【正文】 1 變壓器 摘要：變壓器是變電所的主要設(shè)備，功能是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓的等級變換，基本工作原理是電磁感應(yīng)。變配電所是實(shí)現(xiàn)電壓等級變換和電能分配的場所。對供電電源進(jìn)行電壓等級變換，應(yīng)對電能進(jìn)行重新分配的場所稱為變電所。建筑變電所是供配電系統(tǒng)的樞紐，供電電源由電網(wǎng)引到變電所，在變電所完成降壓，電能分配等功能。 1. 介紹 要從遠(yuǎn)端發(fā)電廠送出電能，必須應(yīng)用高壓輸電。因?yàn)樽罱K的負(fù)荷，在一些點(diǎn)高電壓必須降低。變壓器能使電力系統(tǒng)各個部分運(yùn)行在電壓不同的等級。本文我們討論的原則 和電力變壓器的應(yīng)用。 2. 雙繞組變壓器 變壓器的最簡單形式包括兩個磁通相互耦合的固定線圈。兩個線圈之所以相互耦合，是因?yàn)樗鼈冞B接著共同的磁通。 在電力應(yīng)用中，使用層式鐵芯變壓器 (本文中提到的 )。 變壓器 是 高效率的 ，因?yàn)樗鼪]有旋轉(zhuǎn)損失， 因此 在電壓等級轉(zhuǎn)換的過程中，能量損失比較少 。典型的效率范圍 在 92 到 99%， 上限值適用于大功率變壓器。 從交流電源流入電流的一側(cè)被稱為變壓器的一次側(cè)繞組或者是原邊。它在鐵圈中建立了磁通 φ，它的幅值和方向都會發(fā)生周期性的變化。磁通連接的第二個繞組被稱為變壓器的二次側(cè)繞組或者是副邊 。磁通是變化的；因此依據(jù)楞次定律，電磁感應(yīng)在二次側(cè)產(chǎn)生了電壓。變壓器在原邊接收電能的同時也在向副邊所帶的負(fù)荷輸送電能。這就是變壓器的作用。 3. 變壓器的工作原理 當(dāng)二次側(cè)電路開路是，即使原邊被施以正弦電壓 Vp，也是沒有能量轉(zhuǎn)移的。外加電壓在一次側(cè)繞組中產(chǎn)生一個小電流 Iθ。這個空載電流有兩項(xiàng)功能：（ 1）在鐵芯中產(chǎn)生電磁通，該磁通在零和 ? φm 之間做正弦變化， φm 是鐵芯磁通的最大值；（ 2）它的一個分量說明了鐵芯中的渦流和磁滯損耗。這兩種相關(guān)的損耗被稱為鐵芯損 耗。 變壓器空載電流 Iθ 一般大約只有滿載電流的 2%— 5%。因?yàn)樵诳蛰d時，原邊繞組中的鐵芯相當(dāng)于一個很大的電抗，空載電流的相位大約將滯后于原邊電壓相位 90186。顯然可見電流分量 Im= I0sinθ0，被稱做勵磁電流，它在相位上滯后于原邊電壓 VP 90186。就是這個分量在鐵芯中建立了磁通；因此磁通 φ 與 Im同相。 2 第二個分量 Ie=I0sinθ0，與原邊電壓同相。這個電流分量向鐵芯提供用于損耗的電流。兩個相量的分量和代表空載電流，即 I0 = Im+ Ie 應(yīng)注意的是空載電流是畸變和非正弦形的。這種情況是非線性鐵芯材料 造成的。 如果假定變壓器中沒有其他的電能損耗一次側(cè)的感應(yīng)電動勢 Ep 和二次側(cè)的感應(yīng)電壓 Es 可以表示出來。因?yàn)橐淮蝹?cè)繞組中的磁通會通過二次繞組，依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，二次側(cè)繞組中將產(chǎn)生一個電動勢 E，即 E=NΔφ/Δt。相同的磁通會通過原邊自身，產(chǎn)生一個電動勢 Ep。正如前文中討論到的，所產(chǎn)生的電壓必定滯后于磁通 90186。，因此，它于施加的電壓有 180186。的相位差。因?yàn)闆]有電流流過二次側(cè)繞組， Es=Vs。一次側(cè)空載電流很小，僅為滿載電流的百分之幾。因此原邊電壓很小，并且 Vp 的值近乎等于 Ep。原邊的電壓和它產(chǎn)生的磁通波形 是正弦形的；因此產(chǎn)生電動勢 Ep 和 Es 的值是做正弦變化的。產(chǎn)生電壓的平均值如下 Eavg = turns給 定 時 間 內(nèi) 磁 通 變 化 量給 定 時 間 即是法拉第定律在瞬時時間里的應(yīng)用。它遵循 Eavg = N 21/(2 )mf? = 4fNφm 其中 N 是指線圈的匝數(shù)。從交流電原理可知，有效值是一個正弦波，其值為平均電壓的 倍；因此 E = 因?yàn)橐淮蝹?cè)繞組和二次側(cè)繞組的磁通相等，所以繞組中每匝的電壓也相同。因此 Ep = 并且 Es = 其中 Np 和 Es 是一次側(cè)繞組和二次側(cè)繞組的匝數(shù)。一次側(cè)和二次側(cè)電壓增長的比率稱做變比。用字母 a 來表示這個比率，如下式 a = psEE = psNN 假設(shè)變壓器輸出電能等于其輸入電能 —— 這個假設(shè)適用于高效率的變壓器。實(shí)際上我們是考慮一臺理想狀態(tài)下的變壓器；這意味著它沒有任何損耗。因此 Pm = Pout 或者 VpIp primary PF = VsIs secondary PF 這里 PF 代表功率因素。在上面公式中一次側(cè)和二次側(cè)的功率因素是相等的；因此 3 VpIp = VsIs 從上式我們可以得知 psVV = psII ≌ psEE ≌ a 它表明端電壓比等于匝數(shù)比，換句話說，一次側(cè)和二次側(cè)電流比與匝數(shù)比成反比。匝數(shù)比可以衡量二次側(cè)電壓相對于一次惻電壓是升高或者是降低。為了計算電壓，我們需要更多數(shù)據(jù)。 終端電壓的比率變化有些根據(jù) 負(fù) 載和 它的功率因素。 實(shí)際 上 , 變比 從 標(biāo)識牌數(shù)據(jù) 獲得 , 列出在 滿載 情況下 原邊 和 副邊 電壓。 當(dāng)副邊電壓 Vs 相對于原邊電壓減小時，這個變壓器就叫做降壓變壓器。如果這個電壓是升高的，它就是一個升壓變壓器。在一個降壓變壓器中傳輸變比 a 遠(yuǎn)大于 1(a)，同樣的，一個升壓變壓器的變比小于 1(a)。當(dāng) a=1 時，變壓器的二次側(cè)電壓就等于起一次側(cè)電壓。這是一種特殊類型的變壓器，可被應(yīng)用于當(dāng)一次側(cè)和二次側(cè)需要相互絕緣以維持相同的電壓等級的狀況下。因此，我們把這種類型的變壓器稱為絕緣型變壓器。 顯然，鐵芯中的電磁通 形成了連接原邊和副邊的回路。在第四部分我們會了解到當(dāng)變壓器帶負(fù)荷運(yùn)行時一次側(cè)繞組電流是如何隨著二次側(cè)負(fù)荷電流變化而變化的。 從電源側(cè)來看變壓器，其阻抗可認(rèn)為等于 Vp / Ip。從等式 psVV = psII ≌ psEE ≌ a 中我們可知 Vp = aVs 并且 Ip = Is/a。根據(jù) Vs 和 Is，可得 Vp 和 Ip 的比例是 ppVI = /ssaVIa = 2ssaVI 但是 Vs / Is 負(fù)荷阻抗 ZL，因此我們可以這樣表示 Zm (primary) = a2ZL 這個等式表明二次側(cè)連接的阻抗折算到電源側(cè)，其值為原來的 a2 倍。我們把這種折算方式稱為負(fù)載阻抗向一次側(cè)的折算。這個公式應(yīng)用于變壓器的阻抗匹配。 4. 有載情況下的變壓器 一次側(cè)電壓和二次側(cè)電壓有著相同的極性，一般習(xí)慣上用點(diǎn)記號表示。如果點(diǎn)號同在線圈的上端，就意味著它們的極性相同。因此當(dāng)二次側(cè)連接 著一個負(fù)載時，在瞬間就有一個負(fù)荷電流沿著這個方向產(chǎn)生。換句話說，極性的標(biāo)注可以表明當(dāng)電流流過兩側(cè)的線圈時，線圈中的磁動勢會增加。 因?yàn)槎蝹?cè)電壓的大小取決于鐵芯磁通大小 φ0，所以很顯然當(dāng)正常情況下負(fù)載電勢 Es 沒有變化時，二次側(cè)電壓也不會有明顯的變化。當(dāng)變壓器帶負(fù)荷運(yùn)行時， 4 將有電流 Is 流過二次側(cè)，因?yàn)?Es 產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相當(dāng)于一個電壓源。二次側(cè)電流產(chǎn)生的磁動勢 NsIs 會產(chǎn)生一個勵磁。這個磁通的方向在任何一個時刻都和主磁通反向。當(dāng)然，這是楞次定律的體現(xiàn)。因此， NsIs 所產(chǎn)生的磁動勢會使主磁通 φ0減小。這意味著一 次側(cè)線圈中的磁通減少，因而它的電壓 Ep 將會增大。感應(yīng)電壓的減小將使外施電壓和感應(yīng)電動勢之間的差值更大，它將使初級線圈中流過更大的電流。初級線圈中的電流 Ip 的增大，意味著前面所說明的兩個條件都滿足：（ 1）輸出功率將隨著輸出功率的增加而增加（ 2）初級線圈中的磁動勢將增加，以此來抵消二