阻抗变换

1变压器的简介

变压器是利用电磁感应原理传输电能或电信号的器件, 它具有变压、 变流和变阻抗的作用。 变压器的种类很多, 应用十分广泛。 比如在电力系统中用电力变压器把发电机发出的电压升高后进行远距离输电, 到达目的地后再用变压器把电压降低以便用户使用, 以此减少传输过程中电能的损耗; 在电子设备和仪器中常用小功率电源变压器改变市电电压, 再通过整流和滤波, 得到电路所需要的直流电压; 在放大电路中用耦合变压器传递信号或进行阻抗的匹配等等。 变压器虽然大小悬殊, 用途各异, 但其基本结构和工作原理却是相同的。

1.1变压器的工作原理

变压器的功能主要有：电压变换；阻抗变换；隔离；稳压（磁饱和变压器）等，变压器常用的铁心形状一般有E 型和C 型铁心。

变压器是利用电磁感应原理将某一电压的交流换成频率相同的另一电压的交流电的能量的变换装备。

变压器的主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组，如图（1）所示。一个绕组接电源，称为原绕组（一次绕组、初级），另一个接负载，称为副绕组（二次绕组、次级）。原绕组各量用下标1表示，副绕组各量用下标2表示。原绕组匝数为1N ，副绕组匝数为2N 。

图（1）变压器结构示意图

当一次绕组两端加上交流电压u 1时，绕组中通过交流电流i 1，在铁心中将产生既与一次绕组交链，又与二次绕组交链的主磁通φ。

m

1144.4⋅

⋅

Φ-=f N j E （1-1-1）

1111.1111.)(⋅

⋅⋅+-=++-=I Z E I jX R E U （1-1-2）

m

2244.4⋅

⋅

Φ-=f N j E （1-1-3）

2222.

2222.

)(⋅

⋅

⋅

-=+-=I Z E I jX R E U （1-1-4） k N N E E U U ===2

1

2121 （1-1-5）

k U U 1

2=

（1-1-6）

说明只要改变原、副绕组的匝数比,就能按要求改变电压。

1.1.2 电流变换

变压器在工作时，二次电流2I 的大小主要取决于负载阻抗模|1Z |的大小，而一次电流

1I 的大小则取决于2I 的大小。

012211⋅

⋅⋅=+I N I N I N （1-2-7）

K

I

I U U I 22121==

（1-2-8）

说明变压器在改变电压的同时,亦能改变电流。

变压器除了具有变压和变流的作用外, 还有变换阻抗的作用。 如图 1-3所示, 变压

器原边接电源1U , 副边接负载阻抗|L Z |, 对于电源来说, 图中虚线框内的电路可用另一

个阻抗|'

L Z |来等效。所谓等效, 就是它们从电源吸取的电流和功率相等。当忽略变压器的

漏磁

和损耗时, 等效阻抗由下式求得

L L L

Z K Z N N I N N U N N I U Z 222121

221

1

1')()(

2

=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=== （1-3-1）

式中2

2

||I U Z L =

为变压器副边的负载阻抗。可见, 对于变比为Ｋ且变压器副边阻抗为|L Z |的负载, 相当于在电源上直接接一个阻抗|'

L Z |=2k |L Z |的负载。也可以说变压器把负载阻抗L Z 变换为|'L Z |。因此, 通过选择合适的变比k, 可把实际负载阻抗变换为所需的数值,

这就是变压器的阻抗变换作用。

2 变压器基本结构

2.1.铁芯

铁芯是用以构成耦合磁通的磁路，通常用0.35mm或0.5mm厚的硅钢片叠成，缠绕绕组的部分叫铁芯，连接铁芯的部分称为铁轭。

铁芯采用硅钢片能够提高磁路的导磁性能和减少涡流、磁滞损耗。硅钢片有冷轧和热轧两种，冷轧硅钢片比热轧硅钢片导磁高，损耗小，冷轧硅钢片还具有方向性，所以我厂的大容量变压器都采用冷轧硅钢片制成的铁芯。

芯柱的截面一般为阶梯形，这可以充分利用圆形线圈的空间，另外较大直径的铁芯，叠片间留有油道，以利于散热。

铁芯及构件应接地，这是为了防止变压器在运行或试验时，由于静电感应在铁芯或其它金属构件上产生悬浮电位而造成对地放电。铁芯叠片只允许一点接地，如两点接地，则接地点之间可能形成闭合回路，当主磁通穿过此闭合回路时就会产生循环电流，造成局部过热。

2.2绕组

绕组是变压器的电路部分，它一般用电缆纸绝缘的铜线或者铝线绕制而成，为了使绕组便于制造和在电磁力的作用下受力均匀及良好的机械性能，将线圈绕成圆筒形，然后把圆筒形的高低压绕组同心地套在芯柱上，低压绕组在内，靠近铁芯，高压绕组在外，这样放置有利于绕组对铁芯的绝缘。

容量较大的变压器绕组通常是由几根导线并列起来绕制的，在绕制时要换位，即让各导线在绕制时互换内外导线的位置，目的是为了使各股导线最终阻抗相等，运行时电流分布均匀，从而减少导线的附加损耗。

3 设计内容

计算内容有四部分：额定容量的确定；铁心尺寸的选定；绕组的匝数与导线直径；绕线排列及铁心尺寸的最后确定。

3.1额定容量的确定

变压器的容量又称表现功率和视在功率，是指变压器二次侧输出的功率，通常用KVA 表示。

3.1.1二次侧总容量

小容量单相变压器二次侧为多绕组时，若不计算各个绕组的等效的阻抗及其负载阻抗的幅角的差别，可认为输出总视在功率为二次侧各绕组输出视在功率之代数和，即

n n I U I U I U S +++=......33222 （3-1-1）

式中S 2——二次侧总容量（V ·A ）

2U ,3U ,……n U ——二次侧各个绕组电压的有效值（V ）； 2I ,3I ,……n I —— 二次侧各个绕组的负载电流有效值（A ）

3.1.2一次绕组的容量

对于小容量变压器来说，我们不能就认为一次绕组的容量等于二次绕组的总容量，因为考虑到变压器中有损耗，所以一次绕组的容量应该为

1S =

η

2

S （单位为V ·A ） （3-1-2）

式中1S ——变压器的额定容量；η—变压器的效率，约为0.8～0.9，表4-1 所给的数据是生产时间的统计数据，可供计算时初步选用。