变压器电磁工作原理

变压器的电磁工作原理吴江川一． 概述：变压器是利用电磁感应原理工作的，先化电为磁，后化磁为电。

它具有5大基本功能，（1）自闸电磁控电阀功能，当一次绕组接入正弦交流电源1U 时，一次线圈1N 内就有正弦交变电流1I 流过，电流1I 所产生的电磁场汇集在线圈内部，磁化穿在其内部的闭合铁芯，产生一个寄生在1I 电磁场上的封闭在铁芯内部的正弦交变磁通φ，交变磁通φ在一次绕组上感应出自感电动势1E ，1E 具有天生的逆反性，遵从楞次定律永远滞后磁通90°，由于逆反自感电动势1E 的产生，在一次绕组回路内就有二个电源（1U 、1E ）同时存在，且1E 总对1U 使反劲(阻碍)，二龙治水争权夺势，使一次电流明显减小和1I (φ)滞后1U 相位自动移相，人为地利用和强化1E 对1U 的阻碍作用，设计变压器时让铁芯全部磁化时磁通在一次绕组内产生的自感电动势1E 约等于1U ，1I 、（φ）自移相至滞后1U ＜90°，连带1E 自移相滞后1U ＜180°，自感电动势的方向与电源电压的方向相反，自感电动势对电源的阻碍达到了最大，电源1U 被约反向约相等的逆反自感电动势1E 自闸在一次绕组内，只利用小小的错开相位放出很小的励磁电流用来磁化铁芯来产生自感电动势1E ，变压器处于空载自闸运行状态，损耗很小，交变磁通φ在二次绕组上也感应电动势2E ，接上负载，在二次绕组内产生电流2I ，2I 的集合电磁场阻碍磁通的变化，对φ进行消磁，φ减小自感自闸电动势1E 减小，自闸电磁控电阀开启，正比放出一次电流，对二次电流电磁场消磁，二次侧产生多少反向的电磁场，一次侧电流电磁场就正比抵消多少，保持一次电流对铁芯励磁的主动权，空载时闸得住，负载时放得开，这就是变压器的自闸电磁控电阀功能。

（2）改变电压，（3）改变电流，（4）不但自己产生无功功率而且能汇合负载无功功率通过变压器回馈给发电机，产生无功功率危害。

（5）隔绝一二次电力系统的直接电联系，确保用电安全，详述如下。

二．空载变压器自闸励磁过程（自闸电磁控电阀功能）：一次绕组接上正弦交流电源1U 二次绕组开路，变压器励磁电流滞后1U 约90°，自感电动势滞后1U 约180°，由于一次绕组电阻很小，空载变压器可以看做纯电感电路，设计变压器时让1E ≈1U （铁芯全部磁化m ，f ＝50Z H ）1用PN 结试验判定电源电压1U 与自感电动势1E 的正确相位：在一次偶然把一只整流二级管接在了一小型（220/36）变压器一次侧，二次开路（空载），变压器发出很大的异常声音，严重发热，电磁场外漏，铁芯象永磁铁一样吸引螺丝刀等铁件的严重失常现象，主因是接入了脉动单项直流电，后又并联反相接入一只整流二级管，可通过正弦交流电，空载变压器正常如初，实验接线电路如图1所示。

结合对变压器的种种疑问及对变压器的多次拆装分解试验，空载变压器近似纯电感元件，二级管PN 结单项正向导电必须加正向电压，结合分析纯电感电路波形图顿悟如下，推出正确的纯电感电路波形图如图2b 所示,参看图2图2a利用两只单向导电二极管把交流电流分成两个回路，正半周（0°~180°）周期内，电流从整流二极管1D 内流过，即1D 导通，2D 截止，负半周（180°~360°）周期内电流从整流二极管2D 流过，即2D 导通，1D 截止，根据二极管PN 结单项导通的必要条件必须加正向电压，电压为君，电流为臣，即电压决定电流，没有电压就没有电流。

电源电动势和自感电动势方向相反，电源电动势为规定正方向，根据PN 节特性分成四个区间叙述如下：在(0°~90°)，电源电动势e 正半周下降区间，E 极性上正下负，电流1i 正半周上升，电流从二极管1D 流过，即1D 导通2D 截止，自感电动势1E 的极性也是上正下负，正对正负对负，方向相反，根据pn 节单向导电必加正向电压，A 点电位高于B 点电位，（A U ＞B U ），E 必大于1E ，(E-1E ）的差压为二极管1D 提供正向电压，电流1I 与E 同方向，电源电动势E 克服自感1E 的反向电压阻滞推动电流从E 的上端正极出发，顺时针导通二极管1D ，穿过一次绕组1E 上端正极下端负极流回E 下端负极，图2b 红色实曲线e 的波形比蓝色虚曲线(-1e )的波形高，直观地反应了E 大于1E ，本区间电流的电路图表达式：1I =(E-1E ）/1R ，波形图红实e 和蓝实1e 两曲线的瞬时值代数和表达式：+1i =[(+e)+(-1e )]/ 1R ，+e 大，1i 与e 同方向，+1i 曲线与e 的曲线同在正半轴侧，表达式里-1e 是1e 瞬时值。

（90°~180°），电源电动势e 负半周上升区间，E 的极性上负下正改变方向，自感电动势1E 也改变方向，上负极下正极，负对负正对正，电流1i 正半周下降，电流从1D 流过，即1D 导通2D 截止，电流仍按原方向继续流动，反方向的E 不但不能使1D 继续导通反倒使1D 截止，根据pn 节单向导电必加正向电压，A 点电位必须高于B 点电位，（A U ＞B U ），自感电动势1E 必大于电源电动势E ，（1E -E ）的差压继续为1D 提供正向电压，电流1I 与自感电动势1E 同方向，1E 克服E 的反向电压阻滞推动电流继续流过1D ，电流从一次绕组1E 下端正极出发顺时针穿过电源E 下端正极上端负极，导通二极管1D ，流回一次绕组1E 上端负极，图2b 红色实曲线e 的波形在蓝色虚曲线(-1e )的上面，直观地反应了1E 大于E ，本区间电流的电路图表达式：1I =(1E -E ）/1R ，波形图红实e 和蓝实1e 两曲线的瞬时值代数和表达式：+1i =[(-e)+(+1e )]/ 1R ，(+1e )大，+1i 与1e 同方向，+1i 曲线与1e 的曲线同在正半轴侧。

（180°~270°）电源电动势e 负半周下降区间，E 极性上负下正，电流1i 负半周上升，电流从二极管2D 流过，即2D 导通1D 截止，自感电动势1E 的极性也是上负下正，负极对负极正极对正极，方向相反，根据pn 节单向导电必加正向电压，B 点电位高于A 点电位，（B U ＞A U )，E 必大于1E ，(E-1E ）的差压为二极管2D 提供正向电压，电流1I 与E 同方向，电源电动势E 克服自感1E 的反向电压阻滞推动电流从E 的下端正极出发逆时针穿过一次绕组1E 下端正极上端负极导通二极管2D 流回E 上端负极，图2b 红色实曲线e 的波形在蓝色虚曲线(-1e )的波形的下面，直观地反应了E 大于1E ，本区间电流的电路图表达式：1I =(E-1E ）/1R ，波形图红实e 和蓝实1e 两曲线的瞬时值代数和表达式：-1i =[(-e)+(+1e )]/ 1R ，-e 大，1i 与e 同方向，-1i 曲线与e 的曲线同在负半轴侧。

（270°~360°）电源电动势e 正半周上升区间，E 的极性上正下负改变方向，自感电动势1E 也改变方向，上正极下负极，正对正负对负，电流1i 负半周下降，电流从2D 流过，即2D 导通1D 截止，电流没有改变方向仍按原方向继续流动，反方向的E 不但不能使2D 继续导通反倒使2D 截止，根据pn 节单向导电必加正向电压，B 点电位必须高于A 点电位，（B U ＞A U )，自感电动势1E 必大于电源电动势E ，（1E -E ）的差压继续为2D提供正向电压，电流1I 与自感电动势1E 同方向，1E 克服E 的反向电压阻滞推动电流继续流过2D ，电流从一次绕组1E 上端正极出发逆时针导通二极管2D ，穿过电源电动势E 上端正极下端负极，流回一次绕组1E 下端负极，图2b 红色实曲线e 的波形在蓝色虚曲线(-1e )的下面，直观地反应了1E 大于E ，本区间电流的电路图表达式：1I =(1E -E ）/1R ，波形图红实e 和蓝实1e 两曲线的瞬时值代数和表达式：-1i =[(+e)+(-1e )]/ 1R ，(-1e )大，-1i 与1e 同方向，-1i 曲线与1e 的曲线同在负半轴侧，表达式里-1e 是1e 瞬时值。

综上所述，周期循环，参看图2a 波形，利用二极管PN 节单向导电需加正向电压这一特性，综合判断发现交流励磁电流是由方向相反的电源电动势和自感电动势的差压轮流推动的，E 的方向规定为正方向，推画出图2b ，电源电动势E 的波形是红实e ，自感电动势1E 的波形是蓝实1e ，它们的波形瞬时值即表明了电压的大小又代表了方向，电路图上电源电动势E 和自感电动势1E 的差压对应等于波形e 和1e 的瞬时值代数和，加在1R ≈0的一次绕组线圈上的红实e 和蓝实1e 两波形瞬时值电压的代数和决定1i 的大小和相位，波形e 、1e 、1i 直观地在波形图上表达了电路图里E 、1E 、1I 的相位关系，由图2b 判定出电源电动势E 超前自感电动势1E 小于几乎接近180°，也就是e 和1e 错开小小相位，产生很小的差压，放出励磁电流也很小，发现自感电动势的以电阻电作用把电能自闸在一次绕组侧，1R ≈0的空载变压器是纯电感，假设电源内阻、导线电阻都等于零，没有电阻电压降，设计时让1E 能等于E ，两者在波峰处电压平衡转换，从1E 大于E 一点到1E =E 转变为E 大于1E 一点，等大小、同极性并联、电压平衡转换，交变电流过零点改变流动方向，电源电动势和自感电动势过零点，电流最大，不改变方向仍按原方向流动，这就造成了交变电流1i 移相约90°，为了方便不同角度分析理解，自感电动势蓝实e 的波形反转180°记作蓝虚-1e ，红实蓝虚两波形高低变化直观反应了E 和1E 的大小和差压关系以及分析电压平衡转换，-1e 模拟贴合e 的波形变化，红实和蓝虚两波形几乎重合在一起，波形图上为了分析，画的明显分离不是真实情况。

纯电感电压电流示波器波形图2a 的新解读：a ，电压波形：参看电路图1，二个正弦电动势E 和1E 等大小同极性并联电压平衡转换，黑色细虚线框连接起来的两节电池极性刚好模拟正半周的电源E 和自感1E 的并联极性，电路U=E=-1E ，U 的波形是E 和1E 并联的高电阻电流波形（欧姆法U=RI ，测量电压实质就是测量并联电流），并联的E 和1E 同极性等值电压平衡，-1e 模拟贴合着e 的波形变化，红色实线e 的波形与蓝色虚线（-1e ）的波形几乎重合在一起，所以U 和E 还有1E 的波形u 、e 、（-1e ）三个波形几乎重合在一起，u 的波形能代表e 、（-1e ）的波形。