実用的な考慮事項-トランスフォーマー

電力容量

すでに観察されているように、許容可能な電力結合、厳密な電圧レギュレーション、および低い励起電流歪みを実現するには、トランスを適切に設計する必要があります。また、変圧器は、一次および二次巻線電流の期待値を問題なく流すように設計する必要があります。

これは、加熱の問題を回避するために、巻線導体を適切なゲージワイヤで作成する必要があることを意味します。

理想的なトランスフォーマー

理想的なトランスは、完全な結合（漏れインダクタンスなし）、完全な電圧レギュレーション、完全な正弦波励起電流、ヒステリシスまたは渦電流損失がなく、任意の量の電流を処理するのに十分な太さのワイヤを備えています。残念ながら、これらの設計目標を達成するには、理想的な変圧器は無限に大きくて重い必要があります。

したがって、実用的なのビジネスでは 変圧器の設計、妥協する必要があります。

さらに、巻線導体の絶縁は、高電圧が発生する場合に懸念されます。これは、高電圧が昇圧および降圧配電変圧器によくあるためです。

巻線は鉄心から十分に絶縁されている必要があるだけでなく、巻線間の電気的絶縁を維持するために、各巻線は互いに十分に絶縁されている必要があります。

変圧器の評価

これらの制限を尊重して、変圧器は特定のレベルの一次および二次巻線の電圧と電流に対して定格が定められていますが、電流定格は通常、変圧器に割り当てられたボルトアンペア（VA）定格から導き出されます。

たとえば、一次電圧定格が120ボルト、二次電圧定格が48ボルト、VA定格が1 kVA（1000 VA）の降圧変圧器を考えてみます。最大巻線電流は次のように決定できます：kVA（1000VA）。最大巻線電流は次のように決定できます：

巻線が電流定格に耐える場合もありますが、これは通常、小型の変圧器で見られます。大型変圧器は、ほとんどの場合、巻線電圧とVAまたはkVAの観点から定格が定められています。

エネルギー損失

変圧器が電力を転送するとき、それらは最小限の損失で転送します。前に述べたように、最新の電源トランスの設計は通常、95％の効率を超えています。ただし、この失われた電力の一部がどこに行き、何が原因で電力が失われるのかを知ることは良いことです。

もちろん、巻線の抵抗による電力損失があります。超電導線を使用しない限り、通電導体の抵抗によって常に熱の形で電力が消費されます。変圧器は非常に長いワイヤを必要とするため、この損失は重要な要因になる可能性があります。

巻線のゲージを大きくすることは、この損失を最小限に抑える1つの方法ですが、コスト、サイズ、および重量が大幅に増加する場合に限ります。

渦電流損失

抵抗損失はさておき、トランスの電力損失の大部分はコアの磁気効果によるものです。おそらく、これらの「コア損失」の中で最も重要なのは、渦電流損失です。 、これは、コアの鉄に誘導電流が流れることによる抵抗電力損失です。

鉄は電気の導体であると同時に磁束の優れた「導体」であるため、交番磁界から二次巻線に電流が誘導されるのと同じように、鉄にも電流が誘導されます。

これらの誘導電流は、ファラデーの法則の垂直性の条項で説明されているように、一次巻線のターンに垂直にコアの断面を循環する傾向があります。

彼らの円運動は彼らに彼らの珍しい名前を与えます：直線で動くのではなく循環する水の流れの中の渦のように。

鉄は電気の公正な導体ですが、通常、巻線が作られる銅やアルミニウムほど良くはありません。したがって、これらの「渦電流」は、コアを循環するときに大きな電気抵抗を克服する必要があります。

鉄によって提供される抵抗を克服する際に、それらは熱の形で電力を放散します。したがって、変圧器の非効率性の原因を取り除くのは困難です。

誘導加熱

この現象は非常に顕著であるため、鉄（鉄含有）材料を加熱する手段としてしばしば利用されます。下の写真は、大きなパイプセクションの温度を上げる「誘導加熱」ユニットを示しています。

高温の断熱材で覆われたワイヤーのループがパイプの周囲を取り囲み、電磁誘導によってパイプ壁内に渦電流を誘導します。渦電流効果を最大化するために、電源周波数（60 Hz）ではなく高周波交流が使用されます。

写真の右側のボックスユニットは、高周波ACを生成し、ワイヤーの電流量を制御して、パイプの温度を事前に決定された「設定値」に安定させます。

誘導加熱：一次絶縁巻線は、損失のある鉄パイプ（二次）に電流を誘導します。

渦電流の軽減

変圧器コアのこれらの無駄な渦電流を軽減する主な戦略は、鉄のコアをシート状に形成することです。各シートは絶縁ワニスで覆われ、コアが薄いスライスに分割されます。その結果、渦電流が循環するコアの幅が非常に狭くなります。

鉄心を薄い絶縁ラミネーションに分割すると、渦電流の損失が最小限に抑えられます。

ラミネート ここに示されているようなコアは、ほとんどすべての低周波トランスに標準装備されています。半分にカットされた変圧器の写真から、鉄の芯が1枚の固い部分ではなく多くの薄いシートで構成されていたことを思い出してください。

渦電流損失は周波数とともに増加するため、高周波電力（400 Hzなど、多くの軍事および航空機アプリケーションで使用される）で動作するように設計された変圧器は、損失をかなり最小限に抑えるために、より薄いラミネーションを使用する必要があります。

これには、変圧器の製造コストを増加させるという望ましくない影響があります。

高周波アプリケーションに適した渦電流損失を最小限に抑えるためのもう1つの同様の手法は、薄い鉄板ではなく鉄粉でコアを作成することです。

ラミネーションシートと同様に、これらの鉄の顆粒は電気絶縁材料で個別にコーティングされているため、各顆粒の幅内を除いてコアは非導電性になります。粉末鉄コアは、高周波電流を処理する変圧器によく見られます。

磁気ヒステリシス

もう1つの「コア損失」は、磁気ヒステリシス の損失です。 。すべての強磁性体は、外部磁場にさらされた後もある程度の磁化を保持する傾向があります。

この磁化されたままの傾向は「ヒステリシス」と呼ばれ、一次巻線によって生成される磁場の極性が変化するたびに変化するこの反対を克服するには、エネルギーに一定の投資が必要です（ACサイクルごとに2回）。

このタイプの損失は、適切なコア材料の選択（「薄い」B / Hヒステリシス曲線で証明されるように、ヒステリシスの低いコア合金を選択）、および最小磁束密度（大きな断面積）になるようにコアを設計することで軽減できます。 。

高周波での表皮効果

変圧器のエネルギー損失は、周波数の増加とともに悪化する傾向があります。巻線導体内の表皮効果により、電荷の流れに利用できる断面積が減少するため、周波数が高くなるにつれて実効抵抗が増加し、抵抗散逸によって失われる電力が増加します。

磁気コア損失も、より高い周波数、渦電流、およびヒステリシス効果がより深刻になることで誇張されます。このため、かなりのサイズのトランスは、限られた周波数範囲で効率的に動作するように設計されています。

回線周波数が非常に安定しているほとんどの配電システムでは、過度の周波数が問題になることはないと考えられます。残念ながら、非線形負荷によって生成される高調波の形で発生します。

前の章で見たように、非正弦波形は、さまざまな振幅と周波数での複数の正弦波形の加法系列と同等です。電力システムでは、これらの他の周波数は基本（ライン）周波数の整数倍です。つまり、変圧器の設計周波数よりも常に高く、低くはなりません。

重要な点として、それらは深刻な変圧器の過熱を引き起こす可能性があります。電力変圧器は、特定のレベルの電力システムの高調波を処理するように設計できます。この機能は、「Kファクター」定格で示される場合があります。

浮遊容量とインダクタンス

電力定格と電力損失の他に、変圧器には、回路設計者が認識しなければならない他の望ましくない制限が含まれていることがよくあります。単純な対応物であるインダクタと同様に、トランスは導体間の絶縁誘電体により静電容量を示します。巻線から巻線、ターンからターン（単一巻線）、およびコアへの巻線です。

トランスの共振周波数

通常、この静電容量は電力アプリケーションでは問題になりませんが、小信号アプリケーション（特に高周波のアプリケーション）では、この癖に十分耐えられない場合があります。

また、巻線の設計インダクタンスとともに静電容量を持つ効果により、変圧器は共振することができます。 特定の周波数では、印加周波数がこのポイントに達する可能性がある信号アプリケーションの設計上の懸念事項です（通常、電源トランスの共振周波数は、動作するように設計されたAC電源の周波数をはるかに超えています）。

フラックス封じ込め

磁束の封じ込め（変圧器の磁束が他のデバイスと干渉するように逃げないようにし、他のデバイスの磁束が変圧器のコアからシールドされていることを確認する）は、インダクタと変圧器の両方に共通するもう1つの懸念事項です。

漏れインダクタンス

磁束封じ込めの問題に密接に関連しているのは、漏れインダクタンスです。この章の前半で、SPICEシミュレーションを使用して、電圧レギュレーションに対する漏れインダクタンスの悪影響をすでに確認しました。漏れインダクタンスは、変圧器の巻線と直列に接続されたインダクタンスと同等であるため、負荷との直列インピーダンスとして現れます。

したがって、負荷によって引き出される電流が多いほど、二次巻線端子で利用可能な電圧は低くなります。通常、変圧器の設計では適切な電圧調整が望まれますが、例外的な用途があります。

前に述べたように、放電照明回路は、ランプを介してアークが確立された後、電圧を確実に下げるために、「緩い」（不十分な）電圧レギュレーションを備えた昇圧トランスを必要とします。この設計基準を満たす1つの方法は、磁束が2次巻線をバイパスするための磁束漏れ経路を備えた変圧器を設計することです。

結果として生じる漏れ磁束は漏れインダクタンスを生成し、それが次に、放電照明に必要な不十分な調整を生成します。

コア飽和

トランスは、コアの磁束制限によって性能も制約されます。強磁性コアトランスの場合、コアの飽和限界に注意する必要があります。

強磁性体は無限の磁束密度をサポートできないことを忘れないでください。それらは特定のレベル（材料とコアの寸法によって決定される）で「飽和」する傾向があります。つまり、磁場力（mmf）がさらに増加し​​ても、磁気が比例して増加することはありません。界磁磁束（Φ）。

変圧器の一次巻線が過度の印加電圧によって過負荷になると、AC正弦波サイクルのピークモーメント中にコア磁束が飽和レベルに達する可能性があります。これが発生した場合、二次巻線に誘導された電圧は、一次コイルに電力を供給する電圧としての波形と一致しなくなります。

言い換えれば、過負荷の変圧器は歪む 一次巻線から二次巻線への波形で、二次巻線の出力に高調波が発生します。前に説明したように、AC電源システムの高調波成分は通常問題を引き起こします。

トランスフォーマーのピーク

ピーキングトランスフォーマーとして知られる特別なトランスフォーマー この原理を利用して、ソース電圧波形のピークの近くに短い電圧パルスを生成します。コアは、ピークをはるかに下回る電圧レベルで、すばやく急激に飽和するように設計されています。

これにより、正弦波の磁束波形が大幅にトリミングされ、磁束が変化しているとき（飽和レベル未満）にのみ2次電圧パルスが発生します。

ピーキングトランスの電圧と磁束の波形。

通常より低い周波数での動作

トランスコアの飽和異常のもう1つの原因は、通常よりも低い周波数での動作です。たとえば、60Hzで動作するように設計された電源トランスが代わりに50Hzで動作するように強制された場合、ソース電圧とのバランスを取るために必要な同じ反対の電圧を生成するために、磁束は以前よりも大きなピークレベルに到達する必要があります。

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これは、電源電圧が以前と同じであっても当てはまります。

同じ電圧の60Hzと比較して、50Hzで駆動される変圧器コアの磁束は高くなります。

瞬時巻線電圧は瞬時磁束の変化率に比例するため 変圧器では、電圧波形が同じピーク値に達しますが、各半サイクルを完了するのに時間がかかるため、磁束は以前と同じ変化率を維持する必要がありますが、より長い期間です。

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したがって、フラックスが以前と同じ速度で上昇する必要があるが、長期間にわたって上昇する必要がある場合は、より大きなピーク値に上昇します。

数学的には、これは微積分のもう1つの例です。電圧は磁束の変化率に比例するため、電圧波形は微分であると言えます。 磁束波形の「微分」とは、ある数学関数（波形）を別の数学関数の変化率の観点から定義する微積分演算です。

ただし、反対の見方をして、元の波形をその導関数に関連付ける場合、元の波形を積分と呼ぶことがあります。 微分波形の。この場合、電圧波形は磁束波形の導関数であり、磁束波形は電圧波形の積分です。

数学関数の積分は、その関数の曲線の下に蓄積された面積に比例します。 50 Hz波形の各半サイクルは、60 Hz波形よりもグラフのゼロ線との間に多くの領域を蓄積するため、磁束は電圧の積分であることがわかっているため、磁束は次の値でより高い値になります。下の図。

同じレートで変化するフラックスは、60Hzよりも50Hzで高いレベルに上昇します。

変圧器の飽和のさらに別の原因は、一次巻線にDC電流が存在することです。トランスの一次巻線の両端でDC電圧が低下すると、コアに追加の磁束が発生します。この追加の磁束の「バイアス」または「オフセット」により、交流磁束波形が一方の半サイクルでもう一方の半サイクルよりも飽和に近づきます。

プライマリのDCは、波形のピークを飽和上限に向かってシフトします。

ほとんどの変圧器にとって、コアの飽和は非常に望ましくない影響であり、磁束密度が飽和レベルをはるかに下回るように巻線とコアを設計するという優れた設計によって回避されます。

これにより、mmfとΦの関係が磁束サイクル全体でより直線的になり、磁化電流波形の歪みが少なくなるため、良好です。

また、低磁束密度用にコアを設計すると、周波数変動やDCオフセットなどの時折の異常な状態に対応するために、通常の磁束ピークとコア飽和限界の間に安全なマージンが提供されます。

突入電流

変圧器が最初にAC電圧源に接続されると、突入電流と呼ばれる一次巻線を流れる電流が大幅にサージする可能性があります。 。これは、電源への突然の接続によって起動される電気モーターによって示される突入電流に類似していますが、変圧器の突入は別の現象によって引き起こされます。

トランスコアの瞬時磁束の変化率は、一次巻線の瞬時電圧降下に比例することがわかっています。または、前述のように、電圧波形は磁束波形の導関数であり、磁束波形は電圧波形の積分です。

連続運転トランスでは、これら2つの波形は90°位相シフトされます。磁束（Φ）はコアの起磁力（mmf）に比例し、mmfは巻線電流に比例するため、電流波形は磁束波形と同相になり、両方とも電圧波形より90遅れます。 °：

継続的な定常状態の動作：磁束は、電流と同様に、印加電圧より90°遅れます。

変圧器の一次巻線が、瞬時電圧が正のピーク値にある正確な瞬間にAC電圧源に突然接続されたと仮定します。

変圧器がこの印加された電源電圧と釣り合うように反対の電圧降下を生成するために、急速に増加する値の磁束を生成する必要があります。その結果、巻線電流は急速に増加しますが、実際には通常の状態よりも急速に増加することはありません。

AC電圧ピークでの変圧器のラインへの接続：定常状態の動作と同じように、磁束はゼロから急速に増加します。

コア磁束とコイル電流はどちらもゼロから始まり、連続動作中に発生するのと同じピーク値まで増加します。したがって、このシナリオには「サージ」、「突入」、または電流はありません。

または、AC電圧源への変圧器の接続が、瞬時電圧がゼロの正確な瞬間に発生した場合にどうなるかを考えてみましょう。

連続運転中（変圧器にかなりの時間電力が供給されている場合）、これは磁束電流と巻線電流の両方が負のピークにあり、変化率がゼロになる時点です（dΦ/ dt =0およびdi / dt =0）。

電圧が正のピークに達すると、磁束と電流の波形は最大の正の変化率になり、電圧がゼロのレベルに下がると、正のピークに向かって上昇します。

e =0 Vで開始することは、上の図で継続的に実行することと同じではありません。これらの予想される波形は正しくありません–Φと私はゼロから始めるべきです。

ただし、このシナリオで想定される連続モード動作と突然の始動条件の間には大きな違いがあります。連続動作中、電圧がゼロ点にあるとき、磁束と電流のレベルは負のピークにありました。ただし、アイドル状態になっている変圧器では、磁束と巻線電流の両方がゼロで開始する必要があります。 。

電圧の上昇に応じて磁束が増加すると、しばらくの間電力が供給されている変圧器の場合のように、以前は負の（磁化された）状態からではなく、ゼロから上に向かって磁束が増加します。

したがって、「始動」したばかりの変圧器では、磁束は、電圧波形の最初の半サイクルの下の領域を「統合」するときに、通常のピークの大きさの約2倍に達します。

e =0 Vから開始し、Φは初期条件Φ=0から開始し、コアが飽和しないと仮定すると、通常の値の2倍に増加します。>

理想的な変圧器では、磁化電流も通常のピーク値の約2倍に上昇し、この通常よりも高い磁束を生成するために必要なmmfを生成します。

ただし、ほとんどの変圧器は、このような状態での飽和を回避するために、通常の磁束ピークと飽和限界の間に十分なマージンを持たないように設計されているため、この電圧の最初の半サイクル中にコアはほぼ確実に飽和します。

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飽和中は、磁束を生成するために不均衡な量のmmfが必要になります。これは、起磁力を生成してコアに磁束を発生させる巻線電流が、簡単に超える値まで不均衡に上昇することを意味します。 通常のピークの2倍：

e =0 Vから開始すると、電流も不飽和コアの通常値の2倍に増加し、飽和の場合（設計）ではかなり高くなります。

これは、AC電圧源に接続したときに、変圧器の一次巻線に突入電流を発生させるメカニズムです。ご覧のとおり、突入電流の大きさは、電源への電気接続が行われる正確な時間に大きく依存します。

ソースに接続する瞬間にトランスのコアに磁気が残っている場合、突入電流はさらに深刻になる可能性があります。このため、変圧器の過電流保護装置は通常、回路を開かずにこのような電流サージに耐えられるように、「遅効性」の種類のものです。

熱と騒音

不要な電気的影響に加えて、変圧器は望ましくない物理的影響も示す可能性があります。最も顕著なのは、熱とノイズの発生です。ノイズは主に妨害効果ですが、過熱すると巻線の絶縁が損傷するため、熱は潜在的に深刻な問題になります。

コアが飽和レベルに近づかないようにし、渦電流を最小限に抑え、巻線が過負荷になったり、最大電流容量に近づきすぎたりしないように、適切な設計によって加熱を最小限に抑えることができます。

大型の電源トランスは、コアと巻線を油浴に沈め、熱とこもりノイズを伝達し、水分を移動させます。そうしないと、巻線の絶縁の完全性が損なわれます。

変圧器ケースの外側にある熱放散「ラジエーター」チューブは、変圧器のコアから周囲の空気に熱を伝達するための対流オイル流路を提供します。

大型の電力変圧器は、熱を放散する絶縁油に沈められています。

オイルレスまたは「ドライ」変圧器は、多くの場合、文字クラスシステム（A、B、F、またはH）に従って、最大動作温度の「上昇」（周囲温度を超える温度上昇）の観点から評価されます。これらの文字コードは配置されています耐熱性の低いものから高いものの順に：

• クラスA： 周囲温度40°C（最高）で、摂氏55°以下の巻線温度上昇。
• クラスB： 気温が摂氏40度（最高）で、摂氏80度以下の巻線温度上昇。
• クラスF： 気温が摂氏40度（最高）で、摂氏115度以下の巻線温度上昇。
• クラスH： 気温が摂氏40度（最高）で、摂氏150度以下の巻線温度上昇。

可聴ノイズは、主に磁歪の現象に起因する影響です。 ：磁化されたときに強磁性体が示す長さのわずかな変化。

大型電源トランスの周りでよく耳にする「ハム」は、120 Hz（システム周波数の2倍、米国では60 Hz）で鉄心が伸縮する音です。磁束波形に加えて、一次巻線と二次巻線の間の機械的な力によって生成されるノイズ。

繰り返しになりますが、コア内の磁束レベルを低く維持することがこの影響を最小限に抑えるための鍵です。これが、電流波形の大部分で飽和状態で動作する必要がある鉄共振トランスが高温とノイズの両方で動作する理由を説明しています。

巻線磁力による損失

電力変圧器のもう1つのノイズ発生現象は、高負荷時の一次巻線と二次巻線の間の物理的な反力です。

二次巻線が開回路の場合、二次巻線に電流が流れないため、起磁力（mmf）が発生しません。ただし、2次側に「負荷」がかかると（現在負荷に供給されている）、巻線はmmfを生成します。これは、1次巻線の「反射」mmfによって打ち消され、コア磁束レベルの変化を防ぎます。

二次（負荷）電流の結果として一次巻線と二次巻線の間に生成されるこれらの反対のmmfは、巻線間に反発する物理的な力を生成し、巻線を振動させる傾向があります。

変圧器の設計者は、巻線コイルの構築においてこれらの物理的な力を考慮して、応力を処理するための適切な機械的サポートがあることを確認する必要があります。ただし、高負荷（大電流）の条件下では、これらの応力が大きいため、変圧器から可聴ノイズが発生する可能性があります。

レビュー：

• 電源トランスは、一次巻線から二次巻線に転送できる電力量に制限があります。大型ユニットは通常、VA（ボルトアンペア）またはkVA（キロボルトアンペア）で評価されます。
• 電流は熱を放散し、エネルギーを浪費するため、変圧器の巻線に抵抗があると非効率になります。
• 変圧器の鉄心の磁気効果も非効率の原因になります。影響の中には渦電流があります （鉄心の循環誘導電流）およびヒステリシス （鉄が特定の方向に磁化する傾向を克服したために失われた電力）
• 周波数が高くなると、電源トランス内の電力損失が増加します。電力システムに高調波が存在すると、通常よりも大幅に高い周波数が発生し、大型の変圧器で過熱を引き起こす可能性があります。
• トランスとインダクタの両方が、巻線ターンを鉄心と相互に分離するワイヤ絶縁（誘電体）のために、特定の避けられない量の静電容量を抱えています。この容量は、トランスに自然な共振周波数を与えるのに十分な大きさになる可能性があります。 、これは信号アプリケーションで問題になる可能性があります。
• 漏れインダクタンス 変圧器の巻線間で磁束が100％結合されていないことが原因です。 転送に関係しないフラックス ある巻線から別の巻線へのエネルギーは、エネルギーを蓄積および放出します。これが（自己）インダクタンスの仕組みです。漏れインダクタンスは、変圧器の電圧レギュレーションを悪化させる傾向があります（特定の負荷電流量に対して二次電圧がより「低下」します）。
• 磁気飽和 トランスコアの故障は、過剰な一次電圧、低すぎる周波数での動作、および/または巻線のいずれかにDC電流が存在することによって引き起こされる可能性があります。飽和は、ピーク磁束密度値とコアの飽和限界の間に十分な安全マージンを提供する保守的な設計によって最小化または回避できます。
• 変圧器はしばしば大きな突入電流を経験します 最初にAC電圧源に接続されたとき。突入電流は、瞬間的な電源電圧がゼロの瞬間にAC電源に接続されたときに最も深刻になります。
• ノイズは、変圧器、特に電力変圧器に見られる一般的な現象であり、主に磁歪によって引き起こされます。 コアの。巻線の振動を引き起こす物理的な力は、重い（大電流）二次巻線の負荷の条件下でもノイズを発生させる可能性があります。