漫谈变压器的损耗（一）
变压器损耗是指空载损耗Po、短路损耗Pk及杂散损耗之和。变压器的温升就是由于损耗的原因导致。
先来简要地概括一下几种损耗：
空载损耗Po：用额定电压施加于变压器的一个绕组上，而其余的绕组均为开路时，变压器所吸收的有功功率，俗称铁损。它由磁滞损耗和涡流损耗构成。铁损为固定损耗，与负载电路的大小与性质无关，只要一次电压存在且恒定，则铁损恒定。
短路损耗Pk：对双绕组变压器来说，当以额定电流通过变压器的一个绕组，而另一个绕组短接时变压器所吸收的有功功率，俗称铜损（负载损耗），主要是由于负载电流作用于绕组电阻所致。铜损为可变损耗，主要由负载电流的大小及绕组电阻值决定。
PS：对与多绕组变压器来说，短路损耗应以指定的一对绕组为准。
杂散损耗Ps：是指发生在引线和外壳以及其他结构性的金属零件上的损耗。主要是由漏磁通所致。
先跟着小电来了解下组成铁损的磁滞损耗到底是个什么玩意吧。
1、磁滞损耗
a） 定义
磁滞损耗是铁磁材料在反复磁化的过程中由于磁滞现象所产生的损耗。而磁滞现象则是指铁磁材料的磁性状态变化时，磁化强度滞后于磁场强度的一种现象。
b）磁滞回线
在铁磁质中，磁场强度H和磁感应强度B之间的关系是非线性的。
如果增加磁场强度H，此二者关系将呈曲线上升至某点，到达此点后，即使磁场强度H继续增加，磁感应强度B也不再增加。该情况称为磁饱和。
此后若减小磁场，磁化曲线从a点开始并不沿原来的起始磁化曲线Oa返回，这表明感应强度B的变化滞后与磁场强度H的变化。当H减小为零时，B并不为零，而等于剩余磁化强度Br。要使B减到零，必须加一反向磁场，当反向磁场加至-Hc时，B才为零，Hc称为矫顽力。
铁磁质在反复磁化过程中的磁场强度H和磁感应强度B之间的关系曲线，即磁滞回线，如下图所示：
由上图可见，磁滞损耗表现为磁化过程中一部分电磁能量不可逆转地转换为热能，使得设备升温，效率降低。在一次循环中，单位体积的铁磁体被交变磁场磁化一周所产生的磁滞损耗正比与磁滞回线所包围的面积，设交变磁场的频率为f，则单位时间、单位体积的磁滞损耗为：
在变压器中，铁芯中有大量磁通，其大小、方向周期性地发生变化，从而引起磁滞损耗。因此通常选择磁滞回线面积小的材料来减少磁滞损耗。
拓展：
几类磁性物质的磁滞回线如下图所示：
①软磁材料
磁滞回线较窄，矫顽力较小，磁滞损耗小。常用材料有铸铁、硅钢、坡莫合金和软磁铁氧体。一般用来制造电机、变压器的铁芯。
②硬磁材料
磁滞回线较宽，矫顽力较大，磁滞损耗大。常用材料有碳钢及铁镍铝钴合金。一般用来制造永久磁铁。
③矩磁材料
磁滞回线接近矩形，剩磁大，矫顽力小，稳定性良好。矩磁材料去掉外磁场后，与饱和磁化时方向相同的剩磁稳定地保持下去，所以具有记忆性。常用材料有锰镁铁氧体及1J51型铁镍合金。一般在数字信息存储系统中用作记忆元件和逻辑元件。
c）磁滞损耗的微观描述
从微观上来谈磁滞损耗的话，在反复磁化的过程中，磁畴之间相互不停地摩擦、翻转，消耗能量，并以热量形式表现。其示意图如下所示：
磁畴理论是用量子理论从微观上说明铁磁质的磁化机理。我们可以这样进行简单的理解：
分子或原子是构成物质的基元，基元中电子绕着原子核的运转形成了电流，该电流产生磁场，使每个基元都相当于一个微小的磁体，由大量基元组成一个集团结构，集团中所有基元产生的磁场都同方向整齐排列，这样的集团叫做磁畴。
宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各不相同，结果互相抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。
当磁性材料处于外磁场中时，那些自发磁化方向和外磁场方向成小角度的磁畴其体积随着外加磁场的增大而扩大并使磁畴的磁化方向进一步转向外磁场。另一些自发磁化方向和外磁场方向成大角度的磁畴其体积逐渐缩小，这时铁磁质对外呈现宏观磁性。
当外磁场增大时，上述效应相应增大，直到所有磁畴都沿外磁场排列达到饱和。由于每个磁畴中单元磁矩已排列整齐，因此具有很强的宏观磁性。
d）计算公式
通过上面的叙述，我们可以总结一下，从微观上看，磁滞损耗与硅钢片内部的结晶方位、结晶纯度、内部晶粒的畸变等因素都有关系。从宏观上看磁滞损耗的大小与磁滞回线的面积成正比，而磁滞回线的面积又与最大磁密的η次方成正比。此外，磁滞损耗是由交变磁化所产生，所以它的大小还和交变频率f有关，具体来说磁滞损耗Pc的大小可用下式计算
式中：
C1——由材料特性所决定的系数（与材料磁导率、密度等有关）；
Bm——交变磁通的最大密度；
η——施泰因梅茨系数（大部分材料都为1.6，具体查表可得）；
f ——频率；
V ——铁磁材料总体积。
2、涡流损耗
a）定义
涡流损耗导体在非均匀磁场或处在随时间变化的磁场中，导体内的感生电流导致的能量损耗。在导体内部形成的一圈圈闭合的电流线称为涡流。
变压器铁芯涡流的模型如下图所示：
看看上图中那一圈圈的虚线，是不是很像一圈圈的线圈？我们可以把铁芯看成是由很多“线圈”紧密结合在一起组成的，当交变磁通从这些线圈中垂直穿过时，在这些“线圈”中就会产生感应电动势和感应电流，，由于这些”线圈”存在电阻，因此这些线圈就要损耗电磁能量。
补充：
有的小伙伴在培训间隙纠结上图中涡流的电流方向为什么是顺时针，其实很简单。首先已知此刻流入线圈的电流方向，通过右手定则可判断出当前磁场的方向为垂直铁芯平面向上。由于楞次定律（感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，即感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因），构成铁芯的那一圈圈“线圈”产生的磁场为垂直铁芯平面向下，再运用右手定则，最后得出此刻涡流的方向为逆时针。
b）计算公式及实际应用
变压器涡流损耗Pw的理论计算公式为：
式中：r为硅钢片电导率，k1为波形系数（正弦波为1.11），Bm为铁芯中最大磁感应强度，b为硅钢片厚度，V为铁芯体积，f为电源频率。
根据以上理论，在实际应用中为减少变压涡流损耗，广泛采用叠片铁芯。铁芯由许多铁磁导体薄片（例如硅钢片）叠成，这些薄片被分开呈梯形状，表面涂有薄层绝缘漆或绝缘的氧化物。磁场穿过薄片的狭窄截面时，涡流被限制在沿各片中的一些狭小回路流过，这些回路中的净电动势较小，回路的长度较大，再由于这种薄片材料的电阻率大，这样就可以显著地减小涡流损耗。
整体硅钢与叠片硅钢涡流比较图：
补充:
由于趋肤效应（导体表面电流密度大，而中心电流密度小。此效应会在后续内容中介绍），在高频变压器中要采用更薄的的硅钢片(标准为0.5mm)，如追求更优越的性能，要使用粉末磁性材料压制的铁芯，方能达到降低涡流损耗良好效果。
本期到此为止啦，谢谢大家关注，下期继续介绍铜损与附加损耗。
