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变压器工原理
作者:管理员    发布于:2015-04-12 14:20:41    文字:【】【】【

变压器 Transformer

                    

变压器的简介   

变压器 Transformer   变压器几乎在所有的电子产品中都要用到,它原理简单但根据不同的使用场合(不同的用途)变压器的绕制工艺会有所不同的要求。变压器的功能主要有:电压变换;阻抗变换;隔离;稳压(磁饱和变压器)等,变压器常用的铁芯形状一般有E型和C型铁芯。

  变压器的最基本型式,包括两组绕有导线之线圈,并且彼此以电感方式称合一起。当一交流电流(具有某一已知频率)流于其中之一组线圈时,于另一组线圈中将感应出具有相同频率之交流电压,而感应的电压大小取决于两线圈耦合及磁交链之程度。

  一般指连接交流电源的线圈称之为「一次线圈」(Primary coil);而跨于此线圈的电压称之为「一次电压.」。在二次线圈的感应电压可能大于或小于一次电压,是由一次线圈与二次线圈问的「匝数比」所决定的。因此,变压器区分为升压与降压变压器两种。

  大部份的变压器均有固定的铁芯,其上绕有一次与二次的线圈。基于铁材的高导磁性,大部份磁通量局限在铁芯里,因此,两组线圈藉此可以获得相当高程度之磁耦合。在一些变压器中,线圈与铁芯二者间紧密地结合,其一次与二次电压的比值几乎与二者之线圈匝数比相同。因此,变压器之匝数比,一般可作为变压器升压或降压的参考指标。由于此项升压与降压的功能,使得变压器已成为现代化电力系统之一重要附属物,提升输电电压使得长途输送电力更为经济,至于降压变压器,它使得电力运用方面更加多元化,吾人可以如是说,倘无变压器,则现代工业实无法达到目前发展的现况。

  电子变压器除了体积较小外,在电力变压器与电子变压器二者之间,并没有明确的分界线。一般提供60Hz电力网络之电源均非常庞大,它可能是涵盖有半个洲地区那般大的容量。电子装置的电力限制,通常受限于整流、放大,与系统其它组件的能力,其中有些部份属放大电力者,但如与电力系统发电能力相比较,它仍然归属于小电力之范围。

  各种电子装备常用到变压器,理由是:提供各种电压阶层确保系统正常操作;提供系统中以不同电位操作部份得以电气隔离;对交流电流提供高阻抗,但对直流则提供低的阻抗;在不同的电位下,维持或修饰波形与频率响应。「阻抗」其中之一项重要概念,亦即电子学特性之一,其乃预设一种设备,即当电路组件阻抗系从一阶层改变到另外的一个阶层时,其间即使用到一种设备-变压器。

  对于电子装置而言,重量和空间通常是一项努力追求之目标,至于效率、安全性与可靠性,更是重要的考虑因素。变压器除了能够在一个系统里占有显著百分比的重量和空间外,另一方面在可靠性方面,它亦是衡量因子中之一要项。 因为上述与其它应用方面的差别,使得电力变压器并不适合应用于电子电路上.

  变压器---利用电磁感应原理,从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器是电能传递或作为信号传输的重要元件 http://www.51byq.com/

  1.变压器 ---- 静止的电磁装置

  变压器可将一种电压的交流电能变换为同频率的另一种电压的交流电能

  电压器的主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组。

  变压器原理

  与电源相连的线圈,接收交流电能,称为一次绕组

  与负载相连的线圈,送出交流电能,称为二次绕组

  一次绕组的 二次绕组的

  电压相量 U1 电压相量 U2

  电流相量 I1 电流相量 I2

  电动势相量 E1 电动势相量 E2

  匝数 N1 匝数 N2

  同时交链一次,二次绕组的磁通量的相量为 φm ,该磁通量称为主磁通

  2.理想变压器

  不计一次、二次绕组的电阻和铁耗,

  其间耦合系数 K=1 的变压器称之为理想变压器

  描述理想变压器的电动势平衡方程式为

  e1(t) = -N1 d φ/dt

  e2(t) = -N2 d φ/dt

  若一次、二次绕组的电压、电动势的瞬时值均按正弦规律变化,

  则有

  不计铁心损失,根据能量守恒原理可得

  由此得出一次、二次绕组电压和电流有效值的关系

  令 K=N1/N2,称为匝比(亦称电压比),则

  二.变压器的结构简介

  1.铁心

  铁心是变压器中主要的磁路部分。通常由含硅量较高,厚度为 0.35 \0.3\0.27 mm

  表面涂有绝缘漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成

  铁心分为铁心柱和横片俩部分,铁心柱套有绕组;横片是闭合磁路之用

  铁心结构的基本形式有心式和壳式两种

  2.绕组

  绕组是变压器的电路部分,

  它是用双丝包绝缘扁线或漆包圆线绕成

  变压器的基本原理是电磁感应原理,现以单相双绕组变压器为例说明其基本工作原理:当一次侧绕组上加上电压Ú1时,流过电流Í1,在铁芯中就产生交变磁通Ø1,这些磁通称为主磁通,在它作用下,两侧绕组分别感应电势É1É2,感应电势公式为:E=4.44fNØm

  式中:E--感应电势有效值

  f--频率

  N--匝数

  Øm--主磁通最大值

  由于二次绕组与一次绕组匝数不同,感应电势E1E2大小也不同,当略去内阻抗压降后,电压Ú1Ú2大小也就不同。

  当变压器二次侧空载时,一次侧仅流过主磁通的电流(Í0),这个电流称为激磁电流。当二次侧加负载流过负载电流Í2时,也在铁芯中产生磁通,力图改变主磁通,但一次电压不变时,主磁通是不变的,一次侧就要流过两部分电流,一部分为激磁电流Í0,一部分为用来平衡Í2,所以这部分电流随着Í2变化而变化。当电流乘以匝数时,就是磁势。

  上述的平衡作用实质上是磁势平衡作用,变压器就是通过磁势平衡作用实现了一、二次侧的能量传递。

  变压器技术参数 对不同类型的变压器都有相应的技术要求,可用相应的技术参数表示.如电源变压器的主要技述参数有:额定功率、额定电压和电压比、额定频率、工作温度等级、温升、电压调整率、绝缘性能和防潮性能,对于一般低频变压器的主要技述参数是:变压比、频率特性、非线性失真、磁屏蔽和静电屏蔽、效率等.

  A.电压比

  变压器两组线圈圈数分别为N1N2N1为初级,N2为次级.在初级线圈上加一交流电压,在次级线圈两端就会产生感应电动势.N2>N1时,其感应电动势要比初级所加的电压还要高,这种变压器称为升压变压器:当N2<N1时,其感应电动势低于初级电压,这种变压器称为降变压器.初级次级电压和线圈圈数间具有下列关系:

  式中n称为电压比(圈数比).n<1时,则N1>N2V1>V2,该变压器为降压变压器.反之则为升压变压器.

  B.变压器的效率:

  在额定功率时,变压器的输出功率和输入功率的比值,叫做变压器的效率,即

  η=(P2÷P1)x100%

  式中η为变压器的效率;P1为输入功率,P2为输出功率.

  当变压器的输出功率P2等于输入功率P1时,效率η等于100%,变压器将不产生任何损耗.但实际上这种变压器是没有的.变压器传输电能时总要产生损耗,这种损耗主要有铜损和铁损.

  铜损是指变压器线圈电阻所引起的损耗.当电流通过线圈电阻发热时,一部分电能就转变为热能而损耗.由于线圈一般都由带绝缘的铜线缠绕而成,因此称为铜损.

  变压器的铁损包括两个方面.一是磁滞损耗,当交流电流通过变压器时,通过变压器硅钢片的磁力线其方向和大小随之变化,使得硅钢片内部分子相互摩擦,放出热能,从而损耗了一部分电能,这便是磁滞损耗.另一是涡流损耗,当变压器工作时.铁芯中有磁力线穿过,在与磁力线垂直的平面上就会产生感应电流,由于此电流自成闭合回路形成环流,且成旋涡状,故称为涡流.涡流的存在使铁芯发热,消耗能量,这种损耗称为涡流损耗.

  变压器的效率与变压器的功率等级有密切关系,通常功率越大,损耗与输出功率就越小,效率也就越高.反之,功率越小,效率也就越低.

  C变压器的功率

  变压器铁心磁通和施加的电压有关。在电流中励磁电流不会随着负载的增加而增加。虽然负载增加铁心不会饱和,将使线圈的电阻损耗增加,超过额定容量由于线圈产生的热量不能及时的散出,线圈会损坏,假如你用的线圈是由超导材料组成,电流增大不会引起发热,但变压器内部还有漏磁引起的阻抗,但电流增大,输出电压会下降,电流越大,输出电压越低,所以变压器输出功率不可能是无限的。假如你又说了,变压器没有阻抗,那么当变压器流过电流时会产生特别大电动力,很容易使变压器线圈损坏,虽然你有了一台功率无限的变压器但不能用。只能这样说,随着超导材料和铁心材料的发展,相同体积或重量的变压器输出功率会增大,但不是无限大!

   怎样判别电源变压器参数

  

  电源变压器标称功率、电压、电流等参数的标记,日久会脱落或消失。有的市售变压器根本不标注任何参数。这给使用带来极大不便。下面介绍无标记电源变压器参数的判别方法。此方法对选购电源变压器也有参考价值。

  一、识别电源变压器

  1. 从外形识别 常用电源变压器的铁芯有E形和C形两种。E形铁芯变压器呈壳式结构(铁芯包裹线圈),采用D41、D42优质硅钢片作铁芯,应用广泛。C形铁芯变压器用冷轧硅钢带作铁芯,磁漏小,体积小,呈芯式结构(线圈包裹铁芯)。

  2. 从绕组引出端子数识别 电源变压器常见的有两个绕组,即一个初级和一个次级绕组,因此有四个引出端。有的电源变压器为防止交流声及其他干扰,初、次级绕组间往往加一屏蔽层,其屏蔽层是接地端。因此,电源变压器接线端子至少是4个。

  3. 从硅钢片的叠片方式识别 E形电源变压器的硅钢片是交*插入的,E片和I片间不留空气隙,整个铁芯严丝合缝。音频输入、输出变压器的E片和I片之间留有一定的空气隙,这是区别电源和音频变压器的最直观方法。至于C形变压器,一般都是电源变压器。

  二、功率的估算

  电源变压器传输功率的大小,取决于铁芯的材料和横截面积。所谓横截面积,不论是E形壳式结构,或是E形芯式结构(包括C形结构),均是指绕组所包裹的那段芯柱的横断面(矩形)面积。在测得铁芯截面积S之后,即可按P=S2/1.5估算出变压器的功率P。式中S的单位是cm2

  例如:测得某电源变压器的铁芯截面积S=7cm2,估算其功率,得P=S2/1.5=72/1.5=33W 剔除各种误差外,实际标称功率是30W。

  三、各绕组电压的测量

  要使一个没有标记的电源变压器利用起来,找出初级的绕组,并区分次级绕组的输出电压是最基本的任务。现以一实例说明判断方法。

  例:已知一电源变压器,共10个接线端子。试判断各绕组电压。

  第一步:分清绕组的组数,画出电路图。

  用万用表R×1挡测量,凡相通的端子即为一个绕组。现测得:两两相通的有3组,三个相通的有1组,还有一个端子与其他任何端子都不通。照上述测量结果,画出电路图,并编号。

  从测量可知,该变压器有4个绕组,其中标号的是一带抽头的绕组,号端子与任一绕组均不相通,是屏蔽层引出端子。

  第二步:确定初级绕组。

  对于降压式电源变压器,初级绕组的线径较细,匝数也比次级绕组多。因此,像图4这样的降压变压器,其电阻最大的是初级绕组。

  第三步:确定所有次级绕组的电压。

  在初级绕组上通过调压器接入交流电,缓缓升压直至220V。依次测量各绕组的空载电压,标注在各输出端。如果变压器在空载状态下较长时间不发热,说明变压器性能基本完好,也进一步验证了判定的初级绕组是正确的。

  四、各次级绕组最大电流的确定

  变压器次级绕组输出电流取决于该绕组漆包线的直径D。漆包线的直径可从引线端子处直接测得。测出直径后,依据公式I=2D2,可求出该绕组的最大输出电流。式中D的单位是mm。

   变压器的原理

  图1是变压器的原理简体图,当一个正弦交流电压U1加在初级线圈两端时,导线中就有交变电流I1并产生交变磁通ф1,它沿着铁芯穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。在次级线圈中感应出互感电势U2,同时ф1也会在初级线圈上感应出一个自感电势E1E1的方向与所加电压U1方向相反而幅度相近,从而限制了I1的大小。为了保持磁通ф1的存在就需要有一定的电能消耗,并且变压器本身也有一定的损耗,尽管此时次级没接负载,初级线圈中仍有一定的电流,这个电流我们称为空载电流

  如果次级接上负载,次级线圈就产生电流I2,并因此而产生磁通ф2ф2的方向与ф1相反,起了互相抵消的作用,使铁芯中总的磁通量有所减少,从而使初级自感电压E1减少,其结果使I1增大,可见初级电流与次级负载有密切关系。当次级负载电流加大时I1增加,ф1也增加,并且ф1增加部分正好补充了被ф2所抵消的那部分磁通,以保持铁芯里总磁通量不变。如果不考虑变压器的损耗,可以认为一个理想的变压器次级负载消耗的功率也就是初级从电源取得的电功率。变压器能根据需要通过改变次级线圈的圈数而改变次级电压,但是不能改变允许负载消耗的功率。

 变压器的损耗

  当变压器的初级绕组通电后,线圈所产生的磁通在铁芯流动,因为铁芯本身也是导体,在垂直于磁力线的平面上就会感应电势,这个电势在铁芯的断面上形成闭合回路并产生电流,好像p一个旋涡所以称为涡流。这个涡流使变压器的损耗增加,并且使变压器的铁芯发热变压器的温升增加。由涡流所产生的损耗我们称为铁损。另外要绕制变压器需要用大量的铜线,这些铜导线存在着电阻,电流流过时这电阻会消耗一定的功率,这部分损耗往往变成热量而消耗,我们称这种损耗为铜损。所以变压器的温升主要由铁损和铜损产生的。

  由于变压器存在着铁损与铜损,所以它的输出功率永远小于输入功率,为此我们引入了一个效率的参数来对此进行描述,η=输出功率/输入功率。

 变压器的材料

  要绕制一个变压器我们必须对与变压器有关的材料要有一定的认识,为此这里我就介绍一下这方面的知识。

  1、铁芯材料

  变压器使用的铁芯材料主要有铁片、低硅片,高硅片,的钢片中加入硅能降低钢片的导电性,增加电阻率,它可减少涡流,使其损耗减少。我们通常称为加了硅的钢片为硅钢片,变压器的质量所用的硅钢片的质量有很大的关系,硅钢片的质量通常用磁通密度B来表示,一般黑铁片的B值为6000-8000、低硅片为9000-11000,高硅片为12000-16000

  2、绕制变压器通常用的材料

  漆包线,纱包线,丝包线,最常用的漆包线。对于导线的要求,是导电性能好,绝缘漆层有足够耐热性能,并且要有一定的耐腐蚀能力。一般情况下最好用QZ型号的高强度的聚脂漆包线。

  3、绝缘材料

  在绕制变压器中,线圈框架层间的隔离、绕阻间的隔离,均要使用绝缘材料,一般的变压器框架材料可用酚醛纸板制作,层间可用聚脂薄膜或电话纸作隔离,绕阻间可用黄腊布作隔离。

  4、浸渍材料

  变压器绕制好后,还要过最后一道工序,就是浸渍绝缘漆,它能增强变压器的机械强度、提高绝缘性能、延长使用寿命,一般情况下,可采用甲酚清漆作为浸渍材料。

  常用变压器的种类及特点

  一般常用变压器的分类可归纳如下:

  (1)按相数分:

  (1)相变压器:用于单相负荷和三相变压器组。

  (2)三相变压器:用于三相系统的升、降电压。

  (2)按冷却方式分:

  (1)干式变压器:依靠空气对流进行冷却,一般用于局部照明、电子线路等小容量变压器。

  (2)油浸式变压器:依靠油作冷却介质、如油浸自冷、油浸风冷、油浸水冷、强迫油循环等。

  (3)按用途分:

  (1)电力变压器:用于输配电系统的升、降电压。

  (2)仪用变压器:如电压互感器、电流互感器、用于测量仪表和继电保护装置。

  (3)试验变压器:能产生高压,对电气设备进行高压试验。

  (4)特种变压器:如电炉变压器、整流变压器、调整变压器等。

  (4)绕组形式分:

  (1)双绕组变压器:用于连接电力系统中的两个电压等级。

  (2)三绕组变压器:一般用于电力系统区域变电站中,连接三个电压等级。

  (3)自耦变电器:用于连接不同电压的电力系统。也可做为普通的升压或降后变压器用。

  (5)按铁芯形式分:

  (1)芯式变压器:用于高压的电力变压器。

  (2)非晶合金变压器:非晶合金铁芯变压器是用新型导磁材料,空载电流下降约80%,是目前节能效果较理想的配电变 压器,特别适用于农村电网和发展中地区等负载率较低的地方。

  (3)壳式变压器:用于大电流的特殊变压器,如电炉变压器、电焊变压器;或用于电子仪器及电视、收音机等的电源变压器。

 变压器的比较

  一、变压器的制作中,线圈的机器绕制和手工绕制各有什么优缺点?

  机器绕制变压器的优点是效率高且外观成形漂亮,但绕制高个子小洞眼的环型变压器却比较麻烦,而且在绝缘处理工艺的可靠性方面反不如手工绕制到位。手工绕制可以将变压器的漏磁做得非常小,其在绕制过程中能针对线圈匝数的布局随时予以调整,所以真正的Hi–END变压器一定是纯手工绕制,纯手工绕制的唯一缺点是效率低、速度慢。

  二、环型、EI型、R型、C型几种电源变压器哪一种最好?

  它们各有其优缺点而不存在谁最好之说,所以严格来讲哪一种变压器都可以做得最好。从结构上来讲,环型能够做到漏磁最小,但声音听感方面EI型则可以把中频密度感做得更好一些。单就磁饱和而言,EI型要比环型强,但在效率上则环型又优于EI型。尽管如此,其问题的关键还是在于你能不能扬长避短而将它们各自的优点充分发挥出来,而这才是做好变压器的最根本。

  目前的进口放大器中,环型变压器的应用仍然是主流,这基本说明了一个问题。发烧友对变压器的评价要客观公正,你不能拿一个没做好的东西作参考而说它不好。有人说环型变压器容易磁饱和,那你为什么不去想办法把它做到不容易磁饱和?而原本通过技术手段是可以做到这一点的。不下足功夫或者一味地为了省成本,那它当然就容易磁饱和了。同理,只要你认真制作,EI型变压器的效率也是能做到很高的。

  变压器的品质好坏对声音的影响很大,因为变压器的传输能量与铁芯、线圈密切关联,其传递速率对声音的影响起决定性作用。像EI型变压器,人们通常觉得它的中频比较厚,高频则比较纤细,为什么呢?因为它的传输速度相对比较慢。而环型呢?低频比较猛,中高频则又稍弱一点,为什么?因为它传输速度比较快,但是如果通过有效的结构改变,你就可以把环型和EI型都做得非常完美,所以关键还是要看你怎么做。

  不过至少可以肯定一点的是,R型变压器不是太容易做好。用它来做小电流的前级功放和CD唱机电源还可以,如果用来做后级功放的电源,则有比较严重的缺陷。因为R型变压器本身的结构形式不太容易改变,而环型和EI型则相对容易通过改变结构来达到靓声目的。采用R型变压器制作的功率放大器电源,通常声音很板结而匮乏灵气,低频往往没有弹跳力而显得较硬。

  三、变压器铁芯的硅钢片含硅量越大就越好吗?

  未见得,矽钢片含硅量的大小对变压器的质量影响不是很大,而有取向和无取向则和铁芯的型号有关系。其次,即使是同样型号的铁芯如果你工艺处理不好,那品质差别也是很大的,其差别有时甚至高达百分之四五十。

  好的铁芯而同样的材料其热处理和线卷绕制工艺十分关键,良好的热处理只需很小的10mA激磁电流就能达到15000高斯,而不好的热处理则可能要50mA的激磁电流才能达到相应的15000高斯,这二者之间的悬殊差别是很大的。从专业的角度来判断铁芯的好与不好,主要是通过激磁电流、铁损耗、饱和参数几项指标来进行综合性评价。

  四、环型变压器的带式硅钢片若采用了拼接工艺,是不是就意味着品质肯定不好?

  还不能一概而论,但是拼接的断位头不易太多,因为多一个断位就多了一个漏磁点,所以接头点最好不要超过2–3个。制作工艺上凡断头拼接均要予先经过酸洗处理,但制造高档音响器材的环型变压器,严格来讲还是采用无拼接的矽钢片为最好,其工艺质量会更有保障。

  五、变压器中的硅钢片材料有什么讲究?

  由于硅钢在交变磁场中的损耗很小,所以变压器主要都是采用硅钢片来作磁性材料。硅钢片可分为热轧和冷轧两类,冷轧硅钢带由于具有较高的导磁系数和较低的损耗,因此用来制作变压器具有体积小、重量轻、效率高的优势。热轧硅钢带的性能则略逊色于冷轧硅钢带。

  普通的EI型变压器是将硅钢板冲制成0.35–0.5mm厚的E型和I型片子,经过热处理后再插入绕组线包内,这类铁芯以使用热轧硅钢片居多(含硅量很高的优质硅钢片型号为D41D42D43D301)。环型和C型变压器的铁芯则是采用冷轧硅钢带经卷绕而成形,其中C型变压器系经热处理浸漆后再切开制成。

  变压器的漏电感是由未穿过初、次级线圈的磁通产生的,这些磁通穿过空气而自成闭合磁路。增强变压器变压器初、次级间的耦合密度可以减小漏感。良好的变压器其漏感应不超过初级线圈电感的1/100,高保真Hi–Fi用的胆机输出变压器则不应超过1/500

  判断音响用变压器硅钢片质量高低的重要参数之一是硅钢片的最大磁力线密度。常用的几种优质硅钢片型号如下D41–D42,最大磁力线密度(单位–GS高斯)10000–12000GS;D43,最大磁力线密度11000–12000GS;D301,最大磁力线密度12000–14000GS

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