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，當一個正弦交流電壓U1加在初級線圈兩端時，導線中就有交變電流I1并產生交變磁通ф1，它沿著鐵心穿過初級線圈和次級線圈形成閉合的磁路。在次級線圈中感應出互感電勢U2，同時ф1也會在初級線圈上感應出一個自感電勢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”。

    如果次級接上負載，次級線圈就產生電流I2，并因此而產生磁通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，其結果使I1增大，可見初級電流與次級負載有密切關系。當次級負載電流加大時I1增加，ф1也增加，并且ф1增加部分正好補充了被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，可以認為一個理想的變壓器次級負載消耗的功率也就是初級從電源取得的電功率。變壓器能根據需要通過改變次級線圈的圈數而改變次級電壓，但是不能改變允許負載消耗的功率。

變壓器的損耗
    當變壓器的初級繞組通電后，線圈所產生的磁通在鐵心流動，因為鐵心本身也是導體，在垂直于磁力線的平面上就會感應電勢，這個電勢在鐵心的斷面上形成閉合回路并產生電流，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熱變壓器的溫升增加。由“渦流”所產生的損耗我們稱為“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小于輸入功率，為此我們引入了一個效率的參數來對此進行描述，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的材料要有一定的認識，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，變壓器的質量所用的硅鋼片的質量有很大的關系，硅鋼片的質量通常用磁通密度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。對于導線的要求，是導電性能好，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，它能增強變壓器的機械強度、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
1、工作頻率
   變壓器鐵芯損耗與頻率關系很大，故應根據使用頻率來設計和使用，這種頻率稱工作頻率。
2、額定功率
    在規定的頻率和電壓下，變壓器能長期工作，而不超過規定溫升的輸出功率。
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，有空載電壓比和負載電壓比的區別。
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。空載電流由磁化電流（產生磁通）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。

電源變壓器的基本知識

電源變壓器中常用的幾個術語：

　　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而次級不帶負載（即開路）時，流過初級的電流。I₀與變壓器的設計有關，即使是兩個不同廠家生產的相同規格的電源變壓器，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而次級不帶負載（即開路）時，次級兩端的電壓。U₀與變壓器的設計有關，即使是兩個不同廠家生產的相同規格的電源變壓器，其U₀也可能不同。

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

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

　　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，其數值與變壓器的輸出功率P2對應，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為變壓器的負載電壓。

　　2． 負載電壓U₂應在一定范圍內，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，次級接上負載，調節負載的阻值大小，使得流過負載的電流為12VA/24V=0.5A時，測量負載兩端的電壓即為U₂。此例中U_2R＝24V，則若23.8V≤U₂≤25.2V,此變壓器的輸出參數合格。

3． 變壓器的溫升ΔT

　　在環境溫度為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，待變壓器達到熱穩定狀態后，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：熱穩定是指溫度在1小時內的變化不超過1℃。

4． 介電強度

　　變壓器的初級和次級之間、初級和殼體之間應能承受4200V歷時1min.的交流電壓而不出現擊穿或閃絡現象。