变压器有哪些损耗呢?解释电涡流、磁滞、漏磁等现象 |
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变压器初级线圈和次级线圈的磁通量一致。但实际上,磁场的传递伴随着损耗,大体分为以下几种情况: 电涡流损耗磁滞损耗漏磁损耗一、电涡流损耗(Eddy Current Losses) 法拉第说变化的磁场能产生电,楞次说这种电会阻碍磁场的变化,称为反向电动势(Back EMF)。 变压器的磁芯处于变化的磁场中,在它上面也会产生电,表现为很多个涡流状的小电流,这种现象称为电涡流效应(Eddy Current)。 图1-电涡流现象(Eddy Current) 电涡流有些情况下是有用的,譬如家电电磁炉就是基于电涡流原理来加热食物的。但是在变压器上会造成损耗。 为解决电涡流问题,有两个思路: 把大磁芯分解为数量众多的小磁芯,如层压、粉末等形式;使用高电阻率材料,如铁氧体陶瓷、硅钢等材料;1. 层压(Lamination) 对于变压器中的“口”字型或者“日”字型磁芯,它们都不是单一柱体,而是由很多层的磁芯片组合而成。磁芯片与磁芯片之间带有绝缘隔离,这使得电涡流只能在很窄的面积内产生(面积与磁场垂直)。由于电涡流的大小和面积成正比,这样可以大幅度减少电涡流。并且,磁芯片越薄,效果越好。 图2-变压器磁芯单体(左)vs层压(右),其中B代表磁场,红色代表电涡流 2. 铁氧体(Ferrite) 铁氧体是一种陶瓷材料,以氧化铁为其主要成分。大部分的铁氧体是磁性材料,用来制作永久磁铁(硬铁氧体)、变压器(软铁氧体)磁芯。铁氧体本身的高电阻率可以减轻电涡流现象。 `二、磁滞损耗(Hysteresis Losses) 所谓磁滞是指,物质的磁化不仅依赖于“当时”的外界磁场,还依赖于“之前”磁化结果。也就是一旦被磁化了,磁性会保留。要消磁的话,需要施加相反方向的磁场。 我们从B-H曲线中可以看到端倪: 符号B指磁通量密度(Magnetic Flux Density),国内也有翻译为磁感应强度,我认为前者更为准确;符号H指磁场强度(Magnetizing Force),是单位长度上的磁动势(前文有述),可以理解为和线圈上通过的电流成正比;图5-B-H曲线 演变过程为: 坐标轴的原点(a)表示物质没有被磁化,然后在线圈上输入正向电流(H轴向正),物质上显示出磁性,磁通量为正(红色虚线);电流增加到一定程度,磁通量增长变得缓慢,进入磁饱和状态(b);如果电流停止,物质仍然能够显示出磁性(c);需要通过施加反向的电流,磁性才会消失(d)。在变压器中,磁芯被交流电反复磁化,我们希望磁芯的磁滞越小越好,不然就会浪费更多的能量在克服磁滞上。前文所述的铁氧体分为软、硬两种,软铁氧体更容易被消磁,意味着B-H中形状越窄(d、g间距越小): 图6-硬磁体(左)到软磁体(右) 三、漏磁损耗(Leakage Magnetic Flux) 虽然磁芯具有很高的磁导率,但是总有一些磁通量不沿着磁芯传播,它们泄露到外部,称为漏磁。 图7-漏磁现象(Leakage Flux) 漏磁不参与初级线圈和次级线圈的磁耦合能量传递。它们就像是电感,串联在电路里。电感作为阻抗,会产生压降,所以变压器上的实际电压会更小: 图8-变压器等效电路(简化的电感串联) 综上,我们讲解了变压器上的损耗现象。在次级线圈开路的时候,初级线圈上会通过较小的电流,这电流一部分是前文所述的磁化电流(Magnetizing Current),另一部分就是本文所述损耗导致的电流(Core Loss Current),两者之和称为激励电流(Exciting Current)。` |
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