變壓器基礎 (Transformer Basics)

變壓器是一種靜止的電氣設備，利用法拉第電磁感應定律
(Faraday’s Law of Electromagnetic
Induction)，在不改變頻率的情況下，將交流電（AC）能從一個電路轉移到另一個電路。在
110V 至 1000V 的低壓應用中，變壓器主要用於降壓（如 480V 降至 110V/220V
供工業與商業設備使用）或隔離。

• 核心原理：
  當一次側（Primary）繞組通入交流電流時，會在鐵心中產生交變磁通，進而在二次側（Secondary）繞組感應出電勢。

• 電壓比公式： $V_p / V_s = N_p / N_s = a$（其中
  $a$ 為匝數比）。

• 

2. 變壓器結構 (Transformer Construction)

低壓變壓器多採用乾式 (Dry-type)
結構，主要由鐵心（Core）與繞組（Windings）組成。

• 心式 (Core-form)：
  繞組包圍鐵心，結構簡單，絕緣處理較容易。

• 殼式 (Shell-form)：
  鐵心包圍繞組，機械強度較佳，適用於高電流應用。

(上圖顯示了心式與殼式變壓器的磁路佈局差異)

3. 變壓器負載特性 (Transformer Loading)

變壓器在負載（Loading）狀態下，二次側電流會產生反磁向電動勢，使一次側電流增加以維持磁平衡。

• 等效電路：
  分析負載時，通常會將二次側的阻抗摺合至一次側。

• 電壓降：
  由於繞組存在電阻與漏感抗，負載電流越大，輸出端電壓通常會隨之下降。

4. 多繞組變壓器 (Multiple Winding Transformers)

具有三個或更多繞組的變壓器。常見於需要提供多種電壓等級（如同時提供
110V 與 220V）或提供電氣隔離的控制電路。

5. 自耦變壓器 (The Autotransformer)

自耦變壓器的一次與二次側共享部分繞組。

• 優點： 在電壓比接近 1 時（例如 220V 轉
  110V），體積比傳統隔離變壓器更小、效率更高、成本更低。

• 缺點：
  沒有電氣隔離功能，一次側的故障可能直接傳導至二次側。

(自耦變壓器結構，顯示了公用繞組與串聯繞組的配置)

6. 比流器 (The Current Transformer, CT)

用於測量大電流。它將高電流按固定比例縮小為 5A 或 1A
的標準電流，以便儀表測量。

• 注意： CT
  二次側嚴禁開路，否則會產生極高感應電壓，損壞設備或危及人身安全。

7. 三相變壓器 (Three Phase Transformers)

工業系統（如 380V、440V、480V）多採用三相電力。

• 連接方式：

  • 星形 (Wye/Y)：
    具備中性點，可提供三相四線電力。

  • 三角形 (Delta/Δ)：
    適用於動力傳輸，可抑制第三諧波。

• 常見接線： $\Delta-Y$
  接線，常用於工業降壓系統，可提供穩定的中性點接地。

8. 標么值介紹 (Transformer Per-unit Value Introduction)

標么值 (Per-unit, pu) 是一種將實際物理量（V, A, $\Omega$,
W）除以基準值（Base Value）後的比例值。

• 公式： $\text{pu 值} = \frac{\text{實際值}}{\text{基準值}}$

• 優勢：
  變壓器的阻抗標么值在不論從一次側或二次側看都相同，能極大簡化多級電壓系統的計算。

9. 電壓調整率 (Transformer Voltage Regulation)

反映變壓器在無負載到全負載時，二次側輸出電壓的穩定程度。

• 公式： $VR\% = \frac{|V_{NL}| – |V_{FL}|}{|V_{FL}|} \times 100\%$

• 功率因數 (PF) 影響：

  • 落後 PF (電感負載)： $VR$
    為正值（輸出電壓下降）。

  • 超前 PF (電容負載)： $VR$
    可能為負值（輸出電壓反而上升）。

(上圖顯示了落後、領先與單位功率因數下的電壓降相量關係)

10. 真實變壓器中的損耗與國際效率標準

10.1 損耗分類 (Transformer Losses)

1. 無負載損耗（核心損耗）：
   由鐵心中的磁滯損 (Hysteresis Loss) 與 渦流損
   (Eddy Current Loss)
   組成，與負載大小無關，只要加壓即存在。

2. 負載損耗（銅損）： 繞組電阻產生的 $I^2R$
   損耗，隨負載電流平方增加。

3. 雜散損耗 (Stray Loss)：
   漏磁通在金屬結構件中產生的渦流損耗。

10.2 國際效率標準與最低能源效能標準 (MEPS)

針對 1000V 以下的乾式變壓器，各國實施了嚴格的法規：

• 歐盟 (IEC 60076 & Ecodesign Tier 2)：

  • Tier 2 已於 2021 年 7 月實施。相較於 Tier
    1，Tier 2 要求進一步降低無負載與負載損耗約 10%，並引入 PEI (Peak
    Efficiency Index) 指標。

• 美國 (DOE 2016 – 10 CFR 431)：

  • 強制規定低壓乾式變壓器 (LVDT) 在 35% 負載
    下必須達到特定效率等級。例如，15 kVA 三相變壓器效率需達到 97.89%
    以上。

• 加拿大 (CSA C802.2)：

  • CSA C802.2-12 與美國 DOE 2016 標準高度一致，主要針對 60Hz
    的乾式變壓器。

• 澳洲/紐西蘭 (AS/NZS 60076 / MEPS)：

  • 採用 AS 2374.1.2 標準，要求變壓器在 50%
    負載 下達到最低效率。其標準值通常依據繞組最高系統電壓 (Um)
    分類。

• 印度 (BIS – IS 1180)：

  • IS 1180-1:2014 將效率分為 Level 1、2、3 三個級別，Level 3
    為最高效。目前印度市場強制要求許多型式需具備 BIS 認證標誌。

• 巴西 (ABNT NBR)：

  • NBR 10295 規範了乾式變壓器的效率與測試要求，針對
    60Hz 系統優化。

10.3 選擇高效率變壓器的經濟價值

雖然符合 Tier 2 或 DOE 2016
的高效能變壓器初期購置成本較高，但由於變壓器通常 24
小時運轉，降低的「無負載損耗」能在 3-5
年內透過節省電費回本，且整體生命週期成本 (TCO) 更低。