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大型電站用變壓器

可調電壓的變壓器

變壓器，是通過電磁耦合改變電壓的電力設備或電力元件。

變壓器通常包含兩組或兩組以上的線圈。它的主要用途是轉變電壓，改變阻抗，及分隔電路。

[編輯] 變壓器分類

[編輯] 電力變壓器

電力變壓器是一種通過電磁耦合把能量從一個電路轉移到另一個電路，而不需本身部件發生相對運動的電力設備。在交流電長途傳輸中，變壓器擔當重要的角色。

[編輯] 電子變壓器

通常稱電子設備中使用的變壓器為電子變壓器。例如電源常用的降壓變壓器。

[編輯] 隔離變壓器

用於在強幹擾場合傳遞電壓信號。

[編輯] 磁飽和變壓器

用於穩壓。

[編輯] 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。

[編輯] 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。

[編輯] 變壓器原理

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 V_S, V_P 和兩者的繞線的匝數 N_S, N_P 之間有正比的關係：

因此可以減小或者增加原線圈和副線圈的匝數比，從而升高或者降低電壓。

[編輯] 變壓器歷史

變壓器變壓原理是是由法拉第在1831年發現的，但是直到19世紀80年代才開始實際應用。在以後的十年裡，直流電和交流電優勢之爭中，能夠使用變壓器是交流電的優勢之一，直到現在交流電仍然占支配地位。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用戶那裡的。

[編輯] 變壓器原理的物理描述

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 (如交流電或脈沖式的直流電) 通過，便會產生變動的磁場。根據電磁的互感原理，這變動的磁場會使第二塊導電體產生電勢差。假如第二塊導電體是一條閉合電路的一部份，那麼該閉合電路便會產生電流。電力於是得以傳送。

在通用的變壓器中，有關的導電體是由 (多數為銅質的) 電線組成的線圈，因為線圈所產生的磁場要比一條筆直的電線大得多。

[編輯] 變壓器無法勝任的工作

• 直接把把直流電轉換為交流電，或直接把交流電轉換為直流電。前者由逆變器來完成，後者是整流電路的任務。
• 變更直流電的電壓或電流
• 變更交流電的頻率，變頻器才能勝任。
• 把單相電流轉為多相電流

[編輯] 定律

以下兩條電學定律與變壓器有關：

1. 根據能量守恆定律，變壓器輸出的功率不能超越輸入它的功率。
2. 根據歐姆定律，變壓器的負載所消耗的功率等於流經它的電流與其抵受的電壓的乘積。

由於變壓器遵守這兩條定律，它不會是放大器。如果處在變壓器兩方的電壓有所不同，那麼流經變壓器兩方的電流也會不同，而兩者的差距則成反比。如果變壓器一方的電流比另一方小，那電流較小的一方會有較大的電壓；反之亦然。然而，變壓器兩方所消耗的功率 (即一方的電壓和電流兩值相乘) 應是相等的。

[編輯] 電壓和電流比例

假設現在有一變壓器以 25:2 的電流轉變比率運行，而雙方的功率皆為 50 瓦。根據歐姆定律，可以確定以下兩點：

1. 如果輸入方(Primary)的電流是 25 安培，則其電壓應為 2 伏特。
2. 輸出方(Secondary)的電流按比例應為 2 安培，而其電壓則為 25 伏特。

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。

如果撇除泄漏等因素，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：

在算式中：

• V_p是輸入方的電壓(Primary Voltage)；
• V_s是輸出方的電壓(Secondary Voltage)；
• N_p是輸入方的線圈圈數(Numbers of turns in the Primary Winding)；
• N_s則是輸出方的電流圈數(Numbers of turns in the Secondary Winding)。

變壓器的這個性質使它成為轉換電壓的重要設備。

另外，撇除泄漏的因素，變壓器某一方 (線圈) 的電壓可以從以下算式求得：

E = 4.44 * F * n * a * b

在算式中：

• E是流經該線圈的電壓的方根均值；
• F是電流的頻率 (單位為赫茲)；
• n是線圈的圈數；
• a是線圈內空間 (鐵芯) 的切面面積；
• b是通過線圈內空間 (鐵芯) 的磁力。該值是以每單位面積計算，而面積的單位與變數 a 相同。
• 常數值 4.44 是為了使算式結果對應於計算出來的單位而設。

[編輯] 能量損失

理想的變壓器沒有能量流失，所以擁有 100% 效率。在現實之中，大功率的變壓器的效率可達 98%；但小型的變壓器流失會較嚴重，而它們的效率可能低於 85%。

變壓器的能量流失可以來自這些現象： (在以下敘述中，線圈內的導電體一律稱為「鐵芯」)

• 線圈的電阻：電流通過導電體時產生熱能（電流要較高，發出的熱人體才感覺的到），造成能量損失。和其他種類的流失不同，這種流失並不是來自變壓器的鐵芯。
• 渦流損：磁力使鐵芯產生環迴電流，導致能量化成熱並流失至外界。把鐵芯切成不相通的薄片可以減少這種流失。
• 磁力流失：所有未被輸出方線圈接收的磁力線均會造成能量流失。
• 磁滯損：鐵芯的滯後作用使每次磁場改變時造成能量流失。這種流失的大小取決於鐵芯的原料。
• 力流失：交替的磁場使導線、鐵芯與附近的金屬之間的電磁力產生變化，結果形成振動和能量流失。
• 磁致伸縮：交替的磁場使鐵芯出現伸縮。如果鐵芯的原料容易受伸縮影響，分子之間的摩擦會導致能量流失。
• 冷卻設備：大型的變壓器一般配備冷卻用的電風扇、油泵或注水的散熱器。這些設備所使用的能量一般亦算作變壓器的能量流失。

變壓器運作時的噪音一般來自磁力流失或磁致伸縮所造成的振動。

[編輯] 日常生活中的變壓器

變壓器在日常生活中以很多形態存在。原理相同、構造相近的變壓器可以嵌在小型麥克風之中以連接不同的電路，也可以處理數以百萬千瓦計的電功率並聯繫多個為整個國家供電的大型輸電網。

[編輯] 設計

[編輯] 發明

以下人士與變壓器的發明有關係：

• 法拉第在1831年8月29日發明了一個「電感環」。這是第一個變壓器，但法拉第只是用它來示範電磁感應原理，並沒有考慮過它可以有現實的用途。

• 戈拉爾路森和約翰狄克遜吉布斯 ，於1881年首先在倫敦展示一種稱為「二次手發電機」的設備然後把這項技術賣給了美國西屋公司，這可能是第一個實用的電力變壓器,但並不是最早的變壓器. 1884年他們還在採用電力照明義大利都靈市展示了他們的設備。早期變壓器採用直線型鐵心，後來被更有效的環形鐵心取代。
• 西屋公司的一名叫威廉·斯坦利的工程師在喬治·威斯汀豪斯從戈拉爾路森和約翰狄克遜吉布斯買來變壓器專利以後，於1885年製造了第一台實用的變壓器。後來變壓器的鐵心由E型的鐵片疊合而成，並於1886年開始商業運用。

[編輯] 電路符號

標準電路符號

有鐵芯兩繞組變壓器。

三繞組變壓器。
圖中的點標示繞組極性相同的端子（同名端）。

降壓或升壓變壓器。
圖中所示繞組匝數比例並非實際比例。

帶靜電屏蔽的變壓器，

可以防止繞組之間靜電耦合。

[編輯] 構造

一個變壓器通常包括：

• 兩組或以上的線圈，以傳輸電流；
• 一個鐵芯, 它把互感的磁場與線圈耦合在一起.

變壓器一般運行在低頻，導線圍繞鐵芯纏繞成繞組。雖然鐵芯會造成一部分能量的損失，但這有助於將磁場限定在變壓器內部，並提高效率。

電力變壓器按照鐵芯和繞組的結構分為芯式結構和殼式結構，以及按照磁通的分支數目（三相變壓器有3，4或5個分支）分類。它們的性能各不相同。

[編輯] 鐵芯

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。

電力變壓器和音頻電路有相似之處。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，如果沒有採用限流電路，涌流可造成主熔斷器熔斷。更嚴重的是，對於大型電力變壓器，涌流可造成主繞組變形、損害。

[編輯] 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素體的陶瓷材料。 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。

[編輯] 空氣芯

[編輯] 圓環柱心

[編輯] 線圈

傳送電流。

[編輯] 絕緣保護

[編輯] 屏蔽物

[編輯] 冷卻劑

[編輯] 接線端

[編輯] 自耦變壓器

單相自耦式變壓器

自耦式變壓器是只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。

[編輯] 多相變壓器

[編輯] 漏磁變壓器

漏磁變壓器

[編輯] 諧振變壓器

[編輯] 目前的變壓器

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