變壓器的基本知識

認識變壓器
變壓器在輸配電系統中扮演著電力轉換與聯絡的工作，例如發電廠在輸配電時需要以高電壓方式傳輸（345KV、161KV以及69KV等），接近用戶端又逐次降壓至110V，這些程序都必需藉由變壓器來達成；日常所使用的很多電器用品，其內部也都有變壓器，或配置外接式變壓器，將110V的交流電源轉換為適當的電壓值，即可再經由整流濾波線路而得到低電壓的直流工作電源；有些產品已改採用交換式電源(switch power)取代傳統線圈型變壓器，該類變壓器具備高效率、無磁漏、低雜訊之優點，逐漸應用在如電腦等設備上。本文將針對一般小型傳統線圈型變壓器做基本原理介紹，並說明使用與選購相關常見問題。
1. 電壓器原理
線圈型變壓器於1885年由匈牙利Ganz公司首度生產，至今已超過一世紀，長時間以來已經廣為運用且有諸多改良，設計出不同的型態，但是其原理仍然是一致的。此變壓器利用電能與磁能轉換感應的原理，將兩組線圈繞製在共同的「鐵心(core)」上，如圖1所示，連接電源端的稱為「一次線圈」或「主線圈(primary coil)」，連接負載端的稱為「二次線圈」或「副線圈(secondary coil)」。
當一次線圈接上交流電源，於該線圈通過的電流會在鐵心中產生磁通量變化，另一端的二次線圈會因為感應的電動勢(emf)，而產生另一個相同頻率的交流電。式(1)「法拉第定律(Faraday’s Law)」說明感應電動勢與磁通量以及線圈匝數的關係，其中ε為感應電動勢，N為線圈匝數，Φ為磁通量。在理想情況下，線圈每一匝的磁通量BBΦ皆相同，因此dtdBΦ亦為相同，故感應電壓與線圈匝數成正比（式(2)），若二次側線圈數(N2)大於一次側線圈數(N1)，則該變壓器為「升壓變壓器(stet-up transformer)」，反之若則為「降壓變壓器(step-down transformer)」。

圖1. 變壓器原理示意圖
2. 鐵心的選用
鐵心的設計也有不同的形式，鐵心材料的基本訴求就是，必須具備較大的「導磁性(relative permeability, Km)」，亦即較低的磁阻，常見的鐵心材料有經過熱處理退火的軟鐵(soft iron)以及矽鋼片等。這些材料通常都具有比空氣高出近萬倍的導磁能力，比起其他材質能夠產生更多的磁力線，舉例來說，假若一個空心線圈能產生一條磁力線，則表示同樣的線圈在矽鋼片上能產生約一萬條磁力線。
鐵心的結構依外觀可分類為「外鐵式」與「內鐵式」，如圖2所示，圖3、4說明目前常見的鐵心形式，其中圖3(d)為「EI型鐵心」，雖然EI型鐵心磁漏較高、效率低，但是經濟方便容易製造，是目前最普遍的鐵心形式。圖3(e)為「C型鐵心(cut core)」，圖4右者是由C型鐵心改良而來的「R-core鐵心」，其鐵心橫斷面為類似圓形，以方便繞製線圈，且圓形的截面，可避免一般方型鐵心截面磁力線容易集中於四個直角端而造成磁力線分布不均，可能造成的磁力局部飽和的問題。圖3(a)、3(b)、與3(c)為「環形鐵心(toroidal core)」，採用環形鐵心的變壓器為目前電器特性最良好的變壓器，效率高、磁漏低且暫態反應快，但製作程序較繁瑣，成本也較高。
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圖4. 目前主要的變壓器類型
鐵心結構的設計原則為節省成本與減少矽鋼片接縫。矽鋼片鐵心的加工皆以沖孔方式沖出窗口，而沖下之剩餘材料多半無法再加以利用，因此妥善設計以降低剩餘材

料是製造成本的重要考量。此外前面提到矽鋼片的導磁性遠大於空氣，因此若鐵心結構中存在太多的接縫則會造成電磁轉換效能的下降。以最常見的EI型鐵心就有很多不同的接縫外型（圖5），除了減少接縫之外，各個矽鋼片的接縫相互錯開也可加強導磁性能（圖6）。
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3. 變壓器的損耗
理論上當變壓器的轉換效率為100%時，一次線圈側輸入功率與二次線圈側輸出功率相同，但實際上由於激磁所產生的磁力線不可能全部都被侷限在鐵心中，再加上其他的內部損耗，轉換效率勢必下降。通常變壓器的損耗可分為兩類：「鐵損」與「銅損」，前者與負載無關，因此又稱為「無負載損」，後者則和負載的大小有關，稱為「負載損」，分別說明如下。
(1) 無負載損
由於線圈的內阻，一次線圈的激磁電流會造成內損(P=I2R)，但是此電流極小，通常可忽略不計。再者，鐵心矽鋼片的材質不同，以及電壓頻率的變化，會造成「磁滯損(hysteresis loss)」，電壓頻率越高則磁滯損將會越大。降低磁滯效應的作法是目前廣為採用的約含3%矽的材料的矽鋼片鐵心，且另一方面，高導磁的材料通常其磁通飽和密度較低，但可藉由添加矽元來素提高磁通飽和密度。

另一個很重要的變壓器能量損耗是「渦流損(Eddy Current loss)」，由於鐵心本身也是導體，因當鐵心通過磁力線，此時會在鐵心內與磁力線垂直的切面上形成電流環路，如圖7(a)所示，渦流同樣會造成P=I2R的內部損耗，變成熱能。渦流的現象是無法完全解決的，但要降低渦流的影響，目前的作法是如圖7(b)的方式，鐵心採用相互絕緣的薄片堆疊而成（參考圖6），每片薄片僅約0.2mm到0.35mm，矽鋼片的厚度越薄，則渦流越小，此外，上段敘述中所提及的添加矽元素於鐵心中，除了提高磁通飽和密度外，也可以降低鐵心導電性，亦即降低渦流。

圖7. 渦流與片狀堆疊鐵心
(2) 負載損
負載損包含「電阻損」與「漂游損」兩部份。電阻損起因於線圈本身的電阻，當負載端的電流越大，則電阻損就越大，繞組的電阻損佔變壓器銅損近50%，因此欲降低銅損主要的考量是增加導線的截面積以及減少線圈匝數。慎選較好的銅材質並使用線徑較粗的銅導線也可降低電阻，此外若採用導磁性極高的鐵心材質或採用無接縫捲鐵心，則可降低線圈匝數，達到降低銅損的目的。
漂游損主要是由於磁漏所致，所有的感應磁力線不可能都被侷限在鐵心中，因此磁漏會在繞組導體中產生渦流，形成損耗，降低漂游損的方式為加裝屏蔽遮罩，此舉除了可減低磁漏對線圈的影響外，也可以減低變壓器對外部電子零件或線路的干擾，屏蔽遮罩常見有銅與鋁為材質，其中以銅的屏蔽效果較佳，惟價格較貴。
變壓器的噪音是另一個常見的問題，即所謂「哼聲(hum)」。哼聲起因為交互的磁力變化於矽鋼片上產生些微的振動，此振動頻率與該交流電壓相同，若電源中含有諧波成分，則會造成噪音的放大。解決變壓器哼聲的幾個方法如下：
(1) 降低鐵心的磁通密度
降低鐵心的磁通密度可降低變壓器哼聲，但此作法得增加鐵心的截面積，使得變壓器重量大增，造成成本提高且應用性降低的困擾。
(2) 使用磁歪斜小的矽鋼片
使用高導磁且具高方向性的矽鋼片，如HI-B型或ZDKH型矽鋼片。
(3) 改善鐵心接縫與組裝
除了減少接縫之外，將鐵心的堆疊方式改以階梯搭接，也可以改善變壓器噪音。此外在鐵心組裝過程中，要注意勿使鐵心產生局部的應力存在，應使各部份的束縛力均勻化。
(4) 黏著劑真空含浸
此方式為小型變壓器的最佳降噪方法，將整個組裝後的變壓器放入凡立水(varnish)槽內真空含浸，對於R-core以及環形變壓器來說，此上可將噪音降至相當低。較嚴謹的作法是，在鐵心組裝完成後即進行一次真空含浸，接著在澇組完成後可再進行一次真空含浸。

變壓器是變換交流電壓、電流和阻抗的器件，當初級線圈中通有交流電流時，鐵芯（或磁芯）中便產生交流磁通，使次級線圈中感應出電壓（或電流）。變壓器由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個或兩個以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈。

一、分類
?? 按冷卻方式分類：干式（自冷）變壓器、油浸（自冷）變壓器、氟化物（蒸發冷卻）變壓器。
??? 按防潮方式分類：開放式變壓器、灌封式變壓器、密封式變壓器。
??? 按鐵芯或線圈結構分類：芯式變壓器（插片鐵芯、C型鐵芯、鐵氧體鐵芯）、殼式變壓器（插片鐵芯、C型鐵芯、鐵氧體鐵芯）、環型變壓器、金屬箔變壓器。
?? 按電源相數分類：單相變壓器、三相變壓器、多相變壓器。
?? 按用途分類：電源變壓器、調壓變壓器、音頻變壓器、中頻變壓器、高頻變壓器、脈沖變壓器。
　

二、電源變壓器的特性參數
1、工作頻率

??? 變壓器鐵芯損耗與頻率關系很大，故應根據使用頻率來設計和使用，這種頻率稱工作頻率。

2、額定功率

??? 在規定的頻率和電壓下，變壓器能長期工作，而不超過規定溫升的輸出功率。
3、額定電壓
??? 指在變壓器的線圈上所允許施加的電壓，工作時不得大于規定值。
4、電壓比
?? 指變壓器初級電壓和次級電壓的比值，有空載電壓比和負載電壓比的區別。
5、空載電流
??? 變壓器次級開路時，初級仍有一定的電流，這部分電流稱為空載電流。空載電流由磁化電流（產生磁通）和鐵損電流（由鐵芯損耗引起）組成。對于50Hz電源變壓器而言，空載電流基本上等于磁化電流。
6、空載損耗
??? 指變壓器次級開路時，在初級測得功率損耗。主要損耗是鐵芯損耗，其次是空載電流在初級線圈銅阻上產生的損耗（銅損），這部分損耗很小。
7、效率
??? 指次級功率P2與初級功率P1比值的百分比。通常變壓器的額定功率愈大，效率就愈高。
8、絕緣電阻
??? 表示變壓器各線圈之間、各線圈與鐵芯之間的絕緣性能。絕緣電阻的高低與所使用的絕緣材料的性能、溫度高低和潮濕程度有關。

三、音頻變壓器和高頻變壓器特性參數
1、頻率響應
??? 指變壓器次級輸出電壓隨工作頻率變化的特性。
2、通頻帶
??? 如果變壓器在中間頻率的輸出電壓為U0，當輸出電壓（輸入電壓保持不變）下降到0.707U0時的頻率范圍，稱為變壓器的通頻帶B。
3、初、次級阻抗比
??? 變壓器初、次級接入適當的阻抗Ro和Ri,使變壓器初、次級阻抗匹配，則Ro和Ri的比值稱為初、次級阻抗比。在阻抗匹配的情況

四、變壓器的損耗
????當變壓器的初級繞組通電后，線圈所產生的磁通在鐵心流動，因為鐵心本身也是導體，在垂直于磁力線的平面上就會感應電勢，這個電勢在鐵心的斷面上形成閉合回路并產生電流，好象一個旋渦所以稱為“渦流”。這個“渦流”使變壓器的損耗增加，并且使變壓器的鐵心發熱變壓器的溫升增加。由“渦流”所產生的損耗我們稱為“鐵損”。另外要繞制變壓器需要用大量的銅線，這些銅導線存在著電阻，電流流過時這電阻會消耗一定的功率，這部分損耗往往變成熱量而消耗，我們稱這種損耗為“銅損”。所以變壓器的溫升主要由鐵損和銅損產生的。
由于變壓器存在著鐵損與銅損，所以它的輸出功率永遠小于輸入功率，為此我們引入了一個效率的參數來對此進行描述，η=輸出功率/輸入功率。

五、變壓器的材料
????要繞制一個變壓器我們必須對與變壓器有關的材料要有一定的認識，為此這里我就介紹一下這方面的知識。

????1、鐵心材料：
????變壓器使用的鐵心材料主要有鐵片、低硅片，高硅片，的鋼片中加入硅能降低鋼片的導電性，增加電阻率，它可減少渦流，使其損耗減少。我們通常稱為加了硅的鋼片為硅鋼片，變壓器的質量所用的硅鋼片的質量有很大的關系，硅鋼片的質量通常用磁通密度B來表示，一般黑鐵片的B值為6000-8000、低硅片為9000-11000，高硅片為12000-16000，

????2、繞制變壓器通常用的材料有
????漆包線，沙包線，絲包線，最常用的漆包線。對于導線的要求，是導電性能好，絕緣漆層有足夠耐熱性能，并且要有一定的耐腐蝕能力。一般情況下最好用Q2型號的高強度的聚脂漆包線。

????3、絕緣材料
????在繞制變壓器中，線圈框架層間的隔離、繞阻間的隔離，均要使用絕緣材料，一般的變壓器框架材料可用酚醛紙板制作，層間可用聚脂薄膜或電話紙作隔離，繞阻間可用黃臘布作隔離。

????4、浸漬材料：
????變壓器繞制好后，還要過最后一道工序，就是浸漬絕緣漆，它能增強變壓器的機械強度、提高絕緣性能、延長使用壽命，一般情況下，可采用甲酚清漆作為浸漬材料。