變壓器是由兩個線圈繞組通過在鐵圈或磁環(huán)上，變壓器是由兩個或多個線圈組成的電氣設備，用于通過變化的磁場傳輸電能。

我們在家庭和工作場所使用交流電壓和電流的主要原因之一是，交流電源可以很容易地以方便的電壓產生，轉換（因此得名變壓器），然后使用國家塔架和電纜電網在很長的距離上分布到全國各地。

將電壓轉換為更高水平的原因是，較高的配電電壓意味著相同功率的電流較低，因此I降低2*沿電纜網絡的R損耗。然后，這些較高的交流傳輸電壓和電流可以降低到更低，更安全和可用的電壓水平，可用于為我們的家庭和工作場所的電氣設備供電，而這一切都得益于基本的電壓互感器。

一、電壓互感器基礎知識

電壓互感器可以被認為是一個電氣元件，而不是一個電子元件。變壓器基本上是非常簡單的靜態(tài)（或固定）電磁無源電氣設備，通過將電能從一個值轉換為另一個值，根據法拉第感應定律的原理工作。

變壓器通過使用變壓器本身產生的公共振蕩磁路將兩個或多個電路連接在一起來做到這一點。變壓器以互感應的形式在“電磁感應”的原則下工作。

相互感應是一個線圈將電壓磁性感應到位于其附近的另一個線圈的過程。然后我們可以說變壓器在“磁疇”中工作，變壓器的名字來自它們將一個電壓或電流電平“轉換”到另一個電壓或電流電平的事實。

變壓器能夠增加或減少其電源的電壓和電流水平，而無需改變其頻率，也不改變通過磁路從一個繞組傳輸到另一個繞組的電功率。

單相電壓互感器基本上由兩個電線線圈組成，一個稱為“初級繞組”，另一個稱為“次級繞組”。在本教程中，我們將變壓器的“初級”側定義為通常通電的一側，將“次級”定義為通常供電的側。在單相電壓互感器中，初級通常是具有較高電壓的一側。

這兩個線圈彼此之間沒有電接觸，而是纏繞在一個稱為“磁芯”的公共閉合磁鐵電路周圍。這種軟鐵芯不是固體的，而是由連接在一起的單個層壓件組成的，有助于減少鐵芯的磁損耗。

初級和次級繞組在電氣上彼此隔離，但通過公共磁芯進行磁連接，允許將電力從一個線圈傳輸到另一個線圈。當電流通過初級繞組時，會產生一個磁場，該磁場將電壓感應到次級繞組中，簡單變壓器的基本工作原理如下所示。

二、單相電壓互感器：

換句話說，對于變壓器，兩個線圈繞組之間沒有直接的電氣連接，因此也將其命名為隔離變壓器。通常，變壓器的初級繞組連接到輸入電壓電源，并將電能轉換或轉換為磁場。而次級繞組的工作是將這種交變磁場轉換為電能，產生所需的輸出電壓，如圖所示。

三、單相變壓器基本結構

VP?是主電壓

VS?是次級電壓

NP?是初級繞組的數量

NS?次級繞組的數量

Φ（phi）?是磁通鏈

請注意，兩個線圈繞組不是電連接的，而只是磁性連接。單相變壓器可以工作以增加或減少施加于初級繞組的電壓。當變壓器用于“增加”其次級繞組相對于初級繞組的電壓時，它被稱為升壓變壓器。當它用于“降低”次級繞組相對于初級繞組的電壓時，它被稱為降壓變壓器。

然而，存在第三種情況，即變壓器在其次級上產生與施加于其初級繞組相同的電壓。換句話說，其輸出在電壓、電流和傳輸功率方面是相同的。這種類型的變壓器被稱為“阻抗變壓器”，主要用于阻抗匹配或相鄰電路的隔離。

初級繞組和次級繞組之間的電壓差是通過改變初級繞組中的線圈匝數（NP）與次級繞組上的線圈匝數（NS).

由于變壓器基本上是一個線性器件，因此現(xiàn)在存在初級線圈的匝數除以次級線圈的匝數之間的比率。這個比值，稱為變換比，更常稱為變壓器的“匝數比”，（TR）。該匝數比值決定了變壓器的工作和次級繞組上可用的相應電壓。

有必要知道初級繞組上導線的匝數與次級繞組的比率。匝數比沒有單位，按順序比較兩個繞組，并用冒號書寫，例如3：1（3比1）。

這意味著在本例中，如果初級繞組上有3伏特，則次級繞組上將有1伏特，即3伏特到1伏。然后我們可以看到，如果匝數之間的比率發(fā)生變化，則產生的電壓也必須以相同的比率變化，這是真的。

變形金剛都是關于“比率”的。任何給定變壓器的初級與次級之比、輸入與輸出之比以及匝數比將與其電壓比相同。換句話說，對于變壓器：“匝數比=電壓比”。任何繞組上導線的實際匝數通常并不重要，只是匝數比，這種關系給出如下：

四、變壓器匝數比：

假設變壓器理想且相位角：ΦP≡ΦS

請注意，表示變壓器匝數比值時的數字順序非常重要，因為匝數比3：1表示的變壓器關系和輸出電壓與匝數比為：1：3的變壓器關系和輸出電壓非常不同。

1．變壓器基礎知識示例1：

電壓互感器的初級線圈上有1500匝導線，次級線圈有500匝導線。變壓器的匝數比（TR）是多少。

這種3：1（3：1）的比例僅僅意味著每個次級繞組有三個初級繞組。因此，當比率從左側的較大數字移動到右側的較小數字時，初級電壓的值會降低，如圖所示。

2．變壓器基礎知識示例2

如果將240伏均方根施加到上述同一變壓器的初級繞組上，則產生的次級無負載電壓是多少。

再次確認變壓器是“降壓”變壓器，因為初級電壓為240伏，相應的次級電壓較低，為80伏。

然后，變壓器的主要目的是以預設的比率轉換電壓，我們可以看到初級繞組在其上有固定數量或數量的繞組（線圈）以適應輸入電壓。

如果次級輸出電壓與初級繞組上的輸入電壓值相同，則必須將相同的線圈匝數繞到次級磁芯上，以提供1：1（1：1）的偶數匝數。換言之，一個線圈接通次級，一個線圈接通初級線圈。

如果輸出次級電壓大于或高于輸入電壓（升壓變壓器），則次級上必須有更多的匝數，匝數比為1：N（1-to-N），其中N表示匝數比。同樣，如果要求次級電壓低于或小于初級電壓（降壓變壓器），則次級繞組的數量必須較少，匝數為N：1（N比1）。

五、變壓器運作：

我們已經看到，與初級繞組相比，次級繞組上的線圈匝數（匝數比）會影響次級線圈的可用電壓量。但是，如果兩個繞組彼此電氣隔離，則副電源是如何產生的呢？

我們之前已經說過，變壓器基本上由纏繞在一個共同的軟鐵芯上的兩個線圈組成。當交變電壓（VP）施加到初級線圈上，電流流過線圈，線圈又在自身周圍設置磁場。根據法拉第電磁感應定律，這種效應稱為互感。

當電流從零上升到其最大值（以dΦ/dt表示）時，磁場的強度會逐漸增加。

六、變壓器磁鏈基礎知識：

當該電磁鐵設置的磁力線從線圈向外擴展時，軟鐵芯形成磁通量的路徑并集中磁通量。該磁通量連接兩個繞組的匝數，因為它在交流電源的影響下以相反的方向增加和減少。

然而，感應到軟鐵芯的磁場強度取決于電流的大小和繞組中的匝數。當電流減小時，磁場強度降低。

當磁通量的磁線在磁芯周圍流動時，它們通過次級繞組的匝數，導致電壓被感應到次級線圈中。感應電壓的量由以下因素決定：N*dΦ/dt（法拉第定律），其中N是線圈匝數。此外，該感應電壓與初級繞組電壓具有相同的頻率。

然后我們可以看到，在兩個繞組的每個線圈匝數中感應出相同的電壓，因為相同的磁通量將兩個繞組的匝數連接在一起。因此，每個繞組中的總感應電壓與該繞組中的匝數成正比。但是，如果磁芯的磁損耗較高，則次級繞組上可用的輸出電壓的峰值幅度將減小。

如果我們希望初級線圈產生更強的磁場來克服磁芯的磁損耗，我們可以通過線圈發(fā)送更大的電流，或者保持相同的電流流動，而是增加線圈匝數（NP）的繞組。安培乘以匝數的乘積稱為“安培匝數”，它決定了線圈的磁化力。

因此，假設我們有一個變壓器，在初級中只有一圈，在次級中只有一圈。如果將一伏特施加到初級線圈的一圈，假設沒有損耗，則必須有足夠的電流流動并產生足夠的磁通量，以便在次級線圈的單匝中感應出一伏特。也就是說，每個繞組每匝支持相同數量的伏特。

由于磁通量呈正弦變化，Φ=Φ麥克斯sinωt，則感應電動勢（E）在N匝線圈繞組中的基本關系由下式給出：

電動勢=匝數x變化率

??以赫茲為單位的磁通頻率，=ω/2π

Ν?線圈繞組的數量。

Φ?是韋伯斯中的通量

這稱為變壓器電磁場方程。對于初級繞組電動勢，N將是初級匝數（NP）對于次級繞組電動勢，N將是次級匝數，（NS).

另請注意，由于變壓器需要交變磁通才能正常工作，因此變壓器不能用于轉換或提供直流電壓或電流，因為磁場必須發(fā)生變化以在次級繞組中感應電壓。換句話說，變壓器不工作在穩(wěn)態(tài)直流電壓下，只在交變或脈動電壓下工作。

如果變壓器初級繞組連接到直流電源，則繞組的感抗將為零，因為直流沒有頻率，因此繞組的有效阻抗將非常低，并且僅等于所用銅的電阻。因此，繞組將從直流電源吸收非常高的電流，導致其過熱并最終燒毀，因為正如我們所知，I=V/R。

變壓器基礎知識示例No3

單相變壓器的初級繞組為480圈，次級繞組為90圈。當2200伏，50Hz施加到變壓器初級繞組時，磁通密度的最大值為1.1T。算：

a）.磁芯中的最大磁通量

b）.核心的橫截面積

c）.二次感應電動勢。

七、變壓器次級感應電動勢：

由于次級電壓額定值等于次級感應電動勢，因此從匝數比計算次級電壓的另一種更簡單的方法如下：

八、變壓器中的電力：

變壓器的另一個基本參數是其額定功率。變壓器的額定功率是通過簡單地將電流乘以電壓來獲得以伏安（VA）為單位的額定值來獲得的。小型單相變壓器的額定值可能只有伏安，但更大的電力變壓器的額定單位為千伏安（kVA），其中1千伏安等于1，000伏安，以及兆伏安單位（MVA），其中1兆伏安等于100萬伏安。

在理想的變壓器中（忽略任何損耗），次級繞組中可用的功率將與初級繞組中的功率相同，它們是恒功率器件，并且僅改變功率的電壓電流比。因此，在理想變壓器中，功率比等于1（單位）作為電壓，V乘以電流，I將保持不變。

即初級側的一個電壓/電流水平的電功率以相同的頻率“轉換”為電能，以相同的電壓/電流水平。雖然變壓器可以升壓（或降壓）電壓，但它不能升壓電源。因此，當變壓器升壓電壓時，它會降壓電流，反之亦然，因此輸出功率始終與輸入功率處于相同的值。然后我們可以說初級功率等于次要功率，（PP=PS).

九、變壓器中的電源：

ΦP是初級相位角和ΦS是次級相位角。

請注意，由于功率損耗與所傳輸電流的平方成正比，即：我2R，增加電壓，假設加倍（×2）電壓會使電流減少相同的量（÷2），同時向負載提供相同數量的功率，從而將損耗降低4倍。如果電壓增加10倍，電流將減少相同的系數，從而將總損耗降低100倍。

十、變壓器基礎知識?效率

變壓器不需要任何移動部件來傳輸能量。這意味著沒有其他電機相關的摩擦或風力損失。然而，變壓器確實遭受了其他類型的損失，稱為“銅損失”和“鐵損失”，但通常這些損失很小。

1．銅損耗，也稱為我2R損耗是由于變壓器銅繞組周圍的電流循環(huán)而在熱量中損失的電力，因此得名。銅損耗是變壓器運行中的最大損耗。實際功率損失的瓦數可以通過對安培進行平方并乘以繞組電阻（以歐姆為單位）來確定（在每個繞組中）我2R).

2．鐵損失，也稱為磁滯，是磁芯內磁分子響應于交變磁通量的滯后。這種滯后（或不相）條件是由于它需要功率來逆轉磁性分子;在通量達到足夠的力來反轉它們之前，它們不會反轉。

它們的逆轉導致摩擦，摩擦在核心中產生熱量，這是功率損失的一種形式。變壓器內部的磁滯可以通過用特殊鋼合金制造鐵芯來減少。

變壓器中的功率損耗強度決定了其效率。變壓器的效率反映在初級（輸入）和次級（輸出）繞組之間的功率（瓦數）損耗上。則變壓器的效率等于次級繞組的功率輸出之比，PS對初級繞組的功率輸入，PP因此很高。

理想的變壓器將是100%有效的，將原邊接收的所有電能傳遞到副邊。但另一方面，真正的變壓器并不是100%有效的。當滿負荷運行時，它們的最大效率接近94%至96%，這對于電氣設備來說仍然相當不錯。對于在恒定交流電壓和頻率下工作的變壓器，其效率可高達98%。變壓器的效率、η如下：

變壓器效率

其中：輸入、輸出和損耗均以功率單位表示。

通常，在處理變壓器時，初級瓦特稱為“伏安”，VA以將其與次級瓦特區(qū)分開來。然后，可以將上面的效率方程修改為：

變壓器基礎知識-效率

有時更容易使用圖片記住變壓器輸入，輸出和效率之間的關系。在這里，VA，W和η的三個量被疊加成一個三角形，在頂部以瓦特為單位提供功率，在底部提供伏安和效率。此排列表示效率公式中每個數量的實際位置。

轉置上述三角形量可以得到相同等式的以下組合：

然后，查找瓦特（輸出）=VAxeff.，或查找VA（輸入）=W/eff.，或查找效率，eff.=W/VA等。

十一、轉換器基礎知識摘要

然后總結一下這個變壓器基礎知識教程。變壓器使用磁場將其輸入繞組上的電壓電平（或電流電平）更改為其輸出繞組上的另一個值。變壓器由兩個電隔離線圈組成，并按照法拉第的“相互感應”原理工作，其中變壓器次級線圈中由初級線圈繞組中流動的電壓和電流產生的磁通量在變壓器次級線圈中感應EMF。

初級和次級線圈繞組都纏繞在由單個層壓制成的普通軟鐵芯上，以減少渦流和功率損耗。變壓器的初級繞組連接到交流電源，交流電源本質上必須是正弦的，而次級繞組則為負載提供電力。話雖如此，只要觀察到電壓和電流額定值，變壓器可以反向使用，電源連接到次級繞組。

我們可以用框圖形式表示轉換器，如下所示：

變壓器初級和次級繞組之間的比率相互產生升壓變壓器或降壓電壓互感器，其初級匝數與次級匝數之間的比率稱為“匝數”或“變壓器比”。

如果此比率小于單位，則n<1，則NS大于NP變壓器被歸類為升壓變壓器。如果此比率大于單位，則n>1，即NP大于NS，則該變壓器被歸類為降壓變壓器。請注意，單相降壓變壓器也可以用作升壓變壓器，只需將其連接反轉并使低壓繞組成為其初級變壓器，反之亦然，只要變壓器在其原始VA設計額定值內運行即可。

如果匝數比等于單位，即n=1，則初級和次級具有相同的線圈匝數，因此初級和次級繞組的電壓和電流將相同。

這種類型的1：1變壓器被歸類為隔離變壓器，因為變壓器的初級和次級繞組每匝具有相同的伏特數。變壓器的效率是它向負載提供的功率與從電源吸收的功率之比。在理想的變壓器中沒有損耗，因此不會損失功率P在=P外.

在下一個使用變壓器基礎知識的教程中，我們將介紹變壓器的物理構造，并了解用于支撐初級和次級繞組的不同磁芯類型和層壓。