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变压器主要是利用电磁感应原理来变换交流电压、电流和阻抗的器件。在讲变压器原理之前需要先了解一下右手定则。 右手定则当给一个线圈通电以后，这个线圈就会产生磁场，磁场的方向可以用右手定则判定。 右手定则：伸开右手握住通电螺线管（线圈），四指顺着电流方向，那么大拇指指的就是磁场方向。 通电螺线管磁场大小和螺线管的匝数、密度、电流大小，有无铁心有关。当螺线管是空心时，由于空气导磁率很低，所以基本被阻挡了。但是当螺线管放入铁心时，由于铁心的导磁率很高，所以磁场会大几千倍。 变压器的原理变压是利用含有铁芯的线圈变压器，按照电磁感应电动势的工作原理，将交流电压变换成频率相同而电压不同的另一种交流电压的静止电气设备。见下图所示。 ●变压器在工作过程中都需要依靠磁通来传递或转换能量，这个磁通称为主磁通，也叫工作磁通，用φ表示。φ由线圈绕组中的励磁电流产生。见下图所示。 ●上图为铁芯线圈电路，图(a)为变压器图形符号，(b)为有铁芯线圈的交流电路示意图。图中箭头→表示电路中的电压、电流和电动势的方向。下面从三个方面进行分析。 一、电磁关系 ●上述电路在正弦电压作用下，线圈中便有电通过匝数为N 的线圈时会产生磁通势 iN。由于铁芯的导磁率远大于空气的磁导率，所以绝大部分磁通将沿铁心而闭合，这部分沿铁心闭合的磁通称为主通(工作磁通)，用示φ表示。此外还有极少部分磁通，经过空气而闭合,这部分磁通称为漏磁通，用φs表示。见上图(b)所示，这两部分磁通将分别在线圈中产生感应电动势即主磁电动势e 和漏磁电动势 es。 ●变压器的空载运行→电压变换，见下图所示。 ●变压器的原绕组接在额定电压为 U1n的交流电源上，副绕组处于开路状态称为变压器的空载运行。在外加正弦电压 u1n的作 用下，原绕组中便有空载电流。通过，空载电流一般很小，仅为原绕组额定电流的百分之几(大容量变压器为 1~3%、小容量变压器通常不超过 10%)。空载电流 io 通过匝数为N 的原绕组，便产生磁通势 ion1 将在铁心中产生交变磁通，磁通的绝大部分 为沿铁心闭合的变压器主磁通φ,φ与原副绕组同时交链。此外 还有极少部分经空气而合，且仅与原绕组相交链的漏磁通 φ1s;由于空气的磁导率远小于铁心，故空载时原绕组的漏磁通 φ1s 是极少的。 (设主磁通为 φ= φm sinωt，则原、副绕组的感应电动势可由上图式求得: E1=4.44fN1φm E2=4.44fN2φm ●空载时变压器的原绕组电路就是一个路。根据电动势平衡关系式，在略去很小的漏磁电动势和 io在原绕组电阻上的电压降(一般两者只占总电压的千分之几)的情况下，则 U1≈E1 因为空载，I2=0，变压器副绕组的端电压U2≈E2，故根据计算公式得: U1/U2o≈E1/E2=N1/N2=k 上式为变压器的基本公式，它说明变压器空载时，原、副组的电压比近等于它的匝数比k，匝数比简称变比，是变压器的一个重要参数，选择适当的变比k就可以实现变换电压的目的。 ●因为漏磁通经过空气而闭合，所以励磁电流 i与φs之间成线性关系，其电感量为常数，用常数 Ls 表示铁芯的漏磁电感。由于铁芯的磁导率不为常数，故励磁电流 i与主磁通φ之间不存在线性关系，即主磁电感L 不为常数，其电磁关系一般只能够用 e=-N×dφ/dt进行分析和计算。 二、电压与电流关系 ●由克希荷夫电压定律可知，在任何瞬间含有铁心线圈电路中 的电动势平衡关系为:u+e+es=Ri 式中R 为线圈的电阻。则 u= Ri +Ls× di/dt+N×dφ/dt 上式说明，在含有铁心线圈的交流电路中，外加电压u应与下述三个分量相平衡，即(1)线圈电阻上的电压降 Ri。(2)漏磁感应电动势 Ls×di/dt。(3)主磁感应电动势N=dφ/dt。通常线圈的电阻R和漏磁电感Ls 其值甚小,与主磁电动势相比较可以忽略不计。 三、功率损耗 ●在交流铁芯线圈中有两部分损耗。线圈电阻R上有铜损耗RI²及铁芯中的铁损(磁滞损耗和涡流损耗)。 具体工作原理： 当给一次线圈通入交流电以后，一次线圈中的交变电流会产生变化磁通。由于铁芯的导磁率远大于空气的磁导率，所以一次线圈产生的绝大部分交变磁通被束缚在铁心中并沿铁心流动。 然而二次线圈和一次线圈套是在同一个铁心上，所以一次线圈产生的交变磁通会穿过二次线圈。根据互感原理，交变磁通穿过这两个绕组就会感应出电动势，其大小与绕组匝数以及主磁通的最大值成正比。绕组匝数多的一侧电压高，绕组匝数少的一侧电压低。 互感：两个相邻放置的线圈，一个线圈产生的变化磁通穿过了另外一个线圈，会在该线圈中产生感应电动势。 当变压器二次侧不接负载时，一二次端电压与一二次绕组匝数成正比，U1÷U2=N1÷N2。由于初级与次级频率保持一致，从而实现电压的升高和降低。 变压器损耗从理论上讲，变压器它只是把电压和电流升高和降低，并不能提高和降低功率，所以变压器输入和输出功率是相等的。如果输入电压高于输出电压，那么输入电流必定小于输出电流；如果输入电压低于输出电压，那么输入电流必定高于输出电流。 但是实际上变压器也是有损耗的，分别铜损和铁损。铜损就是电流通过变压器线圈，线圈会发热损耗电压。铁损分为两部分，一个是“磁滞损耗”，一个是“涡流损耗”。 “磁滞损耗”是铁芯在磁化过程中，由于磁滞现象而产生的铁损，这种损耗与材料的磁滞回线所包围的面积大小成正比。硅钢的磁滞回线狭小，用它做变压器的铁芯磁滞损耗较小，可使其发热程度大大减小。 “涡流损耗”是指变压器工作时，线圈产生的交变磁通会在铁芯中产生感应电动势。而铁心是导体、并形成了闭合回路，所以感应电动势会在铁心内产生像漩涡一样的电流，把这个叫作叫涡流。涡流同样使铁芯发热，消耗电能。 为了提高变压器利用率，变压器铁心采用导磁率非常好的硅钢片制成。为了减少变压器涡流损耗，变压器的铁芯用一般选用0.35mm厚硅钢片涂有绝缘漆叠加而成。同时，硅钢中的硅使材料的电阻率增大，也起到减小涡流的作用。 |
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