变压器的基本原理

        变压器是利用线圈互感特性构成的一种元器件，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。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。它是由一个初级线圈（线圈圈数n1）及一个次级线圈（线圈圈数n2）环绕著一个核心。常用的铁心形状一般有E型和C型。

        E1是初级电压，次级电压E2是           E2 = E1×（n2/n1）
 

        上图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，它沿着铁心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E1，E1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ф2，ф2的方向与ф1相反，起了互相抵消的作用，使铁心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，以保持铁心里总磁通量不变。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。

         下图是各种变压器的电路符号，从变压器的电路符号可以看出变压器的线圈结构。

        图（a）所示变压器共有两组线圈，即1～2为一次线圈（又称为初级线圈，线圈又称为绕组），3～4位二次线圈（又称为次级线圈）。电路符号中垂直的实线表示这一变压器有铁心。

         图（b）所示变压器有两组次级线圈，即3～4为一组，5～6为另外一组。另外电路符号中有实线的同时还有一条虚线，它表示变压器的初级和次级线圈之间设有一个屏蔽层，在使用中这一屏蔽层的一端要接线路中的地线（决不能两端同时接地），屏蔽层起抗干扰作用。这种变压器多为电源变压器。

          图（c）所示变压器在初级和次级线圈的一端画有一个小黑点，这是“同名端”的标记。

       图（d）所示的变压器没有中间实线，表示这种变压器没有铁心，有时用一条虚线来表示变压器用的是磁芯（此时电路符号中是没有实线的），一般是高频或是中频变压器，这是过去的表示方式，现在规定当变压器有铁心或是磁芯时均用一条实线表示。

       图（e）所示的变压器，它的次级线圈有抽头，即4脚是次级线圈3～5的抽头。关于抽头有两种情况：一是中心抽头，即当3～4之间的匝数等于4～5之间的匝数时成为中心抽头；二是非中心抽头，此时3～4、4～5之间的匝数不等。

       图（f）所示的变压器，它的初级线圈中有一个抽头2。

       图（g）所示的变压器，它只有一个线圈2是抽头，这是一个自耦变压器。若2～3之间为初级，1～3之间就为次级线圈此时它就是一个升压器。当1～3之间为初级线圈2～3之间为次级线圈，这就是一个降压器。

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心流动，因为铁心本身也是导体，在垂直于磁力线的平面上就会感应电势，这个电势在铁心的断面上形成闭合回路并产生电流，好象一个旋涡所以称为“涡流”。这个“涡流”使变压器的损耗增加，并且使变压器的铁心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、铁心材料
       变压器使用的铁心材料主要有铁片、低硅片，高硅片，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。我们通常称加了硅的钢片为硅钢片，变压器的质量同所用硅钢片的质量有很大关系，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、绕制材料
        漆包线，沙包线，丝包线是绕制变压器通常用的材料，最常用的是漆包线。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Q2型号的高强度的聚脂漆包线。

3、绝缘材料：
        绕制变压器时，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。

        多绕组变压器同名端的判别

        在使用多绕组变压器时，常常需要弄清各绕组引出线的同名端或异名端，才能正确地将线圈并联或串联使用。
 
 

        按上图所示电路，任找一组绕组线圈接上1.5~3V电池，然后将其余各绕组线圈抽头分别接在直流毫伏表或直流毫安表的正负接线柱上。接通电源的瞬间，表的指针会很快摆动一下，如果指针向正方向偏转，则接电池正极的线头与接电表正接线柱的线头为同名端；如果指针反向偏转，则接电池正极的线头与接电表负接线柱的线头为同名端。在测试时应注意以下两点：

       若变压器的升压绕组（既匝数较多的绕组）接电池，电表应选用最小量程，使指针摆动幅度较大，以利于观察；若变压器的降压绕组（即匝数较少的绕组）接电池，电表应选用较大量程，以免损坏电表。

       接通电源瞬间，指针会向某一个方向偏转，但断开电源时，由于自感作用，指针将向相反方向倒转。如果接通和断开电源的间隔时间太短，很可能只看到断开时指针的偏转方向，而把测量结果搞错。所以接通电源后要等几秒钟后再断开电源，也可以多测几次，以保证测量的准确。

电源变压器质量的简单判别法

电源变压器除检查电压准确度和绝缘性能之外，还要知道它的效率、负载率、发热量等。下面介绍一种通过测定两个参素数来判别电源变压器质量的简单判别法。

    1.   空载电流的测定

       变压器的空载电流是指初级接额定电压，次级完全空载测得的初级电流。这个电流与进线电压的乘积则为空载损耗，也就是指变压器的铁芯损耗。它是铁芯在交流磁场中涡流损耗和磁滞损耗之和。因而，变压器的空载电流越小，表明铁芯的质量越好，且安培匝数设计非常合理。这种情况下，一般认为空载电流相似于铁损耗，空载电流的大小，也就反映铁损的大小。小于10W的变压器空载电流约7~15mA；100W的变压器，空载电流约30~60mA之间，都认为正常。铁损较大的变压器，发热量必然大，如果是因安培匝数设计不合理，其空载电流大增，结果造成温升增大，其寿命也不会长。一般环形变压器的空载电流应低于普通插片式变压器的空载电流。

    2.  铜损的测定

        变压器的铜损是指初、次级导线的直流电阻造成的损耗。因此测定铜损只需将变压器加上额定电流即可测出I2R。测试方法如下：首先将变压器的次级线圈两端直接短接（有几组要短路几组），再将变压器初级串入交流电流表，再与0~250V的交流调压器相接，并接入市电。调节调压器由0V整至使电流表读数为变压器的额定电流（如200VA的变压器，额定电流为0.9A），用万用表测出此时变压器初级的电压，将此电压乘上变压器的额定电流既为“铜损”（测量铜损时间要短，不然会损坏变压器）。由于次级的短路，变压器初级上的电压必然很低。这样，铁芯的磁通量极小，铁损也极小，可以忽略。故测出的I2R是很精确的。在这项测试中损耗越小，漆包线的电阻值也越小，这种变压器的负载率也必然大。

       在正常情况下，铁损和铜损之和对500W的变压器应小于45W。随着变压器的容量减小，其损耗相应增大，因为小型变压器的铜损是大于铁损的。

        从以上测定可知，变压器的开路损耗加上短路损耗越小，则变压器的质量越好，工作时温升也越低，并且有很好的负载率。这样在很短时间内，就能知道变压器的性能好坏。

相关名词解释

1、电磁感应，当环链着某一导体的磁通发生变化时，导体内就出现电动势，这种现象叫电磁感应。
2、自感，当闭合回路中的电流发生变化时，则由这电流所产生的穿过回路本身磁通也发生变化，因此在回路中也将感应电动势，这现象称为自感现象，这种感应电动势叫自感电动势。
3、互感，如果有两只线圈互相靠近，则其中第一只线圈中电流所产生的磁通有一部分与第二只线圈相环链。当第一线圈中电流发生变化时，则其与第二只线圈环链的磁通也发生变化，在第二只线圈中产生感应电动势。这种现象叫做互感现象。
4、电感，自感与互感的统称。
5、感抗，-交流电流过具有电感的电路时，电感有阻碍交流电流过的作用，这种作用叫做感抗，以Lx表示，Lx=2πfL。
6、磁通，磁感应强度与垂直于磁场方向的面积的乘积叫做磁通，以字母φ表示，单位为麦克斯韦。
7、磁通密度，单位面积上所通过的磁通大小叫磁通密度，以字母B表示，磁通密度和磁场感应强度在数值上是相等的。
8、磁阻，与电阻的含义相仿，磁阻是表示磁路对磁通所起的阻碍作用，以符号Rm表示，单位为1/亨。
9、导磁率，又称导磁系数，是衡量物质的导磁性能的一个系数，以字母μ表示，单位是亨/米。
10、磁滞，铁磁体在反复磁化的过程中，它的磁感应强度的变化总是滞后于它的磁场强度，这种现象叫磁滞。
11、磁滞回线，在磁场中，铁磁体的磁感应强度与磁场强度的关系可用曲线来表示，当磁化磁场作周期的变化时，铁磁体中的磁感应强度与磁场强度的关系是一条闭合线，这条闭合线叫做磁滞回线。
12、磁滞损耗，放在交变磁场中的铁磁体，因磁滞现象而产生一些功率损耗，从而使铁磁体发热，这种损耗叫磁滞损耗。
13、电磁感应，当环链着某一导体的磁通发生变化时，导体内就出现电动势，这种现象叫电磁感应。