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--熱烈祝賀我會聯辦的科普活動被中國科協評為--優秀科普活動
12月21日，中國科學技術協會辦公廳印發《關于對2020年全國科普日有關組織單位和活動予以表揚的通知》（科協辦函普字【2020】158號），江蘇省機械工程學會、南京工程學會和江蘇省學會服務中心聯辦的“2020年全國科普日暨第一屆‘天印筑夢·科普智行’”活動，被評為優秀科普活動。
變壓器的結構和工作原理
時間：2019/8/14 9:58:21 瀏覽次數：23989
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變壓器是利用電磁感應原理傳輸電能、信號的器件。它具有變壓、變流、變阻抗、隔離的作用，種類繁多應用廣泛。例如：
1.電力系統中，升壓遠距離輸電（如：10KV輸電線路），用戶端降壓供電（如：220V市電）；
2.實驗室利用自耦變壓器改變電源電壓；
3.測量上利用變壓器擴大對交流電壓、電流的測量范圍；
4.電子設備和儀器中利用變壓器提供多種電壓和傳遞信號并隔離電路上的聯系。
變壓器雖然大小懸殊，用途各異，但基本結構和工作原理是相同的。
變壓器的結構
變壓器由鐵芯和繞組兩個基本部分組成，如下圖所示，是它的示意圖和符號。
▲變壓器的結構示意圖與符號
這是一個簡單的雙繞組變壓器，在一個閉合的鐵芯上套有兩個繞組，繞組與繞組之間以及繞組與鐵芯之間都是絕緣的。
繞組通常用絕緣的銅線或鋁線繞成，其中一個繞組與電源相連，稱為一次繞組，另一個繞組與負載相連，稱為二次繞組。
為了減少鐵芯中的磁滯損耗和渦流損耗，變壓器的鐵芯大多用0.35～0.5 mm厚的硅鋼片疊成，為了降低磁路的磁阻，一般采用交錯疊裝方式，即將每層硅鋼片的接縫錯開。如下圖所示為幾種常見的鐵芯形狀。
▲幾種常見的鐵芯形狀
變壓器按鐵芯和繞組的組合方式，可分為心式和殼式兩種，如下圖所示。
變壓器的結構形式：
·心式變壓器的鐵芯被繞組所包圍，它的用鐵量比較少，多用于大容量的變壓器，如電力變壓器。
·殼式變壓器的繞組被鐵芯鎖包圍，它的用鐵量比較多，但不需要專門的變壓器外殼，常用于小容量的變壓器，如各種電子設備和儀器中的變壓器。
變壓器的工作原理
變壓器的工作原理，我們將從空載運行、負載運行、阻抗變換，三種情況進行講述。
1、空載運行
如下圖所示，變壓器的空載運行示意圖。
變壓器的空載運行：
變壓器的一次繞組接上交流電壓【u1】，二次側開路，這種運行狀態稱為空載運行。這時二次繞組中的電流i2=0，電壓為開路電壓【u20】，一次繞組通過的電流為空載電流【i10】，各量的方向按習慣參考方向選取。上圖中【N1】為一次繞組的匝數，【N2】為二次繞組的匝數。
由于二次側開路，這時變壓器的。一次側電路相當于一個交流鐵心線圈電路，通過的空載電流【i10】就是勵磁電流。
磁通勢【N1i10】在鐵心中產生的主磁通【Φ】通過閉合鐵心，既穿過一次繞組，也穿過二次繞組，于是在一、二次繞組中分別感應出電動勢【e1】【e2】當e1、e2與Φ的參考方向之間符合右手螺旋定則時，由法拉第電磁感應定律可得
e1、e2的有效值分別為：
式中【f】為交流電源的頻率，【Φm】為主磁通的最大值。
若略去漏磁通的影響，不考慮繞組上電阻的壓降，則可認為一、二次繞組上電動勢的有效值近似等于一、二次繞組上電壓的有效值，即：
從上式可見，變壓器空載運行時，一、二次繞組上電壓的比值等于兩者的匝數比，這個比值【K】稱為變壓器的變壓比或變比。
· 當一、二次繞組匝數不同時，變壓器就可以把某一數值的交流電壓變換為同頻率的另一數值的電壓，這就是變壓器的電壓變換作用。
· 當一次繞組匝數N1比二次繞組匝數N2多時，K>1，這種變壓器稱為降壓變壓器。
· 當一次繞組匝數N1比二次繞組匝數N2少時，K<1，這種變壓器稱為升壓變壓器。
2、負載運行
如下圖所示，變壓器的負載運行示意圖。
▲變壓器的負載運行
如果變壓器的二次繞組接上負載，則在二次繞組感應電動勢【e2】的作用下，將產生二次繞組電流【i2】。這時，一次繞組的電流由【i10】增大為【i1】，二次側的電流【i2】越大，一次側的電流也越大。
因為二次繞組有了電流【i2】，所以二次側的磁通勢【N2i2】也要在鐵心中產生磁通，這時變壓器鐵心中的主磁通系由一、二次繞組的磁通勢共同產生。
顯然，二次側的磁通勢【N2i2】的出現，將有改變鐵心中原有主磁通的趨勢。但是，在一次繞組的外加電壓(電源電壓)不變的情況下，主磁通基本保持不變，因而一次繞組的電流將由【i10】增大為【i1】使得一次繞組的磁通勢由【N1i10】變成【N1i1】，用于抵消二次側磁通勢【N2i2】的作用。
也就是說，變壓器負載時的總磁通勢應與空載時的磁通勢基本相等，用公式表示，即
上式便是變壓器的磁通勢平衡方程式。這就是為什么，變壓器的輸入電流會隨負載電流增大而增大，起到能量傳遞的作用。
3、阻抗變換
如下圖所示，變壓器的阻抗變換示意圖。
▲變壓器的阻抗變換
變壓器除了可以變壓和變流，還可以變換阻抗。如上圖所示，變壓器原邊接電源【u1】，副邊接負載阻抗【l ZL I】，對于電源來說，圖中點劃線框內的電路可用另一個阻抗【l Z'LI】來等效代替。
所謂等效，就是它們從電源吸取的電流和功率相等。因為當電源端擁有高電壓低電流時，是很難驅動低阻負載的，這時需要變換為低電壓大電流，達到等功率傳遞的目的。早期的電子管功放就是如此，如下圖。
電子管功放存在輸入輸出變壓器用于阻抗變換，電子管工作在高電壓低電流的環境，無法直接驅動電阻只有8Ω的動圈喇叭，因此需要變壓器做阻抗變換，將功率傳遞成低壓大電流的方式驅動喇叭。
