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变压器工作原理

        要知道变压器的工作原理,首先要知道它的功能,其实也不外乎就是电压变换;阻抗变换;隔离;稳压(磁饱和变压器)等,变压器常用的铁芯形状一般有E型和C型铁芯。它原理简单但根据不同的使用场合(不同的用途)变压器的绕制工艺会有所不同的要求。电源变压器应用非常广泛。

         变压器按用途可以分为:
 配电变压器、电力变压器、 全密封变压器、组合式变压器、干式变压器、 单相变压器、电炉变压器、整流变压器、电抗器、抗用变压器、防雷变压器、箱式变压器、箱式变电器。

         变压器的最基本型式,包括两组绕有导线之线圈,并且彼此以电感方式称合一起。当一交流电流(具有某一已知频率)流于其中之一组线圈时,于另一组线圈中将感应出具有相同频率之交流电压,而感应的电压大小取决于两线圈耦合及磁交链之程度。一般指连接交流电源的线圈称之为「一次线圈」(Primary coil);而跨于此线圈的电压称之为「一次电压.」。在二次线圈的感应电压可能大于或小于一次电压,是由一次线圈与二次线圈问的「匝数比」所决定的。因此,变压器区分为升压与降压变压器两种。

         大部份的变压器均有固定的铁芯,其上绕有一次与二次的线圈。基于铁材的高导磁性,大部份磁通量局限在铁芯里,因此,两组线圈藉此可以获得相当高程度之磁耦合。在一些变压器中,线圈与铁芯二者间紧密地结合,其一次与二次电压的比值几乎与二者之线圈匝数比相同。因此,变压器之匝数比,一般可作为变压器升压或降压的参考指标。由于此项升压与降压的功能,使得变压器已成为现代化电力系统之一重要附属物,提升输电电压使得长途输送电力更为经济,至于降压变压器,它使得电力运用方面更加多元化,吾人可以如是说,倘无变压器,则现代工业实无法达到目前发展的现况。

     电子变压器除了体积较小外,在电力变压器与电子变压器二者之间,并没有明确的分界线。一般提供60Hz电力网络之电源均非常庞大,它可能是涵盖有半个洲地区那般大的容量。电子装置的电力限制,通常受限于整流、放大,与系统其它组件的能力,其中有些部份属放大电力者,但如与电力系统发电能力相比较,它仍然归属于小电力之范围。

        各种电子装备常用到变压器,理由是:提供各种电压阶层确保系统正常操作;提供系统中以不同电位操作部份得以电气隔离;对交流电流提供高阻抗,但对直流则提供低的阻抗;在不同的电位下,维持或修饰波形与频率响应。「阻抗」其中之一项重要概念,亦即电子学特性之一,其乃预设一种设备,即当电路组件阻抗系从一阶层改变到另外的一个阶层时,其间即使用到一种设备-变压器。

一、变压器---利用电磁感应原理,从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器是电能传递或作为信号传输的重要元件。
变压器 ---- 静止的电磁装置 
变压器可将一种电压的交流电能变换为同频率的另一种电压的交流电能 
电压器的主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组。 

1. 变压器原理 
与电源相连的线圈,接收交流电能,称为一次绕组 
与负载相连的线圈,送出交流电能,称为二次绕组 

一次绕组的         二次绕组的 
电压相量 U1        电压相量 U2 
电流相量 I1          电流相量 I2 
电动势相量 E1     电动势相量 E2 
匝数 N1                  匝数 N2 
同时交链一次,二次绕组的磁通量的相量为 φm ,该磁通量称为主磁通 

补充变压器工作原理:
变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件,当初级线圈中通有交流电流时,铁芯(或磁芯)中便产生交流磁通,使次级线圈中感应出电压(或电流)。
变压器由铁芯(或磁芯)和线圈组成,线圈有两个或两个以上的绕组,其中接电源的绕组叫初级线圈,其余的绕组叫次级线圈。

2.理想变压器 
不计一次、二次绕组的电阻和铁耗, 
其间耦合系数 K=1 的变压器称之为理想变压器 
描述理想变压器的电动势平衡方程式为 
e1(t) = -N1 d φ/dt 
e2(t) = -N2 d φ/dt 
若一次、二次绕组的电压、电动势的瞬时值均按正弦规律变化, 则有 
不计铁心损失,根据能量守恒原理可得 
由此得出一次、二次绕组电压和电流有效值的关系 
令 K=N1/N2,称为匝比(亦称电压比),则 

二.变压器的结构简介 
1.铁芯

铁芯是变压器中主要的磁路部分。通常由含硅量较高,厚度分别为 0.35 mm.3mm.27 mm, 
表面涂有绝缘漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成 ,铁芯分为铁芯柱和横片俩部分,铁芯柱套有绕组;横片是闭合磁路之用。
铁芯结构的基本形式有心式和壳式两种 

2.绕组 
绕组是变压器的电路部分,它是用双丝包绝缘扁线或漆包圆线绕成。 

变压器的基本原理是电磁感应原理,现以单相双绕组变压器为例说明其基本工作原理:当一次侧绕组上加上电压Ú1时,流过电流Í1,在铁芯中就产生交变磁通Ø1,这些磁通称为主磁通,在它作用下,两侧绕组分别感应电势É1,É2,感应电势公式为:E=4.44fNØm 
式中:E--感应电势有效值 
f--频率 
N--匝数 
Øm--主磁通最大值 
由于二次绕组与一次绕组匝数不同,感应电势E1和E2大小也不同,当略去内阻抗压降后,电压Ú1和Ú2大小也就不同。 
当变压器二次侧空载时,一次侧仅流过主磁通的电流(Í0),这个电流称为激磁电流。当二次侧加负载流过负载电流Í2时,也在铁芯中产生磁通,力图改变主磁通,但一次电压不变时,主磁通是不变的,一次侧就要流过两部分电流,一部分为激磁电流Í0,一部分为用来平衡Í2,所以这部分电流随着Í2变化而变化。当电流乘以匝数时,就是磁势。 
上述的平衡作用实质上是磁势平衡作用,变压器就是通过磁势平衡作用实现了一、二次侧的能量传递。

3.变压器技术参数 

对不同类型的变压器都有相应的技术要求,可用相应的技术参数表示.如电源变压器的主要技述参数有:额定功率、额定电压和电压比、额定频率、工作温度等级、温升、电压调整率、绝缘性能和防潮性能,对于一般低频变压器的主要技述参数是:变压比、频率特性、非线性失真、磁屏蔽和静电屏蔽、效率等.


A.电压比:
变压器两组线圈圈数分别为N1和N2,N1为初级,N2为次级.在初级线圈上加一交流电压,在次级线圈两端就会产生感应电动势.当N2>N1时,其感应电动势要比初级所加的电压还要高,这种变压器称为升压变压器:当N2<N1时,其感应电动势低于初级电压,这种变压器称为降变压器.初级次级电压和线圈圈数间具有下列关系:
U1/U2=N1/N2
式中n称为电压比(圈数比).当n<1时,则N1>N2,U1>U2,该变压器为降压变压器.反之则为升压变压器.
另有电流之比I1/I2=N2/N1
电功率P1=P2
注意上面的式子只在理想变压器只有一个副线圈时成立
当有两个副线圈时P1=P2+P3,U1/N1=U2/N2=U3/N3,电流则须利用电功率的关系式去求,有多个时依此推类

B.变压器的效率:
在额定功率时,变压器的输出功率和输入功率的比值,叫做变压器的效率,即
η=(P2÷P1)x100%
式中η为变压器的效率;P1为输入功率,P2为输出功率.
当变压器的输出功率P2等于输入功率P1时,效率η等于100%,变压器将不产生任何损耗.但实际上这种变压器是没有的.变压器传输电能时总要产生损耗,这种损耗主要有铜损和铁损.
铜损是指变压器线圈电阻所引起的损耗.当电流通过线圈电阻发热时,一部分电能就转变为热能而损耗.由于线圈一般都由带绝缘的铜线缠绕而成,因此称为铜损.
变压器的铁损包括两个方面.一是磁滞损耗,当交流电流通过变压器时,通过变压器硅钢片的磁力线其方向和大小随之变化,使得硅钢片内部分子相互摩擦,放出热能,从而损耗了一部分电能,这便是磁滞损耗.另一是涡流损耗,当变压器工作时.铁芯中有磁力线穿过,在与磁力线垂直的平面上就会产生感应电流,由于此电流自成闭合回路形成环流,且成旋涡状,故称为涡流.涡流的存在使铁芯发热,消耗能量,这种损耗称为涡流损耗.
变压器的效率与变压器的功率等级有密切关系,通常功率越大,损耗与输出功率就越小,效率也就越高.反之,功率越小,效率也就越低.

C变压器的功率
变压器铁心磁通和施加的电压有关。在电流中励磁电流不会随着负载的增加而增加。虽然负载增加铁心不会饱和,将使线圈的电阻损耗增加,超过额定容量由于线圈产生的热量不能及时的散出,线圈会损坏,假如你用的线圈是由超导材料组成,电流增大不会引起发热,但变压器内部还有漏磁引起的阻抗,但电流增大,输出电压会下降,电流越大,输出电压越低,所以变压器输出功率不可能是无限的。假如你又说了,变压器没有阻抗,那么当变压器流过电流时会产生特别大电动力,很容易使变压器线圈损坏,虽然你有了一台功率无限的变压器但不能用。只能这样说,随着超导材料和铁心材料的发展,相同体积或重量的变压器输出功率会增大,但不是无限大!

怎样判别电源变压器参数
电源变压器标称功率、电压、电流等参数的标记,日久会脱落或消失。有的市售变压器根本不标注任何参数。这给使用带来极大不便。下面介绍无标记电源变压器参数的判别方法。此方法对选购电源变压器也有参考价值。 

三、识别电源变压器 
1. 从外形识别 常用电源变压器的铁芯有E形和C形两种。E形铁芯变压器呈壳式结构(铁芯包裹线圈),采用D41、D42优质硅钢片作铁芯,应用广泛。C形铁芯变压器用冷轧硅钢带作铁芯,磁漏小,体积小,呈芯式结构(线圈包裹铁芯)。 
2. 从绕组引出端子数识别 电源变压器常见的有两个绕组,即一个初级和一个次级绕组,因此有四个引出端。有的电源变压器为防止交流声及其他干扰,初、次级绕组间往往加一屏蔽层,其屏蔽层是接地端。因此,电源变压器接线端子至少是4个。 
3. 从硅钢片的叠片方式识别 E形电源变压器的硅钢片是交*插入的,E片和I片间不留空气隙,整个铁芯严丝合缝。音频输入、输出变压器的E片和I片之间留有一定的空气隙,这是区别电源和音频变压器的最直观方法。至于C形变压器,一般都是电源变压器。 

四、功率的估算 
电源变压器传输功率的大小,取决于铁芯的材料和横截面积。所谓横截面积,不论是E形壳式结构,或是E形芯式结构(包括C形结构),均是指绕组所包裹的那段芯柱的横断面(矩形)面积。在测得铁芯截面积S之后,即可按P=S2/1.5估算出变压器的功率P。式中S的单位是cm2。 
例如:测得某电源变压器的铁芯截面积S=7cm2,估算其功率,得P=S2/1.5=72/1.5=33W剔除各种误差外,实际标称功率是30W。 

五、各绕组电压的测量 
要使一个没有标记的电源变压器利用起来,找出初级的绕组,并区分次级绕组的输出电压是最基本的任务。现以一实例说明判断方法。 
例:已知一电源变压器,共10个接线端子。试判断各绕组电压。 
第一步:分清绕组的组数,画出电路图。 
用万用表R×1挡测量,凡相通的端子即为一个绕组。现测得:两两相通的有3组,三个相通的有1组,还有一个端子与其他任何端子都不通。照上述测量结果,画出电路图,并编号。 
从测量可知,该变压器有4个绕组,其中标号⑤、⑥、⑦的是一带抽头的绕组,⑩号端子与任一绕组均不相通,是屏蔽层引出端子。 
第二步:确定初级绕组。 
对于降压式电源变压器,初级绕组的线径较细,匝数也比次级绕组多。因此,像图4这样的降压变压器,其电阻最大的是初级绕组。 
第三步:确定所有次级绕组的电压。 
在初级绕组上通过调压器接入交流电,缓缓升压直至220V。依次测量各绕组的空载电压,标注在各输出端。如果变压器在空载状态下较长时间不发热,说明变压器性能基本完好,也进一步验证了判定的初级绕组是正确的。 

六、各次级绕组最大电流的确定 
变压器次级绕组输出电流取决于该绕组漆包线的直径D。漆包线的直径可从引线端子处直接测得。测出直径后,依据公式I=2D2,可求出该绕组的最大输出电流。式中D的单位是mm。

 

 

 

 

 


 

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