变压器的工作原理

变压器的工作原理吴江川一． 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，得出正确的纯电感电路波形图如图2所示。

参看图1图2，（0~180°）周期内，电流从整流二极管1D 内流过，即1D 导通，2D 截止，（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，（0~180°）1D 导通，2D 截止，A 点电位必须始终高于B 点电位，并大于结电压，（A U ＞B U ）。

在(0~90°)1U 上正下负，1E 上正下负，波形下降，1D 导通，必须1u ＞1e ，1u 克服1e 的反相电压阻滞，推动电流流过1D ，1u 、0i 同方向，0i ＝(1u －1e )／1R 。

（90°~180°）1U 反向上负下正，1E 反向上负下正，波形上升，1D 本应截止却没有截止电流仍按原方向继续流动，根据1D 的PN 结导通条件必需是1e ＞1u ，1e 克服1u 的反向电压阻滞，推动电流继续流过1D ，1e 、0i 同方向，0i ＝(1e －1u )／1R ，同理(180°~360°)0i 从2D 流过，即2D 导通，1D 截止，2D 必加正向电压，B U ＞A U 并大于结电压。

（180°~270°）1U 上负下正，1E 上负下正，波形下降，2D 导通，必须是1u ＞1e ，1u 克服1e 的反向电压阻滞，推动电流流过2D ，1u 、0i 同方向，0i =(1u －1e )／1R ，（270°~360°）1U 反向上正下负， 1E 反向上正下负，波形上升，电流继续流过2D ，根据2D PN 结的导通条件必需是1e ＞1u ， 1e 克服1u 的反向电压阻滞，推动电流继续流过2D ，1e 、0i 同方向，0i =（1e －1u ）／1R 。

由于1E ≈1U ，经如上分析PN 结试验判定1U 与1E 的相位差接近但不等于180°(＜180°），0I 接近90°但不等于90°（＜90°）。

如图2所示这才是1E 的正确相位，图3是它们的正确向量图。

如图2所示利用1u 、1e 小小的错开相位放出很小的励磁电流磁化铁芯，一次电流被自感电动势以电阻电的形式自闸在一次侧，图中虚线是﹣1e 的波形直观的反应了1u 、1e 的大小关系，参照﹣1e 的波形图能更好的理解上述分析正确判定1U 与1E 的相位差，由于1E 隐性存在不能直接测量，所以照成了前人在教科书中对1E 相位的错误判定，进而也导致变压器原理分析的错误。

（2），1I 、m φ、1E 联动自移相的原因：硅钢片是高导磁软磁性材料本身不具有磁性必须经过永磁场或电磁场磁化才具有磁性，m φ是1I 电磁场磁化铁芯的磁通，它形影不离地寄生在电磁场里，不考虑磁滞影响，基本与1I 同相位，也是矢量，正弦交流电源1U 加在一次绕组上产生一次电流1I ，它的集合电磁场1I 1N 瞬间磁化铁芯产生交变磁通m φ，在一次绕组内感应出正弦交变自感电动势1E ，1E 永远滞后m φ90°，因为1E =4.44f 1N m φ，设计变压器时根据铁芯大小（变压器功率大小决定）以及f 合理选配一次匝数1N 使自感自闸电动势1E ≈1U ，利用矢量自感电动势1E 对矢量电源电压1U 的阻碍，它们同时作用在一次绕组线圈上，因电压决定电流没有电压就没有电流，加在一次线圈电阻1R 上的电压合矢量1R U ∙=1∙U +1∙E 合成规律是几何平行四边形法则（也可简化成三角形法则），如图4矢量1R U 改变了方向即向90°方向移相，同时带动与1R U 同步的矢量电流1I =1R U ／1R 移相，同时带动1I 电磁场磁化的磁通m φ移相，m φ的移相连锁带动1E 移相（1E ⊥m φ滞后90°），1E 的移相使1R U 进一步移相，就这样彼此带动着移相，经过若干个正弦交变周期，1R U 、1I 、m φ从0移相到约90°相位，0°＋90°÷2＋45°÷2＋22.5°÷2＋11.25°÷2＋······＜90°，1E 从90°移相到约180°相位，90°＋90°÷2＋45°÷2＋22.5°÷2＋11.25°÷2＋······＜180°,1E ⊥m φ、1I 、1R U ，1U 、1E 、1R U 三者始终保持直角三角形几何向量关系，随着移相1R U 不断减小，矢量电流1I =1R U ∕1R 也在移相中不断减小，并随同RI U 一起带动m φ移相到约90°相位浮动，当1I 减小到其集合电磁场(1I 1N )刚好能全部磁化铁芯，寄生在一起融为一体，闭合在磁路内，磁通m φ产生的自闸自感电动势1E ≈1U 时停止移相，稳定在自调整动平衡的直角三角形状态（1U 是波动的）21U ＝21E ＋211)(I R ，把仅仅用于磁化铁芯的很小的滞后1U 的电流1I 称为变压器空载励磁电流即为0I 。

（3），以电压阻碍电压限制电流：为了防止两台并联运行的同步发电机的电流机内互相流动产生内耗，要求两者的所发出的电压相等，频率相同，三相同相连接，同相间电压相位互差180°，构成交流电压互闸，这才是同步的内涵，灯光熄灭法合闸并网同步发电机之道理所在，用摇表测量有电容性质的试品(如电缆)时，完成测量需先断开测量回路，后停止摇表摇动，就是用摇表产生的等电压抵抗住测量时存储的电容电荷电压，否则反操作电容电荷电压对摇表放电损坏摇表，用交流电压互闸要求两个电压相等相位差180°，频率相同。

手机充电器对锂电池充电正极对正极，负极对负极，开始时电池电压低于充电器电压，充电器电源克服电池电压的阻碍流过电池储能，电流较大，随着电池电压的上升阻碍越来越大，充电电流越来越小，当充电器电压等于电池电压时，充电停止，充电回路被升高的电池电压自闸。

而变压器设计时让自感自闸电动势与电源电压约相等，经自移相相位差小于180°，瞬时值极性都是正极对正极负极对负极，其目的都是人为限控电流。

变压器空载自闸其本质就是利用反方向的约等电源电压的自感自闸电动势1E 与1U 的微小错位，产生一个加在一次线圈电阻1R 上的很小的合矢量正弦交变励磁电压1R U ，1R U 的相位滞后约90°，励磁电流0I （0I ＝1I ＝1R U ／1R ） 刚好磁化铁芯，磁通m φ又生成约等于1U 的自闸1E ，人为的有目的的利用(1U 、1E 、1I 、1R 、m φ、1N )相生又相克的自矛盾自调整自平衡的关系，有意识的加强1E 把电流限控成为很小的励磁电流 （4）变压器的空载自闸励磁过程：（a ）励磁涌流，按输出电功率大小确定变压器铁芯尺寸人为有目的的选配一次绕组1N 的匝数，让电磁场磁化铁芯的磁通m φ产生的阻碍电源1U 的自感电动势1E ＝1U ，有意识地利用并强化1E 的阻碍作用达到最大值（自闸），如图4，电阻1R 很小的一次绕组线圈接上正弦交流电源，磁通为很好建立且为移相，1E 自闸作用不大，1U 产生很大的励磁涌流1I ，随着1I 、m φ、1E 联动自移相，1I 、φ自移相约小于90°相位，1E 也关联移相到约小于180°的最佳相位处浮动， RI U ∙由大变的很小很小，1E 对1U 的阻碍（自闸）达到最佳状态，很大的励磁涌流1I 经过一段时间（若干周期），衰减为很小的滞后1U 约90°的励磁电流0I ，变压器运行在良好的空载自闸状态。