電源變壓器的基本知識

變壓器的基本原理


    圖1是變壓器的原理簡體圖，當(dāng)一個正弦交流電壓U1加在初級線圈兩端時，導(dǎo)線中就有交變電流I1并產(chǎn)生交變磁通ф1，它沿著鐵心穿過初級線圈和次級線圈形成閉合的磁路。在次級線圈中感應(yīng)出互感電勢U2，同時ф1也會在初級線圈上感應(yīng)出一個自感電勢E1，E1的方向與所加電壓U1方向相反而幅度相近，從而限制了I1的大小。為了保持磁通ф1的存在就需要有一定的電能消耗，并且變壓器本身也有一定的損耗，盡管此時次級沒接負(fù)載，初級線圈中仍有一定的電流，這個電流我們稱為“空載電流”。

    如果次級接上負(fù)載，次級線圈就產(chǎn)生電流I2，并因此而產(chǎn)生磁通ф2，ф2的方向與ф1相反，起了互相抵消的作用，使鐵心中總的磁通量有所減少，從而使初級自感電壓E1減少，其結(jié)果使I1增大，可見初級電流與次級負(fù)載有密切關(guān)系。當(dāng)次級負(fù)載電流加大時I1增加，ф1也增加，并且ф1增加部分正好補(bǔ)充了被ф2所抵消的那部分磁通，以保持鐵心里總磁通量不變。如果不考慮變壓器的損耗，可以認(rèn)為一個理想的變壓器次級負(fù)載消耗的功率也就是初級從電源取得的電功率。變壓器能根據(jù)需要通過改變次級線圈的圈數(shù)而改變次級電壓，但是不能改變允許負(fù)載消耗的功率。

變壓器的損耗
    當(dāng)變壓器的初級繞組通電后，線圈所產(chǎn)生的磁通在鐵心流動，因為鐵心本身也是導(dǎo)體，在垂直于磁力線的平面上就會感應(yīng)電勢，這個電勢在鐵心的斷面上形成閉合回路并產(chǎn)生電流，好象一個旋渦所以稱為“渦流”。這個“渦流”使變壓器的損耗增加，并且使變壓器的鐵心發(fā)熱變壓器的溫升增加。由“渦流”所產(chǎn)生的損耗我們稱為“鐵損”。另外要繞制變壓器需要用大量的銅線，這些銅導(dǎo)線存在著電阻，電流流過時這電阻會消耗一定的功率，這部分損耗往往變成熱量而消耗，我們稱這種損耗為“銅損”。所以變壓器的溫升主要由鐵損和銅損產(chǎn)生的。
由于變壓器存在著鐵損與銅損，所以它的輸出功率永遠(yuǎn)小于輸入功率，為此我們引入了一個效率的參數(shù)來對此進(jìn)行描述，η=輸出功率/輸入功率。

變壓器的材料
    要繞制一個變壓器我們必須對與變壓器有關(guān)的材料要有一定的認(rèn)識，為此這里我就介紹一下這方面的知識。

    1、鐵心材料：
    變壓器使用的鐵心材料主要有鐵片、低硅片，高硅片，的鋼片中加入硅能降低鋼片的導(dǎo)電性，增加電阻率，它可減少渦流，使其損耗減少。我們通常稱為加了硅的鋼片為硅鋼片，變壓器的質(zhì)量所用的硅鋼片的質(zhì)量有很大的關(guān)系，硅鋼片的質(zhì)量通常用磁通密度B來表示，一般黑鐵片的B值為6000-8000、低硅片為9000-11000，高硅片為12000-16000，

    2、繞制變壓器通常用的材料有
    漆包線，沙包線，絲包線，最常用的漆包線。對于導(dǎo)線的要求，是導(dǎo)電性能好，絕緣漆層有足夠耐熱性能，并且要有一定的耐腐蝕能力。一般情況下最好用Q2型號的高強(qiáng)度的聚脂漆包線。

    3、絕緣材料
    在繞制變壓器中，線圈框架層間的隔離、繞阻間的隔離，均要使用絕緣材料，一般的變壓器框架材料可用酚醛紙板制作，層間可用聚脂薄膜或電話紙作隔離，繞阻間可用黃臘布作隔離。

    4、浸漬材料：
    變壓器繞制好后，還要過最后一道工序，就是浸漬絕緣漆，它能增強(qiáng)變壓器的機(jī)械強(qiáng)度、提高絕緣性能、延長使用壽命，一般情況下，可采用甲酚清漆作為浸漬材料。

電源變壓器的特性參數(shù)
1、工作頻率
   變壓器鐵芯損耗與頻率關(guān)系很大，故應(yīng)根據(jù)使用頻率來設(shè)計和使用，這種頻率稱工作頻率。
2、額定功率
    在規(guī)定的頻率和電壓下，變壓器能長期工作，而不超過規(guī)定溫升的輸出功率。
3、額定電壓
    指在變壓器的線圈上所允許施加的電壓，工作時不得大于規(guī)定值。
4、電壓比
    指變壓器初級電壓和次級電壓的比值，有空載電壓比和負(fù)載電壓比的區(qū)別。
5、空載電流
    變壓器次級開路時，初級仍有一定的電流，這部分電流稱為空載電流?？蛰d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。對于50Hz電源變壓器而言，空載電流基本上等于磁化電流。
6、空載損耗
    指變壓器次級開路時，在初級測得功率損耗。主要損耗是鐵芯損耗，其次是空載電流在初級線圈銅阻上產(chǎn)生的損耗（銅損），這部分損耗很小。
7、效率
    指次級功率P2與初級功率P1比值的百分比。通常變壓器的額定功率愈大，效率就愈高。
8、絕緣電阻
    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)。

電源變壓器的基本知識

電源變壓器中常用的幾個術(shù)語：

　　1． 初級(Primary Winding)：是指電源變壓器的電源輸入端。

　　2． 次級(Secondary Winding)：是指電源變壓器的輸出端。

　　3．額定輸入電壓U₁：是指電源變壓器的初級所接上的電壓，也就是電源變壓器的工作電壓。對GS變壓器來說，U₁＝230V；對BS變壓器來說，U₁＝240V。

　　4．空載電流I₀：是指電源變壓器的初級接上額定輸入電壓U1而次級不帶負(fù)載（即開路）時，流過初級的電流。I₀與變壓器的設(shè)計有關(guān)，即使是兩個不同廠家生產(chǎn)的相同規(guī)格的電源變壓器，其I₀也可能不同。

　　5． 空載電壓U₀：是指變壓器初級接受上額定輸入電壓U1而次級不帶負(fù)載（即開路）時，次級兩端的電壓。U₀與變壓器的設(shè)計有關(guān)，即使是兩個不同廠家生產(chǎn)的相同規(guī)格的電源變壓器，其U₀也可能不同。

　　6． 負(fù)載電流I₂：是指變壓器初級接上額定輸入電壓U₁，次級接上額定負(fù)載時，流過負(fù)載的電流。

　　7． 負(fù)載電壓U₂：是指變壓器初級接上額定輸入電壓U₁，次級接上額定負(fù)載時，負(fù)載兩端的電壓。

　　8． 定輸出功率P₂：是指變壓器在額定輸入電壓U1時的輸出功率，它表示變壓器傳送能量的大小。一般來說，在相同頻率下，P₂越大，變壓器的尺寸越大；P₂相同，即使輸出電壓U₂不同，變壓器的尺寸也相同，即變壓器的價格也應(yīng)相差無幾。

　　由公式P₂=U₂*I₂可知若輸出功率P₂一定，若輸出電壓U₂越高，則輸出電流I₂越低。舉例來說，一個輸出功率P₂=10VA的變壓器，若輸出電壓U₂=24V，則輸出電流I₂= P₂/U₂=10VA/24V＝0.416A；若U₂=12V， 則輸出電流I₂=0.833A。

　　其次，我們來討論了一下EN61558-1 (等同于IEC61558-1)中對電源變壓器的幾點要求：

　　1．空載電壓U0有一個最高限值，其數(shù)值與變壓器的輸出功率P2對應(yīng)，如下所示：

　　P₂≤10VA時，(U₀－U₂)/U₂≤100%;
　　10VA2≤25VA時，(U₀－U₂)/U₂≤50%;
　　25VA2≤63VA時，(U₀－U₂)/U₂≤20%;
　　63VA2≤250VA時，(U₀－U₂)/U₂≤15%;
　　250VA2≤630VA時，(U₀－U₂)/U₂≤10%;
　　630VA2時，(U₀－U₂)/U2≤5%;

　　以上各式中的U₂為變壓器的負(fù)載電壓。

　　2． 負(fù)載電壓U₂應(yīng)在一定范圍內(nèi)，由下式考核：

　　|(U₂-U_2R)/U_2R|≤5%;

　　若變壓器帶整流器，則|(U₂-U_2R)/U_2R|≤10%

　　上式中U_2R為額定負(fù)載電壓。

　　舉例來說，針對一個輸出為24V，12VA的變壓器，將變壓器的初級接上額定輸入電壓，次級接上負(fù)載，調(diào)節(jié)負(fù)載的阻值大小，使得流過負(fù)載的電流為12VA/24V=0.5A時，測量負(fù)載兩端的電壓即為U₂。此例中U_2R＝24V，則若23.8V≤U₂≤25.2V,此變壓器的輸出參數(shù)合格。

3． 變壓器的溫升ΔT

　　在環(huán)境溫度為25℃時，將變壓器的初級接上額定輸入電壓，次級接上額定負(fù)載，使變壓器正常工作。然后將輸入電壓增加到1.06倍額定輸入電壓，待變壓器達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)后，測量變壓器的溫升ΔT及外殼溫度。
對耐熱等級為B級（130℃）的變壓器來說，ΔT≤95K，外殼溫度不大于80℃。

注：熱穩(wěn)定是指溫度在1小時內(nèi)的變化不超過1℃。

4． 介電強(qiáng)度

　　變壓器的初級和次級之間、初級和殼體之間應(yīng)能承受4200V歷時1min.的交流電壓而不出現(xiàn)擊穿或閃絡(luò)現(xiàn)象。