變壓器被定義為一種靜態(tài)電機，即沒有移動元件，由一個漆包銅線繞組組成，以交流電壓供電（初級），由一個漆包銅線繞組在其上獲取電壓（次級），以及一個由重疊疊片和良好磁通導體組成的鐵磁材料鐵芯（鐵芯），如圖 1 所示。變壓器的工作原理基于兩個或多個相互耦合的電路之間的電磁感應。

其主要功能是通過改變輸出電壓和電流值將電能轉換為交流電。其操作是可逆的，這意味著當將初級與次級反轉時，其工作效果也一樣好，因此其操作方式也發(fā)生了變化。如果將正弦交流電壓施加到初級，則通過磁感應在鐵芯中產(chǎn)生正弦磁通量。變壓器不能使用直流電源，只能使用交流電。本質(zhì)上，這種機器將電能轉換為磁能，然后再轉換為電能。因此，能量損失會很小。

輸出電壓與初級線圈和次級線圈的匝數(shù)比成正比，這是需要考慮的重要的設備規(guī)則之一。當然，在這種轉換過程中，可能會發(fā)生少量的功率損耗。在理想的變壓器中，初級和次級線圈的電阻為零，磁通量完全連接到兩個線圈而沒有分散。此外，沒有由于磁滯引起的損耗，鐵和寄生電容中的損耗也為零。

變壓器的設計

作為靜態(tài)電機，變壓器實現(xiàn)了初級和次級之間電壓和電流比的轉換，試圖保持功率不變。但實際上，功率部分被變壓器本身耗散，作為鐵芯和繞組中的損耗。如果初級和次級的匝數(shù)相同，則有隔離變壓器，它將初級和次級電隔離開來，并保持電壓和電流不變。初級和次級之間沒有直接的電連接。

當變壓器由交流電（即正弦電）供電時，磁芯中會產(chǎn)生磁通量，從而在繞組上產(chǎn)生電壓。如果次級保持開路，則可以在其兩端讀取電壓，但沒有電流流通，變壓器“無負載”工作。但是，如果次級連接有負載（例如電阻器），電流會在次級中流通，需要來自初級的額外功率。如果變壓器在滿載下工作，它將充分利用其設計功率。

一個非常有用的參數(shù)是電壓下降率，它表示無負載時次級工作電壓與有負載時次級工作電壓的差異。計算如下：

在變壓器中，可以識別出兩個基本部件，即磁芯（可以由鐵、鐵氧體或其他材料制成）和繞組（通常由漆包銅、鋁或銀制成）。變壓器的設計有很多方法，有些方法比其他方法更復雜，而且還需要使用許多數(shù)學方程。但是，也有許多應用程序和軟件可以幫助設計人員構建變壓器。

變壓器的設計和定型需要對相關電氣和物理復雜性有深入的了解，也需要在這方面有豐富的經(jīng)驗。要制造變壓器，必須從計算一些關鍵數(shù)據(jù)開始。如上所述，有幾種公式和方法可以確定設備的構造參數(shù)。然而，公式越多越復雜，終結果就越、越可靠。作為示例，我們將根據(jù)圖 2 所示的圖表設計具有以下銘牌數(shù)據(jù)的變壓器：

初級繞組電源電壓：230V（V1）

滿載時次級繞組上讀取的電壓：48 V (V2)

次級功率：600 VA伏安（P2）

變壓器工作頻率：50Hz（f）

變壓器所需磁感應強度：1 Wb/m 2 (B)

磁感應有專門的表格，但常見的值如下所示：

標準硅鋼：1.10 Wb/m 2

中品質(zhì)硅鋼：1.15 Wb/m 2

優(yōu)質(zhì)硅鋼：1.20 Wb/m 2

定向顆粒：1.25 Wb/m 2

 

圖 2：單相變壓器的尺寸

使用眾多可用公式之一，可以粗略計算出要使用的金屬板的總表面積：

電力電子課程：第 17 部分 — 變壓器的設計

一旦獲得了金屬板面積的測量值，就可以查找圖 3 所示表格中接近所進行的計算的行。根據(jù)找到的數(shù)據(jù)，可以讀取與層壓有關的所有其他尺寸。

圖 3：標準單相 EI 型疊片表（來源：Giunchi Fabrizio）

單相用 EI 標準型鐵心的所有尺寸均基于所有其他尺寸按照以下基本公式計算：

圖 3：標準單相 EI 型層壓板表（來源：Giunchi Fabrizio）。

根據(jù)上述公式和表中的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在可以計算所有其他尺寸，為方便起見，如下所示：

面積（厘米2）：270

尺寸(毫米): 150

寬度（毫米）：180

厚度（毫米）：60

直徑（毫米）：30

外徑（毫米）：90

口徑（毫米）：30

寬（毫米）：30

類型: EI180

此時，可以根據(jù)以下公式，使用尺寸系數(shù) Kd 和二次功率輕松計算出鐵磁芯的截面：

電力電子課程：第 17 部分 — 變壓器的設計

如果使用殼板，則尺寸系數(shù) Kd 可在 1 至 1.6 之間選擇，如果使用雙柱板，則可在 0.7 至 1.2 之間選擇。此參數(shù)允許我們使用更多銅（Kd 值低）或更多鐵（Kd 值高）。Kd 系數(shù)低時，可獲得尺寸小、匝數(shù)多的變壓器，而 Kd 系數(shù)高時，可獲得尺寸大、匝數(shù)少的變壓器?，F(xiàn)在，根據(jù)鐵磁芯的截面和金屬板的“C”尺寸，可以根據(jù)以下公式計算出板組的厚度，同時考慮填充系數(shù) Ks：

 

封裝系數(shù) Ks 可取 1.05 至 1.15 之間的值，具體取決于金屬片的絕緣類型、厚度以及在卷軸中進行相關組裝的謹慎程度，后者根據(jù)計算出的各個元件的尺寸進行選擇。一個好的值是 Ks=1.11。已知單層片的厚度 sl=0.5mm 和層狀封裝的厚度 Sp，就可以通過以下公式輕松計算出層片的數(shù)量：

 

初級和次級匝數(shù)的計算考慮了“每匝電壓”參數(shù)。計算公式如下：

 

初級繞組的匝數(shù)也可以通過以下公式輕松計算出來：

 

在次級處，總是會發(fā)生電壓下降（百分比），具體取決于變壓器的功率：

次級空載電壓，即不接任何負載時的電壓，按下式計算：

現(xiàn)在，考慮到剛剛計算出的空載次級電壓，計算次級繞組的匝數(shù)非常簡單，使用以下公式：

，通過以相當簡單的方法計算電流的參數(shù)，就可以確定要使用的電線的直徑。

結論

即使是的變壓器也可能干擾附近的設備，因為總會有一小部分感應能量離開設備。因此，在將變壓器放置在電子設備內(nèi)時，必須始終格外小心，因為可變磁場可能會通過引入不必要的噪聲來干擾附近的電路。變壓器是效率的電機之一；由于它沒有運動部件，的損耗位于銅和鐵中。

對于電力變壓器，必須使用更的公式，同時還要考慮其他參數(shù)。變壓器的設計和構造是一門真正的藝術，但必須伴隨著許多計算和數(shù)學公式。然而，網(wǎng)上的眾多工具和軟件可以極大地促進磁性設備的制造，限度地減少錯誤，同時限度地提高計算的準確性。