变压器(Transformer)是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置,主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心(磁芯)。主要功能有:电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压(磁饱和变压器)等。按用途可以分为:配电变压器、电力变压器、全密封变压器、组合式变压器、干式变压器、油浸式变压器、单相变压器、电炉变压器、整流变压器等。
变压器的功能主要有:电压变换;电流变换,阻抗变换;隔离;稳压(磁饱和变压器);自耦变压器;高压变压器(干式和油浸式)等,变压器常用的铁芯形状一般有E型和C型铁芯,XED型,ED型CD型。
变压器(transformer)原理:利用电磁感应原理将电能或电信号从一个电路传递到另一个电路的静止器件。电子电路中的变压器主要用于电压幅度变换和电路负载的阻抗匹配变换。它由绕在铁芯上的初级绕组(原组)和次级绕组(副组)组成。工作电压自毫伏级到千伏级;输出功率从毫瓦级到千瓦级;工作频率从几十赫一直到射频;波形除正弦波外,还有矩形波、脉冲波和各种复杂的波形。常用的变压器除一般的电源变压器外,还有音频变压器、阻抗匹配变压器、脉冲变压器、视频变压器、射频变压器等。
变压器由铁芯和绕组组成,有时还要加屏蔽。铁芯是变压器磁路的主体,它的结构形式有芯式及壳式两类。芯式铁芯的优点是散热面积大,适用于较大功率;采用双绕组芯式铁芯时,外界磁场的干扰电势可互相抵消,因此这种结构适用于低电平输入变压器。壳式的优点是结构简单,但体积较大,一般用于小功率电源变压器。环形(属芯式)和盒形(属壳式)磁路无空气隙,所以漏磁小,受外界干扰也小,更适用于较高频率。
绕组由漆包线和绝缘材料构成,应具有足够的抗电强度及耐热性。绕法有一般、交叉、分段、环形绕法等。适当选择绕法可降低分布电容和减小漏感。
类型和应用 电子电路中应用的变压器类型很多,根据频率区分有电源变压器、音频变压器和脉冲变压器。
电源变压器 用于各种电子设备和仪器。初级接入电源,次级可有多个输出不同电压的绕组。
音频变压器 主要作级间耦合、阻抗匹配和功率传输等。音频变压器包括话筒变压器、输入及输出变压器、级间变压器、隔离变压器等。这种变压器的频率响应好,对工作于音频低端的主电感量要大;工作于音频高端的漏感量和分布电容要小。可选择导磁率较高的磁芯和采用分段和交叉绕法等措施来实现。
脉冲变压器 用于计算机、雷达、电视等的脉冲电路中。主要用作脉冲电压幅度变换、阻抗匹配、脉冲功率输出等。当输入为矩形脉冲时,漏感和分布电容将影响脉冲前沿抖动,而分布电容和初级电感量有可能在后沿引起振荡;如脉冲宽度较大,则主电感量的大小将是主要的影响因素。为此,要想从次级获得小失真和最低功耗的脉冲输出,对铁芯的选择和绕组结构的要求都应比音频变压器严格,脉冲重复频率越高,要求也越严。
变压器的发展方向是:采用质量更高的磁性材料,如更薄的晶粒取向硅钢带材、超高导磁率的镍铁合金等;进一步改革结构以提高脉冲变压器单位体积内的输出功率和使用频率上限;采用耐更高温、绝缘性能更为优良的导线等。
变压器变压器的主要部件有:
(1)器身:包括铁心、绕组、绝缘部件及引线。
(2)调压装置:即分接开关,分为无励磁调压和有载调压
(3)油箱及冷却装置。
(4)保护装置:包括储油柜、安全气道、吸湿器、气体继电器、净油器和测温装置等。
(5)绝缘套管。
要绕制一个变压器我们必须对与变压器有关的材料要有一定的认识,为此这里我就介绍一下这方面的知识。
1、铁芯材料
变压器使用的铁芯材料是铁片中加入硅能降低钢片的导电性,增加电阻率,它可减少涡流,使其损耗减少。我们通常称为加了硅的钢片为硅钢片,变压器的质量所用的硅钢片的质量有很大的关系,硅钢片的质量通常用磁通密度B来表示,一般黑铁片的B值为6000-8000、低硅片为9000-11000,高硅片为12000-16000,
2、绕制变压器通常用的材料
漆包线,纱包线,丝包线 纸包线,最常用的漆包线。对于导线的要求,是导电性能好,绝缘漆层有足够耐热性能,并且要有一定的耐腐蚀能力。一般情况下最好用QZ型号的高强度的聚脂漆包线。
3、绝缘材料
在绕制变压器中,线圈框架层间的隔离、绕阻间的隔离,均要使用绝缘材料,一般的变压器框架材料可用酚醛纸板制作,环氧板,或纸板。层间可用聚脂薄膜,电话纸,6520复合纸等作隔离,绕阻间可用黄腊布,或亚胺膜作隔离。
4、浸渍材料
变压器绕制好后,还要过最后一道工序,就是浸渍绝缘漆,它能增强变压器的机械强度、提高绝缘性能、延长使用寿命,一般情况下,可采用甲酚清漆作为浸渍材料 或1032绝缘漆,树脂漆。
常用变压器的种类及特点
一般常用变压器的分类可归纳如下:
(1)按相数分:
(1)单相变压器:用于单相负荷和三相变压器组。
(2)三相变压器:用于三相系统的升、降电压。
(2)按冷却方式分:
(1)干式变压器:依靠空气对流进行冷却,一般用于局部照明、电子线路等小容量变压器。
(2)油浸式变压器:依靠油作冷却介质、如油浸自冷、油浸风冷、油浸水冷、强迫油循环等。
(3)按用途分:
(1)电力变压器:用于输配电系统的升、降电压。
(2)仪用变压器:如电压互感器、电流互感器、用于测量仪表和继电保护装置。
(3)试验变压器:能产生高压,对电气设备进行高压试验。
(4)特种变压器:如电炉变压器、整流变压器、调整变压器等。
(4)按绕组形式分:
(1)双绕组变压器:用于连接电力系统中的两个电压等级。
(2)三绕组变压器:一般用于电力系统区域变电站中,连接三个电压等级。
(3)自耦变电器:用于连接不同电压的电力系统。也可做为普通的升压或降后变压器用。
(5)按铁芯形式分:
(1)芯式变压器:用于高压的电力变压器。
(2)非晶合金变压器:非晶合金铁芯变压器是用新型导磁材料,空载电流下降约80%,是目前节能效果较理想的配电变 压器,特别适用于农村电网和发展中地区等负载率较低的地方。
(3)壳式变压器:用于大电流的特殊变压器,如电炉变压器、电焊变压器;或用于电子仪器及电视、收音机等的电源变压器。
当一个正弦交流电压U1加在初级线圈两端时,导线中就有交变电流I1并产生交变磁通ф1,它沿着铁芯穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。在次级线圈中感应出互感电势U2,同时ф1也会在初级线圈上感应出一个自感电势E1,E1的方向与所加电压U1方向相反而幅度相近,从而限制了I1的大小。为了保持磁通ф1的存在就需要有一定的电能消耗,并且变压器本身也有一定的损耗,尽管此时次级没接负载,初级线圈中仍有一定的电流,这个电流我们称为“空载电流”。
如果次级接上负载,次级线圈就产生电流I2,并因此而产生磁通ф2,ф2的方向与ф1相反,起了互相抵消的作用,使铁芯中总的磁通量有所减少,从而使初级自感电压E1减少,其结果使I1增大,可见初级电流与次级负载有密切关系。当次级负载电流加大时I1增加,ф1也增加,并且ф1增加部分正好补充了被ф2所抵消的那部分磁通,以保持铁芯里总磁通量不变。如果不考虑变压器的损耗,可以认为一个理想的变压器次级负载消耗的功率也就是初级从电源取得的电功率。变压器能根据需要通过改变次级线圈的圈数而改变次级电压,但是不能改变允许负载消耗的功率。
按冷却方式分类:干式(自冷)变压器、油浸(自冷)变压器、氟化物(蒸发冷却)变压器。
按防潮方式分类:开放式变压器、灌封式变压器、密封式变压器。
按铁芯或线圈结构分类:芯式变压器(插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯)、壳式变压器(插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯)、环型变压器、金属箔变压器。
按电源相数分类:单相变压器、三相变压器、多相变压器。按用途分类:电源变压器、调压变压器、音频变压器、中频变压器、高频变压器、脉冲变压器。
按用途分类:电源变压器、调压变压器、音频变压器、中频变压器、高频变压器、脉冲变压器。
1工作频率
变压器铁芯损耗与频率关系很大,故应根据使用频率来设计和使用,这种频率称工作频率。
2额定功率
在规定的频率和电压下,变压器能长期工作,而不超过规定温升的输出功率。
3额定电压
指在变压器的线圈上所允许施加的电压,工作时不得大于规定值。
4电压比
指变压器初级电压和次级电压的比值,有空载电压比和负载电压比的区别。
5空载电流
变压器次级开路时,初级仍有一定的电流,这部分电流称为空载电流。空载电流由磁化电流(产生磁通)和铁损电流(由铁芯损耗引起)组成。对于50Hz电源变压器而言,空载电流基本上等于磁化电流。
6空载损耗:
指变压器次级开路时,在初级测得功率损耗。主要损耗是铁芯损耗,其次是空载电流在初级线圈铜阻上产生的损耗(铜损),这部分损耗很小。
7效率
指次级功率P2与初级功率P1比值的百分比。通常变压器的额定功率愈大,效率就愈高。
8绝缘电阻
表示变压器各线圈之间、各线圈与铁芯之间的绝缘性能。绝缘电阻的高低与所使用的绝缘材料的性能、温度高低和潮湿程度有关。
变压器的绝缘等级,并不是绝缘强度的概念,而是允许的温升的标准,即绝缘等级是指其所用绝缘材料的耐热等级,分A、E、B、F、H级。绝缘的温度等级分为 A级 E级 B级 F级 H级。各绝缘等级具体允许温升标准如下:
最高允许温度(℃) 105 120 130 155 180
绕组温升限值(K) 60 75 80 100 125
性能参考温度(℃) 80 95 100 120 145