耦合、磁通、主磁通、漏磁通、变比、同名端、自感、互感、空载试验、短路试验、短路阻抗、等效电路、折算、连接组、标幺值、并联运行、瞬态分析……
说到变压器,各种概念,让人应接不暇。
1.法拉第电磁感应定律
变压器离不开法拉第电磁感应定律。
哪一天最伟大,Faraday!
法拉第在1831年通过实验发现:一个导体回路,当通过回路的磁通有变化时,会有感应电流产生。
这是个石破天惊的发现!
注意:导体回路、磁通变化、电流产生。
如果让我这个普通人置身那段历史,我会有以下疑问:
用什么导体?铁、铜、铝、金、银…?
咋让磁通变化?拿根磁铁靠近、远离?接上直流电源串个电阻,改变电阻?
电流能有多大?跟什么因素有关?
这还是法拉第电磁感应定律的初级表达,随着认识的深入,多个伟大人物的参与,有这样的表达:
任何回路,有无导体存在都可以;
回路可静止,可运动,可变形;其实这里藏了个宝,相对于谁?
穿过此回路的磁通有变化,随时间变化;磁通是净磁通,可能有多个磁通源,也要包括形成感应电流后的磁通。
沿回路一周对电场E积分,就是把回路分成很短很短的小段,短到在这一段上E几乎是不变的,当分段数量趋向于无穷,每段的E与长度dl的乘积累加起来,等于磁通变化率的负值。积分方向与磁通符合右手定则;
至于E最终在回路上是如何分布的,由回路决定,比如回路是否由导体构成,是否有电阻、电感、电容,等等;
回路可以有电流,也可以没有电流;
以上号称是法拉第电磁感应定律的积分表达式,也是最常见的。
它被麦克斯韦和另外两个数学家用微分形式表达成:
上面这个公式叫点函数表达,就是利用微分思想,在一个点周围取极限后的一个关系。每一点上都有关系了,沿线绕一圈肯定也有什么关系,神奇的地方在于,绕一圈后,竟然跟以路径为边沿的面有关系,而且这个面可任意,可以是平面,可以是复杂的曲面:
这玩意符合斯托克斯定理:
2.为什么需要变压器?
我们需要能量。能量有各种形式。电能是非常重要的一种。
衡量电能多少,用千瓦时。再简单一点,功率是可以衡量电能的。
功率,做功快慢,是两个物理量衡量的。对于电功率,瞬时功率是电压与电流的乘积。
现实世界会被许多因素限制:
电压不能无限地高,电流也不能无限地大。电压高了有绝缘问题,电流大了有线路电阻发热的问题。绝缘问题还好解决一点,电阻发热问题非常棘手。
为了减少线路损耗,发电厂发出来的电往往要做升压处理,所以才有10千伏、25千伏、110千伏甚至550千伏的高压输电。
到了近用户那里,又要想办法把电压降下来,降成380伏,220伏。
输配电都要用到变压器。这是能量变换。除此,还有测量用、隔离用、控制用等多种用途的变压器。
3.自感、互感
先说短路。
简单说短路就是电源被短接了。短路不是个好事情。短路预示着过流、烧损。
如果,整个电路的导体都是超导,电流会无穷大吗?要看是什么电源。