變壓器
?
變壓器（Transf
ormer）是利用
電磁感應的原理來改變交流電壓的裝置，主要構件是初級線圈、次級線圈和鐵芯（磁芯）。主要功能有：電壓變換、
電流變換、阻抗變換、隔離、穩壓（磁飽和變壓器）等。按用途可以分為：電力變壓器和特殊變壓器（電爐變、整流變、工頻試驗變壓器、調壓器、礦用變、
音頻變壓器、中頻變壓器、高頻變壓器、沖擊變壓器、儀用變壓器、
電子變壓器、電抗器、互感器等）。電路符號常用T當作編號的開頭。例： T01， T201等。
?
?
變壓器由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個或兩個以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈。它可以變換交流電壓、電流和阻抗。最簡單的鐵心變壓器由一個軟磁材料做成的鐵心及套在鐵心上的兩個匝數不等的線圈構成，如圖所示。
?
鐵心的作用是加強兩個線圈間的磁
耦合。為了減少鐵內渦流和磁滯損耗，鐵心由涂漆的硅鋼片疊壓而成;兩個線圈之間沒有電的聯系，線圈由絕緣銅線（或鋁線）繞成。一個線圈接交流
電源稱為初級線圈（或原線圈），另一個線圈接用電器稱為次級線圈（或副線圈）。實際的變壓器是很復雜的，不可避免地存在銅損（線圈
電阻發熱）、鐵損（鐵心發熱）和漏磁（經空氣閉合的磁感應線）等，為了簡化討論這里只介紹理想變壓器。理想變壓器成立的條件是：忽略漏磁通，忽略原、副線圈的電阻，忽略鐵心的損耗，忽略空載電流（副線圈開路原線圈線圈中的電流）。例如電力變壓器在滿載運行時（副線圈輸出額定功率）即接近理想變壓器情況。
?
變壓器是利用電磁感應原理制成的靜止用電器。當變壓器的原線圈接在交流電源上時，鐵心中便產生交變磁通，交變磁通用φ表示。原、副線圈中的φ是相同的，φ也是簡諧函數，表為φ=φmsinωt。由法拉第電磁感應定律可知，原、副線圈中的感應電動勢為e1=-N1dφ/dt、e2=-N2dφ/dt。式中N1、N2為原、副線圈的匝數。由圖可知U1=-e1，U2=e2（原線圈物理量用下角標1表示，副線圈物理量用下角標2表示），其復有效值為U1=-E1=jN1ωΦ、U2=E2=-jN2ωΦ，令k=N1/N2，稱變壓器的變比。由上式可得U1/ U2=-N1/N2=-k，即變壓器原、副線圈電壓有效值之比，等于其匝數比而且原、副線圈電壓的位相差為π。
?
進而得出：
?
U1/U2=N1/N2
?
在空載電流可以忽略的情況下，有I1/ I2=-N2/N1，即原、副線圈電流有效值大小與其匝數成反比，且相位差π。
?
進而可得
?
I1/ I2=N2/N1
?
理想變壓器原、副線圈的功率相等P1=P2。說明理想變壓器本身無功率損耗。實際變壓器總存在損耗，其效率為η=P2/P1。電力變壓器的效率很高，可達90%以上。 ［1］
?
主要分類
?
一般常用變壓器的分類可歸納如下 ［2］ ：
?
1、按相數分：
?
1）單相變壓器：用于單相負荷和三相變壓器組。
?
2）三相變壓器：用于三相系統的升、降電壓。
?
2、按冷卻方式分：
?
1）干式變壓器：依靠空氣對流進行自然冷卻或增加風機冷卻，多用于高層建筑、高速收費站點用電及局部照明、
電子線路等小容量變壓器。
?
2）油浸式變壓器：依靠油作冷卻介質、如油浸自冷、油浸風冷、油浸水冷、強迫油循環等。
?
3、按用途分：
?
1）電力變壓器：用于輸配電系統的升、降電壓。
?
2）儀用變壓器：如電壓互感器、電流互感器、用于測量儀表和
繼電保護裝置。
?
3）試驗變壓器：能產生
高壓，對
電氣設備進行高壓試驗。
?
4）特種變壓器：如電爐變壓器、整流變壓器、調整變壓器、
電容式變壓器、移相變壓器等。
?
4、按繞組形式分：
?
1）雙繞組變壓器：用于連接
電力系統中的兩個電壓等級。
?
2）三繞組變壓器：一般用于電力系統區域變電站中，連接三個電壓等級。
?
3）自耦變電器：用于連接不同電壓的電力系統。也可做為普通的升壓或降后變壓器用。
?
5、按鐵芯形式分：
?
1）芯式變壓器：用于高壓的電力變壓器。
?
2）非晶合金變壓器：非晶合金鐵芯變壓器是用新型導磁材料，空載電流下降約80%，是節能效果較理想的配電變壓器，特別適用于農村電網和發展中地區等負載率較低地方。
?
3）殼式變壓器：用于大電流的特殊變壓器，如電爐變壓器、電焊變壓器；或用于電子儀器及電視、收音機等的電源變壓器。
?
?
工作頻率
?
變壓器鐵芯損耗與頻率關系很大，故應根據使用頻率來設計和使用，這種頻率稱工作頻率。
?
額定功率
?
在規定的頻率和電壓下，變壓器能長期工作而不超過規定溫升的輸出功率。
?
額定電壓
?
指在變壓器的線圈上所允許施加的電壓，工作時不得大于規定值。
?
電壓比
?
指變壓器初級電壓和次級電壓的比值，有空載電壓比和負載電壓比的區別。
?
空載電流
?
變壓器次級開路時，初級仍有一定的電流，這部分電流稱為空載電流。空載電流由磁化電流（產生磁通）和鐵損電流（由鐵芯損耗引起）組成。對于50Hz電源變壓器而言，空載電流基本上等于磁化電流。
?
空載損耗
?
指變壓器次級開路時，在初級測得功率損耗。主要損耗是鐵芯損耗，其次是空載電流在初級線圈銅阻上產生的損耗（銅損），這部分損耗很小。
?
效率
?
指次級功率P2與初級功率P1比值的百分比。通常變壓器的額定功率愈大，效率就愈高。
?
絕緣電阻
?
表示變壓器各線圈之間、各線圈與鐵芯之間的絕緣性能。絕緣電阻的高低與所使用的絕緣材料的性能、溫度高低和潮濕程度有關.
一、設計2kVA以下的電源變壓器及音頻變壓器
一些電子線路設計人員及電子、電工愛好者經常碰到設計好的變壓器，繞制時卻繞不下；另外，設計的變壓器，在帶足負載后，次級電壓明顯下降。還有一部分設計的變壓器的性能良好，但成本較高而沒有商業價值。筆者在這里談談變壓器的設計方法與技巧。
●變壓器截面積確定：
大家知道鐵芯截面積是根據變壓器總功率“P”確定的（A=1.25*SQRT（P）。在設計時，假定負載是恒定不變的，則其鐵芯截面積通常可選取計算的理論值。如果其負載是變化比較大的，例如，音頻、功放電源等變壓器的截面積，則應適當大于理論計算值．這樣才能保證有足夠的功率輸出能力（因為一旦截面積確定后，就不可能再選擇功率余量了）。如何確定這些變壓器的“P”值呢？應該計算出使用時負荷的最大功率。并且估算出某些變壓器在使用中需要輸出的最大功率。特別是音頻變壓器、功放電路的電源變壓器等（筆者測試過多種功放電路的音頻變壓器、功放電路的電源變壓器；音頻變壓器在大動態下明顯失真，電源變壓器在大動態下次級電壓明顯下降。經測算，截面積不夠是產生上述現象的主要原因之一）。
●每伏匝數的確定：
變壓器的匝數主要取決于鐵芯截面積和硅鋼片的質量，通常從參考書籍計算出的每伏匝數是比較多的，經實驗證明，從理論設計的數值上，將每伏匝數降低10％～15％是沒有問題的。例如，一只35W的電源變壓器，根據理論計算（中矽鋼片8500高斯）每伏匝數為7.2匝，而實際每伏只需6匝就可以了，且這樣繞制的變壓器空載電流在26mA左右。
筆者和同行在解剖過日本生產的家用電器上的電源變壓器時發現。他們生產的變壓器每伏匝數比我們國產的變壓器線圈匝數要少得多，同樣35W的電源變壓器每伏匝數只有4．8匝，空載電流45mA左右。通過適當減少匝數。繞制出來的變壓器不但可以降低內阻，而且避免了采用普通規格硅鋼片時經常出現的繞不下的麻煩。還節省了成本，提高了性價比。
●漆包線的線徑確定：
線徑是根據負載電流而確定的。由于在不同的情況下，漆包線通載電流差距較大，故確定線徑的幅度也較大，一般在額定的電流下連續工作的變壓器，其工作電流基本不變，但在散熱條件不理想，且環境溫度比較高時，應按電流密度為2A/mm2選取漆包線的線經。如果變壓器連續工作時負載電流基本不變，但本身散熱條件很好，環境溫度又不高，漆包線按電流密度2.5A/mm2選取線徑：假如一般時段工作電流只有最大電流的1／2。漆包線按電流密度3—3.5A／mm2選取線徑。音頻變壓器的漆包線按電流密度3.5～4A/mm2選取線徑。這樣，因時制宜取材，既可保證質量又可大大降低成本。
二、兩種特殊變壓器設計方法與技巧
●高壓工頻變壓器：
這類變壓器往往工作電壓幾千伏，但電流只有毫安至幾十毫安，由于電壓較高，次級的絕緣要求很高，在繞制時，常采用層層墊紙，這按通常方法設計且采用普通規格化的硅鋼片是繞不下的。故應選用窗口較大的硅鋼片，另外適當增加疊厚，用加大截面積的辦法來減少初、次級的匝數。
●多次級的變壓器：
這類變壓器的次級多數在七八組以上．電流大小不等，但每組不一定同時接負載，所以計算功率不一定全部算進去，只要將同時帶負載的次級繞組計算出來即可。同樣應選窗口較大的硅鋼片，初級線圈的線徑應根據次級各組同時使用的實際功率確定。采用以上的方法設計。既能保證性能又可以降低生產的成本。
