基礎(chǔ)電子學系列25 – 按用途分類的變壓器類型

在上一篇文章中，我們討論了變壓器按鐵芯材料、幾何形狀和電壓等級的分類。變壓器也可以按其應(yīng)用和用途分類。讓我們首先探討兩大類用例——用于電氣領(lǐng)域的變壓器和用于電子領(lǐng)域的變壓器。

電氣領(lǐng)域使用的變壓器按用途分類如下：

• 電源

• 分配

• 測量

在電子領(lǐng)域，變壓器按其工作頻率范圍分類如下：

• 脈沖

• 聲音的

• 中頻

• 射頻

電源變壓器
電源變壓器用于降低 60 Hz 公用事業(yè)線路中的線路電壓。這些變壓器具有各種尺寸、形狀和繞組比。它們可以大到一個房間，也可以小到一個魔方，具體取決于它們的使用場所，從發(fā)電廠和高壓電線到電器的電源部分。電源變壓器用于將交流電壓（通常降壓）從電源線轉(zhuǎn)換到電路或從電源線的一部分轉(zhuǎn)換到另一部分。這些變壓器通常以次級線圈的最大電壓和電流容量為特征。

這些變壓器中最大的用于發(fā)電廠。工程師對由于負載消耗的電線電阻和功率造成的能量損失無能為力。因此，他們可以選擇通過傳輸線傳輸高壓電力。電壓越高，電流越低，因此電力傳輸過程中的能量損失最小化。發(fā)電廠的電力變壓器將大電流低壓轉(zhuǎn)換為小電流高壓交流電。高能發(fā)電廠擁有更大的電力變壓器，可以通過輸電線路傳輸高達 100 MVA 的電力。中型電力變壓器的額定功率通常為 50 至 100 MVA，而本地發(fā)電站使用的小型電力變壓器的額定功率通常為 500 至 700 KVA。

電力變壓器比配電變壓器大。這些設(shè)計具有最大的電源效率，因為它們每天 24 小時保持負載。這種電力變壓器可以直接連接到消費者或可以連接到配電網(wǎng)絡(luò)。大多數(shù)電力變壓器具有三相配置，而一些小型電力變壓器可能具有單相配置。三相電源變壓器的成本很高，但與單相變壓器相比功率效率更高。

變壓器用于傳輸網(wǎng)絡(luò)的不同點。高壓線攜帶 KV 或 MV 電壓，不能直接提供給消費者。部署電力變壓器以降低這些電壓以降低分支點處的電壓。降低的電壓在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進一步降低。最后，交流電壓經(jīng)配電變壓器降壓為三相230V或120V有效值供給用電端。

小型電源變壓器用于電器的電源部分，將交流電源進一步降壓至5V至50V的低壓。大多數(shù)消費類電器需要 5V 至 12V 的電壓才能以最小的電流消耗運行。不同的電力變壓器具有多種結(jié)構(gòu)、配置和尺寸。

自耦變壓器
自耦變壓器是在公共線圈上具有初級和次級的電源變壓器。初級和次級都在同一個線圈上并且方向相同。通過改變次級分接的位置來改變電壓。

單相和三相變壓器
電源變壓器可以具有單相或三相配置。單相變壓器有一對初級和次級繞組。這些變壓器通常用于電器中，它們以恒定頻率轉(zhuǎn)換電壓電平。

三相變壓器具有三對相互連接的初級和次級繞組。當用于發(fā)電、輸電和配電時，這些變壓器與單相變壓器相比具有成本效益。三相變壓器的初級和次級線圈可以有各種星形和三角形連接的組合，例如初級和次級繞組分別有星-星、星-三角、三角-三角或三角-星形連接。

典型三相變壓器的示意圖（圖片來源：Quora）

配電變壓器
配電變壓器用于配電網(wǎng)絡(luò)，以將輸電線路電壓降低至工業(yè)用 33KV 以下和民用用 230-440V 以下。這些通常用在配電網(wǎng)絡(luò)的末端作為柱式變壓器，也可以是配電端的墊片式或地下變壓器。它們體積小，并不總是滿載，可能有干式或液浸式絕緣。他們可能向消費者端提供單相或三相主電源。這些變壓器成本低廉，設(shè)計功率效率為 50% 至 70%。

測量/互感器 互感器
用于測量高值電流和電壓，并與低量程測量儀器一起用作精確的比率互感器。這些變壓器將高電壓或電流轉(zhuǎn)換為低電壓或電流，并以精確的比例轉(zhuǎn)換為低電壓或電流，以便用典型的電流表、電壓表或瓦特表進行測量。這些可以是應(yīng)該與電流表一起使用的電流互感器，也可以是應(yīng)該與交流電壓表一起使用的電壓互感器。

一個 120:120 的儀器隔離變壓器，顯示兩個極性標記約定（圖片：維基百科）。

這些本質(zhì)上是隔離變壓器，可將電源線與測量儀器安全隔離。電源線電壓通過高匝數(shù)比準確地降低到較低電壓，以便典型的測量儀器可以輕松測量它。電流互感器串聯(lián)連接到供電線路以測量電流。電源線電流的測量方法是激勵電流和次級電流之和乘以匝數(shù)比。精度較低的電流互感器也用作保護變壓器。

為了測量高值電壓，電壓互感器或電壓互感器的初級連接到電源線，電源線電壓在次級降低到安全限值。電壓互感器可以是電磁式、電容式或光學式。電磁型是簡單的線繞降壓變壓器，電容型使用電容分壓器，光學型使用光電元件。

脈沖變壓器
脈沖變壓器是安裝在 PCB 上的小型變壓器，用于電子設(shè)備中以生成固定幅度的脈沖。這些變壓器隔離數(shù)字負載電路并向其提供恒定幅度的脈沖。

音頻變壓器
按工作頻率范圍對電子領(lǐng)域中使用的變壓器進行分類更為合適。在 20 Hz 至 20 kHz 的頻率范圍內(nèi)工作的電子變壓器被歸類為音頻變壓器。這些通常是小型公用變壓器，具有類似于典型的 60 Hz 公用變壓器的疊層 EI 鐵芯。這些可以是升壓或降壓變壓器。音頻變壓器主要用于阻抗匹配，旨在提供幾乎為零的電抗。音頻變壓器中可以有多個初級和次級線圈，它們可以是分離的或中心抽頭的。

中頻變壓器
中頻變壓器用于調(diào)諧中頻信號。這些是屏蔽變壓器，通常具有高磁導率的鐵氧體磁芯。

射頻變壓器
用于射頻的電子變壓器稱為射頻變壓器。這些可以是繞線變壓器，如公用事業(yè)變壓器，也可以是傳輸線變壓器。最常見的是具有環(huán)形粉末鐵芯的線繞變壓器?？招纳漕l變壓器用于大功率應(yīng)用。鐵粉芯變壓器具有高磁導率和自屏蔽性，而空芯變壓器雖然具有顯著的 EMI，但能效更高。這些變壓器也稱為寬帶變壓器，用于 3 MHz 至 30 MHz 的頻率范圍。在更高頻率下，使用傳輸線變壓器作為四分之一波天線。這些可能是平行線或同軸電纜。

變壓器的應(yīng)用
變壓器廣泛用于電氣和電子領(lǐng)域。在電氣領(lǐng)域，變壓器通常用于降低電站、配電網(wǎng)的交流電壓，或用于測量。在電子產(chǎn)品中，變壓器用于許多應(yīng)用，例如升壓或降壓電壓、阻抗匹配、脈沖生成、耦合和隔離。

電子領(lǐng)域使用的變壓器通常印有初級電壓、次級電壓和額定功率等規(guī)格。通常，配色方案可識別初級線圈、次級繞組和中心抽頭的引線。

活動 12
關(guān)于變形金剛就夠了。現(xiàn)在，您已經(jīng)非常了解變壓器的工作原理和規(guī)格，是時候嘗試一些電路了。獲取電路圖并親身體驗一些使用變壓器的愛好電路，例如半波整流器、全波整流器、12V 或 9V 對稱臺式電源、音頻功率放大器和前置放大器。檢查這些電路中使用的變壓器的作用和所需規(guī)格。

活動 13
按部件號準備一些脈沖發(fā)生變壓器的清單。下載并檢查他們的數(shù)據(jù)表。找出其數(shù)據(jù)表中提到的可在其應(yīng)用中有用的重要電氣特性。

在下一篇文章中，我們將討論電源。