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認(rèn)識(shí)變壓器,我們?cè)購碾姶旁黹_始!



變壓器和電感都是磁芯上繞著線圈,似乎都能稱為電感,那么我們?cè)鯓尤フJ(rèn)識(shí)變壓器和電感,或者我們先從認(rèn)識(shí)變壓器隱藏的電感——激磁或勵(lì)磁電感,然后我們?cè)俜治鲎儔浩靼缪莸慕巧约八挠锰,總而言之,我們?yīng)該重新認(rèn)識(shí)一下變壓器,消除我們的迷惑。


(1)概述:變壓器是具有兩組或者兩組以上的線圈繞組構(gòu)成的耦合電感(但它不以儲(chǔ)能為目的,而是扮演傳輸能量的角色,接著往后看),既然是以耦合方式工作的器件,高導(dǎo)磁磁芯是建立強(qiáng)耦合的必要條件,初級(jí)完成電生磁,磁場(chǎng)順著高導(dǎo)磁芯進(jìn)行"傳輸",次級(jí)完成磁生電,從而給實(shí)際電路負(fù)載提供能量,經(jīng)過這么一個(gè)轉(zhuǎn)換過程達(dá)到能量傳輸?shù)耐瑫r(shí)也完成了初次級(jí)的電氣隔離,下面是常見變壓器的繞組形式,兩"||"表示的是磁芯。

立式變壓器



臥式變壓器

(2)變壓器的空載狀態(tài),當(dāng)次級(jí)不加任何負(fù)載,即斷開次級(jí)與負(fù)載連接



只要涉及到電磁,你不可避免地要應(yīng)用到法拉第電磁感應(yīng)定律,在變壓器初級(jí)加上一個(gè)電壓u1,根據(jù)電磁感應(yīng)定律,初級(jí)線圈感應(yīng)電壓如下表達(dá)式,即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1等于輸入電壓u1:




引起初級(jí)線圈的電流i1,產(chǎn)生磁芯中的磁通φ1,電流i1稱為勵(lì)磁或激磁電流,意為產(chǎn)生磁場(chǎng)的激勵(lì)源,磁通φ1也稱為主磁通。

變壓器是以高磁導(dǎo)率磁閉合磁芯為磁路的磁通傳輸器件,所以理論上變壓器是全耦合器件,耦合系數(shù)是k=1,磁通是原邊線圈產(chǎn)生的磁通(電生磁),由于變壓器共用同一個(gè)磁芯,所以初次級(jí)的磁通量是相同的即φ1=φ12=φ(Ψ=N*φ稱為磁鏈,φ12表示線圈N1對(duì)線圈N2產(chǎn)生的磁通,因?yàn)槭强蛰d,次級(jí)線圈2也就沒有自身產(chǎn)生磁通的源頭了),磁通量φ的變化率也是相同的,初級(jí)和次級(jí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)如下表達(dá)式









根據(jù)②和③得到④式



還有通常我們會(huì)去量變壓器的原邊電感量L1









從⑤式可以看出,對(duì)于變壓器,初級(jí)和次級(jí)任意一個(gè)線圈來說,磁導(dǎo)G就是一個(gè)常數(shù),因?yàn)榇艑?dǎo)是磁芯屬性常數(shù)。
對(duì)于次級(jí)線圈,電感量L2






結(jié)合⑤和⑥得到⑦,即匝比的平方比是初級(jí)和次級(jí)電感量的比值



所以,當(dāng)你測(cè)得變壓器初級(jí)和次級(jí)的電感量時(shí),你就同時(shí)也得到了變壓器的匝比,這個(gè)有時(shí)比較有用處,比如當(dāng)你拿到一個(gè)變壓器,你并不知道這個(gè)變壓器的匝比值,但通過用電感表測(cè)量線圈的電感量,你便可知道變壓器的匝比,當(dāng)然測(cè)量電感量時(shí),線圈要相互斷開,如果測(cè)量原邊電感量,將副邊線圈短路,那么測(cè)量的便是變壓器的漏感。



(3)變壓器的負(fù)載狀態(tài),當(dāng)變壓器次級(jí)和負(fù)載相連接時(shí),由于負(fù)載因素,次級(jí)電壓u2和負(fù)載Z產(chǎn)生電流i22,電流i22在次級(jí)線圈N2中產(chǎn)生形成的磁動(dòng)勢(shì)F2=i22*N2(聯(lián)系電路中的電動(dòng)勢(shì)原理)產(chǎn)生的磁通量為φ22,
還記得磁路中的歐姆定律嗎?磁動(dòng)勢(shì)和磁阻的商就是磁通量,這個(gè)公式的推導(dǎo)也很簡(jiǎn)單,基礎(chǔ)原理是安培環(huán)路定理,⑧式中Rm是磁阻,G是磁導(dǎo)(前面⑤式中有定義式),同一個(gè)磁芯中這是個(gè)常量



由負(fù)載引起的磁通φ22與初級(jí)線圈產(chǎn)生的磁通φ11方向是相反的,這是楞次定理告訴我們的,實(shí)質(zhì)是副邊線圈產(chǎn)生的磁通與原邊除了激磁磁通要保持平衡。



帶負(fù)載后,初級(jí)磁通量是前面空載激磁磁通和負(fù)載引起的磁通之和"φ1+φ11",激磁磁通是建立電磁轉(zhuǎn)換的必要條件,同時(shí)可以看到,原邊電流是從同名端進(jìn)入,副邊則是從同名端流出,這樣恰好保持能量的一進(jìn)一出,保持了磁平衡(不能積累,積累意味著到一定時(shí)間變壓器飽和)



由⑨式結(jié)合⑧式得到









⑫式稱為反射電流,是負(fù)載電流引起的次級(jí)電流對(duì)初級(jí)的反射,負(fù)載電流越大,反射電流就越大。
④式可以看到,變壓器從初級(jí)向次級(jí)看是變壓功能;⑪式可以看到,變壓器從次級(jí)向初級(jí)看是變流功能。
功率角度,輸出功率






從⑭式可以得到,輸入功率和輸出功率相等,激磁電流只是提供能量傳輸?shù)臈l件,不需要在磁場(chǎng)中存儲(chǔ)能量,變壓器是能量傳輸器件,不是儲(chǔ)能器件,實(shí)際變壓器中,采用高導(dǎo)磁材料增大激磁電感以減小激磁電流,減小激磁電流目的是降低銅損和磁損。
反射阻抗,當(dāng)輸出帶負(fù)載時(shí),負(fù)載通過變壓器取能量,輸入電流會(huì)相應(yīng)增加,因此變壓器的等效輸入阻抗是如下式子:






反射阻抗,是一種電路等效模型,實(shí)際電路中并沒有串聯(lián)一個(gè)電阻或其它,但負(fù)載卻是實(shí)實(shí)在在存在的,反射阻抗正是由于負(fù)載效應(yīng)引起的一種初級(jí)阻抗的等效。
最后還要強(qiáng)調(diào)的是,變壓器是能量傳輸性元器件,只有激磁電流是引起能量的存儲(chǔ),不能夠傳輸?shù)礁边吂┴?fù)載使用,變壓器帶負(fù)載時(shí),次級(jí)電流即負(fù)載電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)是去磁磁動(dòng)勢(shì),激磁是保證能量傳輸?shù)幕A(chǔ),沒有它,次級(jí)電壓也就不復(fù)存在,談不上能量的傳輸。

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