認(rèn)識變壓器，我們再從電磁原理開始！

變壓器和電感都是磁芯上繞著線圈，似乎都能稱為電感，那么我們怎樣去認(rèn)識變壓器和電感，或者我們先從認(rèn)識變壓器隱藏的電感——激磁或勵(lì)磁電感，然后我們再分析變壓器扮演的角色以及它的用處，總而言之，我們應(yīng)該重新認(rèn)識一下變壓器，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，初級完成電生磁，磁場順著高導(dǎo)磁芯進(jìn)行"傳輸"，次級完成磁生電，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)次級不加任何負(fù)載，即斷開次級與負(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，在變壓器初級加上一個(gè)電壓u1，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，初級線圈感應(yīng)電壓如下表達(dá)式，即感應(yīng)電動勢e1等于輸入電壓u1：


①

引起初級線圈的電流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對線圈N2產(chǎn)生的磁通，因?yàn)槭强蛰d，次級線圈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，初級和次級的感應(yīng)電動勢如下表達(dá)式


②


③



根據(jù)②和③得到④式


④
還有通常我們會去量變壓器的原邊電感量L1


⑤






從⑤式可以看出，對于變壓器，初級和次級任意一個(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)。
對于次級線圈，電感量L2


⑥



結(jié)合⑤和⑥得到⑦，即匝比的平方比是初級和次級電感量的比值


⑦
所以，當(dāng)你測得變壓器初級和次級的電感量時(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，但通過用電感表測量線圈的電感量，你便可知道變壓器的匝比，當(dāng)然測量電感量時(shí)，線圈要相互斷開，如果測量原邊電感量，將副邊線圈短路，那么測量的便是變壓器的漏感。



（3）變壓器的負(fù)載狀態(tài)，當(dāng)變壓器次級和負(fù)載相連接時(shí)，由于負(fù)載因素，次級電壓u2和負(fù)載Z產(chǎn)生電流i22，電流i22在次級線圈N2中產(chǎn)生形成的磁動勢F2=i22*N2（聯(lián)系電路中的電動勢原理）產(chǎn)生的磁通量為φ22，
還記得磁路中的歐姆定律嗎？磁動勢和磁阻的商就是磁通量，這個(gè)公式的推導(dǎo)也很簡單，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


⑧
由負(fù)載引起的磁通φ22與初級線圈產(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）


⑨
由⑨式結(jié)合⑧式得到


⑩


⑪


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


⑬


⑭
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，不需要在磁場中存儲能量，變壓器是能量傳輸器件，不是儲能器件，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，不能夠傳輸?shù)礁边吂┴?fù)載使用，變壓器帶負(fù)載時(shí)，次級電流即負(fù)載電流產(chǎn)生的磁動勢是去磁磁動勢，激磁是保證能量傳輸?shù)幕�礎(chǔ)，沒有它，次級電壓也就不復(fù)存在，談不上能量的傳輸。

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