交流变压器为什么不会烧坏

电器工程 当前的 交流 变压器
2022-01-02 22:17:17

我对交流变压器的工作方式有点熟悉。看完这个问题后:

为什么不是所有的电机都会立即烧毁?

这让我想到了与交流变压器相同的事情。

初级线圈应提供非常小的电阻,从而允许大量电流流动。阻力来自波动的磁场。它是否正确?如果是这样,我假设当负载施加在次级线圈上时电流会增加,因为磁场不会塌陷到初级线圈中,而是被次级线圈使用?

另外,这是否意味着如果将直流电流施加在变压器上会引起麻烦?(即非常高的电流)

我确定我说的不正确,所以我希望有人能纠正我。

总结一下我的问题,当次级线圈上没有负载时,变压器初级线圈的行为(就电流而言)是什么,当次级线圈上放置负载时会发生什么变化?

4个回答

安迪为您的问题提供了经典的学术答案。他所说的一切都是准确的,但我怀疑作为初学者你会理解其中的大部分内容。所以,让我尝试一个简单的解释。

变压器的初级是缠绕在铁芯上的线圈,铁芯可以采用多种形状中的一种。该初级绕组具有非常低的电阻。(用数字万用表测量电子台设备中使用的典型电源变压器的电阻,您会发现它只有几欧姆。)将直流电压源连接到此,结果是完全可以预测的。电压源将向初级绕组提供尽可能大的电流,并且变压器会变得非常热并可能冒烟。那,或者你的直流电源会烧断保险丝,自己烧毁,或者如果它配备了电流限制模式。顺便说一句,当这个大电流流动时,初级绕组实际上在变压器铁芯中产生了一个单向磁场。

现在,用 LRC 表测量次级的电感。(这是一种类似 DMM 的设备,仅测量电感、电阻和电容 - “LRC”。)对于 60 Hz 电源变压器,您可能会在其初级引线上读取几个亨利的电感。

接下来,将该“L”值应用于公式 \$X_L = 2 \pi f L \$ 以计算初级绕组的“感抗”(“\$X_L\$”),其中“f”是交流电源美国的频率为 60 Hz。答案 \$X_L\$ 就像直流电阻一样以欧姆为单位,但在这种情况下,这些是“交流欧姆”,也就是“阻抗”。

接下来,将 \$X_L\$ 的值应用于“欧姆定律”,就像将电阻连接到直流电源一样。\$I = \frac{V}{X_L}\$。在通常的美国情况下,我们将 120 伏 RMS 作为 V。您现在将看到电流“I”是一个非常合理的值。可能有几百毫安(“RMS”也是)。这就是为什么您可以向空载变压器施加 120 伏电压,它可以运行一个世纪而没有问题。这个几百毫安的初级电流,称为“励磁电流”,会在变压器初级线圈中产生热量,但变压器的机械体积可以通过设计几乎永远处理这些热量。尽管如此,如上所述,它不会 如果该直流电源能够提供足够大的电流以成功驱动低 R 直流线圈,则不需要 5 VDC 电源,但只需几分钟即可烧毁同一变压器。这就是感抗的“奇迹”!它是由交流电流本身在变压器铁芯中产生的自产生交变磁场,它限制了从交流电压源驱动时的电流。

那是空载变压器。现在,将适当的电阻负载连接到次级。上述激励电流将继续以或多或少相同的幅度流动。但现在,额外的电流将流入初级。这称为“反射电流” - 由次级电阻负载从变压器次级汲取电流“引起”的电流。该反射电流的大小由电源变压器的匝数比决定。确定反射电流的最简单方法是使用“VA”(伏安)方法。将变压器的次级电压乘以连接到次级的电阻负载所消耗的电流(以安培为单位)。(这本质上是“瓦特” - 伏特乘以安培。)“VA 方法” 表示辅助节点的 VA 必须等于主节点的增量 VA。(在这种情况下,“增量”的意思是“除了励磁电流之外”。)因此,如果您有一个典型的交流电源变压器,其初级电压为 120 VRMS,次级电压为 6 VRMS,并且您将一个 6 欧姆的电阻连接到次级,那么6 欧姆负载将从次级消耗 1.0 安培 RMS。因此,次级 VA = 6 x 1 = 6。该次级 VA 在数值上必须等于初级 VA,其中电压为 120 VRMS。来自次级的 0 安培 RMS。因此,次级 VA = 6 x 1 = 6。该次级 VA 在数值上必须等于初级 VA,其中电压为 120 VRMS。来自次级的 0 安培 RMS。因此,次级 VA = 6 x 1 = 6。该次级 VA 在数值上必须等于初级 VA,其中电压为 120 VRMS。
初级 VA = 次级 VA = 6 = 120 x I。I
= 6/120 或仅 50 毫安 RMS。

您可以使用简单的数字万用表来验证其中的大部分内容,以测量空载和负载条件下初级和次级中的电流。自己尝试一下,但要小心初级,因为 120 VRMS 几乎是致命的。但是,您将无法直接观察由于向次级添加负载而导致的初级中的“增量”电流。为什么?这个答案没那么简单!激励电流和反射电流相差 90 度。它们“相加”,但它们是根据矢量数学相加的,这完全是另一个讨论。

不幸的是,除非读者理解矢量数学,因为它应用于交流电路,否则几乎不会欣赏安迪上面精美表达的答案。我希望我的回答和您的验证实验能让您对电力变压器的“工作原理”有一个直观的数字理解。

我假设在次级线圈上放置负载时电流会增加,因为磁场不会塌陷到初级线圈中,而是由次级线圈使用?

听起来是对的,但事实并非如此。一般来说,对于一个相当高效的变压器,铁芯的磁化在任何二次负载条件下都是恒定的。麻烦的是,我如何解释,而不让你相信变压器等效电路(下)没有错:-

在此处输入图像描述

注意事项: -

  • Xm 为变压器初级电感的 99.9%
  • Xp(初级漏感)占初级电感的最后 0.1%
  • Xs 和 Rs 是次级漏感和绕组电阻,通过匝数比的平方作用于初级。
  • 看起来像变压器(右边)的东西不应该被认为是这样的——它是一个完美的电源转换器,根本不产生磁性——它是一个帮助数学的设备,我希望画这些照片的科学家只会像黑匣子一样显示它!

如您所见,即使在重负载条件下,Rp 和 Xp 的电压降与输入交流电压相比也很小,这意味着 Xm 两端的电压相当恒定。请注意,Xm 是在磁芯中产生磁性的唯一成分。不服气吧?我不会怪你的。

这是另一种看待它的方式

下面的 4 张图片系列试图证明初级和次级负载电流的磁通贡献相等且相反,因此磁通抵消。它显示了一个简单的 1:1 变压器,但同样适用于不同的匝数比,因为通量与安匝数成正比,而不是安培数。依次按数字看每张图片:-

在此处输入图像描述

1)是的,开路变压器的阻抗来自于波动的磁场(试图改变铁芯的磁场)

2)是的,如果在初级上施加直流电压,您就有麻烦了,变压器可能会烧毁。(除非出于某种原因,它的额定电流为该电流)。由于类似的原因,我在一辆旧摩托车上丢失了几次线圈:在关闭电机的情况下打开,线圈烧毁,塑料滴落。

3)在次级没有负载的情况下,通过初级的电流必须通过初级线圈的非常大/非常硬的电感(“漏感”)。

4) 次级有负载时,次级电流抵消了初级电流对核心的影响。

为直流流过而设计的变压器称为饱和电抗器,用作开关;即直流使磁芯饱和,因此交流电源无法改变磁芯中的磁通量,因此,次级交流电压为零。当直流电流关闭时,磁芯中的磁通量现在可以改变,变压器会发生正常的动作,从而在次级产生交流电压。

一种类似的设备,但依赖于使磁芯饱和的交流电流,称为铁谐振变压器。这些用于廉价地稳定变压器的次级电压。该器件有两个次级,其中一个被一个大容量电容器短路,另一个是输出绕组。