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变压器铁心的设计磁密是峰值还是有效值?

放大字体  缩小字体 发布日期:2024-02-20  浏览次数:2439
一般地,油浸式电力变压器铁心的设计工作磁密,可取1.75T左右(具体取决于空载损耗、噪声要求等),但这个磁密数值1.75T是峰值还是有效值呢?这看起来是一个很基础的问题,可是,当你去询问一个从事多年变压器设计工作的工程师时,他们也未必会立刻得出正确的答案。甚至很多人会脱口而出:有效值。

其实要回答这个问题,需要一点点变压器设计方面的基本功,首先得从法拉第电磁感应定律入手,并结合一点微积分的知识来推导。

当外部电源电压为正弦波时,铁心中的主磁通基本可视为正弦波。不妨设铁心主磁通φ=Φmsinωt,根据法拉第电磁感应定律,有:

感应电压u=N×dφ/dt

= N×d(Φmsinωt)/dt

= N×Φm×ω×cosωt

由于外部电源电压近似等于一次线圈的感应电压,令外部电源电压的有效值大小为U,则有:

U= N×Φm×ω/1.414

= N×Φm×2π×f/1.414

= N×Bm×S×2π×f/1.414

进一步化简,可得
U =4.44×f×N×Bm×S (1)
式(1)中,
U 一次侧电源相电压的有效值,单位V;
f 一次侧电源电压的频率,单位Hz;
N 一次侧绕组的电气匝数;
Bm 铁心工作磁密的峰值,单位T;
S 铁心的有效截面积,单位m2;
从式(1)可以看出,由于U为电压的有效值,即表达式的右边已经除以了根号2,所以,此处的Bm为铁心工作磁密的峰值,而不是有效值。
实际上,在变压器领域中,电压、电流、电流密度一般用有效值描述,而磁密(铁心中、磁屏蔽中)则一般为峰值描述。当然,某些仿真软件中磁密的计算结果,默认为有效值RMS,如magnet;某些仿真软件中磁密的计算结果,默认为峰值Peak,如comsol,这些软件结果呈现的差异要尤为注意,否则可能引起重大的理解错误。
公式的意义

公式(1)便是变压器领域,乃至整个电气领域非常著名的4.44公式。(2π除以根号2刚好等于4.44,不知是否是学术上的巧合?)

这个公式看起来简洁,却是非常伟大的存在,它只用一个初中生都能明白的数学表达式,就把电和磁巧妙地联系起来了。公式的左边是电气量U,公式的右边是磁场量Bm。

其实,无论多么复杂的变压器设计,都可以从这个公式入手。比如恒磁通调压、变磁通调压、混合调压的变压器。可以说,只要掌握了这个公式的深刻内涵(深入理解此公式的内涵很重要),任何变压器的电磁设计都不在话下,比如旁柱调压、多器身调压的电力变,牵引变、移相变、整流变、换流变、电炉变、试验变、可调电抗器等特种变压器。毫不夸张地说,变压器的神秘面纱就被这个极简的公式一览无遗地揭开了。这个公式无疑是我们通往变压器科学殿堂的一扇大门。

有的时候,最终推导所得的数学表达式会掩盖物理本质。比如理解这个公式(1)需要特别注意的是:虽然从这个数学表达式看,当电源频率、变压器一次绕组绕组匝数、铁心截面积一定时,铁心的工作磁密Bm由外部励磁电压U唯一确定,但铁心的工作磁密Bm总是由电流产生的,且服从于叠加定理。电流激发磁场的结论目前来看总是正确的。


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