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)性能指標亦隨之越來越高。決定開關(guān)電源技術(shù)性能指標的諸多因素中，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候，必然會涉及磁場強度H和磁感應(yīng)強度B以及磁通量等概念，為此，這里我們首先簡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和磁場，在帶電物體的周圍必然會存在電場，在電場的作用下，周圍的物體都會感應(yīng)帶電;同樣在帶磁物體的周圍必然會存在磁場，在磁場的作用下，周圍的物體也都會被感應(yīng)產(chǎn)生磁通。

2，磁偶極子：

現(xiàn)代磁學研究表明：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)部原子核外電子運動形成的微電流，亦稱分子電流，這些微電流的集合效應(yīng)使得材料對外呈現(xiàn)各種各樣的宏觀磁特性。因為每一個微電流都產(chǎn)生磁效應(yīng)，所以把一個單位微電流稱為一個磁偶極子。因此，磁場強度的大小與磁偶極子的分布有關(guān)。

3，電場強度：

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

4，導磁率：

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

5，磁場強度H

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

6，磁感應(yīng)強度B

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

變壓器原理——磁場強度H、磁感應(yīng)強度B、磁通密度B計算公式

但很多書上都用上面定義磁場強度的方法來定義電磁感應(yīng)強度，這是很不合理的;因為，電磁感應(yīng)強度與介質(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線的方法來測量通電直導線在磁場中所受的力，既然不能測量，就不應(yīng)該假設(shè)它所受的力與介質(zhì)的屬性有關(guān)。其實介質(zhì)的導磁率也不是通過作用力來測量的，而是通過電磁感應(yīng)的方法來測量的。電磁感應(yīng)強度一般簡稱為磁感應(yīng)強度。 磁場強度H和磁感應(yīng)強度B由下面公式表示：

(2-1)式中磁場強度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)，導線長度的單位為米(m)。(2-2)式中，磁感應(yīng)強度B的單位為特斯拉(T)， 為導磁率，單位為亨/米(H/m)，在真空中的導磁率記為 ， = 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)強度B又可定義為磁力線通量的密度，即：單位面積內(nèi)的磁力線通量。磁力線通量密度可簡稱為磁通密度，因此，電磁感應(yīng)強度又可以表示為：

(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)強度除了可以稱為磁感應(yīng)強度、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)強度B、磁感應(yīng)強度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)強度B的定義為：B = (H+M)，其中H和M分別是磁化強度和磁場強度，而 是真空導磁率。為了簡單，我們不準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行轉(zhuǎn)換。

這里還需要強調(diào)指出，用來代表介質(zhì)屬性的導磁率并不是一個常數(shù)，而是一個非線性函數(shù)，它不但與介質(zhì)以及磁場強度有關(guān)，而且與溫度還有關(guān)。因此，導磁率所定義的并不是一個簡單的系數(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，磁場強度與電磁感應(yīng)強度之間的內(nèi)在關(guān)系。不過為了簡單，當我們對磁場強度與電磁感應(yīng)強度進行分析的時候，還是可以把導磁率當成一個常數(shù)來看待，或者取它的平均值或有效值來進行計算。

變壓器原理——理想變壓器

當我們把導線插入220V電源插座，就會發(fā)生短路現(xiàn)象，可是插入變壓器就不會，區(qū)別就在于變壓器原邊的線圈導線是繞在鐵芯上的，難道僅僅因為多了個鐵芯，導線就失去短路作用了嗎?是的，導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”，原磁通量增大時方向相反，原磁通量減小時方向相同;“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)生一個大小相等，方向相反的反向電動勢抵消輸入的220V電壓，導線中僅有微弱的勵磁電流流過(維持磁場需要有一個電流)，所以，導線失去了短路作用。

如果真是這樣，那么在鐵釘上繞幾圈漆包線，再把導線插入220V電源插座，是不是就不會短路了?肯定會短路的。原因就是鐵芯磁飽和了，無法產(chǎn)生反向電動勢抵消輸入電壓，此時，導線還是相當于短路線。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)，而不是進入磁飽和狀態(tài)。

也就是說，我們實際中使用的變壓器都是非理想的，有可能進入磁飽和狀態(tài)，從而失去變壓器功能。我們設(shè)計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設(shè)計了。

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);當輸入電壓為直流脈沖電壓時，稱為單極性脈沖輸入，如單激式變壓器開關(guān)電源;當輸入電壓為交流脈沖電壓時，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，因為其輸入電壓是一序列脈沖;不過要真正較量起來的時候，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，因為開關(guān)變壓器還分正、反激輸出，這一點后面還將詳細說明。設(shè)開關(guān)變壓器鐵芯的截面為S，當幅度為U、寬度為τ的矩形脈沖電壓施加到開關(guān)變壓器的初級線圈上時，在開關(guān)變壓器的初級線圈中就有勵磁電流流過;同時，在開關(guān)變壓器的鐵芯中就會產(chǎn)生磁場，變壓器的鐵芯就會被磁化，在磁場強度為H的磁場作用下又會產(chǎn)生磁通密度為B的磁力線通量，簡稱磁通，用“”表示;磁通密度B或磁通 受磁場強度H的作用而發(fā)生變化的過程，稱為磁化過程。所謂的勵磁電流，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，電感線圈中的磁場或磁通密度發(fā)生變化時，將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢;線圈中感應(yīng)電動勢為：

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

這里引進磁通密度平均值的概念，是因為變壓器鐵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候，有時需要使用平均值的概念，以便處理問題簡單。

從(2-4)式可知，磁通密度的變化以等速變化進行，即：

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

當t = τ時，即時間達到脈沖的后沿時，磁通密度達到最大值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 。當輸入電壓是一序列單極性矩形脈沖時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在變壓器鐵芯中將產(chǎn)生一個磁通密度增量與之對應(yīng)，即：

如果能忽略渦流影響，則磁場強度H的平均值取決于導磁體材料的性質(zhì)。變壓器初級線圈內(nèi)的磁化電流的增長與H成正比。在特性曲線的直線段內(nèi)磁場強度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)的磁場強度和磁通密度也相減弱，此時變壓器線圈內(nèi)產(chǎn)生反極性電壓，即反電動勢。變壓器的輸出電路特性實際上就是第一章中已經(jīng)詳細介紹過的正、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，對兩種開關(guān)電源變壓器的技術(shù)參數(shù)要求也不一樣;對正激式開關(guān)電源變壓器的初級電感量要求比較大，而對反激式開關(guān)電源變壓器初級電感量的要求，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——容量及功率計算公式

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

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

I2I和I2II......變壓器次級各繞組電流(A)，其值由負載決定。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為初級電壓(V)

1.1到1.2為考慮到空載激磁電流的經(jīng)驗系數(shù)

變壓器容量計算出來后就可以計算硅鋼片鐵芯的截面積S等其他參數(shù)。

站用變壓器容量計算公式：

相關(guān)資料：

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變壓器的非正常工作狀態(tài)主要有過負荷、外部短路引起的過電流、外部接地短路引起的中性點過電壓、油箱漏油引起的油面降低或冷卻系統(tǒng)故障引起的溫度升高等，各有相應(yīng)的保護方式。

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