A). 介紹（非線性負(fù)載對(duì)變壓器的影響及應(yīng)對(duì)策略）

大量非線性負(fù)載的使用, 使那些伴隨正弦電壓載入供電系統(tǒng)的非正弦波電流很大，并且是持續(xù)快速地增長(zhǎng)。這些電流可以描述為基波和高次諧波組成。在電源變壓器中，諧波電流的結(jié)果是損耗的增加，主要包括因?yàn)槁┐艌?chǎng)導(dǎo)致的線圈損耗等。 更多的損耗意味著變壓器的發(fā)熱，因此會(huì)導(dǎo)致變壓器運(yùn)行溫度升高，絕緣老化，以及壽命減短。

因此，有必要減少變壓器的最大負(fù)載，在實(shí)際應(yīng)用中即對(duì)變壓器采取降額運(yùn)行方式，或進(jìn)行額外的設(shè)計(jì)考慮以便降低變壓器的相關(guān)損耗。為方便對(duì)變壓器的降額估算，我可以采用K-系數(shù)法。K-系數(shù)的計(jì)算可按照負(fù)載的諧波分布和附加的渦流損耗計(jì)算。 它反映了在傳統(tǒng)繞線的變壓器中的損耗的增加。為降低此部分損耗，現(xiàn)代變壓器采用了變化的線圈設(shè)計(jì)方式，如箔式繞組或箔式和線繞混合的方式。

B). 變壓器的損耗

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這里:
PC =鐵心或空載損耗，
PLL =負(fù)載損耗，
PT =總損耗。

鐵心或空載損耗是由于鐵心的勵(lì)磁電壓產(chǎn)生，盡管勵(lì)磁電流包含諧波，但通常這部分諧波相對(duì)于負(fù)載電流和他們產(chǎn)生的損耗是很小的。負(fù)載損耗是由于直流損耗，渦流損耗和雜散損耗組成:

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這里:
I2R =直流損耗
PEC =渦流損耗
PSL = 雜散損耗

直流損耗是由于電流流過(guò)線圈產(chǎn)生。這也叫歐姆損耗或直流損耗。歐姆損耗正比于負(fù)載電流的平方， 包含了諧波部分，當(dāng)它與頻率無(wú)關(guān)。它有線圈直流電阻和滿(mǎn)載電流決定。沒(méi)有測(cè)試方法可以明確每個(gè)線圈的渦流損耗，也不能將變壓器的雜散損耗從渦流損耗中分離出來(lái)。只能是通過(guò)明確總損耗，再將直流損耗從總損耗中減去來(lái)得到渦流損耗和雜散損耗的總和。但渦流損耗可以假定跟隨額定電流的平方和頻率的平方變化。

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這里:
h = 波次序。
hmax =最高次諧波。
Ih = h次的諧波電流，安培，
IR =額定電流，安培，
PEC,R = 額定電流和頻率下的渦流損耗。

渦流損耗取決于與漏磁正交的導(dǎo)體尺寸的平方。 在線圈的端部，磁場(chǎng)彎曲，因此更大的方形導(dǎo)體則與漏磁場(chǎng)的矢量正交。實(shí)現(xiàn)初級(jí)和次級(jí)線圈的等高設(shè)計(jì)，能夠減少集中在線圈端部的渦流損耗。采用箔式繞組或多股并繞的線圈方式可以因此減少渦流損耗。

雜散損耗是由于雜散磁場(chǎng)在鐵心，夾件，油罐以及其他鋼鐵零部件中產(chǎn)生的損耗。雜散損耗將導(dǎo)致變壓器的金屬結(jié)構(gòu)件的溫度升高。對(duì)于干式變壓器，這部分增加的溫度不會(huì)影響到線圈的熱點(diǎn)溫度。雜散損耗很難計(jì)算，一般是假定此類(lèi)損耗是電流平方與諧波頻次的乘積的變量。如下式：
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C). 變壓器和K-系數(shù)的選擇

具體電路環(huán)境下應(yīng)該如何計(jì)算K-系值呢？

在選擇變壓器時(shí)有不同的方法計(jì)算附加損耗。 這里我們建議采用變壓器制造商結(jié)合美國(guó)UL實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)的方法， 即通過(guò)計(jì)算由于渦流損耗的增加系數(shù)來(lái)規(guī)劃變壓器的設(shè)計(jì)，即熟知的“K-系數(shù)”。
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這里:
h =諧波次數(shù)
Ih = h諧波電流的對(duì)額定電流的分量。

有很多種儀器儀表可以直接讀出負(fù)載的K-系數(shù)。 一旦負(fù)載的K-系數(shù)已知，那么就可以很簡(jiǎn)單地從標(biāo)準(zhǔn)的K-系數(shù)范圍K-4，K-9，K-13，K-20，K30，K40和K-50中規(guī)劃采用較高一檔的K-系數(shù)變壓器了。

值得注意的是，純粹的線性負(fù)載-即正弦波電流-是K-系數(shù)為“1”的負(fù)載。大的K-系數(shù)指標(biāo)表明變壓器的渦流損耗將是正常基波情形下的渦流損耗的K倍。

D).變壓器設(shè)計(jì)時(shí)的考慮

很多變壓器制造商開(kāi)發(fā)了應(yīng)用于非正弦波并優(yōu)化制造成本的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)工藝考慮到了諧波在線圈中的分布并計(jì)算了熱點(diǎn)溫升。渦流損耗的分析可以采用有限元或其它計(jì)算機(jī)程序。發(fā)熱的研究則采用在樣品機(jī)中植入熱電藕來(lái)測(cè)量熱點(diǎn)溫度以精化計(jì)算熱點(diǎn)溫度的數(shù)學(xué)模型。

干式變壓器的熱點(diǎn)溫度有時(shí)是個(gè)有爭(zhēng)議的話題，熱點(diǎn)，即最高溫度點(diǎn)，源于非均衡的熱效并且向環(huán)境的熱傳導(dǎo)也不是均衡的。

E).選擇實(shí)例：是K-13還是K-20變壓器？

在100%的50/60Hz的額定基波電流并附加諧波的情況下，變壓器應(yīng)該能夠在要求的溫升范圍內(nèi)安全運(yùn)行，選擇那種K-系數(shù)變壓器更適合您的工程應(yīng)用，則可以參考如下建議：

(A) 當(dāng)100%的線性負(fù)載加上50%的非線性負(fù)載時(shí)，建議采用K-4變壓器
(B) 當(dāng)100%的線性負(fù)載加上75%的非線性負(fù)載時(shí)，建議采用K-9變壓器
(C) 當(dāng)100%的線性負(fù)載加上100%的非線性負(fù)載時(shí)，建議采用K-13變壓器
(D) 當(dāng)100%的線性負(fù)載加上125%的非線性負(fù)載時(shí)，建議采用K-20變壓器
(E) 當(dāng)100%的線性負(fù)載加上150%的非線性負(fù)載時(shí)，建議采用K-30變壓器

從保守的角度，有時(shí)有必要采用如上表建議的更高一檔的K-系數(shù)變壓器。