1.1变压器的基本工作原理
变换电能以及把电能从一个电路传递到另一电路的静止电磁装置称为变压器。在交流电路中,借助变压器能够变换交流电压、电流和波形。每次变换通常是能量通过电磁方式传递到另一电路,而与该电路无直接联系。但也可通过电磁—电的方式进行变换 , 这种变压器即称为自耦变压器。
应该指出,变压器同时变换的不是一个而是几个电参数。例如,在变换电压时,电流同时也产生变化。
变压器在电子设备中占有很重要的地位,电源设备中交流电压和直流电压几乎都由变压器通过变换、 整流而获得。在电路的隔离、匹配及阻抗变换等方面绝大多数是通过变压器来实现的。
简单的变压器原理图示于图1-1。它由闭合的导磁体( 铁心 )和二个绕组组成。其中一个绕组与交流电源相连接 ,我们称其为初级绕组；另一绕组与负载相连,该绕组称作次级绕组。
首先研究变压器的空载状态即次级绕组与负载断开的状态(图1-2)。如果初级绕组与交流电压为U1的电源相连，在该绕组中将产生交变电流I0,该电流称作空载电流。这个电流建立了沿铁心磁路而闭合的交变磁通Φ0,它同时穿过初级绕组和次级绕组,并在绕组中产生感应电动势。按电磁感应定律,其有效值为
E1=4KΦfN1 Bm Sc×10-4 (1—1)
E2=4KΦfN2 Bm Sc×10-4 (1—2)
式中 E1—初级自感电势(V)；
E2—次级互感电势(V)；
KΦ—电压的波形因数,对于正弦波, KΦ=1.11,对于方波, KΦ=1；
f—交流电源的频率(Hz)；
N1—初级绕组的匝数；
N2—次级绕组的匝数；
Bm—磁感应强度振幅值(T)；
Sc—铁心有效截面积(cm2)。
由式(1—1)和式(1—2)可见,绕组中的感应电势正比于该绕组的匝数。将式(1—1) 除以式(1-2) 得：
E1 N1
E2 = N2 (1—3)
如果忽略初级绕组和铁心的损耗, 并假定所有磁通都沿着铁心的磁路而闭合, 则在初级绕组中的磁通Φ0所产生的自感电势E1, 按楞次定律, 其数值与所加电压相等, 而其符号相反, 即
U1 = -E1 (1—4)
实际上, 变压器空载电流 ,除了为在变压器铁心中建立磁通Φ0 所需的磁化分量 IΦ 之外,还包括由于铁心损耗所引起的有功分量IC ,因此 ,空载电流
I0 = IΦ+IC (1—5)
此外,变压器初级绕组具有直流电阻 r1 ,因而在初级绕组中产生有功电压降Δu1
Δu1 = I0rl = -Ea1 (1—6)
式中 Ea1—为补偿初级绕组电压降而假定的电动势。
流过初级绕组的电流 ,不仅建立沿铁心的磁路闭合的主磁通Φ0 , 而且建立沿空气闭合的漏磁通Φsl (图 1—2),这个漏磁通在初级绕组中感应漏电势, 即
Es1 = I0Xs1 (1—7)
式中 Xs1—初级绕组的漏感抗。
根据电动势相平衡的定律, 外施电压U1 应与 E1 、 Ea1 和 Es1 的矢量相平衡, 即
U1 = -( E1+Ea1+Es1)
=-E1+I0r1+I0Xs1 (1—8)
