1,变压器及磁性材料基本知识简介,晶石电子,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。,晶石电子,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。 （当电压为正弦波时， 磁通亦为正弦波）,图1-1,晶石电子,4,(2)第二个物理过程磁动生电（空载状态）,晶石电子,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) 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。,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),晶石电子,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。,晶石电子,7,(3)变阻原理：,1 O,晶石电子,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（1-15）式中，得到R1 = 5000，就是说在初级看起来等效于5000。,晶石电子,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。,晶石电子,10,1、初、次级铜阻及其影响,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 = 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）,晶石电子,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 。,晶石电子,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。,晶石电子,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。,晶石电子,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) r2 = （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。,晶石电子,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,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,晶石电子,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。 铁芯（磁芯）的基本结构型式为：壳式、心式、环行。 壳式铁芯一般用于小功率变压器，其磁辐射较少，但外磁场对其影响较大。用铁氧体或金属粉末压制成的罐形或盒形磁芯，也属于这种结构，但由于其本身的屏蔽作用，漏磁及外磁场的影响均很小，在高频变压器中广泛应用 。 心式铁芯用于功率较大的变压器中，外磁场对其影响较小，用于小信号输入变压器可减少干扰。 环行铁芯一般用于中频、高频变压器中。这种结构能充分利用铁芯材料的磁性能。它的漏磁最小，外磁场对其影响也最小。 铁芯的加工方法，一般可分为冲片式和卷绕式（金属粉末及铁氧体磁芯则是压制或压制烧结而成）,晶石电子,17,冲片铁芯适用于钢板（带）厚度在0.1mm以上的材料，其工艺较简单，效率高，成本 低。广泛应用于电源变压器和音频变压器。列如EI型壳式冲片铁芯，目前用量最大，但是 EI型冲片铁芯由于一般尺寸小，剪切应力对铁芯材料的性能影响最大。另外，E型片的一 部分必然与钢板（带）的取向方向垂直，若采用取向硅钢板（带）加工时，因各向异性的 影响，磁性能较差。 卷绕铁芯是用一定宽度的钢带在适当形状的芯子上连续绕制而成。由于刚带的取向与 磁通方向完全一致，因此铁芯材料的性能得到充分发挥。用卷绕方法可以制造初CD型、 ED型、环型、R型等种类磁芯。,晶石电子,18,2.线圈,线圈构成变压器的电路部分，是变压器的基本组成部分。 线圈由若干个线组构成，一个变压器至少由两个线组，各绕组之间是相互绝缘（自耦变压器除外）。 线圈绕组间的绝缘及对铁芯的绝缘，是保证变压器正常工作的前提。根据不同的场合，线圈各绕组间的匝间、层间、绕组间及对铁芯的绝缘要求也不同。 线圈的形状主要是矩形或圆筒形，是依铁芯截面形状而定。它是用 导线在底筒或骨架上连续缠绕而成，一般