變壓器噪聲信號

變壓器并不完美。瞬變和噪聲（射頻和低電平尖峰）通常通過變壓器，不僅通過初級和次級繞組之間的磁通線，而且還通過繞組之間的電阻和電容路徑。

隔離變壓器用于抑制瞬變和噪聲（照片來源：Berk Elektroteknik）

變壓器設計人員必須處理兩種基本類型的噪聲信號：

1. 共模噪聲：出現在本地接地參考和每個電源導體（包括中性線和設備接地）之間的電壓形式的不需要的信號。

2. 常模噪聲：以電壓形式出現在線對線和線對中性線信號中的無用信號。

那么，我們可以做些什么來抑制這種噪音呢？ 

增加初級和次級繞組的物理隔離將起到神奇的作用并減少電阻和電容耦合。然而，它也將減少電感耦合并減少功率傳輸。

這種技術的一個應用如圖 1 所示，其中變壓器噪聲去耦更進一步，將初級和次級繞組放置在它們自己包裹的箔盒屏蔽中。

圖 1 – 高性能隔離變壓器中使用的屏蔽布置

這種機械設計的設計目標是高共模和常模噪聲衰減

對于特定的額定功率，繞組在物理上盡可能地分開，并放置在法拉第屏蔽之間。這使得變壓器從初級到次級以及從次級到初級的噪聲衰減很大。圖 2 說明了所涉及的機制。

繞組之間以及繞組與框架之間的電容被分解為較小的電容并分流到地，從而最大限度地減少整體耦合。

圖 2 – 噪聲抑制隔離變壓器中涉及的元件，其中：

a.帶電容耦合的常規變壓器如圖所示；

b.在初級和次級之間增加了靜電屏蔽；

c.帶有圍繞初級和次級繞組的靜電盒屏蔽的變壓器。

圖 3 說明了隔離變壓器如何與 AC-DC 電源結合以防止正常模式噪聲脈沖影響負載。

圖 3 – 隔離變壓器的常模噪聲衰減如何與 AC-DC 電源的濾波特性相結合，以防止噪聲傳播到負載

5 kVA 噪聲抑制隔離變壓器如圖 4 所示。高質量隔離變壓器的尺寸范圍從 125 VA 單相到 125 kVA（或更多）三相。通常，輸入繞組以 2.5% 的間隔分接以提供額定輸出電壓，無論平均輸入電壓高還是低。

總抽頭調節范圍通常從高于標稱值的 5% 到低于標稱值的 10%。對于三相設備，典型的輸入電壓標稱額定值為 600、480、240 和 208 V 線對線，用于 15 kVA 和更大。

圖 4 – Topaz 5000VA 超隔離變壓器

1. 分接變換調節器

分接變換穩壓器背后的概念很簡單：調整變壓器輸入電壓以補償交流線電壓變化。圖 5 顯示了一個分接變換調節器。

盡管概念上很簡單，但由于控制 SCR 組所需的時序波形和脈沖，系統的實際實施可能會變得復雜。由于 SCR 的快速響應時間，可以根據市電輸入和負載的變化逐周期調整電壓。

攻絲步長通常為 2% 至 3%。這樣的系統不會在單位功率因數負載中產生令人反感的開關瞬變。然而，對于低 PF 負載，在切換電流時，輸出電壓中可能會產生微小但可觀察到的瞬變。這種噪聲通常對配電盤負載沒有顯著影響。

圖 5 – 分接變換電壓調節器的簡化示意圖

其他操作特性包括：

1.低內阻（類似于等效變壓器）

2.從滿載到25%以下的高效率

3. 對輸入交流電壓或負載電流變化的快速響應時間（通常為一到三個周期）

4. 低噪音水平

分接變換調節器的自耦變壓器版本如下圖 6 所示。

圖 6 – 使用自耦變壓器作為功率控制元件的分接變換電壓調節器

1.1 變比調節器

從功能上講，可變比率調節器是分接開關的改進版本。電機驅動的穩壓器不是逐步調整輸出電壓，而是提供連續可變的電壓范圍。基本概念如圖 7 所示。

該系統速度較慢，但總體上是可靠的。它非常適合將配電盤硬件輸入電壓保持在最佳工作范圍內。電機驅動的穩壓器通常能夠跟隨公用事業公司線路上典型的線路電壓的穩定上升和下降。效率通常很好，接近一個好的變壓器的效率。

圖 7 – 可變比率電壓調節器

內部阻抗很低，可以處理負載電流的突然增加或減少，而不會出現過壓或過壓。可變比率調節器的主要缺點是有限的電流額定值（由移動電刷組件決定）以及需要定期維護。基本設計的變化已經存在，包括下面圖 8 中所示的系統。

電機驅動的電刷在自耦變壓器的裸露繞組上移動，導致串聯變壓器對負載進行降壓或升壓。校正電機由設備輸出端的電壓檢測電路控制。

圖 8 – 使用帶有降壓/升壓串聯變壓器的自耦變壓器的電機驅動線路電壓調節器

圖 9 所示的感應調節器是變比變壓器的另一種變體。轉子沿一個方向或另一個方向的旋轉會改變磁耦合并升高或降低輸出電壓。與變比變壓器一樣，感應調節器速度較慢，但它沒有電刷，幾乎不需要維護。

感應調節器具有更高的感抗，并且比變比變壓器的效率稍低。

圖 9 – 旋轉感應電壓調節器

2.可變電壓互感器

由于它們在電壓控制系統中的應用，有必要更詳細地討論可變電壓變壓器的操作。許多傳統變壓器可以通過使用（通常）位于初級繞組上的抽頭在有限程度上改變其初級/次級比率。

為了在改變初級和次級線圈之間的比率時獲得更大程度的靈活性，從而允許更大的次級電壓變化，使用可變電壓互感器。電壓變化量取決于設備的基本結構，通常分為以下兩類之一：

1.刷子類型

2.感應式

2.1 刷子類型

為了獲得可變的輸出電壓，變壓器次級上的一個抽頭是固定的，另一個抽頭連接到沿著變壓器線圈的未絕緣部分滑動的電刷。實現這一目標的一種方法是將線圈纏繞在環形磁芯上。

電壓比與電刷靠在線圈上時的位置有關，并取決于電刷在線圈上允許接觸的位置。提供有限變比可變變壓器，以及可以將輸出電壓從 0 調整到輸入線電壓的 120% 左右的全范圍裝置。

當輸出電壓超過輸入電壓時，這意味著線圈上有額外的匝數延伸到輸入電源端子之間的繞組之外（實際上，該裝置變成了升壓變壓器）。

當輸出電壓超過輸入電壓時，這意味著線圈上有額外的匝數延伸到輸入電源端子之間的繞組之外（實際上，該裝置變成了升壓變壓器）。有時，轉子上會安裝一個控制機構來轉動電刷，從而自動調整輸出電壓。

這種變壓器的一個重要特性與電刷接觸和流經碳刷的電流量有關。僅基于輸出 kVA 的額定值會導致嚴重的操作問題，因為對于給定的 kVA 負載，消耗的電流取決于輸出電壓。

因為輸出電壓是可變的，給定 kVA 值的負載可以在 100% 電壓下汲取安全電流，但在 25% 電壓下，為相同 kVA 值的負載服務所需的電流將需要四倍的電流， 這可能會導致刷子過熱。

2.2 感應式

感應式可變變壓器不使用電刷。這些裝置的通常電壓變化為 ±10%，但也可能更大。該設備本質上是一個可變比率自耦變壓器，它使用兩個獨立的繞組，一個初級和一個次級。有一個疊層鋼定子，其上纏繞著用作次級線圈的繞組。該繞組與負載串聯。

初級線圈跨電源線連接。并聯繞組纏繞在轉子上。結構與電機相似，不同之處在于，在這種情況下，轉子只能旋轉 180 度的機械和電氣角度。

因此，輸出電壓可以通過添加或減去次級繞組中感應的電壓來改變。提供單相和三相變壓器。這些類型變壓器的額定值從 8 kVA、120 V 單相到 1500 kVA、480 V 三相不等。

資料來源：AC power systems by/ Jerry C. Whitaker