變壓器被定義為一種靜態(tài)電機(jī)，即沒(méi)有移動(dòng)元件，由一個(gè)漆包銅線(xiàn)繞組組成，以交流電壓供電（初級(jí)），由一個(gè)漆包銅線(xiàn)繞組在其上獲取電壓（次級(jí)），以及一個(gè)由重疊疊片和良好磁通導(dǎo)體組成的鐵磁材料鐵芯（鐵芯），如圖 1 所示。變壓器的工作原理基于兩個(gè)或多個(gè)相互耦合的電路之間的電磁感應(yīng)。

其主要功能是通過(guò)改變輸出電壓和電流值將電能轉(zhuǎn)換為交流電。其操作是可逆的，這意味著當(dāng)將初級(jí)與次級(jí)反轉(zhuǎn)時(shí)，其工作效果也一樣好，因此其操作方式也發(fā)生了變化。如果將正弦交流電壓施加到初級(jí)，則通過(guò)磁感應(yīng)在鐵芯中產(chǎn)生正弦磁通量。變壓器不能使用直流電源，只能使用交流電。本質(zhì)上，這種機(jī)器將電能轉(zhuǎn)換為磁能，然后再轉(zhuǎn)換為電能。因此，能量損失會(huì)很小。

輸出電壓與初級(jí)線(xiàn)圈和次級(jí)線(xiàn)圈的匝數(shù)比成正比，這是需要考慮的重要的設(shè)備規(guī)則之一。當(dāng)然，在這種轉(zhuǎn)換過(guò)程中，可能會(huì)發(fā)生少量的功率損耗。在理想的變壓器中，初級(jí)和次級(jí)線(xiàn)圈的電阻為零，磁通量完全連接到兩個(gè)線(xiàn)圈而沒(méi)有分散。此外，沒(méi)有由于磁滯引起的損耗，鐵和寄生電容中的損耗也為零。

變壓器的設(shè)計(jì)

作為靜態(tài)電機(jī)，變壓器實(shí)現(xiàn)了初級(jí)和次級(jí)之間電壓和電流比的轉(zhuǎn)換，試圖保持功率不變。但實(shí)際上，功率部分被變壓器本身耗散，作為鐵芯和繞組中的損耗。如果初級(jí)和次級(jí)的匝數(shù)相同，則有隔離變壓器，它將初級(jí)和次級(jí)電隔離開(kāi)來(lái)，并保持電壓和電流不變。初級(jí)和次級(jí)之間沒(méi)有直接的電連接。

當(dāng)變壓器由交流電（即正弦電）供電時(shí)，磁芯中會(huì)產(chǎn)生磁通量，從而在繞組上產(chǎn)生電壓。如果次級(jí)保持開(kāi)路，則可以在其兩端讀取電壓，但沒(méi)有電流流通，變壓器“無(wú)負(fù)載”工作。但是，如果次級(jí)連接有負(fù)載（例如電阻器），電流會(huì)在次級(jí)中流通，需要來(lái)自初級(jí)的額外功率。如果變壓器在滿(mǎn)載下工作，它將充分利用其設(shè)計(jì)功率。

一個(gè)非常有用的參數(shù)是電壓下降率，它表示無(wú)負(fù)載時(shí)次級(jí)工作電壓與有負(fù)載時(shí)次級(jí)工作電壓的差異。計(jì)算如下：

在變壓器中，可以識(shí)別出兩個(gè)基本部件，即磁芯（可以由鐵、鐵氧體或其他材料制成）和繞組（通常由漆包銅、鋁或銀制成）。變壓器的設(shè)計(jì)有很多方法，有些方法比其他方法更復(fù)雜，而且還需要使用許多數(shù)學(xué)方程。但是，也有許多應(yīng)用程序和軟件可以幫助設(shè)計(jì)人員構(gòu)建變壓器。

變壓器的設(shè)計(jì)和定型需要對(duì)相關(guān)電氣和物理復(fù)雜性有深入的了解，也需要在這方面有豐富的經(jīng)驗(yàn)。要制造變壓器，必須從計(jì)算一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)開(kāi)始。如上所述，有幾種公式和方法可以確定設(shè)備的構(gòu)造參數(shù)。然而，公式越多越復(fù)雜，終結(jié)果就越、越可靠。作為示例，我們將根據(jù)圖 2 所示的圖表設(shè)計(jì)具有以下銘牌數(shù)據(jù)的變壓器：

初級(jí)繞組電源電壓：230V（V1）

滿(mǎn)載時(shí)次級(jí)繞組上讀取的電壓：48 V (V2)

次級(jí)功率：600 VA伏安（P2）

變壓器工作頻率：50Hz（f）

變壓器所需磁感應(yīng)強(qiáng)度：1 Wb/m 2 (B)

磁感應(yīng)有專(zhuān)門(mén)的表格，但常見(jiàn)的值如下所示：

標(biāo)準(zhǔn)硅鋼：1.10 Wb/m 2

中品質(zhì)硅鋼：1.15 Wb/m 2

優(yōu)質(zhì)硅鋼：1.20 Wb/m 2

定向顆粒：1.25 Wb/m 2

 

圖 2：?jiǎn)蜗嘧儔浩鞯某叽?/p>

使用眾多可用公式之一，可以粗略計(jì)算出要使用的金屬板的總表面積：

電力電子課程：第 17 部分 — 變壓器的設(shè)計(jì)

一旦獲得了金屬板面積的測(cè)量值，就可以查找圖 3 所示表格中接近所進(jìn)行的計(jì)算的行。根據(jù)找到的數(shù)據(jù)，可以讀取與層壓有關(guān)的所有其他尺寸。

圖 3：標(biāo)準(zhǔn)單相 EI 型疊片表（來(lái)源：Giunchi Fabrizio）

單相用 EI 標(biāo)準(zhǔn)型鐵心的所有尺寸均基于所有其他尺寸按照以下基本公式計(jì)算：

圖 3：標(biāo)準(zhǔn)單相 EI 型層壓板表（來(lái)源：Giunchi Fabrizio）。

根據(jù)上述公式和表中的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在可以計(jì)算所有其他尺寸，為方便起見(jiàn)，如下所示：

面積（厘米2）：270

尺寸(毫米): 150

寬度（毫米）：180

厚度（毫米）：60

直徑（毫米）：30

外徑（毫米）：90

口徑（毫米）：30

寬（毫米）：30

類(lèi)型: EI180

此時(shí)，可以根據(jù)以下公式，使用尺寸系數(shù) Kd 和二次功率輕松計(jì)算出鐵磁芯的截面：

電力電子課程：第 17 部分 — 變壓器的設(shè)計(jì)

如果使用殼板，則尺寸系數(shù) Kd 可在 1 至 1.6 之間選擇，如果使用雙柱板，則可在 0.7 至 1.2 之間選擇。此參數(shù)允許我們使用更多銅（Kd 值低）或更多鐵（Kd 值高）。Kd 系數(shù)低時(shí)，可獲得尺寸小、匝數(shù)多的變壓器，而 Kd 系數(shù)高時(shí)，可獲得尺寸大、匝數(shù)少的變壓器?，F(xiàn)在，根據(jù)鐵磁芯的截面和金屬板的“C”尺寸，可以根據(jù)以下公式計(jì)算出板組的厚度，同時(shí)考慮填充系數(shù) Ks：

 

封裝系數(shù) Ks 可取 1.05 至 1.15 之間的值，具體取決于金屬片的絕緣類(lèi)型、厚度以及在卷軸中進(jìn)行相關(guān)組裝的謹(jǐn)慎程度，后者根據(jù)計(jì)算出的各個(gè)元件的尺寸進(jìn)行選擇。一個(gè)好的值是 Ks=1.11。已知單層片的厚度 sl=0.5mm 和層狀封裝的厚度 Sp，就可以通過(guò)以下公式輕松計(jì)算出層片的數(shù)量：

 

初級(jí)和次級(jí)匝數(shù)的計(jì)算考慮了“每匝電壓”參數(shù)。計(jì)算公式如下：

 

初級(jí)繞組的匝數(shù)也可以通過(guò)以下公式輕松計(jì)算出來(lái)：

 

在次級(jí)處，總是會(huì)發(fā)生電壓下降（百分比），具體取決于變壓器的功率：

次級(jí)空載電壓，即不接任何負(fù)載時(shí)的電壓，按下式計(jì)算：

現(xiàn)在，考慮到剛剛計(jì)算出的空載次級(jí)電壓，計(jì)算次級(jí)繞組的匝數(shù)非常簡(jiǎn)單，使用以下公式：

，通過(guò)以相當(dāng)簡(jiǎn)單的方法計(jì)算電流的參數(shù)，就可以確定要使用的電線(xiàn)的直徑。

結(jié)論

即使是的變壓器也可能干擾附近的設(shè)備，因?yàn)榭倳?huì)有一小部分感應(yīng)能量離開(kāi)設(shè)備。因此，在將變壓器放置在電子設(shè)備內(nèi)時(shí)，必須始終格外小心，因?yàn)榭勺兇艌?chǎng)可能會(huì)通過(guò)引入不必要的噪聲來(lái)干擾附近的電路。變壓器是效率的電機(jī)之一；由于它沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，的損耗位于銅和鐵中。

對(duì)于電力變壓器，必須使用更的公式，同時(shí)還要考慮其他參數(shù)。變壓器的設(shè)計(jì)和構(gòu)造是一門(mén)真正的藝術(shù)，但必須伴隨著許多計(jì)算和數(shù)學(xué)公式。然而，網(wǎng)上的眾多工具和軟件可以極大地促進(jìn)磁性設(shè)備的制造，限度地減少錯(cuò)誤，同時(shí)限度地提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。