变压器绕组比与实际绕组数

电器工程 变压器
2022-02-05 01:42:47

变压器的输出电压取决于初级和次级线圈的绕组数比,但实际绕组数对变压器性能有影响吗?

比如说,我想要 1:2 的比率,我可以缠绕 10:20 或 100:200 的绕组。

一般来说,更多的绕组 - 更大的电阻、电感和成本。缠绕更多或缠绕数量保持在绝对最小值有什么意义?如何确定最小绕组数?

3个回答

比如说,我想要 1:2 的比例,我可以缠绕 10:20 或 100:200 的绕组

有两个理由来回答这个问题,Brian 在解释基本问题方面做得很好,主要问题是转弯太少,但错过了一些微妙之处。另一个原因是指出当前接受的答案中的错误。

忽略次级绕组(以及可能连接到它的任何负载),变压器就变成了一个电感器。如果将此电感器放置在交流电源上,则您希望电感值足够高,以避免从电源中获取大的无功电流 - 如果每个变压器初级都承受 10 安培的无功电流,电力公司就会全力以赴 -电网供电系统将崩溃和燃烧!

但还有另一个原因,这与核心饱和有关。我在这里仍然在谈论变压器作为电感器;安培匝数和磁芯尺寸决定了磁芯内部的 H 场,安培由电感(和电源电压)决定。反过来,电感由其他磁芯参数和匝数决定。

因此,将 10 匝与 100 匝进行比较 - 100 匝初级的电感是 10 匝初级电感的 100 倍,这意味着电流(对于固定交流电源)比 10 匝初级小 100 倍。

所以安培减少了 100,但匝数增加了 10,因此,净效应是安匝减少了 10 - 这意味着 H 场减少了 10,核心不太可能饱和。

如果连接次级负载,初级中的电流会从基本磁化电流增加到更高的电流。这种电流变化称为次级负载采用的初级参考电流。

因此,现在可能需要考虑另外两组安匝 - 次级安匝和由于次级负载而产生的额外初级安匝。我说“可能”是因为,事实上我们根本不需要考虑它们——它们在核心内部完全抵消,并且核心不会因为负载电流而变得比没有次级负载时更饱和。

但是,很多工程师似乎并不理解这一点——这听起来很不直观,所以我怎么能说服不信的人呢?考虑以下 4 种情况:-

在此处输入图像描述

方案 1 和 2 是关于将单个初级绕组转换为两个并联绕组。S1 的磁化电流为 Im,因此,S2 中的每个绕组取 Im/2。换句话说,紧密耦合的平行导线表现得像单根导线。有趣的是,每条 S2 线现在必须具有两倍的电感,如果您将这两条线重新排列为串联,您的初级电感将是 S1 的 4 倍——这证明了将匝数翻倍会使电感。十倍的匝数意味着一百倍的电感。

S3 要求您考虑当 S2 的并联绕组之一断开时会发生什么 - 与初级绕组电压相比,此断开绕组上的电压的相位关系是什么?如果您认为它与初级电压反相,那么在场景 2 中发生的情况会引发火灾!

因此,很明显,断开绕组 (S3) 中的感应电压与初级电压具有相同的相位(和幅度)。

S4 应该清楚 - 将负载连接到隔离绕组,并且初级中流动的电流与“新”次级中流动的电流方向相反。

简而言之,这意味着初级中的安培匝数(由于次级负载电流)完全被次级中的安培匝数抵消。

这也意味着处理更高负载功率所需的变压器不会因为磁芯饱和的可能性而变得更大。它做得更大,以便可以使用更粗的电线(更低的铜损),而更粗的电线需要更多的空间,因此需要更大的芯线。

感应磁场与安匝数成正比,即电流乘以匝数。电能在核心中转换为磁能,然后再转换为电能。核心必须足够大以容纳它而不会饱和。对于 100 VA 变压器,您希望通过磁性传输比 10 VA 变压器更多的能量。100 VA 更大,因为它有更多的匝数来建立更强的场,并且还需要更大的核心来避免饱和。

对于任何变压器,您都希望将提供的大部分能量转移到负载中,因此您希望在变压器中浪费尽可能少的功率。

但是,您需要在每半个周期中消耗一些能量来磁化核心,而匝数会影响执行此操作所需的功率。您可以将此浪费的功率建模为跨初级连接的电感,因此您希望最大化该电感的阻抗以最小化浪费的功率。

并且电感与匝数的平方成正比,因此 100 匝初级的电感是 10 匝初级电感的 100 倍。

要增加阻抗,您可以做三件事:

  1. 提高驱动频率。因此,您可能只需要 10 匝,驱动频率为 5kHz 或更高,如开关电源中所示。
  2. 更改变压器铁芯材料或几何形状。(硅钢的 E/I 叠片大约最适合 50Hz 操作,但具有较低比电感的铁氧体在较高频率下具有优势)
  3. 增加转数。如果你被硅铁和 50Hz 困住,这是你唯一的选择,因此大多数电源变压器的初级绕组有几百匝。