原创 变压器空载电压和额定电压

        最近，手头有一个光伏发电的项目。因为是在实验室调试软硬件，没有地方也没有想法要安装光伏电池板做实验，就决定采用三相调压器、整流桥和功率电阻的形式来模拟光伏电池板输出直流电能，送给逆变器进行逆变并网控制…

        这两天打算加大功率，并且直流侧电压抬高一倍，自耦调压器就不行了，电压升高不足以使整流桥输出需要的电压，所以考虑去订做几个大功率隔离变压器，代替调压器。

        变压器的结构很简单，环形铁芯（当然还有很多其他的形式）外面绕上两组线圈，就可以叫做变压器了。两组线圈可以自己分为原边和副边，因而原副边的电压变比就等于原副边匝数（绕线的圈数）之比。当然，这是对理想变压器来说的。实际情况中的变压器有很多参数需要考虑，比方说铁芯磁工作点（影响波形质量）、绕线粗细（内阻和发热）、绕线与铁芯间隙导致的漏磁等等（暂时只想到这么多，欢迎大家补充啊）。这些实际的参数都会影响到我们最为关心的问题，电压变比。

        今天先说说空载电压和满载电压的事情吧。考虑一个额定电压变比是220V/440V（这个电压变比可能比较二，暂时还不知道一般都有什么输出档位的变压器，等下去学习了再来补充）的升压变压器吧，为了方便计算，假定额定功率是440W，频率50Hz。当原边加上220V交流电，副边空载时（就是什么都不加，悬着，一定要小心触电），测量副边电压，设为U₂₁，这个电压就叫做空载电压；当副边满载运行，就是说副边电流等于440W/440V=1A时（可以在副边加上一个440Ω、500W电阻），测量副边电压，设为U_2N，这个就叫做满载电压。

        听说，变压器厂家在绕制变压器的时候，都会保证满载电压等于客户要求的额定电压，这是大家拿到变压器最关心的问题，满载运行的时候电压要足够，我们就先不考虑什么加工误差了，所以呢，一般U_2N等于440V。

        但是空载电压就不一样了，变压器厂家为了节省铁芯和铜线，就可以在这个地方大做文章。

        比方说，把铁芯截面积做得小一点，因为原边的匝数电流乘积一定，就是说磁通一定，截面积减小就导致磁感应强度增大，致使铁芯饱和，激磁阻抗减小，激磁电流增大，铁芯发热变得严重。

        另一方面，为了节省成本，可以用细一点的铜线来绕，只要通过额定电流时不烧断导线就没事（当然这是我私以为变压器厂家会这样考虑）。导线变细，导线电阻增大，就是说变压器输出侧的内电阻增大，在相同电流下，内电阻的压降也增大，由于要满足额定输出电压不变，那么额定输出电压加上内电阻电压就会增大，这个加和的电压，就是空载电压。采用细一点的导线，会使空载电压升高，导线发热严重，对用户来讲是极其不利的。特别是空载电压升高，对接在变压器上的开关器件，在其不工作时，打穿绝缘，损坏器件，后果是相当严重的。

        所以，在制作变压器时，不仅要关心额定电压，还要考虑空载电压。这个地方需要引入一个概念---电压调整率，其定义就是空载电压与额定负载电压只差与空载电压的比值。对于上边假设的例子，则电压调整率计算式子为：η= (U₂₁-U_2N)/ U₂₁。所以要通过限定电压调整率来限定空载电压。

        那多大的电压调整率算是比较合适和合理呢？参考网上的资料，一般是与功率有关的，功率较小的变压器，电压调整率可以大一点，功率稍大的，电压调整率小一点。一般而言，设计电压调整率为10%就基本可以满足要求。

        总结来看，因为变压器内阻的存在，使得输出空载电压和输出额定电压不一致，两者的差可以用电压调整率来衡量。电压调整率大，则空载电压和额定电压偏差较大，此时变压器的导线可能偏细，内阻较大。所以，对于要制作变压器的客户来讲，要通过限定电压调整率来限制厂家，保证导线和变压器的质量，避免偷工减料。

        当然，以上的对于偷工减料方面的做法，纯属个人臆想，没有做过变压器厂商，不清楚具体怎么操作，如有冒犯，还请包涵。如果有变压器厂商偶然看到，欢迎指正。