變壓器設(shè)計原則的探討

陳海東

摘 要：變壓器的主要作用就是改變交流電壓大小。它結(jié)合了電磁感應(yīng)的設(shè)計宗旨，把其中一種等級的交流電壓轉(zhuǎn)換成別的級別交流電壓，如此來應(yīng)對各種負(fù)荷的電壓種類。隨著變壓器的新起，有越來越多的人逐漸從認(rèn)識到應(yīng)用，而且變壓器所涉及的領(lǐng)域也頗多，小到日常生活大到工作運(yùn)營。目前，變壓器的安全性和穩(wěn)定性也是在發(fā)展過程中一個值得注意的問題，因?yàn)樽儔浩鞑粏螁问窃谌粘９ぷ魃钪杏兴|及，它在電力系統(tǒng)和供用電系統(tǒng)中也發(fā)揮著至關(guān)重要的功效。文章主要從變壓器的設(shè)計理念、原理特點(diǎn)對其展開了詳細(xì)的分析和討論。

關(guān)鍵詞：變壓器；設(shè)計原則；電磁感應(yīng)；線圈；技術(shù)數(shù)據(jù)；發(fā)展趨勢

如今我國社會發(fā)展迅速，使得電子元件較多的投入到了電廠的管理、監(jiān)察測量以及自動回路之中，從而也就促進(jìn)了小型變壓器的使用范圍，使之愈來愈普遍。不過，有時候也因?yàn)樾⌒妥儔浩鞯耐蝗粨p壞，而在市場中變壓器的銷售并不是很多，所以很難購買得到，造成了機(jī)器停止運(yùn)轉(zhuǎn)不能夠繼續(xù)工作的結(jié)果，這類原因形成的問題還比較多見。所以，為了減少不必要的麻煩，平時不光要提高變壓器的維修養(yǎng)護(hù)之外，還需要了解變壓器的繞制方法，文章對變壓器如何設(shè)計以及設(shè)計的方案和技術(shù)手段進(jìn)行了分析。

1 變壓器的工作原理以及技術(shù)數(shù)據(jù)

1.1 變壓器的工作原理

電力變壓器的作用是轉(zhuǎn)換交流電壓的大小，變壓器通過電磁感應(yīng)的原理，從而把一種級別的交流電壓轉(zhuǎn)換成別的級別的交流電壓，來實(shí)現(xiàn)每種電流負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)。也正因?yàn)槠滢D(zhuǎn)換電流壓力的功能，使它在電力系統(tǒng)和供用電系統(tǒng)都發(fā)揮著不可替代的能力。大多相同的磁路組成通常采取硅鋼片制作而成的，被稱作鐵心。雙繞組變壓器，其構(gòu)造以及運(yùn)行理念是把連接到交流電源的繞組稱之為原繞組，而把連接到負(fù)荷（也稱負(fù)載）的繞組稱之為副繞組，元繞組有時候也被叫做是原邊或者是初級，副繞組被叫做副邊或者是次級。

變壓器中元繞組跟副繞組的電壓各不相同，如果次級繞組電流強(qiáng)度超出初級繞組電流強(qiáng)度，那么可以把這類的變壓器叫做升壓變壓器；如果次級電流強(qiáng)度弱于初級電流強(qiáng)度，那么把該變壓器叫做低壓變壓器。工程學(xué)中也可以把電流強(qiáng)度強(qiáng)的叫做高壓繞組，電流強(qiáng)度弱的叫做低壓繞組。

1.2 變壓器的數(shù)據(jù)支持

變壓器所有的技能大致分解情況有以下幾個部分：額定電壓組合、額定電壓比、冷卻方法、總重量以及大小等。因?yàn)橹亓亢痛笮≈邪髓F心、繞組、絕緣構(gòu)造、油箱、絕緣套管，所以使這個部分成為變壓器中的主要成分。而這之中也不能夠沒有任何一個部件，因?yàn)樗鼈兊淖饔枚际浅猩蠁⑾孪嗷ミB接的，如此才能夠確保變壓器在工作中發(fā)揮出自身的全部功能，并且更加有效的對電流電壓實(shí)行轉(zhuǎn)換。

2 變壓器的設(shè)計原則

2.1 變壓器的工作設(shè)計分析

2.1.1 變壓器空載運(yùn)行。變壓器的空載運(yùn)行屬于一種超常的工作形式?？蛰d運(yùn)行的主要含義指的是初級繞組連接到電源，次級繞組開路，并且次級繞組中不存在電流的非常容易實(shí)行的工作狀態(tài)。在相同的電路中，電壓和電流的流通方位也要相同，電磁流通的方位要保證和電流電壓的通入的方位呈右手螺旋的狀態(tài)；在電磁感應(yīng)的現(xiàn)象里產(chǎn)生的電動勢要和磁通量兩者需要符合電磁感應(yīng)定律。電量方向標(biāo)準(zhǔn)：電壓u1與電流I0同方向，磁通Ф正方向與電流I0正方向符合右手螺旋定則。電勢e與I0電流的正方向相同。由于磁通在交變，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，電勢公式及電勢平衡方程式推導(dǎo)。空載時，主磁通Ф在1次側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電勢E1，在2次側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電勢E2，1次側(cè)的漏磁通Φ1σ在1次側(cè)漏抗電勢E1σ。而這屬于電機(jī)學(xué)中相當(dāng)主要的一個公式，叫做4.44公式。講述了感應(yīng)電勢E1與磁通Φm/頻率f/繞組匝數(shù)N成正比。上述推理牽扯到了電磁量為正弦的轉(zhuǎn)換，能夠用相量來說明。分析正弦穩(wěn)態(tài)的有效辦法是相量法，使用該方法的時候不單要注意其有效值，還需要注意反映交流電任何時間狀態(tài)的物理量。感應(yīng)電勢E在相位上滯后于磁通Φ90°。E1σ=-jX1σI0考慮到1次側(cè)繞組的電阻壓里減弱之后，其電勢平衡方程式為：

U1=-E1-E1σ+R1I0=-E1+jX1σI0+R1I0=-E1+I0Z11次側(cè)無電流，故：E2=U2對于1次側(cè)來說，電阻壓降和漏抗壓降都很小。于是U1≈-E1=4.44fN1Φm，如此可見變壓器的磁通主要是根據(jù)電源電壓U1/頻率f/和1次側(cè)繞組的匝數(shù)N1來決定。在設(shè)計過程中，如果電壓U1和頻率f給定，則變壓器磁通由匝數(shù)N1決定。用一個阻抗（Rm+jXm）表示主磁通Φ對變壓器的作用，用另一個阻抗（R1+jX1σ）1次側(cè)繞組電阻R1和漏抗X1σ的作用，這樣能夠得出空載時變壓器的等效電路。R1和X1σ受飽和程度的影響非常小，一般情況是原地不動的。Rm和Xm隨著飽和程度的增大而減小，在實(shí)際運(yùn)用操作時需謹(jǐn)記這項(xiàng)論證結(jié)果。變壓器正常運(yùn)轉(zhuǎn)是，因?yàn)殡娫措妷恨D(zhuǎn)換的范圍較小，鐵心中主磁通的變化不是特別的大，勵磁阻抗Zm也屬于不動的狀態(tài)。變壓器，其磁通Φ可以由電壓U1和頻率f控制。

2.1.2 變壓器的負(fù)載運(yùn)行。負(fù)載運(yùn)行是變壓器最基本的運(yùn)行狀態(tài)，變壓器的負(fù)載運(yùn)行是指原繞組接入電源電壓，副繞組接負(fù)載時的工作情況。這時，變壓器的副邊也有電流流通。原邊的輸入電流與空載相比相應(yīng)增大，副邊的端電壓將受到負(fù)載的影響而發(fā)生變化，這是負(fù)載運(yùn)行與空載運(yùn)行的主要區(qū)別。變壓器負(fù)載運(yùn)行基本電磁過程：負(fù)載后，2次側(cè)電流產(chǎn)生磁勢F2=N2I2，該磁勢將力圖改變磁通Φ，而磁通是由電源電壓決定的，也就是說Φ基本不變。要維持Φ不變，1次繞組的電流將由原來的I0變?yōu)镮1。I1產(chǎn)生磁勢F1=I1N1，F(xiàn)1與F2共同作用產(chǎn)生Φ，F(xiàn)1+F2的作用相當(dāng)于空載磁勢F0，也即勵磁磁勢Fm。負(fù)載后，1次側(cè)繞組中的電流由兩個分量組成，一個是其負(fù)載分量I1L，另一個是產(chǎn)生磁通的勵磁分量I0，I1L產(chǎn)生的磁勢與2次側(cè)電流產(chǎn)生的磁勢大小相等，方向相反，互相抵消。在滿載時，I0只占I1L的2%～8%，有時可將I0忽略，即：I1+I2/k=0，I1/I2=1/k。這就是變壓器的變流作用，只有在較大負(fù)載時才基本成立，用此原理可以設(shè)計出電流互感器。

2.2 變壓器的設(shè)計原則

變壓器屬于一項(xiàng)產(chǎn)品，具有一定的商品屬性特征。變壓器在設(shè)計時原則問題跟其他商品沒有什么太大的區(qū)別。在制造過程中要使其的效用合乎標(biāo)準(zhǔn)，以較少的投入獲取較大的利益。但是，一些商家在注重減少商品投入的資金時，忽略了設(shè)計細(xì)節(jié)。既想開發(fā)出有效的產(chǎn)品，又想節(jié)約成品成為了現(xiàn)今此行業(yè)對的首要問題。解決措施是要設(shè)計創(chuàng)造出更好的變壓器，使其方便人們的使用，功能方面穩(wěn)定有效，還要保證成本在可控范圍之內(nèi)。這樣的變壓器才能夠在市場中更加受到人們的購買和喜愛。

制造方要對產(chǎn)品做出詳細(xì)的說明介紹，從而幫助購買者，確保變壓器在工作中的使用安全和效用，不斷的改革創(chuàng)新，改善產(chǎn)品的缺點(diǎn)和不足，穩(wěn)扎穩(wěn)打，還要能夠承受住市場的長期考驗(yàn)，如此才能在那么多的產(chǎn)品中嶄露頭角，站穩(wěn)腳跟。

3 結(jié)束語

總而言之，想設(shè)計創(chuàng)造出兩全其美的變壓器，就需要不斷的試驗(yàn)和仔細(xì)的研究琢磨，直至完全靈活的運(yùn)用變壓器的設(shè)計理念和技術(shù)手段。因?yàn)閷ψ儔浩鞯牟粩嗝魈骄?，作者也制作出了很多的小型變壓器，還能夠利用已經(jīng)損壞的小型變壓器的鐵心和繼電器、啟動器的線圈來繞制，不僅經(jīng)濟(jì)還能解決實(shí)際問題，使設(shè)備及時投入運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]維修電工技能訓(xùn)練[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2001（4）：232-239.

[2]蔡國余.電焊機(jī)變壓器設(shè)計[M].天津：天津大學(xué)出版社，1998（7）：45-56.

[3]電機(jī)與變壓器[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2004（1）：175-178.

[4]王松德，寧敏東.小功率單相電源變壓器的設(shè)計[J].河南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005（3）.