变形金刚的基础知识
本文件解释了变压器的基本理论和操作
1. 变压器简介
变压器设计和测试有时被视为一门艺术而不是一门科学。
变压器是不完美的设备，变压器的设计值、测试测量值和电路中的实际性能之间存在差异。
通过回到基础知识，本技术说明将帮助设计和测试工程师了解变压器的电气特性如何是铁芯和绕组的物理特性的结果。
2. 变压器基本理论
上图表示变压器的基本元件：磁芯以及缠绕在磁芯四肢上的初级和次级线圈。
施加到初级的交流电压 (Vp) 会产生通过初级的交流电流 (Ip)。
该电流在磁芯中产生交变磁通量。
这种交变磁通量在初级线圈的每一匝和次级线圈的每一匝中感应出电压。
由于通量是一个常数，即初级和次级的通量相同：
该方程表明，变压器可通过控制初级与次级匝数比来升压或降压交流电压。 （电压互感器动作）。
还可以证明：
初级伏安培 = 次级伏安培
该方程表明，变压器可通过控制初级与次级匝数比来升压或降压交流电流。 (电流互感器动作)
应当注意，初级绕组和次级绕组之间没有电连接。
因此，变压器提供了一种将一个电路与另一个电路隔离的方法。
这些功能（电压/电流变换和隔离）无法通过任何其他方式有效获得，因此世界上几乎所有电气和电子设备都使用变压器。
3. BH曲线
当变压器的初级通电而次级无负载时，初级中会流过小电流。该电流产生“磁化力”，从而在变压器铁芯中产生磁通量。
磁化力（H）等于磁化电流与匝数的乘积，表示为安培-匝数。
对于任何给定的磁性材料，可以绘制磁化力和产生的磁通量之间的关系。这称为材料的 BH 曲线。
从BH曲线可以看出，随着磁化力从零增加，磁通增加到某个磁通最大值。
超过这个水平，磁化力的进一步增加不会导致磁通量的显着增加。磁性材料被称为“饱和”。
变压器通常设计为确保磁通密度低于会导致饱和的水平。
磁通密度可以使用以下公式确定：
在哪里：
E表示施加电压的RMS值。
N表示绕组的匝数。
B表示磁芯内磁通密度的最大值（特斯拉）。
A表示磁芯中磁性材料的横截面积（平方米）。
f 代表施加电压的频率。
笔记
1 特斯拉 = 1 韦伯/米²
1 韦伯/平方米 = 10,000 高斯
每米 1 安匝 = 4 px 10-3 奥斯特
实际上，所有磁性材料一旦被磁化，即使磁化力减小到零，也会保留一些磁化强度。
这种效应称为“剩磁”，导致材料的 BH 曲线表现出对磁化力减小的响应与对磁化力增大的响应不同。
实际上，真实磁性材料的 BH 曲线如下：
上面显示的曲线称为材料的“磁滞”回线，它代表材料的真实 BH 响应。 （第一条 BH 曲线代表真实 BH 环路响应的平均值）。
BH 曲线的斜率、饱和度和磁滞回线的大小取决于所用材料的类型和其他因素。
使用以下示例对此进行说明：
 | 低档铁芯 高饱和磁通密度 大环路=大磁滞损耗 适用于50/60Hz |
 | 高档铁芯 高饱和磁通密度 中等环路 = 中等磁滞损耗 适用于 400 Hz 变压器 |
 | 铁氧体磁芯 - 无气隙 中饱和磁通密度 小环路 = 小磁滞损耗 适用于-高频变压器 |
 | 铁氧体磁芯——大气隙 小环路 = 小磁滞损耗 适用于大直流电流的高频电感 |
4. 磁滞损耗
磁滞损耗是磁性材料沿其 BH 曲线循环的结果。
它代表所施加电压的能量，首先将磁偶极子沿一个方向排列，然后沿另一个方向排列。
损耗随着 BH 曲线所包围的面积而增加。随着材料接近饱和，曲线内的面积以及每个周期相应的能量损失都会大幅增加。
5. 涡流损耗
涡流损耗是由磁芯材料内循环的小电流引起的，该电流是由磁芯中的交变磁通刺激的。
与这些电流相关的 I*I*R 功率损耗（“加热”损耗）会产生铁芯发热，称为涡流损耗。
在铁芯变压器中，使用称为叠片的绝缘铁片通过限制循环电流的路径来最小化这种影响。
铁氧体磁芯进一步限制了这些路径。
6. 变压器等效电路
具有一个初级绕组和两个次级绕组的理想变压器可以表示如下：
此类变压器具有以下特点：
• 无损失
• 所有绕组之间的完美耦合
• 无限开路阻抗（即，次级开路时无输入电流）。
• 绕组之间无限绝缘
实际上，实际变压器表现出与理想变压器不同的特性。
其中许多特性可以用变压器等效电路来表示：
在哪里：
R1、R2、R3代表绕组线的电阻。
C1、C2、C3代表绕组之间的电容。
Rp 代表涡流损耗和磁滞损耗。这些是实际功率损耗，有时称为磁芯损耗，可以通过执行开路功率测量来测量。由于没有负载电流，通电绕组中的I 2 R铜损非常小，空载时测得的瓦数几乎全部来自铁芯。
Lp 表示磁化电流产生的阻抗。这是产生磁化力 H 的电流，用于 BH 环路图中。请注意，如果变压器在 BH 曲线的非线性区域运行，则该电流可能不是简单的正弦波，而是可能具有扭曲的尖峰形状。对于工频、层压型变压器来说通常就是这种情况。
L1、L2、L3表示各绕组的漏感。 （Voltech Note 104-105“漏电感”对此进行了详细讨论。）
七、结论
变压器的等效电路反映了由铁芯和绕组组成的磁路的真实特性。
因此，可以放心地使用等效电路来理解和预测变压器在各种情况下的电气性能。
8. 进一步阅读
等效电路还可用于帮助理解和优化测试和测试条件，以检查变压器是否已正确构建。
本系列中的更多技术说明讨论了如何使用等效电路参数来进行变压器的实际测试，以保证其在制造环境中的质量。