電力變壓器工作原理及模擬案例

什麼是變壓器？

電源設計是目前硬體產品設計中不可避免的問題。在上一篇文章中，我們討論了幾種類型的 DCDC 轉換器。今天，我們將探討另一種低損耗降壓升壓方案：變壓器。

變壓器是用來改變交流電壓的電路的電磁元件。它可以透過電磁轉換將一種交流電壓轉換為另一種交流電壓，同時保持功率基本上不變。

變壓器的應用

在電力系統中，變壓器廣泛用於升高或降低電壓。可用於電氣隔離，顯著提高系統安全性，降低觸電風險；使用變壓器還實現了接地系統分離，可以有效抑制共模雜訊；提供直流隔離，保護敏感電路；在隔離的同時同時實現電壓轉換和阻抗匹配；限制故障傳播範圍，提高系統可靠性；提高電磁相容性，有助於滿足EMC要求；支援多種繞線應用，適應複雜的系統需求；它也可用於訊號耦合、相位調整、諧波抑制等特殊應用。這些優點使變壓器成為電力、工業、醫療、通訊等領域不可或缺的關鍵零件，為現代電力系統的安全、高效、可靠提供了堅實的保障，大大推動了現代電力系統的發展。

變壓器工作原理

變壓器的工作原理是基於電磁感應定律。其電磁結構由兩個或多個線圈繞在同一鐵芯上組成。在實際結構中，繞組之間、繞組與鐵芯之間、外殼與冷卻系統之間都會使用絕緣材料。

當交流電流通過初級線圈時，鐵芯中產生交變磁場。此交變磁場將在次級線圈中感應出電壓。透過調節原、次級線圈的匝數比，可以獲得不同的輸出電壓。通常，變壓器有多個迴路，例如單相變壓器有兩個迴路，而三相變壓器有六個迴路。

不同變壓器的鐵芯和繞組材料差異很大。聚林科技的 PowerExpert 支援簡單且靈活的客製化變壓器構造。可以使用繞組、磁芯或非線性磁芯以及繞組綁定 (K_Magnatic) 設備來建造客製化變壓器。理想磁芯支援設定磁導率、截面積和長度，非線性磁芯支援設定形狀參數、磁疇壁彎曲常數、磁滯損耗係數、飽和磁化強度等係數。透過繞組綁紮裝置將磁芯和繞組設定為屬於同一變壓器。

使用PowerExpert軟體建造一個簡單的客製化變壓器，其中繞組有5匝和10匝，如下圖所示：

進行瞬態仿真，所得的仿真結果如下圖所示：