變壓器原理

變壓器原理——基礎(chǔ)概念

　　電源在現(xiàn)代電子設(shè)備中的重要性日漸提高，因此電源的工作效率、體積以及安全要求等技術(shù)性能指標(biāo)亦隨之越來越高。決定開關(guān)電源技術(shù)性能指標(biāo)的諸多因素中，基本上都與開關(guān)變壓器有關(guān)。變壓器是開關(guān)電源的關(guān)鍵器件，詳細(xì)了解并掌握開關(guān)電源變壓器技術(shù)參數(shù)是非常必要的。

　　在分析開關(guān)變壓器的工作原理的時(shí)候，必然會(huì)涉及磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B以及磁通量等概念，為此，這里我們首先簡(jiǎn)單介紹它們的定義和概念。

　　1，磁通：

　　在自然界中無處不存在電場(chǎng)和磁場(chǎng)，在帶電物體的周圍必然會(huì)存在電場(chǎng)，在電場(chǎng)的作用下，周圍的物體都會(huì)感應(yīng)帶電;同樣在帶磁物體的周圍必然會(huì)存在磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)的作用下，周圍的物體也都會(huì)被感應(yīng)產(chǎn)生磁通。

　　2，磁偶極子：

　　現(xiàn)代磁學(xué)研究表明：一切磁現(xiàn)象都起源于電流。磁性材料或磁感應(yīng)也不例外，鐵磁現(xiàn)象的起源是由于材料內(nèi)部原子核外電子運(yùn)動(dòng)形成的微電流，亦稱分子電流，這些微電流的集合效應(yīng)使得材料對(duì)外呈現(xiàn)各種各樣的宏觀磁特性。因?yàn)槊恳粋€(gè)微電流都產(chǎn)生磁效應(yīng)，所以把一個(gè)單位微電流稱為一個(gè)磁偶極子。因此，磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小與磁偶極子的分布有關(guān)。

　　3，電場(chǎng)強(qiáng)度：

　　在宏觀條件下，磁場(chǎng)強(qiáng)度可以定義為空間某處磁場(chǎng)的大小。我們知道，電場(chǎng)強(qiáng)度的概念是用單位電荷在電場(chǎng)中所產(chǎn)生的作用力來定義的，而在磁場(chǎng)中就很難找到一個(gè)類似于“單位電荷”或“單位磁場(chǎng)”的帶磁物質(zhì)來定義磁場(chǎng)強(qiáng)度，為此，電場(chǎng)強(qiáng)度的定義只好借用流過單位長(zhǎng)度導(dǎo)體電流的概念來定義磁場(chǎng)強(qiáng)度，但這個(gè)概念本應(yīng)該是用來定義電磁感應(yīng)強(qiáng)度的，因?yàn)殡姶艌?chǎng)是可以互相產(chǎn)生感應(yīng)的。

　　4，導(dǎo)磁率：

　　電磁感應(yīng)強(qiáng)度不但與流過單位長(zhǎng)度導(dǎo)體的電流大小相關(guān)，而且還與介質(zhì)的屬性有關(guān)。所以，電磁感應(yīng)強(qiáng)度可以在磁場(chǎng)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上再乘以一個(gè)代表介質(zhì)屬性的系數(shù)來表示。這個(gè)代表介質(zhì)屬性的系數(shù)人們把它稱為導(dǎo)磁率。

　　5，磁場(chǎng)強(qiáng)度H

　　在電磁場(chǎng)理論中，磁場(chǎng)強(qiáng)度H的定義為：在真空中垂直于磁場(chǎng)方向的通電直導(dǎo)線，受到的磁場(chǎng)的作用力F跟電流I和導(dǎo)線長(zhǎng)度 的乘積I 的比值，稱為通電直導(dǎo)線所在處的磁場(chǎng)強(qiáng)度。或：在真空中垂直于磁場(chǎng)方向的1米長(zhǎng)的導(dǎo)線，通過1安培的電流，受到磁場(chǎng)的作用力為1牛頓時(shí)，通過導(dǎo)線所在處的磁場(chǎng)強(qiáng)度就是1奧斯特(Oersted)。

　　6，磁感應(yīng)強(qiáng)度B

　　電磁感應(yīng)強(qiáng)度一般也稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度。由于在真空中磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度在數(shù)值上完全相等，因此，磁感應(yīng)強(qiáng)度在真空中的定義與磁場(chǎng)強(qiáng)度在真空中的定義是完全相同的。所不同的是磁場(chǎng)強(qiáng)度H與介質(zhì)的屬性無關(guān)，而磁感應(yīng)強(qiáng)度B卻與介質(zhì)的屬性有關(guān)。

變壓器原理——磁場(chǎng)強(qiáng)度H、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁通密度B計(jì)算公式

　　但很多書上都用上面定義磁場(chǎng)強(qiáng)度的方法來定義電磁感應(yīng)強(qiáng)度，這是很不合理的;因?yàn)?，電磁感?yīng)強(qiáng)度與介質(zhì)的屬性有關(guān)，那么，比如在固體介質(zhì)中，人們就很難用通電直導(dǎo)線的方法來測(cè)量通電直導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受的力，既然不能測(cè)量，就不應(yīng)該假設(shè)它所受的力與介質(zhì)的屬性有關(guān)。其實(shí)介質(zhì)的導(dǎo)磁率也不是通過作用力來測(cè)量的，而是通過電磁感應(yīng)的方法來測(cè)量的。電磁感應(yīng)強(qiáng)度一般簡(jiǎn)稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度。 磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B由下面公式表示：

　　(2-1)式中磁場(chǎng)強(qiáng)度H的單位為奧斯特(Oe)，力F的單位為牛頓(N)，電流I的單位為安培(A)，導(dǎo)線長(zhǎng)度的單位為米(m)。(2-2)式中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位為特斯拉(T)， 為導(dǎo)磁率，單位為亨/米(H/m)，在真空中的導(dǎo)磁率記為 ， = 1。由于特斯拉的單位太大，人們經(jīng)常使用高斯(Gs)作為磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位。1特斯拉等于10000高(1T=104Gs)。

　　由于磁現(xiàn)象可以形象地用磁力線來表示，故磁感應(yīng)強(qiáng)度B又可定義為磁力線通量的密度，即：?jiǎn)挝幻娣e內(nèi)的磁力線通量。磁力線通量密度可簡(jiǎn)稱為磁通密度，因此，電磁感應(yīng)強(qiáng)度又可以表示為：

　　(2-3)式中，磁通密度B的單位為特斯拉(T)，磁通量的單位為韋伯(Wb)，面積的單位為平方米(m2)。如果磁通密度B用高斯(Gs)為單位，則磁通量的單位為麥克斯韋(Mx)，面積的單位為平方厘米(cm2)。其中，1特斯拉等于10000高斯(1T = 104Gs)，1韋伯等于10000麥克斯韋(1Wb = 104Mx)。

　　電磁感應(yīng)強(qiáng)度除了可以稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通密度外，很多人還把它稱為磁感密度。至此，已經(jīng)說明，電磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁通密度B、磁感應(yīng)密度B等，在概念上是完全可以通用的。

　　順便說明，在其它書上有人把磁感應(yīng)強(qiáng)度B的定義為：B = (H+M)，其中H和M分別是磁化強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，而 是真空導(dǎo)磁率。為了簡(jiǎn)單，我們不準(zhǔn)備引入太多的其它概念，如有特別需要，可通過(2-2)式的定義來與其它概念進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

　　這里還需要強(qiáng)調(diào)指出，用來代表介質(zhì)屬性的導(dǎo)磁率并不是一個(gè)常數(shù)，而是一個(gè)非線性函數(shù)，它不但與介質(zhì)以及磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，而且與溫度還有關(guān)。因此，導(dǎo)磁率所定義的并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的系數(shù)，而是人們正在利用它來掩蓋住人類至今還沒有完全揭示的，磁場(chǎng)強(qiáng)度與電磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的內(nèi)在關(guān)系。不過為了簡(jiǎn)單，當(dāng)我們對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度與電磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行分析的時(shí)候，還是可以把導(dǎo)磁率當(dāng)成一個(gè)常數(shù)來看待，或者取它的平均值或有效值來進(jìn)行計(jì)算。

變壓器原理——理想變壓器

　　當(dāng)我們把導(dǎo)線插入220V電源插座，就會(huì)發(fā)生短路現(xiàn)象，可是插入變壓器就不會(huì)，區(qū)別就在于變壓器原邊的線圈導(dǎo)線是繞在鐵芯上的，難道僅僅因?yàn)槎嗔藗€(gè)鐵芯，導(dǎo)線就失去短路作用了嗎?是的，導(dǎo)線插入鐵芯后就變成了電感線圈，根據(jù)楞次定律：感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總是要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化(注意：“阻礙”不是“相反”，原磁通量增大時(shí)方向相反，原磁通量減小時(shí)方向相同;“阻礙”也不是阻止，電路中的磁通量還是變化的) 。變壓器原邊將產(chǎn)生一個(gè)大小相等，方向相反的反向電動(dòng)勢(shì)抵消輸入的220V電壓，導(dǎo)線中僅有微弱的勵(lì)磁電流流過(維持磁場(chǎng)需要有一個(gè)電流)，所以，導(dǎo)線失去了短路作用。

　　如果真是這樣，那么在鐵釘上繞幾圈漆包線，再把導(dǎo)線插入220V電源插座，是不是就不會(huì)短路了?肯定會(huì)短路的。原因就是鐵芯磁飽和了，無法產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)抵消輸入電壓，此時(shí)，導(dǎo)線還是相當(dāng)于短路線。拆開變壓器，可以看到，線圈匝數(shù)很多，額定功率越大的變壓器，鐵芯體積越大，其中的原因就是為了讓變壓器工作在變壓器狀態(tài)，而不是進(jìn)入磁飽和狀態(tài)。

　　也就是說，我們實(shí)際中使用的變壓器都是非理想的，有可能進(jìn)入磁飽和狀態(tài)，從而失去變壓器功能。我們?cè)O(shè)計(jì)變壓器的目的就是保證在額定電壓，額定功率下，變壓器正常工作。如果真的存在理想變壓器就不需要我們?cè)O(shè)計(jì)了。

變壓器原理——工作狀態(tài)

　　1，工作過程詳解：

　　開關(guān)變壓器一般都是工作于開關(guān)狀態(tài);當(dāng)輸入電壓為直流脈沖電壓時(shí)，稱為單極性脈沖輸入，如單激式變壓器開關(guān)電源;當(dāng)輸入電壓為交流脈沖電壓時(shí)，稱為雙極性脈沖輸入，如雙激式變壓器開關(guān)電源;因此，開關(guān)變壓器也可以稱為脈沖變壓器，因?yàn)槠漭斎腚妷菏且恍蛄忻}沖;不過要真正較量起來的時(shí)候，開關(guān)變壓器與脈沖變壓器在工作原理上還是有區(qū)別的，因?yàn)殚_關(guān)變壓器還分正、反激輸出，這一點(diǎn)后面還將詳細(xì)說明。設(shè)開關(guān)變壓器鐵芯的截面為S，當(dāng)幅度為U、寬度為τ的矩形脈沖電壓施加到開關(guān)變壓器的初級(jí)線圈上時(shí)，在開關(guān)變壓器的初級(jí)線圈中就有勵(lì)磁電流流過;同時(shí)，在開關(guān)變壓器的鐵芯中就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變壓器的鐵芯就會(huì)被磁化，在磁場(chǎng)強(qiáng)度為H的磁場(chǎng)作用下又會(huì)產(chǎn)生磁通密度為B的磁力線通量，簡(jiǎn)稱磁通，用“”表示;磁通密度B或磁通 受磁場(chǎng)強(qiáng)度H的作用而發(fā)生變化的過程，稱為磁化過程。所謂的勵(lì)磁電流，就是讓變壓器鐵芯充磁和消磁的電流。

　　根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定理，電感線圈中的磁場(chǎng)或磁通密度發(fā)生變化時(shí)，將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

　　式中，N為開關(guān)變壓器的初級(jí)線圈的匝數(shù); 為變壓器鐵芯的磁通量;B為變壓器鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁通密度平均值。

　　這里引進(jìn)磁通密度平均值的概念，是因?yàn)樽儔浩麒F芯中的磁通并不是均勻分布，磁通密度與鐵芯或鐵芯截面上的磁通實(shí)際分布有關(guān)。因此，在分析諸如變壓器的某些宏觀特性的時(shí)候，有時(shí)需要使用平均值的概念，以便處理問題簡(jiǎn)單。

　　從(2-4)式可知，磁通密度的變化以等速變化進(jìn)行，即：

　　假定磁通密度的初始值為B(0) = Bo(取t = 0)，當(dāng)t > 0時(shí)，磁通密度以線性規(guī)律增長(zhǎng)，磁通密度以線性規(guī)律增長(zhǎng)，即：

　　當(dāng)t = τ時(shí)，即時(shí)間達(dá)到脈沖的后沿時(shí)，磁通密度達(dá)到最大值Bm = B(τ)。磁通密度增量(磁通密度初始值和最終值之差)?B = B(τ)-B(0) = Bm-Bo 。當(dāng)輸入電壓是一序列單極性矩形脈沖時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在變壓器鐵芯中將產(chǎn)生一個(gè)磁通密度增量與之對(duì)應(yīng)，即：

　　如果能忽略渦流影響，則磁場(chǎng)強(qiáng)度H的平均值取決于導(dǎo)磁體材料的性質(zhì)。變壓器初級(jí)線圈內(nèi)的磁化電流的增長(zhǎng)與H成正比。在特性曲線的直線段內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度H、磁化電流 和磁通密度B都以線性變化。

　　脈沖電壓作用結(jié)束后( t > τ )，變壓器中的磁化電流將按變壓器的輸出電路特性，即電路參數(shù)確定的規(guī)律下降，變壓器鐵芯內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁通密度也相減弱，此時(shí)變壓器線圈內(nèi)產(chǎn)生反極性電壓，即反電動(dòng)勢(shì)。變壓器的輸出電路特性實(shí)際上就是第一章中已經(jīng)詳細(xì)介紹過的正、反激電壓輸出電路特性。

　　上面分析雖然都是以單極性脈沖輸入為例，但對(duì)雙極性脈沖輸入同樣有效;在方法上，只須把雙極性脈沖輸入看成是兩個(gè)單極性脈沖分別輸入即可。

　　2，兩類開關(guān)電源變壓器的原理和結(jié)構(gòu)：

　　開關(guān)電源變壓器分單激式開關(guān)電源變壓器和雙激式開關(guān)電源變壓器，兩種開關(guān)電源變壓器的工作原理和結(jié)構(gòu)并不是完全一樣的。單激式開關(guān)電源變壓器的輸入電壓是單極性脈沖，并且還分正反激電壓輸出;而雙激式開關(guān)電源變壓器的輸入電壓是雙極性脈沖，一般是雙極性脈沖電壓輸出。

　　另外，為了防止磁飽和，在單激式開關(guān)電源變壓器的鐵芯中一般都要留氣隙;而雙激式開關(guān)電源變壓器的鐵芯磁通密度變化范圍相對(duì)來說比較大，一般不容易出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，因此，一般都不用留氣隙。

　　單激式開關(guān)電源變壓器還分正激式和反激式兩種，對(duì)兩種開關(guān)電源變壓器的技術(shù)參數(shù)要求也不一樣;對(duì)正激式開關(guān)電源變壓器的初級(jí)電感量要求比較大，而對(duì)反激式開關(guān)電源變壓器初級(jí)電感量的要求，其大小卻與輸出功率有關(guān)。

　　雙激式開關(guān)電源變壓器鐵芯的磁滯損耗比較大，而單激式開關(guān)電源變壓器鐵芯的磁滯損耗卻比較小。這些參數(shù)基本上都與變壓器鐵芯的磁化曲線有關(guān)。

變壓器原理——容量及功率計(jì)算公式

　　變壓器的功率是決定于負(fù)載的，既:P2=U2II2I+U2III2II+......+U2nI2In(VA)P1=P2/η(VA)

　　式中：P2變壓器次級(jí)功率計(jì)算值、P1變壓器的初級(jí)功率計(jì)算值、U2I和U2II......變壓器次級(jí)各繞組電壓(V)，其值由負(fù)載決定。

　　I2I和I2II......變壓器次級(jí)各繞組電流(A)，其值由負(fù)載決定。η為效率

　　變壓器容量1KVA以下的變壓器容量小，效率較低，一般可取η=0.8到0.9，對(duì)于變壓器容量在100VA以下的，η選小值;變壓器容量在100VA到1000VA者選大值。硅鋼片質(zhì)量差的η可選0.7

　　I1=P1/U1(1.1到1.2)(A)

　　式中:U1為初級(jí)電壓(V)

　　1.1到1.2為考慮到空載激磁電流的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)

　　變壓器容量計(jì)算出來后就可以計(jì)算硅鋼片鐵芯的截面積S等其他參數(shù)。

　　站用變壓器容量計(jì)算公式：

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