯.在如開關電源之類的高頻電路中，有時使用具有較高的磁導率和電阻率的鐵磁材料粉末鐵芯。在更高的頻率下，需要使用絕緣體導磁材料，常見的有各種稱作鐵氧體的陶瓷材料。在一些調頻無線電電路中的一些變壓器鐵芯採用可調鐵芯，來配合耦合電路達到諧振。線圈.線圈由電磁線所構成，用於環繞鐵蕊，藉以通電產生磁場，或是經由磁場產生感應電流。絕緣保護.可使用蠟紙隔離冷卻劑.有的變壓器利用液態物質的迴圈進行熱量的疏散。常用的液態物質為變壓器油作為冷卻劑。由於導熱能力的限制，氣體冷卻劑一般應用於小容量變壓器。關於變壓器油，絕大多數採用的是礦物油，極少數的變壓器採用的是植物油。礦物油洩露可能會對環境造成汙染，而植物油汙染程度就會少很多。而且植物油的閃點要比礦物油的高。所以，在將來，植物油可能會取代礦物油。