變壓器
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變壓器（Transf
ormer）是利用
電磁感應(yīng)的原理來(lái)改變交流電壓的裝置，主要構(gòu)件是初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和鐵芯（磁芯）。主要功能有：電壓變換、
電流變換、阻抗變換、隔離、穩(wěn)壓（磁飽和變壓器）等。按用途可以分為：電力變壓器和特殊變壓器（電爐變、整流變、工頻試驗(yàn)變壓器、調(diào)壓器、礦用變、
音頻變壓器、中頻變壓器、高頻變壓器、沖擊變壓器、儀用變壓器、
電子變壓器、電抗器、互感器等）。電路符號(hào)常用T當(dāng)作編號(hào)的開頭。例： T01， T201等。
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變壓器由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個(gè)或兩個(gè)以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級(jí)線圈，其余的繞組叫次級(jí)線圈。它可以變換交流電壓、電流和阻抗。最簡(jiǎn)單的鐵心變壓器由一個(gè)軟磁材料做成的鐵心及套在鐵心上的兩個(gè)匝數(shù)不等的線圈構(gòu)成，如圖所示。
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鐵心的作用是加強(qiáng)兩個(gè)線圈間的磁
耦合。為了減少鐵內(nèi)渦流和磁滯損耗，鐵心由涂漆的硅鋼片疊壓而成;兩個(gè)線圈之間沒有電的聯(lián)系，線圈由絕緣銅線（或鋁線）繞成。一個(gè)線圈接交流
電源稱為初級(jí)線圈（或原線圈），另一個(gè)線圈接用電器稱為次級(jí)線圈（或副線圈）。實(shí)際的變壓器是很復(fù)雜的，不可避免地存在銅損（線圈
電阻發(fā)熱）、鐵損（鐵心發(fā)熱）和漏磁（經(jīng)空氣閉合的磁感應(yīng)線）等，為了簡(jiǎn)化討論這里只介紹理想變壓器。理想變壓器成立的條件是：忽略漏磁通，忽略原、副線圈的電阻，忽略鐵心的損耗，忽略空載電流（副線圈開路原線圈線圈中的電流）。例如電力變壓器在滿載運(yùn)行時(shí)（副線圈輸出額定功率）即接近理想變壓器情況。
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變壓器是利用電磁感應(yīng)原理制成的靜止用電器。當(dāng)變壓器的原線圈接在交流電源上時(shí)，鐵心中便產(chǎn)生交變磁通，交變磁通用φ表示。原、副線圈中的φ是相同的，φ也是簡(jiǎn)諧函數(shù)，表為φ=φmsinωt。由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，原、副線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為e1=-N1dφ/dt、e2=-N2dφ/dt。式中N1、N2為原、副線圈的匝數(shù)。由圖可知U1=-e1，U2=e2（原線圈物理量用下角標(biāo)1表示，副線圈物理量用下角標(biāo)2表示），其復(fù)有效值為U1=-E1=jN1ωΦ、U2=E2=-jN2ωΦ，令k=N1/N2，稱變壓器的變比。由上式可得U1/ U2=-N1/N2=-k，即變壓器原、副線圈電壓有效值之比，等于其匝數(shù)比而且原、副線圈電壓的位相差為π。
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進(jìn)而得出：
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U1/U2=N1/N2
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在空載電流可以忽略的情況下，有I1/ I2=-N2/N1，即原、副線圈電流有效值大小與其匝數(shù)成反比，且相位差π。
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進(jìn)而可得
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I1/ I2=N2/N1
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理想變壓器原、副線圈的功率相等P1=P2。說明理想變壓器本身無(wú)功率損耗。實(shí)際變壓器總存在損耗，其效率為η=P2/P1。電力變壓器的效率很高，可達(dá)90%以上。 ［1］
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主要分類
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一般常用變壓器的分類可歸納如下 ［2］ ：
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1、按相數(shù)分：
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1）單相變壓器：用于單相負(fù)荷和三相變壓器組。
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2）三相變壓器：用于三相系統(tǒng)的升、降電壓。
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2、按冷卻方式分：
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1）干式變壓器：依靠空氣對(duì)流進(jìn)行自然冷卻或增加風(fēng)機(jī)冷卻，多用于高層建筑、高速收費(fèi)站點(diǎn)用電及局部照明、
電子線路等小容量變壓器。
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2）油浸式變壓器：依靠油作冷卻介質(zhì)、如油浸自冷、油浸風(fēng)冷、油浸水冷、強(qiáng)迫油循環(huán)等。
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3、按用途分：
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1）電力變壓器：用于輸配電系統(tǒng)的升、降電壓。
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2）儀用變壓器：如電壓互感器、電流互感器、用于測(cè)量?jī)x表和
繼電保護(hù)裝置。
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3）試驗(yàn)變壓器：能產(chǎn)生
高壓，對(duì)
電氣設(shè)備進(jìn)行高壓試驗(yàn)。
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4）特種變壓器：如電爐變壓器、整流變壓器、調(diào)整變壓器、
電容式變壓器、移相變壓器等。
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4、按繞組形式分：
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2）三繞組變壓器：一般用于電力系統(tǒng)區(qū)域變電站中，連接三個(gè)電壓等級(jí)。
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3）自耦變電器：用于連接不同電壓的電力系統(tǒng)。也可做為普通的升壓或降后變壓器用。
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5、按鐵芯形式分：
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1）芯式變壓器：用于高壓的電力變壓器。
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2）非晶合金變壓器：非晶合金鐵芯變壓器是用新型導(dǎo)磁材料，空載電流下降約80%，是節(jié)能效果較理想的配電變壓器，特別適用于農(nóng)村電網(wǎng)和發(fā)展中地區(qū)等負(fù)載率較低地方。
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3）殼式變壓器：用于大電流的特殊變壓器，如電爐變壓器、電焊變壓器；或用于電子儀器及電視、收音機(jī)等的電源變壓器。
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工作頻率
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變壓器鐵芯損耗與頻率關(guān)系很大，故應(yīng)根據(jù)使用頻率來(lái)設(shè)計(jì)和使用，這種頻率稱工作頻率。
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額定功率
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在規(guī)定的頻率和電壓下，變壓器能長(zhǎng)期工作而不超過規(guī)定溫升的輸出功率。
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額定電壓
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指在變壓器的線圈上所允許施加的電壓，工作時(shí)不得大于規(guī)定值。
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電壓比
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指變壓器初級(jí)電壓和次級(jí)電壓的比值，有空載電壓比和負(fù)載電壓比的區(qū)別。
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空載電流
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變壓器次級(jí)開路時(shí)，初級(jí)仍有一定的電流，這部分電流稱為空載電流。空載電流由磁化電流（產(chǎn)生磁通）和鐵損電流（由鐵芯損耗引起）組成。對(duì)于50Hz電源變壓器而言，空載電流基本上等于磁化電流。
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空載損耗
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指變壓器次級(jí)開路時(shí)，在初級(jí)測(cè)得功率損耗。主要損耗是鐵芯損耗，其次是空載電流在初級(jí)線圈銅阻上產(chǎn)生的損耗（銅損），這部分損耗很小。
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效率
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指次級(jí)功率P2與初級(jí)功率P1比值的百分比。通常變壓器的額定功率愈大，效率就愈高。
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絕緣電阻
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表示變壓器各線圈之間、各線圈與鐵芯之間的絕緣性能。絕緣電阻的高低與所使用的絕緣材料的性能、溫度高低和潮濕程度有關(guān).
一、設(shè)計(jì)2kVA以下的電源變壓器及音頻變壓器
一些電子線路設(shè)計(jì)人員及電子、電工愛好者經(jīng)常碰到設(shè)計(jì)好的變壓器，繞制時(shí)卻繞不下；另外，設(shè)計(jì)的變壓器，在帶足負(fù)載后，次級(jí)電壓明顯下降。還有一部分設(shè)計(jì)的變壓器的性能良好，但成本較高而沒有商業(yè)價(jià)值。筆者在這里談?wù)勛儔浩鞯脑O(shè)計(jì)方法與技巧。
●變壓器截面積確定：
大家知道鐵芯截面積是根據(jù)變壓器總功率“P”確定的（A=1.25*SQRT（P）。在設(shè)計(jì)時(shí)，假定負(fù)載是恒定不變的，則其鐵芯截面積通?？蛇x取計(jì)算的理論值。如果其負(fù)載是變化比較大的，例如，音頻、功放電源等變壓器的截面積，則應(yīng)適當(dāng)大于理論計(jì)算值．這樣才能保證有足夠的功率輸出能力（因?yàn)橐坏┙孛娣e確定后，就不可能再選擇功率余量了）。如何確定這些變壓器的“P”值呢？應(yīng)該計(jì)算出使用時(shí)負(fù)荷的最大功率。并且估算出某些變壓器在使用中需要輸出的最大功率。特別是音頻變壓器、功放電路的電源變壓器等（筆者測(cè)試過多種功放電路的音頻變壓器、功放電路的電源變壓器；音頻變壓器在大動(dòng)態(tài)下明顯失真，電源變壓器在大動(dòng)態(tài)下次級(jí)電壓明顯下降。經(jīng)測(cè)算，截面積不夠是產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因之一）。
●每伏匝數(shù)的確定：
變壓器的匝數(shù)主要取決于鐵芯截面積和硅鋼片的質(zhì)量，通常從參考書籍計(jì)算出的每伏匝數(shù)是比較多的，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，從理論設(shè)計(jì)的數(shù)值上，將每伏匝數(shù)降低10％～15％是沒有問題的。例如，一只35W的電源變壓器，根據(jù)理論計(jì)算（中矽鋼片8500高斯）每伏匝數(shù)為7.2匝，而實(shí)際每伏只需6匝就可以了，且這樣繞制的變壓器空載電流在26mA左右。
筆者和同行在解剖過日本生產(chǎn)的家用電器上的電源變壓器時(shí)發(fā)現(xiàn)。他們生產(chǎn)的變壓器每伏匝數(shù)比我們國(guó)產(chǎn)的變壓器線圈匝數(shù)要少得多，同樣35W的電源變壓器每伏匝數(shù)只有4．8匝，空載電流45mA左右。通過適當(dāng)減少匝數(shù)。繞制出來(lái)的變壓器不但可以降低內(nèi)阻，而且避免了采用普通規(guī)格硅鋼片時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的繞不下的麻煩。還節(jié)省了成本，提高了性價(jià)比。
●漆包線的線徑確定：
線徑是根據(jù)負(fù)載電流而確定的。由于在不同的情況下，漆包線通載電流差距較大，故確定線徑的幅度也較大，一般在額定的電流下連續(xù)工作的變壓器，其工作電流基本不變，但在散熱條件不理想，且環(huán)境溫度比較高時(shí)，應(yīng)按電流密度為2A/mm2選取漆包線的線經(jīng)。如果變壓器連續(xù)工作時(shí)負(fù)載電流基本不變，但本身散熱條件很好，環(huán)境溫度又不高，漆包線按電流密度2.5A/mm2選取線徑：假如一般時(shí)段工作電流只有最大電流的1／2。漆包線按電流密度3—3.5A／mm2選取線徑。音頻變壓器的漆包線按電流密度3.5～4A/mm2選取線徑。這樣，因時(shí)制宜取材，既可保證質(zhì)量又可大大降低成本。
二、兩種特殊變壓器設(shè)計(jì)方法與技巧
●高壓工頻變壓器：
這類變壓器往往工作電壓幾千伏，但電流只有毫安至幾十毫安，由于電壓較高，次級(jí)的絕緣要求很高，在繞制時(shí)，常采用層層墊紙，這按通常方法設(shè)計(jì)且采用普通規(guī)格化的硅鋼片是繞不下的。故應(yīng)選用窗口較大的硅鋼片，另外適當(dāng)增加疊厚，用加大截面積的辦法來(lái)減少初、次級(jí)的匝數(shù)。
●多次級(jí)的變壓器：
這類變壓器的次級(jí)多數(shù)在七八組以上．電流大小不等，但每組不一定同時(shí)接負(fù)載，所以計(jì)算功率不一定全部算進(jìn)去，只要將同時(shí)帶負(fù)載的次級(jí)繞組計(jì)算出來(lái)即可。同樣應(yīng)選窗口較大的硅鋼片，初級(jí)線圈的線徑應(yīng)根據(jù)次級(jí)各組同時(shí)使用的實(shí)際功率確定。采用以上的方法設(shè)計(jì)。既能保證性能又可以降低生產(chǎn)的成本。
