1.1變壓器的基本工作原理

       變換電能以及把電能從一個(gè)電路傳遞到另一電路的靜止電磁裝置稱為變壓器。在交流電路中,借助變壓器能夠變換交流電壓、電流和波形。每次變換通常是能量通過電磁方式傳遞到另一電路,而與該電路無直接聯(lián)系。但也可通過電磁—電的方式進(jìn)行變換 , 這種變壓器即稱為自耦變壓器。

       應(yīng)該指出,變壓器同時(shí)變換的不是一個(gè)而是幾個(gè)電參數(shù)。例如,在變換電壓時(shí),電流同時(shí)也產(chǎn)生變化。

變壓器在電子設(shè)備中占有很重要的地位,電源設(shè)備中交流電壓和直流電壓幾乎都由變壓器通過變換、 整流而獲得。在電路的隔離、匹配及阻抗變換等方面絕大多數(shù)是通過變壓器來實(shí)現(xiàn)的。

       簡單的變壓器原理圖示于圖1-1。它由閉合的導(dǎo)磁體( 鐵心 )和二個(gè)繞組組成。其中一個(gè)繞組與交流電源相連接 ,我們稱其為初級繞組；另一繞組與負(fù)載相連,該繞組稱作次級繞組。
 

         首先研究變壓器的空載狀態(tài)即次級繞組與負(fù)載斷開的狀態(tài)(圖1-2)。如果初級繞組與交流電壓為U₁的電源相連，在該繞組中將產(chǎn)生交變電流I₀,該電流稱作空載電流。這個(gè)電流建立了沿鐵心磁路而閉合的交變磁通Φ₀,它同時(shí)穿過初級繞組和次級繞組,并在繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。按電磁感應(yīng)定律,其有效值為

E₁=4K_ΦfN₁ B_m S_c×10^-4                                              (1—1)

E₂=4K_ΦfN₂ B_m S_c×10^-4                                              (1—2)

式中 E₁—初級自感電勢(V)；

E₂—次級互感電勢(V)；

K_Φ—電壓的波形因數(shù),對于正弦波, K_Φ=1.11,對于方波, K_Φ=1；

f—交流電源的頻率(Hz)；

N₁—初級繞組的匝數(shù)；

N₂—次級繞組的匝數(shù)；

B_m—磁感應(yīng)強(qiáng)度振幅值(T)；

S_c—鐵心有效截面積(cm²)。

由式(1—1)和式(1—2)可見,繞組中的感應(yīng)電勢正比于該繞組的匝數(shù)。將式(1—1) 除以式(1-2) 得：

E₁      N₁

E₂  ⁼  N₂                                                                                                               (1—3)

如果忽略初級繞組和鐵心的損耗, 并假定所有磁通都沿著鐵心的磁路而閉合, 則在初級繞組中的磁通Φ₀所產(chǎn)生的自感電勢E₁, 按楞次定律, 其數(shù)值與所加電壓相等, 而其符號(hào)相反, 即

U₁ = -E₁                                                                                                            (1—4)

實(shí)際上, 變壓器空載電流 ,除了為在變壓器鐵心中建立磁通Φ₀ 所需的磁化分量 I_Φ 之外,還包括由于鐵心損耗所引起的有功分量I_C ,因此 ,空載電流

 I₀ = I_Φ+I_C                                                                                        (1—5)

此外,變壓器初級繞組具有直流電阻 r₁ ,因而在初級繞組中產(chǎn)生有功電壓降Δu₁

Δu₁ = I₀r_l = -E_a1                                                                                            (1—6)

式中  E_a1—為補(bǔ)償初級繞組電壓降而假定的電動(dòng)勢。

 流過初級繞組的電流 ,不僅建立沿鐵心的磁路閉合的主磁通Φ₀ , 而且建立沿空氣閉合的漏磁通Φ_sl (圖 1—2),這個(gè)漏磁通在初級繞組中感應(yīng)漏電勢, 即

E_s1 = I₀X_s1                                                                                                       (1—7)

式中  X_s1—初級繞組的漏感抗。

根據(jù)電動(dòng)勢相平衡的定律, 外施電壓U₁ 應(yīng)與 E₁ 、 E_a1 和 E_s1 的矢量相平衡, 即

U₁ = -( E₁+E_a1+E_s1)

=-E₁+I₀r₁+I₀X_s1                                                                                           (1—8)