变压器功率 变压器功率传递能力

一个周五的下午，正要收拾东西准备回家时，我被问到了一个意思的问题。这源于我们曾经给一家公司设计过一款30VA工频变压器。但是在实际应用中， 这款变压器一直用在40VA工作状态中。这样的话，“对变压器本身的影响是什么呢？” 客户工程师在联系那头问。我看过变压器的设计方案后，其实这款变压器的功率可以增加到40VA，但是最大的影响显然是变压器的温升， 其次是输出满载电压稍有下降。 原因当然是因为输出负载增加了。客户工程师接着问， “假如不考虑温升的影响，是不是变压器的功率可以无限增加？”我当时面前正好有杯咖啡，（小编爱喝咖啡，倘若这篇文章对你有用，别忘了请小编喝杯咖啡哦！）听着他说变压器传递功率可能无限增加的猜想， 我脱口而出，“那不可能，变压器的功率会溢出的，正如咖啡杯里的咖啡会溢出来的，因为杯子容量有限。”这个问题， 其实就是一个变压器功率传递能力的问题。 要回答这个问题， 我们还是要从变压器的等效电路开始。 理论上，理想功率变压器是一个既不产生和贮存能量，也不消耗能量的元器件，它只是将电路中的输入电压按原副边圈比的设定而改变输出电压的大小，同时将原边功率直接传递到副边。但在实际应用中， 由于铁芯的损耗（铁损）和绕线电阻（铜损）的存在，导致变压器的功率不会100%被传递，因此变压器的输入输出电压也不是一个简单的圈比关系。这可以从下面图 1 的变压器的双口等效电路得到很好的说明。 图1 . 变压器空载双口等效电路 其中，Vin是输入工频电源电压，R1是变压器原边绕线电阻，X1是变压器原边漏电电抗，Rc是变压器磁芯损耗等效电阻，Xm是变压器里励磁电抗。R2是变压器副边绕线电阻，X2是变压器副边漏电电抗。 只要有输入电压，变压器的副边线圈就会感应产生输出电压。在变压器空载条件下，尽管副边电路是开路的，变压器的原边电路依然会形成一个回路，原边回路里会有电流流过。一般来说，磁芯等效电阻Rc会很大，远远大于变压器里励磁电抗Xm，因此这个变压器空载电流即可被认为是变压器的励磁电流。正是由于这个励磁电流，才会建立起变压器的工作磁场，而实现变压器的输入电压和输出电压变化的机理。 图2 . 变压器空载电路B-H曲线(曲线来自变压器实测值，与理论曲线稍有不同） 这个B-H曲线可以分成三段来看。 最初的磁损补偿段，中间磁通快速增加段，以及后段的磁通饱和区，即B-H曲线中向右弯曲的部分。当变压器的励磁电流很小的时候，它所产生的磁场强度H施加给铁芯材料，铁芯材料被磁化，而产生磁感应强度 B。这一阶段B-H曲线变化平缓。随着励磁电流的增加，铁芯被磁化而产生磁感应强度 B迅速增加。这一阶段B-H曲线很陡。当变压器的励磁电流增加到一定程度，它所产生的磁场强度H的变化远远大于磁感应强度 B的变化。 我们称变压器的磁芯已达到饱和。这一阶段的B-H曲线又变得平缓。做为变压器设计工程师，我们设计一款变压器时，在客户给定的的功率条件下，最不希望设计出又大又笨重的变压器去满足性能要求，而总是在性能表现，体积大小和制造工艺等综合因素中取舍，寻求最优化设计方案。 因此，每一个设计出来的变压器要尽可能的接近其最大功率传递能力，并且有合理的温升。为了最大的利用铁芯材料，选择变压器额定运行的磁感应强度B的大小接近B-H曲线的第二阶段尾部，曲线开始转弯的地方十分必要。 图3. 带载变压器等效单口电路 图3 给出了变压器在负载条件下，将副边回路折算到原边回路的等效电路。一般来说，对于工频变压器，由于原边圈数比较多， 所以励磁电抗Xm的值，相对于副边折算到原边的 等效阻抗值大很多。如果输入电压没有改变， 不考虑原边绕组阻抗和漏抗带来的压降，励磁电流会维持不变。同时，原边的电流也因为要传递足够的能量给负载，电流也会增加。也就是说，这时原边电流的增加，是用来平衡副边负载回路而产生的电流。前面已经指出，理想变压器是一个既不产生和贮存能量，也不消耗能量的元器件，这样的结果，就好比变压器是功率/能量的传输管道。如果副边负载无限增加 (如客户工程师猜想的那样)，由于副边电流的增加，原边的电流也随之增加。原边绕组的电压降相应会增加。必须注意到，这时实际加载到励磁回路的电压是减小的，实际变压器磁化电流是变小的；而副边感应的电压也随之而变小了。同时， 副边绕组的电压降更大，导致负载电压显著降低。这些变化从下面图4中 a）到 c) 可以清楚地看出来。 图4. 增加输出功率时变压器电路参数的变化 假设现在我们希望变压器能传递输出功率是原来额定功率的五倍，即输出等效电阻是原来的1/5。从图4中我们可以看到，实际上这时变压器的输入电流增加了2.5倍，如4 a）所示；励磁电流只是原来励磁电流的87%，如4 b）所示；变压器实际的输出电压会降低至原来设计的电压的3/4 大小，如4 c）所示。实际的输出功率呢，只是增加到原来额定功率的2.7 倍，而不是我们希望的5 倍。图4d）很明显地看出， 变压器功率曲线是存在一个最大值的。在期望的功率超过额定功率的7倍时，变压器能得到的最大传输功率， 尽管如此， 实际的最大传递功率只是额定功率的3倍左右。这就是前面提到的功率溢出。（小编的意思是，变压器能传递给负载端的功率有限，你想要的更大功率达不到，这就是功率溢出。） 这就是说， 一旦变压器铁芯大小确定了，它的最大功率传递能力也就确定了，如同咖啡杯的容积就确定了，只能装下多少毫升的咖啡也是可以预见的那样。变压器的传递能力也是可以预见的。变压器(此transformer)只是一个功率传递元器件，不是变形金刚 (彼transformer，魔法无边)。如果有魔力存在的话，则需要无损绕组和完美的磁耦合为前提。这里需要指出来的很重要的一点是，决定变压器铁芯饱和的，不是电流，而是输入电压。在设计变压器的时候，从铁芯的B-H曲线着手，确定变压器的最大工作磁感应强度B尤其重要。可以这么理解，变压器的输入电压决定了变压器的铁损，而其电流的大小，决定了变压器的铜损。当变压器的铁损恒定时，增加变压器的电流，也就是增加变压器的传递功率的同时，会增加变压器的铜损而导致变压器温升增加很快。由于铜损的存在， 也限制变压器的传递功率无限增加。 总而言之，设计一个工频变压器时，选择合适的磁通密度 B 以确保变压器不易饱和。选择正确的绕线线经，保证变压器温升在合理区间，减少能耗。在倡导可持续发展的今天，这是值得设计工程师考虑设计方案时需要注意的地方。