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      變壓器工作原理


      要知道變壓器的工作原理,首先要知道它的功能,其實也不外乎就是電壓變換;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。它原理簡單但根據不同的使用場合(不同的用途)變壓器的繞制工藝會有所不同的要求。電源變壓器應用非常廣泛。

      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。

      變壓器的最基本型式,包括兩組繞有導線之線圈,并且彼此以電感方式稱合一起。當一交流電流(具有某一已知頻率)流于其中之一組線圈時,于另一組線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圈耦合及磁交鏈之程度。

      一般指連接交流電源的線圈稱之為「一次線圈」(Primary coil);而跨于此線圈的電壓稱之為「一次電壓.」。在二次線圈的感應電壓可能大于或小于一次電壓,是由一次線圈與二次線圈問的「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圈。基于鐵材的高導磁性,大部份磁通量局限在鐵芯里,因此,兩組線圈藉此可以獲得相當高程度之磁耦合。在一些變壓器中,線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途輸送電力更為經濟,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,倘無變壓器,則現代工業實無法達到目前發展的現況。

      [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,并沒有明確的分界線。一般提供60Hz電力網絡之電源均非常龐大,它可能是涵蓋有半個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。「阻抗」其中之一項重要概念,亦即電子學特性之一,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階層時,其間即使用到一種設備-變壓器。

      變壓器的結構簡介

      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或漆包圓線繞成

      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明其基本工作原理:當一次側繞組上加上電壓Ú1時,流過電流Í1,在鐵芯中就產生交變磁通Ø1,這些磁通稱為主磁通,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=4.44fNØm

      式中:E--感應電勢有效值

      f--頻率

      N--匝數

      Øm--主磁通最大值

      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,一次側僅流過主磁通的電流(Í0),這個電流稱為激磁電流。當二次側加負載流過負載電流Í2時,也在鐵芯中產生磁通,力圖改變主磁通,但一次電壓不變時,主磁通是不變的,一次側就要流過兩部分電流,一部分為激磁電流Í0,一部分為用來平衡Í2,所以這部分電流隨著Í2變化而變化。當電流乘以匝數時,就是磁勢。

      上述的平衡作用實質上是磁勢平衡作用,變壓器就是通過磁勢平衡作用實現了一、二次側的能量傳遞。

      變壓器技術參數 對不同類型的變壓器都有相應的技術要求,可用相應的技術參數表示.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、非線性失真、磁屏蔽和靜電屏蔽、效率等.

      A.電壓比:

      變壓器兩組線圈圈數分別為N1和N2,N1為初級,N2為次級.在初級線圈上加一交流電壓,在次級線圈兩端就會產生感應電動勢.當N2>N1時,其感應電動勢要比初級所加的電壓還要高,這種變壓器稱為升壓變壓器:當N2&lt;N1時,其感應電動勢低于初級電壓,這種變壓器稱為降變壓器.初級次級電壓和線圈圈數間具有下列關系:

      U1/U2=N1/N2

      式中n稱為電壓比(圈數比).當n<1時,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副線圈時成立

      當有兩個副線圈時P1=P2+P3,U1/N1=U2/N2=U3/N3,電流則須利用電功率的關系式去求,有多個時依此推類

      B.變壓器的效率:

      在額定功率時,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,效率η等于100%,變壓器將不產生任何損耗.但實際上這種變壓器是沒有的.變壓器傳輸電能時總要產生損耗,這種損耗主要有銅損和鐵損.

      銅損是指變壓器線圈電阻所引起的損耗.當電流通過線圈電阻發熱時,一部分電能就轉變為熱能而損耗.由于線圈一般都由帶絕緣的銅線纏繞而成,因此稱為銅損.

      變壓器的鐵損包括兩個方面.一是磁滯損耗,當交流電流通過變壓器時,通過變壓器硅鋼片的磁力線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.鐵芯中有磁力線穿過,在與磁力線垂直的平面上就會產生感應電流,由于此電流自成閉合回路形成環流,且成旋渦狀,故稱為渦流.渦流的存在使鐵芯發熱,消耗能量,這種損耗稱為渦流損耗.

      變壓器的效率與變壓器的功率等級有密切關系,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。在電流中勵磁電流不會隨著負載的增加而增加。雖然負載增加鐵心不會飽和,將使線圈的電阻損耗增加,超過額定容量由于線圈產生的熱量不能及時的散出,線圈會損壞,假如你用的線圈是由超導材料組成,電流增大不會引起發熱,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限的。假如你又說了,變壓器沒有阻抗,那么當變壓器流過電流時會產生特別大電動力,很容易使變壓器線圈損壞,雖然你有了一臺功率無限的變壓器但不能用。只能這樣說,隨著超導材料和鐵心材料的發展,相同體積或重量的變壓器輸出功率會增大,但不是無限大!

      怎樣判別電源變壓器參數

      電源變壓器標稱功率、電壓、電流等參數的標記,日久會脫落或消失。有的市售變壓器根本不標注任何參數。這給使用帶來極大不便。下面介紹無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值。

      一、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,實際標稱功率是30W。

      二、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(鐵芯包裹線圈),采用D41、D42優質硅鋼片作鐵芯,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(線圈包裹鐵芯)。

      2. 從繞組引出端子數識別 電源變壓器常見的有兩個繞組,即一個初級和一個次級繞組,因此有四個引出端。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,電源變壓器接線端子至少是4個。

      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最直觀方法。至于C形變壓器,一般都是電源變壓器。

      三、各繞組電壓的測量

      要使一個沒有標記的電源變壓器利用起來,找出初級的繞組,并區分次級繞組的輸出電壓是最基本的任務。現以一實例說明判斷方法。

      例:已知一電源變壓器,共10個接線端子。試判斷各繞組電壓。

      第一步:分清繞組的組數,畫出電路圖。

      用萬用表R×1擋測量,凡相通的端子即為一個繞組。現測得:兩兩相通的有3組,三個相通的有1組,還有一個端子與其他任何端子都不通。照上述測量結果,畫出電路圖,并編號。

      從測量可知,該變壓器有4個繞組,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,其電阻最大的是初級繞組。

      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下較長時間不發熱,說明變壓器性能基本完好,也進一步驗證了判定的初級繞組是正確的。

       

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