A). 介紹（非線性負載對變壓器的影響及應(yīng)對策略）

大量非線性負載的使用, 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。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，主要包括因為漏磁場導(dǎo)致的線圈損耗等。 更多的損耗意味著變壓器的發(fā)熱，因此會導(dǎo)致變壓器運行溫度升高，絕緣老化，以及壽命減短。

因此，有必要減少變壓器的最大負載，在實際應(yīng)用中即對變壓器采取降額運行方式，或進行額外的設(shè)計考慮以便降低變壓器的相關(guān)損耗。為方便對變壓器的降額估算，我可以采用K-系數(shù)法。K-系數(shù)的計算可按照負載的諧波分布和附加的渦流損耗計算。 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 =負載損耗，
PT =總損耗。

鐵心或空載損耗是由于鐵心的勵磁電壓產(chǎn)生，盡管勵磁電流包含諧波，但通常這部分諧波相對于負載電流和他們產(chǎn)生的損耗是很小的。負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。歐姆損耗正比于負載電流的平方， 包含了諧波部分，當(dāng)它與頻率無關(guān)。它有線圈直流電阻和滿載電流決定。沒有測試方法可以明確每個線圈的渦流損耗，也不能將變壓器的雜散損耗從渦流損耗中分離出來。只能是通過明確總損耗，再將直流損耗從總損耗中減去來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，磁場彎曲，因此更大的方形導(dǎo)體則與漏磁場的矢量正交。實現(xiàn)初級和次級線圈的等高設(shè)計，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。對于干式變壓器，這部分增加的溫度不會影響到線圈的熱點溫度。雜散損耗很難計算，一般是假定此類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)該如何計算K-系值呢？

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

有很多種儀器儀表可以直接讀出負載的K-系數(shù)。 一旦負載的K-系數(shù)已知，那么就可以很簡單地從標(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，純粹的線性負載-即正弦波電流-是K-系數(shù)為“1”的負載。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)計時的考慮

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

干式變壓器的熱點溫度有時是個有爭議的話題，熱點，即最高溫度點，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%的線性負載加上50%的非線性負載時，建議采用K-4變壓器
(B) 當(dāng)100%的線性負載加上75%的非線性負載時，建議采用K-9變壓器
(C) 當(dāng)100%的線性負載加上100%的非線性負載時，建議采用K-13變壓器
(D) 當(dāng)100%的線性負載加上125%的非線性負載時，建議采用K-20變壓器
(E) 當(dāng)100%的線性負載加上150%的非線性負載時，建議采用K-30變壓器

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