變壓器的工作原理
變壓器由鐵芯(或磁芯)和線圈組成(chéng),線圈有兩(liǎng)個或兩(liǎng)個以上的繞組,其中接電源的繞組叫(jiào)初級線圈,其餘的繞組叫(jiào)次級線圈。它可以變換交流電壓、電流和阻抗。最簡單的鐵心變壓器由一個軟磁材料做成(chéng)的鐵心及套在鐵心上的兩(liǎng)個匝數不等的線圈構成(chéng),如圖:
鐵心的作用是加強兩(liǎng)個線圈間的磁耦合。爲了減少鐵内渦流和磁滞損耗,鐵心由塗漆的矽鋼片疊壓而成(chéng);兩(liǎng)個線圈之間沒(méi)有電的聯系,線圈由絕緣銅線(或鋁線)繞成(chéng)。一個線圈接交流電源稱爲初級線圈(或原線圈),另一個線圈接用電器稱爲次級線圈(或副線圈)。實際的變壓器是很複雜的,不可避免地存在銅損(線圈電阻發(fā)熱)、鐵損(鐵心發(fā)熱)和漏磁(經(jīng)空氣閉合的磁感應線)等,爲了簡化讨論這(zhè)裡(lǐ)隻介紹理想變壓器。理想變壓器成(chéng)立的條件是:忽略漏磁通,忽略原、副線圈的電阻,忽略鐵心的損耗,忽略空載電流(副線圈開(kāi)路原線圈線圈中的電流)。例如電力變壓器在滿載運行時(副線圈輸出額定功率)即接近理想變壓器情況。
變壓器是利用電磁感應原理制成(chéng)的靜止用電器。當變壓器的原線圈接在交流電源上時,鐵心中便産生交變磁通,交變磁通用φ表示。原、副線圈中的φ是相同的,φ也是簡諧函數,表爲φ=φmsinωt。由法拉第電磁感應定律可知,原、副線圈中的感應電動勢爲e1=-N1dφ/dt、e2=-N2dφ/dt。式中N1、N2爲原、副線圈的匝數。由圖可知U1=-e1,U2=e2(原線圈物理量用下角标1表示,副線圈物理量用下角标2表示),其複有效值爲U1=-E1=jN1ωΦ、U2=E2=-jN2ωΦ,令k=N1/N2,稱變壓器的變比。由上式可得U1/ U2=-N1/N2=-k,即變壓器原、副線圈電壓有效值之比,等于其匝數比而且原、副線圈電壓的位相差爲π。
進(jìn)而得出:
U1/U2=N1/N2
在空載電流可以忽略的情況下,有I1/ I2=-N2/N1,即原、副線圈電流有效值大小與其匝數成(chéng)反比,且相位差π。
進(jìn)而可得
I1/ I2=N2/N1
理想變壓器原、副線圈的功率相等P1=P2。說明理想變壓器本身無功率損耗。實際變壓器總存在損耗,其效率爲η=P2/P1。電力變壓器的效率很高,可達90%以上。