變壓器的內部結構

　　變壓器是將兩組或兩組以上的線圈繞制在同一個線圈骨架上，或繞在同一鐵芯上制成的。通常情況下，把變壓器電源輸入端的繞組稱為初級繞組（又稱一次繞組），其余的繞組為次級繞組（又稱二次繞組），如圖2-1所示。

　　圖2-1　變壓器的內部結構

　　單相變壓器和三相變壓器的內部結構基本相同，均是由鐵芯（器身）和繞組兩部分組成，如圖2-2所示。繞組是變壓器的電路，鐵芯是變壓器的磁路，二者構成變壓器的核心即電磁部分。

　　圖2-2　單相變壓器和三相變壓器的內部結構

　　常用的變壓器鐵芯有多種類型，典型的結構分別為口字形和日字形，如圖2-3所示。為了減小渦流和磁滯損耗，鐵芯通常選用磁導率較高、相互絕緣、厚度在0.35～0.5mm的硅鋼片疊合而成，有的變壓器鐵芯也選用高磁導率的坡莫合金、鐵氧體等材料制成。

　　圖2-3　變壓器的兩種鐵芯

　　變壓器的線圈通常稱為繞組，相當于變壓器的電路部分。繞組是用絕緣良好的漆包線、紗包線或絲包線在鐵芯（骨架）上繞制而成的，如圖2-4所示。變壓器在工作時，電源輸入端的繞組為初級繞組（或稱一次繞組），電源輸出端的繞組為次級繞組（或稱二次繞組）。

　　圖2-4　變壓器的繞組變壓器內部

　　繞組相數不同，其繞組數也不同。單相變壓器的內部有2組繞組，而三相變壓器的內部有6組繞組，如圖2-5所示。

　　圖2-5　單相變壓器和三相變壓器內部繞組結構示意圖

　　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《》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。

　　上圖所示，變壓器原邊接電源【u1】，副邊接負載阻抗【lZLI】，對于電源來說，圖中點劃線框內的電路可用另一個阻抗【lZ‘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。

　　P（功率）=U（電壓）/I（電流）

　　因為，當功率恒定的情況下，電壓越高，電流越小，反之，電壓越低，電流越大。

　　變壓器鐵芯和線圈的磁性特征的測試

　　高精度功率分析儀LMG系列產品，可以測量變壓器鐵芯和線圈的磁性特征以及對于功率損耗的精確測量，用高頻信號測量硅鋼磁芯和鐵氧體磁芯的功率損耗：準確、簡單、實時。

　　包括磁通量的峰值，磁場強度，低頻或高頻工作下的磁芯的導磁系數，對于應用磁芯的磁性元件的質控非常有幫助。傳統的測量方法需要正弦磁場強度或者昂貴復雜的信號源，由于測試的重點是飽和區間，所以對信號源的輸出范圍要求很高。如果有一臺智能的測試儀器，配合低成本的電源甚至諧波擾動很大的市電都可以實現的話，將會使得測試變得更簡單經濟有效。

　　測量功率損耗

　　鐵氧化磁芯的損耗和磁滯環面積成正比，另外也和溫度，頻率，磁通密度，鐵素體材質，磁芯的幾何體形狀有關，通過施加一個任意波形型號于包芯的一次側，然后測量二次測的開路電壓，LMG系列產品可以輕松確定損耗。

　　初級線圈電流峰值（Ipk）與磁場強度（Hpk）成正比，次級線圈開路電壓整流值（Urect）和磁通密度成正比。磁滯回線的面積和體磁鐵損耗的能量成正比。

　　總的線繞式鐵芯損耗包含了磁滯損耗Ploss、渦電流損耗、線圈損耗及其它剩余損耗，當測量鐵氧體磁芯損耗時，銅損不應計算在內，測量可以通過下列接線圖來實現：

　　這種情況下，功率損失Ploss = Utrms · Itrms · cos φ。，利用這個測試線路，一次側銅阻造成的壓降沒有影響，因為一次側只測量了電流，為了測量實時的磁化電壓，二次側回路沒有電流流通。一次測和二次側銅損同時被排除在了功率損耗之外。由于對Utrms， Itrms 和 cos的精確測量，磁滯回線的完整和典型曲線不需要知道，能量損耗可以通過LMG系列產品直接測量、實時的顯示和讀取。

　　為了更精確的解決這個測量難題，如下細節需要注意：

　　功率損耗的計算誤差公式

　　總的損耗誤差包含了測量的電壓電流值的幅值誤差以及他們延遲不同造成的誤差，這些延遲是由于每個測量通道的延遲時間不同造成。通常損耗非常小而且相位延遲接近90度，所以cos幾乎為0，Δcos比上cos的值就會變得很大，給測量誤差帶來很大影響。

　　例如：

　　測量一個鐵氧體磁芯損耗，cos為0.06，一次測施加50KHz正弦信號，利用公式： = t 360° f，延遲時間t大概只有3.8ns，但是結果Δcos cos = 2%，這樣小的延遲已經存在于測量線小于1m回路中，另外還沒算上ΔU /U 和 ΔI/I引起的誤差。但是，如果用LMG這樣高精度的功率分析儀，這些問題可以忽略掉。

　　對于這樣困難的測量，選擇一臺好的儀器非常關鍵，需要的不僅是電壓電流的高精度，更重要的是功率測量的高精度，另外，測試回路的精心設計對于取得好的測量結果也非常重要，測量回路一定要盡量短而且等長。

　　LMG功率分析儀轉為此類應用而生，獨有的延遲調節功能，對于4ns內的電壓電流通道之間的延遲可以自由調節。

　　由于LMG強大的功能，用戶可以獲得另外磁場相關的參數：

　　磁場強度：Hpk=Ipp/2*n1/lmagn

　　磁通密度：Bpk = Urect/（4 · f · n2 · A）

　　相對幅值導磁系數：ua=Bpk/Hpk/1.2566e6

　　磁芯損耗：Pfe = P * n1/n2

　　LMG系統功率分析儀測試過程：

　　按照圖1把功率分析儀和電源及待測設備連接，通過腳本編輯器內置公式，計算出來的值可以直接讀取，圖形顯示或打印。

　　特別是磁場強度、磁通密度、導磁系數這些無法直接測量的量可以實時的顯示在屏幕中。

　　結論：

　　通過直接測量獲得的參數：整流過的傳導電壓，頻率，一次側電流峰值以及用戶提供的鐵氧體磁芯尺寸數據，可以算出磁通量，磁場強度，導磁系數，這些量可以通過功率分析儀LMG系列實時的顯示。