4.2 变压器的主要参数
4.2.1 变压比与每伏匝数
变压比与每伏匝数是设计制作变压器时需要用到的两项重要参数。
1.变压比
在图4-7所示的变压器中,初级绕组的匝数记为 N1,次级绕组的匝数记为 N2,初级输入电压记为U1,次级输出电压记为U2。
图4-7 变压器的变压比
变压器次、初级绕组的匝数之比等于次、初级绕组的电压之比。这个比值就称为变压器的变压比,是一个具体数值,常用n表示。变压比可用公式表示为
2.每伏匝数
每伏匝数,就是变压器某个绕组的匝数与这个绕组两端的电压之比。用公式表示为
式中,N0表示变压器每伏匝数;N 表示一个绕组的匝数,单位为圈;U 表示这个绕组两端的电压,单位为V。
如果图4-4(a)所示变压器初级绕组的匝数是3300圈,两端输入220V电压,每伏匝数就是:圈/V。次级绕组的匝数是180圈,两端输出电压为12V,每伏匝数就是: 圈/V。这表明,对同一个变压器,不管是初级绕组还是次级绕组,每伏匝数N0都相同。若变压器规格不同,则每伏匝数也不同。
4.2.2 变压器的功率
变压器功率可从两方面来分析:一方面是输入功率,指变压器承受输入电能的大小;另一方面是输出功率,指变压器能够供给负载电能的大小。
1.变压器的输入功率
应用变压器时,常要在初级绕组上加一定电压,称为输入电压,用 U1表示;产生的电流,称为输入电流,用 I1表示;产生的功率,称为输入功率,用 P1表示。在实际中,变压器输入功率与输入电压成正比,与输入电流成正比,用公式表示为
P1=U1×I1
式中,U1的单位为V;I1的单位为A;P1的单位为W。
通俗讲,变压器的输入功率 P1,就是电源供给变压器的电能。功率大,电源供给变压器的电能就多;功率小,电源供给变压器的电能就少。
2.变压器的输出功率
变压器在工作中,次级会产生一定电压,称为输出电压,用 U2表示;输出电压供给负载形成一定电流,称为输出电流,用I2表示;产生的功率,称为输出功率,用P2表示。
实践证明,变压器的输出功率跟输出电压成正比,与输出电流成正比。用公式表示为
P2=U2×I2
式中,U2的单位为V;I2的单位为A;P2的单位为W。
实际选用变压器时,必须保证变压器的输出功率等于或大于负载的功率。具体讲,收音机用的电源变压器就不能用于电视机上,因为收音机电源变压器的输出功率太小,不能满足电视机所需的电功率。如果强行使用,就会导致电视机不能正常工作或很快烧毁变压器。
因此,在应用时,无论是电源变压器还是其他变压器,都一定要注意变压器电功率这一重要参数。
4.2.3 变压器的损耗
变压器工作要输入电功率,并产生输出电功率。变压器输入功率后,先通过初级绕组将输入电能转化成磁能,然后又通过次级绕组将磁能转化为电能,取得输出功率。
变压器在从初级绕组向次级绕组传输功率的过程中,总要产生一定的损耗,损耗功率用PS表示。变压器的损耗主要有铜损和铁损两部分。
(1)铜损是指变压器绕组电阻所引起的损耗。变压器初、次级绕组都存在着电阻,当绕组导通电流时,导线电阻就要产生热量并散发到空气中,并将一部分电能转变为热能而损耗掉,由于这部分电能是损耗在绕组铜质上的,所以称为铜损。可见,铜损在变压器初、次级绕组上都存在。
(2)变压器的铁损包括两个方面:一方面是磁滞损耗;另一方面是涡流损耗。
1.变压器的磁滞损耗
有交流电流通过变压器初级绕组时,会产生感应磁场,磁力线便通过变压器铁芯。磁场的强弱和方向随交流电流时刻改变,使铁芯内部分子相互摩擦,产生热量,最终由铁芯传递散发到空气中,从而损耗电能。从能量损耗角度讲,这种损耗称为变压器的磁滞损耗。
为了减少磁滞损耗,常在普通钢中渗入2%~4%的硅,再用硅钢片制成变压器铁芯,使铁芯分子的电阻大大增加,极大地限制铁芯内部分子之间的相互摩擦,控制热量的产生,从而限制磁滞损耗造成的能量损耗。另外,还可用坡莫合金等材料来制作变压器的铁芯,也可以减少变压器的磁滞损耗。在普通钢中渗入2%~4%的硅后,电能损耗便降为普通钢的20%~25%。
2.变压器的涡流损耗
涡流损耗是变压器的另一种损耗,以图4-8所示来说明。可把图中线圈当做电源变压器的初级绕组,给绕组加220V电压后,绕组就导通电流产生感应磁场。图4-8所示是某一瞬间的磁场方向。
图4-8 涡流损耗
线圈产生磁场是电生磁的过程。绕组产生磁场后又要产生感应电流,这是磁电生的过程。但感应电流的条件是磁场必须穿过闭合的导线,下面结合图4-8中圆铁体轴心线上端的一条磁感线来分析铁芯中是怎样形成磁场的闭合导线。
这条磁感线处在圆形铁体轴心线上,被周围铁体包围着,由于铁体本身就是导体,便形成许多闭合导线包围着磁感线,换一种方式讲,就是磁感线穿过了许多闭合线圈,相当于变压器次级。这样必然在这些线圈上产生感应电流,电流形如旋涡状,称为涡电流,简称涡流。涡流的方向可用楞次定律来判断。
可想而知,线圈磁场的磁感线有无数条,整块铁芯的线圈也有无数条,因而累计的涡电流就很大,就要在铁芯上产生大量热,通过铁体传递散发到空气中,损耗电能。因为此损耗是涡流产生的,所以称为涡流损耗。另外,高温传给线圈的绝缘漆层,最终会烧毁漆层使变压器绕组短路。可见,涡流有极大的危害。
为了减小涡流损耗,变压器的铁芯不用整块的铁体,而是采用0.35~0.5mm厚的硅钢片做成叠层铁芯。同时在硅钢片的外表覆以绝缘漆,使叠层之间彼此绝缘,以切断涡流。采用这些措施后,涡流就大大减小,加之硅钢片较薄,使涡流回路变窄,电阻增大,最终使得变压器铁芯中的涡流损耗大为降低。
4.2.4 变压器的效率
1.变压器效率及其计算公式
变压器有输入功率P1、输出功率P2,还有损耗功率PS。三者存在如下关系:
P1=P2+PS
这表明,输出功率只是输入功率的一部分,因为变压器本身要将输入功率损耗掉一部分。
变压器将输入功率转化为输出功率的多少,常用效率来描述。在理论上,变压器的效率等于输出功率占输入功率的百分数,可用公式表示为
式中,η表示变压器的效率,用百分数表示;P2、P1的单位均为W。
效率 η 是描述变压器损耗的一项参数,由公式可以分析,当变压器输出功率 P2等于输入功率 P1时,效率 η=100%。这表明变压器能将输入功率百分之百的转化为输出功率,不存在电能损耗。实际中,这样的变压器是没有的。
变压器尽管存在着铜损和铁损,但它能将初级绕组输入功率的绝大部分传送到次级绕组输出。
2.影响变压的效率器因素
变压器的效率与变压器的功率大小有密切关系,功率越大,效率越高;功率越小,效率就越低。变压器效率与功率的关系见表4-2。
表4-2 变压器效率与功率关系表
变压器功率小于10W时,传输效率只有60%~70%,30%~40%电能被损耗掉,表明小功率变压器传输效率很低。变压器功率为50~100W时,能保证输入功率的85%~90%由次级绕组输出,只有15%~10%的电能被损耗掉。