变压器工作原理


经常会遇到这样一个问题:对于理想变压器来说,一方面,通过原线圈的电流变化造成原线圈的磁通量变化,再通过铁芯引起副线圈的磁通量变化,从而在副线圈中产生电压,即因为原线圈的原因才有副线圈的结果;另一方面,根据输出功率与输入功率相等的原则,如果副线圈断开,没有输出功率,即变压器空载,那么就应该有输出电流为零,从而可知原线圈的电流也应该为零;如果是这样的话,既然原线圈电流为零,那么也就不存在原线圈的电流变化,当然也就没有原、副线圈的磁通量的变化,从而也就没有输出电压了;而事实当然不是这样,那又是为什么呢?这样的问题,一部分同学不得其解,其实,一部分老师也有类似的疑问;为了说明问题,我们先从变压器的原理入手,对变压器空载运行时的情况作一说明如下:

(1)变压器是一种根据电磁感应规律变换交流电压和交流电流强度的设备,在实际应用中,常常需要改变交流电的电压;最简单的单相变压器是由一个闭合的铁芯和绕在铁芯上的两个匝数不同,彼此绝缘的线圈构成,与电源相接的线圈称为原线圈,也简称原边或初级;与负载相连的线圈称为副线圈,也简称副边或次级;

(2) 工作原理:原线圈上加上交流电压U1,原线圈中就有了交变电流I1,它在铁芯中产生变化的磁通量φ1,这个交变的磁通量不仅穿过原线圈,也穿过副线圈,因而在原、副线圈内分别产生交变的感应电动势E1、E2;由于副线圈中有交变的感应电动势存在,这样可以把副线圈两端看成是一个新的电源;当副线圈中的电路是闭合的,电路中就有交变电流产生。

(3)原、副线圈的感应电动势、电压和电流强度之间的关系

     A、原、副线圈的感应电动势和变压器原副线圈匝数之间的关系:当电源的交变电流流过原线圈时,原副线圈电流产生的磁通量绝大部分通过铁芯,穿过这两个线圈的交变磁通量相同,因而这两个线圈的每匝产生的感应电动势相等;设原线圈匝数为N1,副线圈匝数为N2,穿过铁芯的磁通量为φ,根据电磁感应定律得:在原、副线圈中产生的感应电动势分别为:E1=N1△φ/△t,E2=N2△φ/△t ,所以,E1/E2=N1/N2,即原、副线圈中感应电动势与匝数成正比;

     B、输入电压U1与输出电压U2与原副线圈匝数之间的关系:在原线圈中感应电动势E1起着阻碍电流变化的作用,它的方向与电源电流方向相反,和加在原线圈两端的电压U1作用相反,是反电动势;如通过原线圈的电流为I1,原线圈的内阻为R1,根据欧姆定律得:U1=E1+I1R1;在副线圈中,E2起着电源电动势的作用;设副线圈两端的输出电压为U2,副线圈内电阻为R2,当它所连结的电路是闭合时,电流强度是I2,根据欧姆定律得:U2=E2—I2R2,通常R1、R2都很小可以忽略不计,所以U1=E1,U2=E2,U1/U2=E1/E2=N1/N2,即变压器原副线圈的端电压之比等于这两个线圈的匝数之比。

   C、原副线圈中电流强度和原副线圈匝数的关系:

当副线圈接有负载,在感应电动势U2的作用下,副线圈就有电流I2通过,即有电能输出;从能量转换的观点来看,副线圈有能量输出,必然使原线圈从电源多吸收负载所需要的能量,通过原、副线圈的磁通量的变化传给副线圈;当电源电压U1保持不变,要使输入能量增加,原线圈的电流必然增大,即从空载时的I0增加到I1;由于是理想变压器,没有能量的损失,因此有输出功率与输入功率相等,即有U1I1=U2I2,故有I1/I2=U2/U1=N2/N1 即变压器工作时原副线圈中的电流强度与线圈的匝数成反比。

综上所述,对于变压器而言,当变压器空载时,原线圈有电流,但这个电流非常小;同时,我们也看到,输出功率与输入功率相等也只是一种近似,事实上,是不相等的,而是输入功率等于输出功率和其它损失的能量之和;通常情况下,如果忽略能量的损失(这种损失较小)就认为输出功率与输入功率相等。

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