变压器工作原理和电感原理

　　变压器是配电系统中使用的关键部件。通过本文了解变压器工作原理和电感原理。
　　变压器通常由两个独立的线圈组成，其导体匝数不同，缠绕在同一封闭层压铁芯上（见图1）。初级绕组是变压器中的线圈，由电源供电。次级绕组是连接到负载的线圈。变压器中的初级威廉希尔官方网站 可以是高压或低压威廉希尔官方网站 ，具体取决于它是升压变压器还是降压变压器。高压引线标有字母H，低压引线标有字母X。次要中性通常标记为 X0。
　　
　　图1.典型的变压器由两个独立的线圈组成，绕在导体周围匝数不同
　　在典型的大型工业综合体中，输电变电站可以将电力直接输送到外部变压器保险库。来自服务入口的导体通过室外母线槽从外部变压器保险库路由到计量配电盘。然后，电源通过面板上的断路器馈送，并通过母线槽路由到配电盘和带有插件部分的母线槽到使用点（见图 2）。根据客户需求，配电系统以标准电压水平和固定电流额定值向设定点（例如插座）供电。
　　
　　图2.变压器用于将输电线路电压降低到客户可用的水平。
　　注意
　　发电厂产生的交流电被转换为更高的电压，以便在发电站和最终用户之间有效地传输电力。
　　感应
　　电感是设备或威廉希尔官方网站 的特性，使其以电磁场的形式存储能量。感应是设备或威廉希尔官方网站 产生电抗以对抗变化电流的能力（自感）或在附近威廉希尔官方网站 中产生电流（互感）的能力。在线圈中流动的电流产生一个场，该场向导体外扩展并围绕导体。能量储存在该场中。当源电压从峰值变为零时，存储在电磁场中的能量被转换回线圈导体中的电能。能量实际上与源电压的变化相反。
　　通过磁性感应电压的三个要求是导体、磁场以及导体与磁场之间的相对运动。在变压器中，导体是构成线圈的导线。流过导体的交流电会产生膨胀和坍塌的磁场。膨胀和坍缩的磁场流经层压芯，并提供次级导体和磁场之间的相对运动。
　　磁芯由低磁阻材料层构成，对磁通量线几乎没有抵抗力。封闭的层压磁芯为磁通量流动提供了低磁阻路径，使磁通量对齐，并允许磁场线切割最大数量的导体。这会在次级中感应电压。初级威廉希尔官方网站 和次级威廉希尔官方网站 的总功率相同，但变压器中的一些损耗除外。这意味着当次级电压高于初级电压时，次级中的电流成比例地较低。
　　自感应
　　自感应是威廉希尔官方网站 中的电感器产生感抗的能力，感抗与威廉希尔官方网站 电流的变化相反。当交流电源电压上升，并且磁通量在威廉希尔官方网站 导体周围膨胀时，威廉希尔官方网站 中会感应出相反的电压或反电压。感应电压的大小由电流的变化率决定。楞次定律指出，感应电压的极性使得它产生的电流的磁场与产生它的变化相反（见图3）。电感中的感应磁场起到反对电流变化的作用。
　　
　　图3.线圈中的自感应与电流的变化相反。图片由路易斯维尔物理提供
　　计数器电压限制威廉希尔官方网站 电流，因为威廉希尔官方网站 电流由阻抗以及源与反向电压之间的差异决定。当交流电源电压回落到零并且磁场崩溃时，反电压的作用是防止电流下降。这表明周期的前90°用于为电感充电。电能在电感器中转换为磁能。当电压达到峰值时，电流为零，磁场停止膨胀，所有能量都存储在磁场中。当源电压开始从峰值下降时，磁场开始崩溃，电感特性有助于源电压提供的电流。这使得电流滞后于源头90°。
　　
　　互感应
　　互感是一个威廉希尔官方网站 中的电感器在另一个威廉希尔官方网站 中感应电压的能力。当变压器初级有交流电在导体中流动时，磁通量与电流量成比例地围绕导体。膨胀和收缩的磁通切断次级中的导体并在次级中感应电压。参见图 4。
　　
　　图4.图片由Elliot Sound Products提供。
　　当交流电源施加到变压器的初级时，初级线圈中感应的反电压与施加的电压相反且几乎相等。施加电压和感应电压之间的差异非常小，允许足够的电流来磁化初级磁芯。励磁电流或磁化电流是通过初级磁芯的空载电流。励磁电流产生磁场，穿过次级并在次级中感应电压。励磁电流实际上有两个组成部分。第一个分量是磁芯磁化的实际功率空载电流（以千瓦为单位）。第二个分量是构建场的无功功率（以kVAR为单位）。对于非常小的变压器，励磁电流可能高达最大电流的10%。对于非常大的变压器，励磁电流可能小于最大电流的1%。
　　当负载连接在次级端时，感应电压导致电流在次级端流动。电流产生的磁场的极性与初级磁场的极性相反，与相对磁场强度成正比。次级磁场倾向于中和和减少初级磁场，因为磁通线彼此相对。减小的磁场降低了电感，并允许更多的电流在初级端流动。初级端电流的增加会产生更强的磁场，从而在次级中感应到更高的电压。次级电压的增加允许更多的电流流动。这一直持续到负载吸收所需的电流。
　　变压器互感
　　变压器的互感或耦合系数是衡量电力从初级线圈传输到次级线圈的效率的指标（见图5）。
　　
　　图5.两个线圈的互感取决于它们的位置和方向。
　　如果功率传输是完美的，则耦合系数为1。如果没有功率传输，则耦合系数为0。耦合系数取决于变压器的设计。最重要的因素是每个线圈相对于另一个线圈的位置。如果线圈相互缠绕，并且来自初级的每条磁通线在次级上切割一个匝，则耦合系数非常接近1。如果损失任何通量，则耦合系数小于1。典型变压器的耦合系数范围为0.95至0.99，具体取决于设计和用途。