变压器的工作原理与应用

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变压器的工作原理与应用

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https://enjoyphysics.cn/Article3488

变压器是一种重要的电气设备，主要用于改变交流电的电压。它的工作原理基于电磁感应，通过改变线圈匝数比来实现电压的升高或降低。本文将详细介绍变压器的基本原理、种类及其在实际中的应用。

变压器原理

变压器主要由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成。一个线圈与电源连接，称为原线圈（初级线圈）；另一个线圈与负载连接，称为副线圈（次级线圈）。两个线圈都是用绝缘导线绕制而成，铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成。

图 3–25

当在原线圈上加上交变电压U1时，原线圈中就会产生交变电流，进而在线圈中产生交变的磁通量。这个交变磁通量既穿过原线圈，也穿过副线圈，在两个线圈中都会引起感生电动势。如果副线圈电路是闭合的，就会产生交变电流，同样也会产生交变磁通量。这种原、副线圈之间的相互感应现象称为互感现象，它是变压器工作的基础。

原、副线圈中的电流共同产生的磁通量，绝大部分通过铁芯，只有一小部分漏到铁芯之外。在粗略计算中，可以认为穿过这两个线圈的交变磁通量相同。设原线圈的匝数是n1，副线圈的匝数是n2，穿过铁芯的磁通量是ϕ，那么原、副线圈中产生的感生电动势分别是：

[{ℰ_1} = {n_1}\frac{{\Delta \phi }}{{\Delta t}},{ℰ_2} = {n_2}\frac{{\Delta \phi }}{{\Delta t}}]

由此可得：

[\frac{{{ℰ_1}}}{{{ℰ_2}}} = \frac{{{n_1}}}{{{n_2}}}\tag{1}\label{1}]

在原线圈中，感生电动势 ℰ1起着阻碍电流变化的作用，跟加在原线圈两端的电压U1的作用相反，是反电动势。原线圈的电阻很小，如果略去不计，则有U1= ℰ1。副线圈相当于一个电源，感生电动势 ℰ2相当于电源的电动势。副线圈的电阻也很小，如果忽略不计，副线圈就相当于无内阻的电源，因而副线圈的端电压U2等于感生电动势 ℰ2，即U2= ℰ2。因此得到：

[\frac{{{U_1}}}{{{U_2}}} = \frac{{{n_1}}}{{{n_2}}}\tag{2}\label{2}]

可见，变压器原、副线圈的端电压之比等于这两个线圈的匝数比。如果n2>n1，U2就大于U1，变压器就使电压升高，这种变压器叫做升压变压器；如果n1>n2，U1就大于U2，变压器就使电压降低，这种变压器叫做降压变压器。

变压器原、副线圈的电流之间又有什么关系呢？

变压器工作时，输入的功率主要由副线圈输出，小部分在变压器内部损耗了。变压器的线圈有电阻，电流通过时要生热，损耗一部分能量，这种损耗叫做铜损。铁芯在交变磁场中反复磁化，也要损耗一部分能量使铁芯发热，这种损耗叫做铁损。变压器的能量损耗很小，效率很高，特别是大型变压器，效率可达 97 ~ 99.5%。所以，在实际计算中常常把损耗的能量略去不计，认为变压器的输出功率和输入功率相等。即：

[{U_1}{I_1} = {U_2}{I_2}\tag{3}\label{3}]

由（2）式和（3）式可得：

[\frac{{{I_1}}}{{{I_2}}} = \frac{{{n_2}}}{{{n_1}}}\tag{4}\label{4}]

这就是变压器工作时原、副线圈中电流之间的关系。可见，变压器工作时原线圈和副线圈中的电流强度跟线圈的匝数成反比。变压器的高压线圈匝数多而通过的电流小，可用较细的导线绕制；低压线圈匝数少而通过的电流大，应当用较粗的导线绕制。