变压器结构类型方向及损耗

简单的双绕组变压器结构包括每个绕组缠绕在一个单独的软铁支臂或铁芯上，提供必要的磁路

这种磁路，更常见的是“变压器铁芯“设计用于为磁场提供流动路径，这对于感应两个绕组之间的电压是必要的。

然而，这种变压器结构由于初级和次级绕组彼此很好地分开，因此两个绕组缠绕在分开的分支上的效率不是很高。这导致两个绕组之间的低磁耦合以及来自变压器本身的大量磁通量泄漏。但是除了这种“O”形结构外，还有不同类型的“变压器结构”和可用的设计，用于克服这些低效率，从而产生更小更紧凑的变压器。

通过使两个绕组彼此紧密接触可以改善简单变压器结构的效率，从而改善磁耦合。增加和集中线圈周围的磁路可以改善两个绕组之间的磁耦合，但它也具有增加变压器磁芯的磁损耗的效果。

以及提供低磁阻路径对于磁场，磁芯设计用于防止铁芯本身内的循环电流。称为“涡流”的循环电流会导致磁芯内的发热和能量损失，从而降低变压器的效率。

这些损耗主要是由铁电路中的电压引起的，铁电路经常受到交替电压的影响。通过外部正弦电源电压设置磁场。减少这些不必要的功率损耗的一种方法是用薄钢板制造变压器铁芯。

在所有类型的变压器结构中，中心铁芯由薄硅钢制成的高渗透性材料制成。叠片。这些薄的叠片组装在一起，以提供所需的磁路，并具有最小的磁损耗。钢板本身的电阻率很高，因此通过使叠层非常薄来减少任何涡流损耗。

这些钢制变压器叠片的厚度在0.25mm到0.5mm之间，钢是导体，叠片和任何固定螺柱，铆钉或螺栓通过非常薄的绝缘漆涂层或在表面上使用氧化层彼此电绝缘。

芯的变压器结构

通常，与变压器结构相关的名称取决于初级绕组和次级绕组如何绕中心叠层钢芯缠绕。变压器结构的两个最常见和最基本的设计是闭核变压器和壳核变压器。

在“闭合铁芯”中“型（核心形式）变压器”，初级和次级绕组缠绕在外面并围绕芯环。在“壳型”（壳型）变压器中，初级和次级绕组通过钢磁路（铁芯）内部，在绕组周围形成壳体，如下图所示。

变压器铁芯结构

在两种类型的变压器磁芯设计中，连接初级绕组和次级绕组的磁通量完全在磁芯内传播，不会损失通过空气的磁通量。在铁芯式变压器结构中，每个绕组的一半缠绕在变压器磁路的每个支腿（或支腿）上，如上所示。

线圈没有布置在一条腿上的初级绕组上。次级绕组，但是初级绕组的一半和次级绕组的一半在每个支路上同心地放置在另一个上，以便增加磁耦合，允许几乎所有的磁力线都通过初级和次级绕组同时进行。然而，对于这种类型的变压器结构，一小部分磁力线流到磁芯外部，这被称为“漏磁通”。

壳式变压器磁芯克服了这种漏磁通初级和次级绕组缠绕在相同的中心腿或肢上，其具有两个外肢的横截面积的两倍。这里的优点是磁通量具有两个闭合的磁路，在返回到中心线圈之前，在左右两侧的线圈外部流动。

这意味着磁通量在周围循环这种变压器结构的外肢等于Φ/ 2 。由于磁通量在线圈周围具有闭合路径，因此具有降低磁芯损耗和提高整体效率的优势。

变压器叠片

但您可能想知道如何对于这种类型的变压器结构，初级和次级绕组缠绕在这些叠层铁或钢芯上。线圈首先缠绕在成形器上，该成形器具有圆柱形，矩形或椭圆形横截面，以适应叠片铁芯的结构。在壳式和铁芯式变压器结构中，为了安装线圈绕组，各个叠片由较大的钢板冲压或冲压而成，形成类似字母“E”s ，“L”s ，“U”s 和“I”s ，如下所示。

Transformer Core类型

这些层压冲压件连接在一起形成所需的核心形状。例如，两个“E”冲压加上两个结束“I”冲压，以使 EI 核心形成标准壳体的一个元件 - 型变压器铁芯。在变压器构造期间，这些单独的叠片紧密对接在一起，以减小接头处气隙的磁阻，从而产生高饱和磁通密度。

变压器铁芯叠片通常彼此交替堆叠，以产生重叠接头，添加更多的层压对，以构成正确的芯厚度。叠片的这种交替堆叠还使变压器具有减少漏磁和铁损的优点。 EI 铁芯叠层变压器结构主要用于隔离变压器，升压和降压变压器以及自耦变压器。

变压器绕组布置

变压器绕组构成变压器结构的另一个重要部分，因为它们是缠绕在铁芯的叠层部分周围的主要载流导体。在单相双绕组变压器中，如图所示，将存在两个绕组。一个连接到电压源并产生称为初级绕组的磁通量，另一个称为次级绕组，其中由于互感而产生电压。

如果次级输出电压小于初级输入电压的电压，变压器称为“降压变压器”。如果次级输出电压大于初级输入电压，则称为“升压变压器”。

核心型结构

变压器绕组中用作主要载流导体的导线类型为铜或铝。虽然铝线较轻且通常比铜线便宜，但必须使用较大的导体横截面积来承载与铜相同的电流量，因此主要用于较大的电力变压器应用。

用于低压电气和电子电路的小型kVA电力和电压互感器倾向于使用铜导体，因为这些导体具有比等效铝类型更高的机械强度和更小的导体尺寸。缺点是当完成它们的核心时，这些变压器要重得多。

变压器绕组和线圈可大致分为同心线圈和夹层线圈。在铁芯式变压器结构中，绕组通常围绕铁芯同心布置，如上图所示，较高电压的初级绕组缠绕在较低电压的次级绕组上。

夹层或“扁平”线圈由扁平导体以螺旋形式缠绕，并且由于导体布置成圆盘而得名。可替换的盘以交错排列从外向中心螺旋，各个线圈堆叠在一起并由绝缘材料如塑料纸隔开。夹芯线圈和绕组更常见于壳型磁芯结构。

螺旋绕组也称为螺旋绕组，是另一种非常常见的圆柱形线圈布置，用于低压大电流变压器应用。绕组由在其侧面缠绕的大截面矩形导体构成，绝缘线沿着圆柱体的长度连续地平行缠绕，在相邻的线圈或盘之间插入合适的间隔物，以使平行线之间的循环电流最小化。线圈向外进展为类似螺旋形螺旋的螺旋。

Transformer Core

用于防止螺旋的绝缘在变压器中短路的导体通常是空气冷却变压器中的薄层清漆或搪瓷。这种薄的清漆或搪瓷涂料在缠绕在芯线上之前涂在电线上。

在较大的电源和配电变压器中，导体使用浸油纸或布料彼此绝缘。将整个磁芯和绕组浸入并密封在含有变压器油的保护罐中。变压器油充当绝缘体和冷却剂。

变压器点方向

我们不能简单地采用叠片铁芯并将其中一个线圈配置包裹起来。我们可以但我们可能会发现次级电压和电流可能与初级电压和电流的电压和电流异相。两个线圈绕组确实具有相对于另一个的不同取向。两个线圈可以顺时针或逆时针缠绕在磁芯上，以便跟踪它们的相对方向。“点”用于识别每个绕组的给定端。

这种识别方向或方向的方法变压器绕组被称为“点公约”。然后缠绕变压器绕组，使绕组电压之间存在正确的相位关系，变压器极性定义为次级电压相对于初级电压的相对极性，如下所示。

变压器结构使用点方向

第一个变压器在两个绕组上并排显示两个“点”。离开次级点的电流是“同相的”，电流进入初级侧点。因此，虚线端的电压极性也是同相的，因此当初级线圈的虚线端的电压为正时，次级线圈两端的电压在点端也是正的。

第二个变压器在绕组的两端显示两个点，这意味着变压器初级和次级线圈绕组以相反的方向缠绕。其结果是离开次级点的电流是180° o “异相”，电流进入主点。因此，虚线端的电压极性也是异相的，因此当初级线圈的虚线端电压为正时，相应次级线圈两端的电压将为负。

然后，变压器的结构可以使得次级电压相对于初级电压可以是“同相”或“异相”。在具有许多不同次级绕组的变压器中，每个次级绕组彼此电隔离，重要的是要知道次级绕组的点极性，以便它们可以串联辅助连接在一起（次级电压相加）或串联反电压（次级电压是差值）配置。

通常需要调整变压器匝数比的能力，以补偿主电源电压变化的影响。变压器或变化的负载条件。变压器的电压控制通常通过改变匝数比并因此改变其电压比来执行，由此高压侧的初级绕组的一部分被抽出以允许容易调节。由于每圈的电压低于低压次级侧，因此在高压侧优选分接。

变压器初级分接头更换

在这个简单的例子中，主电源电压变化计算的电源电压变化为±5％，但可以选择任何值。一些变压器可能有两个或多个初级或两个或多个次级绕组，用于不同的应用，从单个磁芯提供不同的电压。

变压器铁芯损耗

铁或钢的能力携带磁通量远大于空气中的磁通量，这种允许磁通量流动的能力称为磁导率。大多数变压器铁芯由低碳钢制成，其渗透率大约为1500，而空气的渗透率仅为1.0。

这意味着钢叠片铁芯的磁通量可以比磁铁的磁通量高1500倍。空气。然而，当磁通量在变压器钢芯中流动时，钢中会发生两种类型的损耗。一个称为“涡流损耗”，另一个称为“磁滞损耗”。

磁滞损耗

变压器磁滞损耗是由于分子与磁流的摩擦引起的磁化磁芯所需的力线，由于正弦电源电压的影响，它们的值和方向首先在一个方向上不断变化，然后另一个方向变化。

这种分子摩擦导致热量产生这表示变压器的能量损失。过度热量损失可能超时，缩短了绕组和结构制造中使用的绝缘材料的寿命。因此，变压器的冷却非常重要。

此外，变压器设计为在特定的供电频率下运行。降低电源频率将导致磁芯中的滞后增加和温度升高。因此，将供电频率从60赫兹降低到50赫兹将提高滞后量，降低变压器的VA容量。

涡流损耗

另一方面，变压器涡流损耗是由磁芯周围磁通量流动引起的钢中循环电流的流动引起的。产生这些循环电流是因为磁芯的作用类似于单个线圈。由于铁芯是良导体，由实心铁芯引起的涡流会很大。

涡流对变压器的有用性没有任何贡献，反而它们反对引起的流动通过像在负核内产生电阻加热和功率损耗一样的电流。

层压铁芯

变压器铁心内的涡流损耗不能完全消除，但可以通过减小钢芯的厚度来大大减少和控制它们。磁路不是用一个大的实心铁芯作为变压器或线圈的磁芯材料，而是分成许多薄的压制钢形状，称为“叠片”。

变压器结构中使用的叠片如上所述，非常薄的绝缘金属条连接在一起，形成坚固但层叠的芯。这些叠片通过清漆或纸涂层彼此绝缘，以增加芯的有效电阻率，从而增加整体电阻以限制涡流的流动。

所有这些绝缘的结果是磁芯中不需要的感应涡流功率损耗大大降低，正是由于这个原因，每个变压器和其他电磁机器的磁铁电路都是层压的。在变压器结构中使用叠片可以减少涡流损耗。

能量损失，由磁滞和磁路中的涡流引起的热量，通常称为“变压器磁芯损耗”。由于交变磁场，这些损耗发生在所有磁性材料中。即使没有负载连接到次级绕组，只要初级线圈通电，变压器铁心损耗总是存在于变压器中。这些磁滞和涡流损耗有时也被称为“变压器铁损”，因为引起这些损耗的磁通量在所有负载下都是恒定的。

铜损耗

但是那里也是与变压器相关的另一种能量损失，称为“铜损”。变压器铜损主要是由于初级和次级绕组的电阻。大多数变压器线圈由铜线制成，其电阻为欧姆（Ω）。该电阻抵抗流过它们的磁化电流。

当负载连接到变压器次级绕组时，大电流在初级和次级绕组中流动，电能和功率（或 I 2 R ）损失以热量形式发生。通常铜损随负载电流而变化，在空载时几乎为零，在电流最大时满负载时最大。

变压器VA额定值可以通过更好的设计和变压器结构可减少这些铁芯和铜的损耗。具有高电压和电流额定值的变压器需要具有大横截面的导体，以帮助最小化其铜损耗。通过强制空气或油提高散热率（更好的冷却），或通过改善变压器绝缘以使其承受更高的温度也可以增加变压器VA额定值。

然后我们可以定义一个理想的变压器具有：

没有磁滞回线或磁滞损耗→0

芯材的无限电阻率，零涡流损耗→0

零绕组电阻为零 I 2 * R 铜损→0

在下一个关于变形金刚的教程中，我们将看一下变压器加载次级绕组相对于电气负载，并看到“无负载”和“负载”连接的变压器对初级绕组电流的影响。