變壓器基本概念與工作原理

在分析開(kāi)關(guān)變壓器的工作原理的時(shí)候，必然會(huì )涉及磁場(chǎng)強度H和磁感應強度B以及磁通量等概念，為此，這里我們首先簡(jiǎn)單介紹它們的定義和概念。

在自然界中無(wú)處不存在電場(chǎng)和磁場(chǎng)，在帶電物體的周?chē)�必然�?huì )存在電場(chǎng)，在電場(chǎng)的作用下，周?chē)�的物體都會(huì )感應帶電；同樣在帶磁物體的周?chē)�必然�?huì )存在磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)的作用下，周?chē)�的物體也都會(huì )被感應產(chǎn)生磁通。

現代磁學(xué)研究表明：一切磁現象都起源于電流。磁性材料或磁感應也不例外，鐵磁現象的起源是由于材料內部原子核外電子運動(dòng)形成的微電流，亦稱(chēng)分子電流，這些微電流的集合效應使得材料對外呈現各種各樣的宏觀(guān)磁特性。因為每一個(gè)微電流都產(chǎn)生磁效應，所以把一個(gè)單位微電流稱(chēng)為一個(gè)磁偶極子。因此，磁場(chǎng)強度的大小與磁偶極子的分布有關(guān)。

在宏觀(guān)條件下，磁場(chǎng)強度可以定義為空間某處磁場(chǎng)的大小。我們知道，電場(chǎng)強度的概念是用單位電荷在電場(chǎng)中所產(chǎn)生的作用力來(lái)定義的，而在磁場(chǎng)中就很難找到一個(gè)類(lèi)似于“單位電荷”或“單位磁場(chǎng)”的帶磁物質(zhì)來(lái)定義磁場(chǎng)強度，為此，電場(chǎng)強度的定義只好借用流過(guò)單位長(cháng)度導體電流的概念來(lái)定義磁場(chǎng)強度，但這個(gè)概念本應該是用來(lái)定義電磁感應強度的，因為電磁場(chǎng)是可以互相產(chǎn)生感應的。

幸好，電磁感應強度不但與流過(guò)單位長(cháng)度導體的電流大小相關(guān)，而且還與介質(zhì)的屬性有關(guān)。所以，電磁感應強度可以在磁場(chǎng)強度的基礎上再乘以一個(gè)代表介質(zhì)屬性的系數來(lái)表示。這個(gè)代表介質(zhì)屬性的系數人們把它稱(chēng)為導磁率。

在電磁場(chǎng)理論中，磁場(chǎng)強度H的定義為：在真空中垂直于磁場(chǎng)方向的通電直導線(xiàn)，受到的磁場(chǎng)的作用力F跟電流I和導線(xiàn)長(cháng)度 的乘積I 的比值，稱(chēng)為通電直導線(xiàn)所在處的磁場(chǎng)強度�；颍涸谡婵罩写怪庇诖艌�(chǎng)方向的1米長(cháng)的導線(xiàn)，通過(guò)1安培的電流，受到磁場(chǎng)的作用力為1牛頓時(shí)，通過(guò)導線(xiàn)所在處的磁場(chǎng)強度就是1奧斯特(Oersted)。

電磁感應強度一般也稱(chēng)為磁感應強度。由于在真空中磁感應強度與磁場(chǎng)強度在數值上完全相等，因此，磁感應強度在真空中的定義與磁場(chǎng)強度在真空中的定義是完全相同的。所不同的是磁場(chǎng)強度H與介質(zhì)的屬性無(wú)關(guān)，而磁感應強度B卻與介質(zhì)的屬性有關(guān)。

但很多書(shū)上都用上面定義磁場(chǎng)強度的方法來(lái)定義電磁感應強度，這是很不合理的；因為，電磁感應強度與介質(zhì)的屬性有關(guān)，那么，比如在固體介質(zhì)中，人們就很難用通電直導線(xiàn)的方法來(lái)測量通電直導線(xiàn)在磁場(chǎng)中所受的力，既然不能測量，就不應該假設它所受的力與介質(zhì)的屬性有關(guān)。其實(shí)介質(zhì)的導磁率也不是通過(guò)作用力來(lái)測量的，而是通過(guò)電磁感應的方法來(lái)測量的。
電磁感應強度一般簡(jiǎn)稱(chēng)為磁感應強度。

磁場(chǎng)強度H和磁感應強度B由下面公式表示：


（2-1）式中磁場(chǎng)強度H的單位為奧斯特（Oe），力F的單位為牛頓（N），電流I的單位為安培（A），導線(xiàn)長(cháng)度的單位為米（m）。（2-2）式中，磁感應強度B的單位為特斯拉（T）， 為導磁率，單位為亨/米（H/m），在真空中的導磁率記為 ， = 1。由于特斯拉的單位太大，人們經(jīng)常使用高斯（Gs）作為磁感應強度B的單位。1特斯拉等于10000高（1T=104Gs）。

由于磁現象可以形象地用磁力線(xiàn)來(lái)表示，故磁感應強度B又可定義為磁力線(xiàn)通量的密度，即：?jiǎn)挝幻娣e內的磁力線(xiàn)通量。磁力線(xiàn)通量密度可簡(jiǎn)稱(chēng)為磁通密度，因此，電磁感應強度又可以表示為：
   
（2-3）式中，磁通密度B的單位為特斯拉（T），磁通量的單位為韋伯（Wb），面積的單位為平方米（m2）。如果磁通密度B用高斯（Gs）為單位，則磁通量的單位為麥克斯韋（Mx），面積的單位為平方厘米（cm2）。其中，1特斯拉等于10000高斯（1T = 104Gs），1韋伯等于10000麥克斯韋（1Wb = 104Mx）。

電磁感應強度除了可以稱(chēng)為磁感應強度、磁通密度外，很多人還把它稱(chēng)為磁感密度。至此，已經(jīng)說(shuō)明，電磁感應強度B、磁感應強度B、磁通密度B、磁感應密度B等，在概念上是完全可以通用的。

順便說(shuō)明，在其它書(shū)上有人把磁感應強度B的定義為：B = (H+M)，其中H和M分別是磁化強度和磁場(chǎng)強度，而 是真空導磁率。為了簡(jiǎn)單，我們不準備引入太多的其它概念，如有特別需要，可通過(guò)（2-2）式的定義來(lái)與其它概念進(jìn)行轉換。

這里還需要強調指出，用來(lái)代表介質(zhì)屬性的導磁率并不是一個(gè)常數，而是一個(gè)非線(xiàn)性函數，它不但與介質(zhì)以及磁場(chǎng)強度有關(guān)，而且與溫度還有關(guān)。因此，導磁率所定義的并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的系數，而是人們正在利用它來(lái)掩蓋住人類(lèi)至今還沒(méi)有完全揭示的，磁場(chǎng)強度與電磁感應強度之間的內在關(guān)系。不過(guò)為了簡(jiǎn)單，當我們對磁場(chǎng)強度與電磁感應強度進(jìn)行分析的時(shí)候，還是可以把導磁率當成一個(gè)常數來(lái)看待，或者取它的平均值或有效值來(lái)進(jìn)行計算。

開(kāi)關(guān)變壓器一般都是工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)；當輸入電壓為直流脈沖電壓時(shí)，稱(chēng)為單極性脈沖輸入，如單激式變壓器開(kāi)關(guān)電源；當輸入電壓為交流脈沖電壓時(shí)，稱(chēng)為雙極性脈沖輸入，如雙激式變壓器開(kāi)關(guān)電源；因此，開(kāi)關(guān)變壓器也可以稱(chēng)為脈沖變壓器，因為其輸入電壓是一序列脈沖；不過(guò)要真正較量起來(lái)的時(shí)候，開(kāi)關(guān)變壓器與脈沖變壓器在工作原理上還是有區別的，因為開(kāi)關(guān)變壓器還分正、反激輸出，這一點(diǎn)后面還將詳細說(shuō)明。

設開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯的截面為S，當幅度為U、寬度為τ的矩形脈沖電壓施加到開(kāi)關(guān)變壓器的初級線(xiàn)圈上時(shí)，在開(kāi)關(guān)變壓器的初級線(xiàn)圈中就有勵磁電流流過(guò)；同時(shí)，在開(kāi)關(guān)變壓器的鐵芯中就會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)，變壓器的鐵芯就會(huì )被磁化，在磁場(chǎng)強度為H的磁場(chǎng)作用下又會(huì )產(chǎn)生磁通密度為B的磁力線(xiàn)通量，簡(jiǎn)稱(chēng)磁通，用“”表示；磁通密度B或磁通 受磁場(chǎng)強度H的作用而發(fā)生變化的過(guò)程，稱(chēng)為磁化過(guò)程。所謂的勵磁電流，就是讓變壓器鐵芯充磁和消磁的電流。

根據法拉第電磁感應定理，電感線(xiàn)圈中的磁場(chǎng)或磁通密度發(fā)生變化時(shí)，將在線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應電動(dòng)勢；線(xiàn)圈中感應電動(dòng)勢為：

式中，N為開(kāi)關(guān)變壓器的初級線(xiàn)圈的匝數； 為變壓器鐵芯的磁通量；B為變壓器鐵芯的磁感應強度或磁通密度平均值。

這里引進(jìn)磁通密度平均值的概念，是因為變壓器鐵芯中的磁通并不是均勻分布，磁通密度與鐵芯或鐵芯截面上的磁通實(shí)際分布有關(guān)。因此，在分析諸如變壓器的某些宏觀(guān)特性的時(shí)候，有時(shí)需要使用平均值的概念，以便處理問(wèn)題簡(jiǎn)單。

從（2-4）式可知，磁通密度的變化以等速變化進(jìn)行，即：

假定磁通密度的初始值為B(0) = Bo（取t = 0），當t > 0時(shí)，磁通密度以線(xiàn)性規律增長(cháng)，磁通密度以線(xiàn)性規律增長(cháng)，即：

當t = τ時(shí)，即時(shí)間達到脈沖的后沿時(shí)，磁通密度達到最大值Bm = B(τ)。磁通密度增量（磁通密度初始值和最終值之差）∆B = B(τ)－B(0) = Bm－Bo 。

當輸入電壓是一序列單極性矩形脈沖時(shí)，根據電磁感應定律，在變壓器鐵芯中將產(chǎn)生一個(gè)磁通密度增量與之對應，即：

如果能忽略渦流影響，則磁場(chǎng)強度H的平均值取決于導磁體材料的性質(zhì)。變壓器初級線(xiàn)圈內的磁化電流的增長(cháng)與H成正比。在特性曲線(xiàn)的直線(xiàn)段內磁場(chǎng)強度H、磁化電流 和磁通密度B都以線(xiàn)性變化。

脈沖電壓作用結束后( t > τ )，變壓器中的磁化電流將按變壓器的輸出電路特性，即電路參數確定的規律下降，變壓器鐵芯內的磁場(chǎng)強度和磁通密度也相減弱，此時(shí)變壓器線(xiàn)圈內產(chǎn)生反極性電壓，即反電動(dòng)勢。變壓器的輸出電路特性實(shí)際上就是第一章中已經(jīng)詳細介紹過(guò)的正、反激電壓輸出電路特性。

上面分析雖然都是以單極性脈沖輸入為例，但對雙極性脈沖輸入同樣有效；在方法上，只須把雙極性脈沖輸入看成是兩個(gè)單極性脈沖分別輸入即可。

開(kāi)關(guān)電源變壓器分單激式開(kāi)關(guān)電源變壓器和雙激式開(kāi)關(guān)電源變壓器，兩種開(kāi)關(guān)電源變壓器的工作原理和結構并不是完全一樣的。單激式開(kāi)關(guān)電源變壓器的輸入電壓是單極性脈沖，并且還分正反激電壓輸出；而雙激式開(kāi)關(guān)電源變壓器的輸入電壓是雙極性脈沖，一般是雙極性脈沖電壓輸出。

另外，為了防止磁飽和，在單激式開(kāi)關(guān)電源變壓器的鐵芯中一般都要留氣隙；而雙激式開(kāi)關(guān)電源變壓器的鐵芯磁通密度變化范圍相對來(lái)說(shuō)比較大，一般不容易出現磁飽和現象，因此，一般都不用留氣隙。

單激式開(kāi)關(guān)電源變壓器還分正激式和反激式兩種，對兩種開(kāi)關(guān)電源變壓器的技術(shù)參數要求也不一樣；對正激式開(kāi)關(guān)電源變壓器的初級電感量要求比較大，而對反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器初級電感量的要求，其大小卻與輸出功率有關(guān)。

雙激式開(kāi)關(guān)電源變壓器鐵芯的磁滯損耗比較大，而單激式開(kāi)關(guān)電源變壓器鐵芯的磁滯損耗卻比較小。這些參數基本上都與變壓器鐵芯的磁化曲線(xiàn)有關(guān)。
 

歷史趣聞：
磁感應強度與磁場(chǎng)強度的概念一直以來(lái)都比較混亂，這是因為歷史的原因。1900年，國際電學(xué)家大會(huì )贊同美國電氣工程師協(xié)會(huì )(AIEE)的提案，決定CGSM制磁場(chǎng)強度的單位名稱(chēng)為高斯，這實(shí)際上是一場(chǎng)誤會(huì )。AIEE原來(lái)的提案是把高斯作為磁通密度B的單位，由于翻譯成法文時(shí)誤譯為磁場(chǎng)強度，造成了混淆。當時(shí)的CGSM制和高斯單位制中真空磁導率是無(wú)量綱的純數1，所以，真空中的B和H沒(méi)有什么區別，致使一度B和H都用同一個(gè)單位——高斯。

1930年7月，國際電工委員會(huì )才在廣泛討論的基礎上作出決定：真空磁導率有量綱，B和H性質(zhì)不同，B和D對應，H和E對應，在CGSM單位制中以高斯作為B的單位，以?shī)W斯特作為H的單位。

直至1960年第十一屆國際計量大會(huì )決定：將六個(gè)基本單位為基礎的單位制，即米、千克、秒、安培、開(kāi)爾文和坎德拉，命名為國際單位制，并以SI(法文Le System International el"Unites的縮寫(xiě))表示，磁感應強度與磁場(chǎng)強度的概念才基本得到統一。

由于歷史的原因，在電磁單位制中還經(jīng)常使用兩種單位制，一種是SI國際單位制，另一種CGSM（厘米、克、秒）絕對單位制；兩個(gè)單位的主要區別是，在CGSM單位制中真空導磁率，在SI單位制中真空導磁率。因此，只需要在CGSM單位制前面乘以一個(gè)系數 ，即可把CGSM單位制轉換成SI單位制，一般可寫(xiě)成 或 ，看到這個(gè)符號即可知道是采用SI單位制；但這里的 或 一般稱(chēng)為相對導磁率，是一個(gè)不帶單位的系數，而則要帶單位。