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1、青岛晶石电子有限公司 做有品之人，行有品之事 每一个立面都孕育太阳 这是“晶”的境界 孕育太阳的每一个境界 这是“品”的信念 “品”，成就了晶石的灵魂 有品的人格才能赢得尊重 有品的事业必将屹立不倒 1 变压器及磁性材料变压器及磁性材料 基本知识简介基本知识简介 2 变压器的工作原理 一.理想变压器的工作原理 1.什么是理想变压器 符合下列条件者，称之为理想变压器: (1)初次级线圈的电阻为零，因而初次级回路无铜阻压降 ，无功率损耗 （2）铁芯无损耗，变压器无温升。 （3）铁芯的磁导率很大，因而初次级之间无漏磁，即初 级产生的磁通全部穿过次级，次级产生的磁通全部穿 过初级。 （4）铁芯无磁饱和
2、现象。 我们引进理想变压器的概念，是为了使变压器工作过程 的讨论简单明了。 3 2. 理想变压器的工作的物理过程 理想变压器的工作可以分为三个物理过程：电动生磁，磁动生电，磁动势 平衡。 理想变压器的工作可分为两种状态：空载状态，负载状态。 (1)第一个物理过程电动生磁（空载状态）： 当变压器初级接通交流电源时，在交流电压U1 的作用下，初级回路产生 交变的磁化电流I ,该电流流过初级W1 ,形成磁化磁动势W1 I ，它对铁芯激 磁，于是在铁芯中产生交变磁通0 。这一过程称为电动生磁，就是电流流动 而产生磁通的过程，如图11所示。 我们把0称为主磁通。其磁密 为B 0= 0/ SC。 （当电压
3、为正弦波时， 磁通亦为正弦波） 图1-1 0 I w1 w2 O O O O U 1 4 (2)第二个物理过程磁动生电（空载状态 ） 如图1-2所示，按照电磁感应定律，当线圈中的磁通发生变化，会在线圈两端产生感 应电动势E，感应电动势的大小与线圈的匝数成正比，与磁通的变化率成正比（ E=wd/dt)。 我们知道在第一过程中铁芯里产生了交变磁通0，0交链初级线圈w1 ，在w1的的两端产生自感电动势E1 。 0又交链次级线圈w2,在w1的的两端产生互感电 动势E2 。当磁通为正弦波时，由电磁感应公式E=wd/dt可以推导出E1 、 E2 的大小为 ： E1 =4.44 w1 0 f -(1-1)
4、E2 =4.44 w2 0 f -(1-2) 式中： w1 -初级匝数 w2-次级匝数 0 -交变磁通（韦伯） f -磁通变化频率（赫兹） 在理想状态下，初次级电阻为零，自感电动势E1与外电压U1之间的 关系为：大小相等，方向相反；次级输出电压U2等于互感电动势E2 。 即： U1 = E1 =4.44 w1 0 f -(1-3) U2 = E2 =4.44 w2 0 f -(1-4) 这就是磁通变化而产生感应电动势E1 、 E2，即磁动生电过程。 0 U1 E1 E2 = U2 w1 w2 图1-2 5 (3)第三个物理过程初、次级磁动势平衡过程（负载状态） 当次级接上负载电阻R2后，次级回
5、路在E2 的作用下产生感应电流I2，（因为它流 过负载，故又称负载电流）， I2流过w2 ，产生反磁势I2 w2 ，进而产生反磁通2 ， 该磁通与初级磁通方向相反，使初级磁通减少。此时，初级回路电流增大，即初级 产生一个新的电流I1,新的磁势w1I1,新的磁通1 ,与w2 I2 、 2抗衡，维持原磁通不 变。这两个磁通1与2 ,两个磁动势I1w1与I2w2 ,大小相等，方向相反。 即： 1 = 2 -(1-5) w1I1 = w2 I2 -(1-6) 这一物理过程称为磁动势平衡过程，如图1-3所示。 初级产生的一个新的电流I1，是随I2的产生而产生， 随I2的消失而消失，犹如镜面上光线的反射关
6、系， 故称I1为I2映射电流。工程计算上常把映射电流写成 I2 ，式(1-6)可改写成： w1 I2 = w2 I2 -(1-7) 1 I1 I1 U1 R2 w1 w2 O O I I1 1 0 2 I2 图1-3 6 3. 变压器可以变压、变流、变阻 (1)变压原理： 从(1-3)、(1-4)式中，我们可以得出： U2 /U1 =W2 / W1 -(1-8) 移项后得： U2 =W2 U1 / W1 - -(1-9) 由式(1-8)可看出，初次级电压比等于初次级匝数比，两者成正比关系。从式 (1-9)可见，当W2 W1时，则U2 U1 ，变压器就升压：当W2 W1时，则U2 U1 ， 变压
7、器就降压。所以我们取不同的匝数比，就可以得到各种不同得次输出电压。 (1)变流原理：将式(1-6)移项可得： I1 /I2 =W2 / W1 -(1-10) 由此可见，初次级电流与初次级匝数成反比。即匝数多的一侧电流小 ，匝数少的一侧电流大，这就是变流原理。 7 (3)变阻原理： 1 O 2 OO U1 O I1 R2 O O U2 I2 (a) 1 O 2 O U1 R1 I1 (b) 变压器如图1-4所示，从1-2两端往初级看，存在于初级两端的电压U1除以 初级电流I1 ，等效于一个电阻R1 ，称R1为初级输入阻抗。它的物理意义表示， 从图a初级看入，整个线框内的变压器电路等效为图b中的一
8、个电阻R1 。 R1 =U1 / I1- -(1-11) 变压器次级负载电阻为R2 ， R2 =U2/ I2- -(1-12) 图1-4 8 将式(1-11)于(1-12)相除，再将式(1-8) 、(1-10)的个关系式代入可得 ： R1 /R2 =（W1/ W2 ） -(1-13） 或 R2 /R1 =（W2/ W1） -(1-14） 由式(1-13) 、(1-14)可知，初次级的阻抗等于匝数比的平方。若将(1- 13)式移项得： R1 =（W2/ W1） R2 -(1-15） 这就是变压器变阻的原理。 例如收音机中得输出变压器，其次级负载若为R2 =4 ，变压器匝数之比 为35.35，代入
9、（1-15）式中，得到R1 = 5000，就是说在初级看起来等 效于5000。 9 二、变压器的实际工作状态 实际工作的变压器，初次级线圈有电阻，铁心由损耗，初次级间由漏磁， 层间、匝间有分布电容。这些参数，对变压器的工作带来各种各样的影响。 r1 r2 C1 rc R2 C2 U1 图 1-5 Ls1 Ls2 10 1、初、次级铜阻及其影响 q 初、次级导线有电阻，相当于在理想变压器处、次级回路分别引入一 个电阻r1 、 r2。当初次级电流流过r1 、 r2时，要产生铜阻压降U1 、 U2： U1 = I1 r1 -(1-16） U2 = I2 r2 -(1-17） 使初级电压降低，E1 =
10、 U1 U1 ；亦使次级负载电压降低， U2= E2 U2 。导致初次级匝数比不再等于电压比，而等于感应电势之 比。 E2 /E1 =W2/ W1 -(1-17） 11 2、铁芯损耗及其影响 通电工作时铁芯会发热，表明铁芯内有能量损耗，称此为铁芯损耗Pc 。 Pc是 由电源供给能量，其影响相当于在理想变压器初级并上一个等效的电阻rc ，在初 级回路引进一个铁损电流Ic 。 3、漏磁及其影响 实际变压器初、次级线圈所产生的磁通，并非全部通过主磁路铁芯，有一部分经 空气构成回路，称此为漏磁通s ,漏磁链w s与产生该漏磁链的电流I之比，称为漏 感Ls 。 Ls= w s / I -(1-19） 漏
11、磁的影响，相当于在理想变压器的初次级回路中引入漏感Ls1 、 Ls2 ，初次级 电流在漏感上产生压降，使初次级感应电势E1 、 E2及负载电压降低。漏感抗是随着 工作频率增大而增大，对于工频变压器，由于工作频率低，一般可以忽略不计其影响 但对于音频变压器、高频变压器、如何减少漏感带来的影响则是一个重要课题。 12 4、分布电容及其影响 两个相邻的导体中间搁以介质即构成电容，变压器导线的匝间、层 间、绕组间及绕组对铁芯间，形成了复杂的分布电容。初次级间的电容 ，将初级输入线上的杂波偶合到次级，对负载电路形成杂波干扰。匝间 、层间、绕组间及绕组对铁芯间的分布电容，使变压器暂状过电压分布 不均，导致
12、变压器某些部位暂状过电压过高而击穿。在音频、脉冲变压 器中，分布电容将引起频率幅度失真与波形失真。 13 三、变压器等效电路 1 、变压器等效电路 变压器初次级仅靠磁路偶合，在电路上是隔离的。为了工程计算及分析 问题方便与直观，可以运用变压器变压、变流、变阻原理，把次级参数换算 到初级，称此为参数“反弹”或叫“换算”。变压器次级参数反射到初级后，可 以得到变压器的等效电路。 U1 r1Ls1 C1 L1rc Ls2 R2 C2 r2 U2 14 图中： R2 = （W1/ W2 ） R2 -（反射到初级的次级负载电阻 ) C2 = （W2/ W1 ） C2 -（反射到初级的次级分布电容 ) r
13、2 = （W1/ W2 ） r2 -（反射到初级的次级铜阻 ) Ls2 = （W1/ W2 ） Ls 2-（反射到初级的次级漏感 ) U2 = （W1/ W2 ） U2 -（反射到初级的次级负载电 压) I2 = （W1/ W2 ） I2 -（反射到初级的次级负载电流 ) 各种用途的电子变压器，分布参数的影响各不一样。工程计算 中，对变压器的等效电路常常随着工作频率的、阻抗、技术指标 要求高低等等不同而加以简化。 15 2 、工频电源变压器等效电路 由于它的工作频率甚低，漏感与分布电容的影响常常可以忽略，得到简化等 效电路： I r1 U1 I1II R2 r2 I L1 U2 I2 rC I
14、C II I1 图中,I2流过R2 ，将使 R2发 热；Ic流 过等效电阻 rC，将使铁芯发热。这现象为电流在作功， 所以称I2 、 IC为有功电流。I2 、 IC合成为I1 ， I1为初级电流的有功分量。 I1 = I2 + IC -(1-20) 流过初级电感L1的电流I ，在铁芯内产生磁通 0 ，故称I为激磁电流（或称为磁化电流）。 它的作用是把电源能量变成磁能储存在初级线圈和铁芯内，并不做功。因为I是初级电流的无 功分量，在相位上与有功分量电流I1及初级电压U1成90相位角，如图1-8所示。 I1与I合成初级 总电流II ，由于I1与I相位差90，其关系不是代数和，而是矢量和，即： I1 =（ I + I1 ) 1/2 -(1-21) 图 1-7图 1-8 16 电子变压器的基本结构及常用材料 一.电子变压器的基本结构 1.铁芯（磁芯） 铁芯（磁芯）构成变压器的磁路，是变压器结构的基础。 铁
