工程师视角下的电力变压器

电力变压器始终是大型系统的一部分。这就要求我们从交流电源(馈线)和负载的角度来考虑规格参数。还需考虑动态因素,因为变压器次级线圈上的负载经常波动。音频放大器中的变压器就是典型例子。静谧段落与震撼低音线之间的负载差异极大。选择能同时适应这两种场景的高效变压器颇具挑战。

当变压器被整合进带有整流和电容滤波的电源系统时,选型复杂度将显著增加。在这种常见应用中,稳态交流参数仅作为参考指南,因为电流波形呈脉冲状而非正弦波。

电力变压器必备知识

关于电力变压器有几个必须掌握的知识点:

  • 整流应用:电力变压器常作为直流电源的组成部分。此类应用中,降压变压器后接半桥或全桥整流器。整流器之后连接大容量储能电容。这构成了消除交流电源波动的低通滤波器。这是个非线性系统。电流波形由一系列与交流波峰对应的尖峰组成。这使得变压器选型极为复杂,因为脉冲电流与规格参数章节所述的正弦假设并无直接关联。作为缓解措施,应选择功率裕量更大的变压器。低电阻绕组能更好应对电流尖峰,从而有效抑制过热现象。

  • 双初级绕组:多数变压器配备双初级绕组。这一特性便于变压器适配不同馈线电压。典型的美式降压变压器具有两个120伏交流绕组。必须同时使用两个绕组才能达到额定功率。绕组并联连接用于120伏交流系统。在240伏交流系统中安装时需串联连接。两种配置方式均可避免绕组产生过大的I²R损耗。

技术提示 :并联线圈时需注意极性(原理图相位点标记)。交叉连接会导致短路,造成变压器损毁。

  • 尺寸与重量:电力变压器专为市电设计。北美采用60赫兹系统,其他地区多为50赫兹。开篇提到的400赫兹规格适用于航空系统。通常变压器尺寸重量与频率成反比关系。因此航空发电机、变压器和交流电机采用400赫兹设计,尺寸重量对飞行器至关重要。值得注意的是,现代电源(如笔记本电脑)多采用高频变压器。100瓦高频变压器的体积远小于同功率60赫兹变压器。

  • 过压须知:机电设备本质上是效率优化的产物。设计者会最大限度减少硅钢片和铜材用量,实现设备小型化与低成本。这使得机电设备工作点非常接近磁饱和拐点。需知感应磁场是安培匝数的乘积。基于优化设计,过压会导致磁芯饱和。因此绕组电压是必须严格遵守的硬性指标。例如设计用于120伏交流的10:1降压变压器输出12伏交流。不可反向升压至1200伏交流,否则磁芯饱和将导致绕组熔毁、绝缘击穿的灾难性故障。

  • 伏安与瓦特:变压器功率以伏安(VA)而非瓦特(W)计量。这对未完成中级电子学课程者可能难以理解。当变压器驱动纯阻性负载时,VA与W数值相同。容性/感性负载会使二者产生差异。此时以W表示的实际功率将小于VA表示的视在功率。如前所述,当变压器用于驱动整流器时,情况会更加复杂。再次强调,根据经验法则,应选择功率标称值更大的变压器。

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