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    產(chǎn)品知識
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    變壓器基本原理及入門(mén)知識

    變壓器幾乎在所有的電子產(chǎn)品中都要用到,它原理簡(jiǎn)單但根據不同的使用場(chǎng)合(不同的用途)變壓器的繞制工藝會(huì )有所不同的要求。變壓器的功能主要有:電壓變換;阻抗變換;隔離;穩壓(磁飽和變壓器)等,變壓器常用的鐵芯形狀一般有E型和C型鐵芯。

    變壓器按用途可以分為:配電變壓器、電力變壓器、 全密封變壓器、組合式變壓器、干式變壓器、 單相變壓器、電爐變壓器、整流變壓器、電抗器、抗用變壓器、防雷變壓器、箱式變壓器、箱式變電器。

    變壓器的*基本型式,包括兩組繞有導線(xiàn)之線(xiàn)圈,并且彼此以電感方式稱(chēng)合一起。當一交流電流(具有某一已知頻率)流于其中之一組線(xiàn)圈時(shí),于另一組線(xiàn)圈中將感應出具有相同頻率之交流電壓,而感應的電壓大小取決于兩線(xiàn)圈耦合及磁交鏈之程度。

    一般指連接交流電源的線(xiàn)圈稱(chēng)之為「一次線(xiàn)圈」(Primary coil);而跨于此線(xiàn)圈的電壓稱(chēng)之為「一次電壓.」。在二次線(xiàn)圈的感應電壓可能大于或小于一次電壓,是由一次線(xiàn)圈與二次線(xiàn)圈問(wèn)的「匝數比」所決定的。因此,變壓器區分為升壓與降壓變壓器兩種。

    大部份的變壓器均有固定的鐵芯,其上繞有一次與二次的線(xiàn)圈?;阼F材的高導磁性,大部份磁通量局限在鐵芯里,因此,兩組線(xiàn)圈藉此可以獲得相當高程度之磁耦合。在一些變壓器中,線(xiàn)圈與鐵芯二者間緊密地結合,其一次與二次電壓的比值幾乎與二者之線(xiàn)圈匝數比相同。因此,變壓器之匝數比,一般可作為變壓器升壓或降壓的參考指標。由于此項升壓與降壓的功能,使得變壓器已成為現代化電力系統之一重要附屬物,提升輸電電壓使得長(cháng)途輸送電力更為經(jīng)濟,至于降壓變壓器,它使得電力運用方面更加多元化,吾人可以如是說(shuō),倘無(wú)變壓器,則現代工業(yè)實(shí)無(wú)法達到目前發(fā)展的現況。

    [1] 電子變壓器除了體積較小外,在電力變壓器與電子變壓器二者之間,并沒(méi)有明確的分界線(xiàn)。一般提供60Hz電力網(wǎng)絡(luò )之電源均非常龐大,它可能是涵蓋有半個(gè)洲地區那般大的容量。電子裝置的電力限制,通常受限于整流、放大,與系統其它組件的能力,其中有些部份屬放大電力者,但如與電力系統發(fā)電能力相比較,它仍然歸屬于小電力之范圍。

    各種電子裝備常用到變壓器,理由是:提供各種電壓階層確保系統正常操作;提供系統中以不同電位操作部份得以電氣隔離;對交流電流提供高阻抗,但對直流則提供低的阻抗;在不同的電位下,維持或修飾波形與頻率響應?!缸杩埂蛊渲兄豁椫匾拍?,亦即電子學(xué)特性之一,其乃預設一種設備,即當電路組件阻抗系從一階層改變到另外的一個(gè)階層時(shí),其間即使用到一種設備-變壓器。

    變壓器---利用電磁感應原理,從一個(gè)電路向另一個(gè)電路傳遞電能或傳輸信號的一種電器是電能傳遞或作為信號傳輸的重要元件

    1.變壓器 ---- 靜止的電磁裝置

    變壓器可將一種電壓的交流電能變換為同頻率的另一種電壓的交流電能

    電壓器的主要部件是一個(gè)鐵心和套在鐵心上的兩個(gè)繞組。

    變壓器原理

    與電源相連的線(xiàn)圈,接收交流電能,稱(chēng)為一次繞組

    與負載相連的線(xiàn)圈,送出交流電能,稱(chēng)為二次繞組

    一次繞組的 二次繞組的

    電壓相量 U1 電壓相量 U2

    電流相量 I1 電流相量 I2

    電動(dòng)勢相量 E1 電動(dòng)勢相量 E2

    匝數 N1 匝數 N2

    同時(shí)交鏈一次,二次繞組的磁通量的相量為 φm ,該磁通量稱(chēng)為主磁通

    補充變壓器工作原理:

    變壓器是變換交流電壓、電流和阻抗的器件,當初級線(xiàn)圈中通有交流電流時(shí),鐵芯(或磁芯)中便產(chǎn)生交流磁通,使次級線(xiàn)圈中感應出電壓(或電流)。

    變壓器由鐵芯(或磁芯)和線(xiàn)圈組成,線(xiàn)圈有兩個(gè)或兩個(gè)以上的繞組,其中接電源的繞組叫初級線(xiàn)圈,其余的繞組叫次級線(xiàn)圈。

    2.理想變壓器

    不計一次、二次繞組的電阻和鐵耗,

    其間耦合系數 K=1 的變壓器稱(chēng)之為理想變壓器

    描述理想變壓器的電動(dòng)勢平衡方程式為

    e1(t) = -N1 d φ/dt

    e2(t) = -N2 d φ/dt

    若一次、二次繞組的電壓、電動(dòng)勢的瞬時(shí)值均按正弦規律變化,

    則有

    不計鐵心損失,根據能量守恒原理可得

    由此得出一次、二次繞組電壓和電流有效值的關(guān)系

    令 K=N1/N2,稱(chēng)為匝比(亦稱(chēng)電壓比),則

    二.變壓器的結構簡(jiǎn)介

    1.鐵心

    鐵心是變壓器中主要的磁路部分。通常由含硅量較高,厚度分別為 0.35 mm.3mm.27 mm,

    表面涂有絕緣漆的熱軋或冷軋硅鋼片疊裝而成

    鐵心分為鐵心柱和橫片倆部分,鐵心柱套有繞組;橫片是閉合磁路之用

    鐵心結構的基本形式有心式和殼式兩種

    2.繞組

    繞組是變壓器的電路部分,

    它是用雙絲包絕緣扁線(xiàn)或漆包圓線(xiàn)繞成

    變壓器的基本原理是電磁感應原理,現以單相雙繞組變壓器為例說(shuō)明其基本工作原理:當一次側繞組上加上電壓ú1時(shí),流過(guò)電流í1,在鐵芯中就產(chǎn)生交變磁通?1,這些磁通稱(chēng)為主磁通,在它作用下,兩側繞組分別感應電勢é1,é2,感應電勢公式為:E=4.44fN?m

    式中:E--感應電勢有效值

    f--頻率

    N--匝數

    ?m--主磁通**值

    由于二次繞組與一次繞組匝數不同,感應電勢E1和E2大小也不同,當略去內阻抗壓降后,電壓ú1和ú2大小也就不同。

    當變壓器二次側空載時(shí),一次側僅流過(guò)主磁通的電流(í0),這個(gè)電流稱(chēng)為激磁電流。當二次側加負載流過(guò)負載電流í2時(shí),也在鐵芯中產(chǎn)生磁通,力圖改變主磁通,但一次電壓不變時(shí),主磁通是不變的,一次側就要流過(guò)兩部分電流,一部分為激磁電流í0,一部分為用來(lái)平衡í2,所以這部分電流隨著(zhù)í2變化而變化。當電流乘以匝數時(shí),就是磁勢。

    上述的平衡作用實(shí)質(zhì)上是磁勢平衡作用,變壓器就是通過(guò)磁勢平衡作用實(shí)現了一、二次側的能量傳遞。

    變壓器技術(shù)參數 對不同類(lèi)型的變壓器都有相應的技術(shù)要求,可用相應的技術(shù)參數表示.如電源變壓器的主要技述參數有:額定功率、額定電壓和電壓比、額定頻率、工作溫度等級、溫升、電壓調整率、絕緣性能和防潮性能,對于一般低頻變壓器的主要技述參數是:變壓比、頻率特性、非線(xiàn)性失真、磁屏蔽和靜電屏蔽、效率等.

    A.電壓比:

    變壓器兩組線(xiàn)圈圈數分別為N1和N2,N1為初級,N2為次級.在初級線(xiàn)圈上加一交流電壓,在次級線(xiàn)圈兩端就會(huì )產(chǎn)生感應電動(dòng)勢.當N2>N1時(shí),其感應電動(dòng)勢要比初級所加的電壓還要高,這種變壓器稱(chēng)為升壓變壓器:當N2

    U1/U2=N1/N2

    式中n稱(chēng)為電壓比(圈數比).當n<1時(shí),則N1>N2,U1>U2,該變壓器為降壓變壓器.反之則為升壓變壓器.

    另有電流之比I1/I2=N2/N1

    電功率P1=P2

    注意上面的式子只在理想變壓器只有一個(gè)副線(xiàn)圈時(shí)成立

    當有兩個(gè)副線(xiàn)圈時(shí)P1=P2+P3,U1/N1=U2/N2=U3/N3,電流則須利用電功率的關(guān)系式去求,有多個(gè)時(shí)依此推類(lèi)

    B.變壓器的效率:

    在額定功率時(shí),變壓器的輸出功率和輸入功率的比值,叫做變壓器的效率,即

    η=(P2÷P1)x100%

    式中η為變壓器的效率;P1為輸入功率,P2為輸出功率.

    當變壓器的輸出功率P2等于輸入功率P1時(shí),效率η等于100%,變壓器將不產(chǎn)生任何損耗.但實(shí)際上這種變壓器是沒(méi)有的.變壓器傳輸電能時(shí)總要產(chǎn)生損耗,這種損耗主要有銅損和鐵損.

    銅損是指變壓器線(xiàn)圈電阻所引起的損耗.當電流通過(guò)線(xiàn)圈電阻發(fā)熱時(shí),一部分電能就轉變?yōu)闊崮芏鴵p耗.由于線(xiàn)圈一般都由帶絕緣的銅線(xiàn)纏繞而成,因此稱(chēng)為銅損.

    變壓器的鐵損包括兩個(gè)方面.一是磁滯損耗,當交流電流通過(guò)變壓器時(shí),通過(guò)變壓器硅鋼片的磁力線(xiàn)其方向和大小隨之變化,使得硅鋼片內部分子相互摩擦,放出熱能,從而損耗了一部分電能,這便是磁滯損耗.另一是渦流損耗,當變壓器工作時(shí).鐵芯中有磁力線(xiàn)穿過(guò),在與磁力線(xiàn)垂直的平面上就會(huì )產(chǎn)生感應電流,由于此電流自成閉合回路形成環(huán)流,且成旋渦狀,故稱(chēng)為渦流.渦流的存在使鐵芯發(fā)熱,消耗能量,這種損耗稱(chēng)為渦流損耗.

    變壓器的效率與變壓器的功率等級有密切關(guān)系,通常功率越大,損耗與輸出功率就越小,效率也就越高.反之,功率越小,效率也就越低.

    C變壓器的功率

    變壓器鐵心磁通和施加的電壓有關(guān)。在電流中勵磁電流不會(huì )隨著(zhù)負載的增加而增加。雖然負載增加鐵心不會(huì )飽和,將使線(xiàn)圈的電阻損耗增加,超過(guò)額定容量由于線(xiàn)圈產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)的散出,線(xiàn)圈會(huì )損壞,假如你用的線(xiàn)圈是由超導材料組成,電流增大不會(huì )引起發(fā)熱,但變壓器內部還有漏磁引起的阻抗,但電流增大,輸出電壓會(huì )下降,電流越大,輸出電壓越低,所以變壓器輸出功率不可能是無(wú)限的。假如你又說(shuō)了,變壓器沒(méi)有阻抗,那么當變壓器流過(guò)電流時(shí)會(huì )產(chǎn)生特別大電動(dòng)力,很容易使變壓器線(xiàn)圈損壞,雖然你有了一臺功率無(wú)限的變壓器但不能用。只能這樣說(shuō),隨著(zhù)超導材料和鐵心材料的發(fā)展,相同體積或重量的變壓器輸出功率會(huì )增大,但不是無(wú)限大!

    怎樣判別電源變壓器參數

    電源變壓器標稱(chēng)功率、電壓、電流等參數的標記,日久會(huì )脫落或消失。有的市售變壓器根本不標注任何參數。這給使用帶來(lái)極大不便。下面介紹無(wú)標記電源變壓器參數的判別方法。此方法對選購電源變壓器也有參考價(jià)值。

    一、識別電源變壓器

    1. 從外形識別 常用電源變壓器的鐵芯有E形和C形兩種。E形鐵芯變壓器呈殼式結構(鐵芯包裹線(xiàn)圈),采用D41、D42優(yōu)質(zhì)硅鋼片作鐵芯,應用廣泛。C形鐵芯變壓器用冷軋硅鋼帶作鐵芯,磁漏小,體積小,呈芯式結構(線(xiàn)圈包裹鐵芯)。

    2. 從繞組引出端子數識別 電源變壓器常見(jiàn)的有兩個(gè)繞組,即一個(gè)初級和一個(gè)次級繞組,因此有四個(gè)引出端。有的電源變壓器為防止交流聲及其他干擾,初、次級繞組間往往加一屏蔽層,其屏蔽層是接地端。因此,電源變壓器接線(xiàn)端子至少是4個(gè)。

    3. 從硅鋼片的疊片方式識別 E形電源變壓器的硅鋼片是交*插入的,E片和I片間不留空氣隙,整個(gè)鐵芯嚴絲合縫。音頻輸入、輸出變壓器的E片和I片之間留有一定的空氣隙,這是區別電源和音頻變壓器的*直觀(guān)方法。至于C形變壓器,一般都是電源變壓器。

    二、功率的估算

    電源變壓器傳輸功率的大小,取決于鐵芯的材料和橫截面積。所謂橫截面積,不論是E形殼式結構,或是E形芯式結構(包括C形結構),均是指繞組所包裹的那段芯柱的橫斷面(矩形)面積。在測得鐵芯截面積S之后,即可按P=S2/1.5估算出變壓器的功率P。式中S的單位是cm2。

    例如:測得某電源變壓器的鐵芯截面積S=7cm2,估算其功率,得P=S2/1.5=72/1.5=33W剔除各種誤差外,實(shí)際標稱(chēng)功率是30W。

    三、各繞組電壓的測量

    要使一個(gè)沒(méi)有標記的電源變壓器利用起來(lái),找出初級的繞組,并區分次級繞組的輸出電壓是*基本的任務(wù)?,F以一實(shí)例說(shuō)明判斷方法。

    例:已知一電源變壓器,共10個(gè)接線(xiàn)端子。試判斷各繞組電壓。

    第一步:分清繞組的組數,畫(huà)出電路圖。

    用萬(wàn)用表R×1擋測量,凡相通的端子即為一個(gè)繞組?,F測得:兩兩相通的有3組,三個(gè)相通的有1組,還有一個(gè)端子與其他任何端子都不通。照上述測量結果,畫(huà)出電路圖,并編號。

    從測量可知,該變壓器有4個(gè)繞組,其中標號⑤、⑥、⑦的是一帶抽頭的繞組,⑩號端子與任一繞組均不相通,是屏蔽層引出端子。

    第二步:確定初級繞組。

    對于降壓式電源變壓器,初級繞組的線(xiàn)徑較細,匝數也比次級繞組多。因此,像圖4這樣的降壓變壓器,其電阻**的是初級繞組。

    第三步:確定所有次級繞組的電壓。

    在初級繞組上通過(guò)調壓器接入交流電,緩緩升壓直至220V。依次測量各繞組的空載電壓,標注在各輸出端。如果變壓器在空載狀態(tài)下較長(cháng)時(shí)間不發(fā)熱,說(shuō)明變壓器性能基本完好,也進(jìn)一步驗證了判定的初級繞組是正確的。

    四、各次級繞組**電流的確定

    變壓器次級繞組輸出電流取決于該繞組漆包線(xiàn)的直徑D。漆包線(xiàn)的直徑可從引線(xiàn)端子處直接測得。測出直徑后,依據公式I=2D2,可求出該繞組的**輸出電流。式中D的單位是mm。

    變壓器的原理

    圖1是變壓器的原理簡(jiǎn)體圖,當一個(gè)正弦交流電壓U1加在初級線(xiàn)圈兩端時(shí),導線(xiàn)中就有交變電流I1并產(chǎn)生交變磁通ф1,它沿著(zhù)鐵芯穿過(guò)初級線(xiàn)圈和次級線(xiàn)圈形成閉合的磁路。在次級線(xiàn)圈中感應出互感電勢U2,同時(shí)ф1也會(huì )在初級線(xiàn)圈上感應出一個(gè)自感電勢E1,E1的方向與所加電壓U1方向相反而幅度相近,從而限制了I1的大小。為了保持磁通ф1的存在就需要有一定的電能消耗,并且變壓器本身也有一定的損耗,盡管此時(shí)次級沒(méi)接負載,初級線(xiàn)圈中仍有一定的電流,這個(gè)電流我們稱(chēng)為“空載電流”。

    如果次級接上負載,次級線(xiàn)圈就產(chǎn)生電流I2,并因此而產(chǎn)生磁通ф2,ф2的方向與ф1相反,起了互相抵消的作用,使鐵芯中總的磁通量有所減少,從而使初級自感電壓E1減少,其結果使I1增大,可見(jiàn)初級電流與次級負載有密切關(guān)系。當次級負載電流加大時(shí)I1增加,ф1也增加,并且ф1增加部分正好補充了被ф2所抵消的那部分磁通,以保持鐵芯里總磁通量不變。如果不考慮變壓器的損耗,可以認為一個(gè)理想的變壓器次級負載消耗的功率也就是初級從電源取得的電功率。變壓器能根據需要通過(guò)改變次級線(xiàn)圈的圈數而改變次級電壓,但是不能改變允許負載消耗的功率。


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