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          變壓器FAQ

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          電源變壓器原理與常規問題解決

          瀏覽:發表時間:2017-03-16 10:20[ 返回上頁 ]

             

              所有的電子電路在工作時,無一例外地需要不同電壓、不同功率的直流供電。誠然,我們可以用現成的直流電源諸如電池、蓄電池直接供出。但當一個電子設備需要多種功率、多種直流電壓時,則力不從心了。所以,除去小功率、單一供電電壓的便攜式電器用電池外,其它所有的電器都是用廉價的交流電作為動力。但民用單相交流電只有一種電壓— 220V,這就需要一種器件能將220V的交流電變換成一個或多個所需的交流電壓,再經過整流、濾波、穩壓電路得到需要的直流電壓。能夠完成這一功能的器件,就是電源變壓器。所以說,電源變壓器是用來改變交流電壓、交流電流的器件。也就是說,當一個固定電壓的交流電加到電源變壓器上時,它可以變換成需要的交流電壓,進而再轉換成直流電。  1.變壓器的簡單原理和特性它由原線圈(初級繞組)、副線圈(次級繞組)和鐵心組成。初級繞組用來輸入電源交流電壓,次級繞組輸出所需要的交流電壓。通俗地說,變壓器是一種電->磁->電轉換器件,即初級的交流電轉化成鐵心的閉合交變磁場,磁場的磁力線切割次級線圈產生交變電動勢,接上負載時,電路閉合,次級電路有交變電流通過。
              解析電源變壓器組成部分
              上圖為,電源變壓器構造解析圖
                   直流電不能產生交變磁場,故變壓器不能用于變換直流電壓。
                   我們用U1,E1,Nl分別代表輸入端的電源電壓、感應電動勢和初級線圈的匝數,用U2,E2,N2分別代表榆出電壓、感應電動勢和次級線圈的匝數。當交流電壓Ul加到初級線圈后,在初、次級線圈中分別感應出交變電動勢El,E2。根據電磁感應定律,其電動勢分別為:E1=4.44fN1Φx10-8(V), E2=4.44fN2Φx10-8(V) 。
              當次級線圈開路時(不接負載),變壓器空載運行,初級線圈中只有少量的勵磁電流通過,即空載電流。如果忽略變壓器的損耗,變壓器又是空載,則初級線圈電壓降極小,次級電壓降為零,那么Ul ≈E1,U2≈E2。比較上述E1,E2式,則有Ul/U2=El/E2=Nl/N2=n。式中,n稱作變壓比,簡稱變比,變比表明只有初次級線圈的匝數不同時,變壓器才能起到變換電壓、電流的作用。若n=1,沒有電壓、電流的變換作用,叫做隔離變壓器;若n>1,次級電壓低于初級電壓,為降壓變壓器;若n<l,次級電壓高于初級電壓,為升壓變壓器。
              當次級線圈接上負載時,忽略變壓器的損耗,則輸入功率P1=P2,即U1I1=U2I2,則有U1/U2=I2/I1=N1/N2。
              由上述討論知:變壓器兩側的電壓與初、次級線圈的匝數成正比,與初、次級中的電流成反比。
              實際中,電源變壓器的初、次級線圈和導磁鐵心總要消耗部分電功率,包括銅損、鐵損(磁滯損失、渦流損失)等,也就是說,變壓器的效率η不是100%,而是η=100%xP2/P1。變壓器的效率與鐵心質量、繞制工藝等多種因素有關。一般來說,變壓器的容量越大,效率就越高,對于功率是1000W以下的變壓器效率在65%-90%之間。
                  電源變壓器的結構
                   主要由初、次級繞組和鐵心構成。
                   繞組結構形式 用于電子電器中的電源變壓器,其初、次級繞組大多采用密繞多層式結構。在一個橫截面是矩形的絕緣框架(塑料或紙板)上,用高強度漆包線均勻密繞,一層完畢后,敷以絕緣材料后再繞第二層,....直到匝數合適止。根據設計要求,在一個線圈框架上,既可以繞制一個繞組,也可以繞制多個繞組。
                     鐵心的結構形式 鐵心用不同形狀的硅鋼片,疊制成一定的厚度,片間絕緣。在保證一定的強度下片的厚度越小越好。鐵心起導磁作用,因此成品應該是一個閉合導磁體。鐵心有心式(繞組外露)和殼式(鐵心包繞組)兩種。
              口型電源變壓器舉例示意圖山型電源變壓器舉例示意圖
                 電源變壓器功能
                 電源變壓器的最基本型式,包括兩組繞有導線之線圈,并且彼此以電感方式稱合一起。當一交流電流(具有某一已知頻率)流于其中之一組線圈時,于另一組線圈中將感應出具有相同頻率之交流電壓,而感應的電壓大小取決于兩線圈耦合及磁交鏈之程度。      一般指連接交流電源的線圈稱之為「一次線圈」(Primary coil);而跨于此線圈的電壓稱之為「一次電壓.」。在二次線圈的感應電壓可能大于或小于一次電壓,是由一次線圈與二次線圈問的「匝數比」所決定的。因此,電源變壓器區分為升壓與降壓變壓器兩種。    大部份的電源變壓器均有固定的鐵芯,其上繞有一次與二次的線圈;阼F材的高導磁性,大部份磁通量局限在鐵芯里,因此,兩組線圈藉此可以獲得相當高程度之磁耦合。在一些變壓器中,線圈與鐵芯二者間緊密地結合,其一次與二次電壓的比值幾乎與二者之線圈匝數比相同。因此,變壓器之匝數比,一般可作為變壓器升壓或降壓的參考指標。由于此項升壓與降壓的功能,使得變壓器已成為現代化電力系統之一重要附屬物,提升輸電電壓使得長途輸送電力更為經濟,至于降壓變壓器,它使得電力運用方面更加多元化,吾人可以如是說,倘無變壓器,則現代工業實無法達到目前發展的現況。     電源變壓器除了體積較小外,在電力變壓器與電子變壓器二者之間,并沒有明確的分界線。一般提供60Hz電力網絡之電源均非常龐大,它可能是涵蓋有半個洲地區那般大的容量。電子裝置的電力限制,通常受限于整流、放大,與系統其它組件的能力,其中有些部份屬放大電力者,但如與電力系統發電能力相比較,它仍然歸屬于小電力之范圍。   各種電子裝備常用到變壓器,理由是:提供各種電壓階層確保系統正常操作;提供系統中以不同電位操作部份得以電氣隔離;對交流電流提供高阻抗,但對直流則提供低的阻抗;在不同的電位下,維持或修飾波形與頻率響應!缸杩埂蛊渲兄豁椫匾拍,亦即電子學特性之一,其乃預設一種設備,即當電路組件阻抗系從一階層改變到另外的一個階層時,其間即使用到一種設備-變壓器。   對于電子裝置而言,重量和空間通常是一項努力追求之目標,至于效率、安全性與可靠性,更是重要的考慮因素。變壓器除了能夠在一個系統里占有顯著百分比的重量和空間外,另一方面在可靠性方面,它亦是衡量因子中之一要項。在它應用方面的差別,使得電力變壓器并不適合應用于電子電路上. 變壓器---利用電磁感應原理,從一個電路向另一個電路傳遞電能或傳輸信號的一種電器是電能傳遞或作為信號傳輸的重要元件  
              1.     電源變壓器 ---- 靜止的電磁裝置   
              2.     電源變壓器可將一種電壓的交流電能變換為同頻率的另一種電壓的交流電能    
              3.     電源變壓器的主要部件是一個鐵心和套在鐵心上的兩個繞組。    電源變壓器原理
              4.     與電源相連的線圈,接收交流電能,稱為一次繞組    
              5.     與負載相連的線圈,送出交流電能,稱為二次繞組    
              6.     一次繞組的 二次繞組的    
              7.     電壓相量 U1 電壓相量 U2    
              8.     電流相量 I1 電流相量 I2    
              9.     電動勢相量 E1 電動勢相量 E2    
              10.      匝數 N1 匝數 N2    
              11.      同時交鏈一次,二次繞組的磁通量的相量為 φm ,該磁通量稱為主磁通
               選購電源變壓器時所參考的參數
              電源變壓器的主要參數
              1.額定電壓
              額定電壓分初級額定電壓和次級額定電壓。初級額定電壓是指變壓器在額定工作條件下,根據變壓器絕緣強度與溫升所規定的初級電壓有效值。對于電源變壓器而言,通常指按規定加在變壓器初級繞組上的電源電壓。次級額定電壓是指初級加有額定電壓而次級處于空載的情況下,次級輸出電壓的有效值。

              2 額定電流
              在初級為額定電壓的情況下,保證初級繞組能夠正常輸入和次級繞組能夠正常輸出的電流,分別稱為初、次級額定電流。

              3. 額定容量
              變壓器的額定容量是指變壓器在額定工作條件下的輸出能力。對于大功率變壓器,可用次級繞組的額定電壓與額定電流的乘積來表示。對于小功率電源變壓器而言,由于工作情況不同,初、次級容量應分別計算。

              初級額定電壓有效值與額定電流有效值的乘積稱為初級容量,用P1表示。次級額定電壓有效值與額定電流有效值的乘積稱為改級容量,用P2表示。
              用初級容量與改級容量的算術平均值作為小功率電?原變壓器的額定容量,即
              4. 額定頻率
              額定頻率指變壓器正常工作的電壓頻率值。一般情況下額定頻率為50Hz。需要時可按400Hz 、1kHz 、10kHz 等頻率設計變壓器。

              5. 空載電流
              當電源變壓器次級開路時,初級繞組仍有一定的電流流過,這個電流便是變壓器的空載電流。
              6. 溫升
              溫升指變壓器在額定負載下工作到熱穩定后,其線包的平均溫度與環境溫度之差。
              7. 工作溫度等級
              根據變壓器采用的絕緣材料壽命而規定允許的工作溫度,用級別表示。
              如何判別電源變壓器參數
              一、識別電源變壓器
               。保 從外形識別 常用電源變壓器的鐵芯有E形和C形兩種。E形鐵芯變壓器呈殼式結構(鐵芯包裹線圈),采用D41、D42優質硅鋼片作鐵芯,應用廣泛。C形鐵芯變壓器用冷軋硅鋼帶作鐵芯,磁漏小,體積小,呈芯式結構(線圈包裹鐵芯)。
               。玻 從繞組引出端子數識別 電源變壓器常見的有兩個繞組,即一個初級和一個次級繞組,因此有四個引出端。有的電源變壓器為防止交流聲及其他干擾,初、次級繞組間往往加一屏蔽層,其屏蔽層是接地端。因此,電源變壓器接線端子至少是4個。
               。常 從硅鋼片的疊片方式識別 E形電源變壓器的硅鋼片是交*插入的,E片和I片間不留空氣隙,整個鐵芯嚴絲合縫。音頻輸入、輸出變壓器的E片和I片之間留有一定的空氣隙,這是區別電源和音頻變壓器的最直觀方法。至于C形變壓器,一般都是電源變壓器。
                二、功率的估算
                電源變壓器傳輸功率的大小,取決于鐵芯的材料和橫截面積。所謂橫截面積,不論是E形殼式結構,或是E形芯式結構(包括C形結構),均是指繞組所包裹的那段芯柱的橫斷面(矩形)面積。在測得鐵芯截面積S之后,即可按P=S2/1.5估算出變壓器的功率P。式中S的單位是cm2。
                例如:測得某電源變壓器的鐵芯截面積S=7cm2,估算其功率,得P=S2/1.5=72/1.5=33W?剔除各種誤差外,實際標稱功率是30W。
                三、各繞組電壓的測量
                要使一個沒有標記的電源變壓器利用起來,找出初級的繞組,并區分次級繞組的輸出電壓是最基本的任務,F以一實例說明判斷方法。
                例:已知一電源變壓器,共10個接線端子。試判斷各繞組電壓。
                第一步:分清繞組的組數,畫出電路圖。
                用萬用表R×1擋測量,凡相通的端子即為一個繞組,F測得:兩兩相通的有3組,三個相通的有1組,還有一個端子與其他任何端子都不通。照上述測量結果,畫出電路圖,并編號。
                從測量可知,該變壓器有4個繞組,其中標號⑤、⑥、⑦的是一帶抽頭的繞組,⑩號端子與任一繞組均不相通,是屏蔽層引出端子。
                第二步:確定初級繞組。
                對于降壓式電源變壓器,初級繞組的線徑較細,匝數也比次級繞組多。因此,這樣的降壓變壓器,其電阻最大的是初級繞組。
                第三步:確定所有次級繞組的電壓。
                在初級繞組上通過調壓器接入交流電,緩緩升壓直至220V。依次測量各繞組的空載電壓,標注在各輸出端。如果變壓器在空載狀態下較長時間不發熱,說明變壓器性能基本完好,也進一步驗證了判定的初級繞組是正確的。
                四、各次級繞組最大電流的確定
                變壓器次級繞組輸出電流取決于該繞組漆包線的直徑D。漆包線的直徑可從引線端子處直接測得。測出直徑后,依據公式I=2D2,可求出該繞組的最大輸出電流。式中D的單位是mm。
                        電源變壓器的漏感
                       任何變壓器都存在漏感,但開關變壓器的漏感對開關電源性能指標的影響特別重要。由于開關變壓器漏感的存在,當控制開關斷開的瞬間會產生反電動勢,容易把開關器件過壓擊穿;漏感還可以與電路中的分布電容以及變壓器線圈的分布電容組成振蕩回路,使電路產生振蕩并向外輻射電磁能量,造成電磁干擾。因此,分析漏感產生的原理和減少漏感的產生也是開關變壓器設計的重要內容之一。
               
              開關變壓器線圈之間存在漏感,是因為線圈之間存在漏磁通而產生的;因此,計算出線圈之間的漏磁通量就可以計算出漏感的數值。要計算變壓器線圈之間存在的漏磁通,首先是要知道兩個線圈之間的磁場分布。我們知道螺旋線圈中的磁場分布與兩塊極板中的電場分布有些相似之處,就是螺旋線圈中磁場強度分布是基本均勻的,并且磁場能量基本集中在螺旋線圈之中。另外,在計算螺旋線圈之內或之外的磁場強度分布時,比較復雜的情況可用麥克斯韋定理或畢-沙定理,而比較簡單的情況可用安培環路定律或磁路的克;舴蚨。
               
                    是分析計算開關變壓器線圈之間漏感的原理圖。下面我們就用圖2-30來簡單分析開關變壓器線圈之間產生漏感的原理,并進行一些比較簡單的計算。
               
                    N1、N2分別為變壓器的初、次級線圈,Tc是變壓器鐵芯。r是變壓器鐵芯的半徑,r1、r2分別是變壓器初、次級線圈的半徑;d1為初級線圈到鐵芯的距離,d2為初、次級線圈之間的距離。為了分析計算簡單,這里假設變壓器初、次級線圈的匝數以及線徑相等,流過線圈的電流全部集中在線徑的中心;因此,它們之間的距離全部是兩線圈之間的中心距離,如虛線所示。
               
                  設鐵芯的截面積為S,S=πr2 ;初級線圈的截面積為S1,S1=πr21 ;次級線圈的截面積為S2,S2=πr22 ;初級線圈與鐵芯的間隔截面積為Sd1,Sd1= S1-S;次級線圈與初級線圈的間隙截面積為Sd2,Sd2 = S2-S1 ;電流I1流過初級線圈產生的磁場強度為H1,在面積S1之內產生的磁通量為φ1 ,在面積Sd2之內產生的磁通量為φ1' ;電流I2流過次級線圈產生的的磁場強度為H2,磁通量為φ2 。
              電源變壓器漏感原理解釋
              上圖解釋了電源變壓器漏感原理

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