變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
變壓器是將兩組或兩組以上的線圈繞制在同一個(gè)線圈骨架上，或繞在同一鐵芯上制成的。通常情況下，把變壓器電源輸入端的繞組稱為初級(jí)繞組（又稱一次繞組），其余的繞組為次級(jí)繞組（又稱二次繞組），如圖2-1所示。
圖2-1 變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
單相變壓器和三相變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同，均是由鐵芯（器身）和繞組兩部分組成，如圖2-2所示。繞組是變壓器的電路，鐵芯是變壓器的磁路，二者構(gòu)成變壓器的核心即電磁部分。
圖2-2 單相變壓器和三相變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
常用的變壓器鐵芯有多種類型，典型的結(jié)構(gòu)分別為口字形和日字形，如圖2-3所示。為了減小渦流和磁滯損耗，鐵芯通常選用磁導(dǎo)率較高、相互絕緣、厚度在0.35～0.5mm的硅鋼片疊合而成，有的變壓器鐵芯也選用高磁導(dǎo)率的坡莫合金、鐵氧體等材料制成。
圖2-3 變壓器的兩種鐵芯
變壓器的線圈通常稱為繞組，相當(dāng)于變壓器的電路部分。繞組是用絕緣良好的漆包線、紗包線或絲包線在鐵芯（骨架）上繞制而成的，如圖2-4所示。變壓器在工作時(shí)，電源輸入端的繞組為初級(jí)繞組（或稱一次繞組），電源輸出端的繞組為次級(jí)繞組（或稱二次繞組）。
圖2-4 變壓器的繞組變壓器內(nèi)部
繞組相數(shù)不同，其繞組數(shù)也不同。單相變壓器的內(nèi)部有2組繞組，而三相變壓器的內(nèi)部有6組繞組，如圖2-5所示。
圖2-5 單相變壓器和三相變壓器內(nèi)部繞組結(jié)構(gòu)示意圖
變壓器的工作原理
變壓器的工作原理，我們將從空載運(yùn)行、負(fù)載運(yùn)行、阻抗變換，三種情況進(jìn)行講述。
1、空載運(yùn)行
如下圖所示，變壓器的空載運(yùn)行示意圖。
變壓器的空載運(yùn)行
變壓器的一次繞組接上交流電壓【u1】，二次側(cè)開(kāi)路，這種運(yùn)行狀態(tài)稱為空載運(yùn)行。這時(shí)二次繞組中的電流i2=0，電壓為開(kāi)路電壓【u20】，一次繞組通過(guò)的電流為空載電流【i10】，各量的方向按習(xí)慣參考方向選取。上圖中【N1】為一次繞組的匝數(shù)，【N2】為二次繞組的匝數(shù)。
由于二次側(cè)開(kāi)路，這時(shí)變壓器的。一次側(cè)電路相當(dāng)于一個(gè)交流鐵心線圈電路，通過(guò)的空載電流【i10】就是勵(lì)磁電流。
磁通勢(shì)【N1i10】在鐵心中產(chǎn)生的主磁通【Φ】通過(guò)閉合鐵心，既穿過(guò)一次繞組，也穿過(guò)二次繞組，于是在一、二次繞組中分別感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)【e1】【e2】當(dāng)e1、e2與Φ的參考方向之間符合右手螺旋定則時(shí)，由法拉第電磁感應(yīng)定律可得
e1、e2的有效值分別為
式中【f】為交流電源的頻率，【Φm】為主磁通的最大值。
若略去漏磁通的影響，不考慮繞組上電阻的壓降，則可認(rèn)為一、二次繞組上電動(dòng)勢(shì)的有效值近似等于一、二次繞組上電壓的有效值，即
從上式可見(jiàn)，變壓器空載運(yùn)行時(shí)，一、二次繞組上電壓的比值等于兩者的匝數(shù)比，這個(gè)比值【K】稱為變壓器的變壓比或變比。
當(dāng)一、二次繞組匝數(shù)不同時(shí)，變壓器就可以把某一數(shù)值的交流電壓變換為同頻率的另一數(shù)值的電壓，這就是變壓器的電壓變換作用。
當(dāng)一次繞組匝數(shù)N1比二次繞組匝數(shù)N2多時(shí)，K》1，這種變壓器稱為降壓變壓器；
當(dāng)一次繞組匝數(shù)N1比二次繞組匝數(shù)N2少時(shí)，K《》升壓變壓器；
2、負(fù)載運(yùn)行
如下圖所示，變壓器的負(fù)載運(yùn)行示意圖。
變壓器的負(fù)載運(yùn)行
如果變壓器的二次繞組接上負(fù)載，則在二次繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)【e2】的作用下，將產(chǎn)生二次繞組電流【i2】。
這時(shí)，一次繞組的電流由【i10】增大為【i1】，二次側(cè)的電流【i2】越大，一次側(cè)的電流也越大。
因?yàn)槎卫@組有了電流【i2】，所以二次側(cè)的磁通勢(shì)【N2i2】也要在鐵心中產(chǎn)生磁通，這時(shí)變壓器鐵心中的主磁通系由一、二次繞組的磁通勢(shì)共同產(chǎn)生。
顯然，二次側(cè)的磁通勢(shì)【N2i2】的出現(xiàn)，將有改變鐵心中原有主磁通的趨勢(shì)。
但是，在一次繞組的外加電壓（電源電壓）不變的情況下，主磁通基本保持不變，因而一次繞組的電流將由【i10】增大為【i1】使得一次繞組的磁通勢(shì)由【N1i10】變成【N1i1】，用于抵消二次側(cè)磁通勢(shì)【N2i2】的作用。
也就是說(shuō)，變壓器負(fù)載時(shí)的總磁通勢(shì)應(yīng)與空載時(shí)的磁通勢(shì)基本相等，用公式表示，即
上式便是變壓器的磁通勢(shì)平衡方程式。
這就是為什么，變壓器的輸入電流會(huì)隨負(fù)載電流增大而增大，起到能量傳遞的作用。
3、阻抗變換
如下圖所示，變壓器的阻抗變換示意圖。
變壓器的阻抗變換
變壓器除了可以變壓和變流，還可以變換阻抗。
上圖所示，變壓器原邊接電源【u1】，副邊接負(fù)載阻抗【lZLI】，對(duì)于電源來(lái)說(shuō)，圖中點(diǎn)劃線框內(nèi)的電路可用另一個(gè)阻抗【lZ‘LI】來(lái)等效代替。
所謂等效，就是它們從電源吸取的電流和功率相等。
因?yàn)楫?dāng)電源端擁有高電壓低電流時(shí)，是很難驅(qū)動(dòng)低阻負(fù)載的，這時(shí)需要變換為低電壓大電流，達(dá)到等功率傳遞的目的。
早期的電子管功放就是如此，如下圖。
電子管功放存在輸入輸出變壓器用于阻抗變換
電子管工作在高電壓低電流的環(huán)境，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)電阻只有8Ω的動(dòng)圈喇叭，因此需要變壓器做阻抗變換，將功率傳遞成低壓大電流的方式驅(qū)動(dòng)喇叭。
P（功率）=U（電壓）/I（電流）
因?yàn)?，?dāng)功率恒定的情況下，電壓越高，電流越小，反之，電壓越低，電流越大。
變壓器鐵芯和線圈的磁性特征的測(cè)試
高精度功率分析儀LMG系列產(chǎn)品，可以測(cè)量變壓器鐵芯和線圈的磁性特征以及對(duì)于功率損耗的精確測(cè)量，用高頻信號(hào)測(cè)量硅鋼磁芯和鐵氧體磁芯的功率損耗：準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)。
包括磁通量的峰值，磁場(chǎng)強(qiáng)度，低頻或高頻工作下的磁芯的導(dǎo)磁系數(shù)，對(duì)于應(yīng)用磁芯的磁性元件的質(zhì)控非常有幫助。傳統(tǒng)的測(cè)量方法需要正弦磁場(chǎng)強(qiáng)度或者昂貴復(fù)雜的信號(hào)源，由于測(cè)試的重點(diǎn)是飽和區(qū)間，所以對(duì)信號(hào)源的輸出范圍要求很高。如果有一臺(tái)智能的測(cè)試儀器，配合低成本的電源甚至諧波擾動(dòng)很大的市電都可以實(shí)現(xiàn)的話，將會(huì)使得測(cè)試變得更簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)有效。
測(cè)量功率損耗
鐵氧化磁芯的損耗和磁滯環(huán)面積成正比，另外也和溫度，頻率，磁通密度，鐵素體材質(zhì)，磁芯的幾何體形狀有關(guān)，通過(guò)施加一個(gè)任意波形型號(hào)于包芯的一次側(cè)，然后測(cè)量二次測(cè)的開(kāi)路電壓，LMG系列產(chǎn)品可以輕松確定損耗。
初級(jí)線圈電流峰值（Ipk）與磁場(chǎng)強(qiáng)度（Hpk）成正比，次級(jí)線圈開(kāi)路電壓整流值（Urect）和磁通密度成正比。磁滯回線的面積和體磁鐵損耗的能量成正比。
總的線繞式鐵芯損耗包含了磁滯損耗Ploss、渦電流損耗、線圈損耗及其它剩余損耗，當(dāng)測(cè)量鐵氧體磁芯損耗時(shí)，銅損不應(yīng)計(jì)算在內(nèi)，測(cè)量可以通過(guò)下列接線圖來(lái)實(shí)現(xiàn)：
這種情況下，功率損失Ploss = Utrms · Itrms · cos φ。，利用這個(gè)測(cè)試線路，一次側(cè)銅阻造成的壓降沒(méi)有影響，因?yàn)橐淮蝹?cè)只測(cè)量了電流，為了測(cè)量實(shí)時(shí)的磁化電壓，二次側(cè)回路沒(méi)有電流流通。一次測(cè)和二次側(cè)銅損同時(shí)被排除在了功率損耗之外。由于對(duì)Utrms， Itrms 和 cos的精確測(cè)量，磁滯回線的完整和典型曲線不需要知道，能量損耗可以通過(guò)LMG系列產(chǎn)品直接測(cè)量、實(shí)時(shí)的顯示和讀取。
為了更精確的解決這個(gè)測(cè)量難題，如下細(xì)節(jié)需要注意：
功率損耗的計(jì)算誤差公式
總的損耗誤差包含了測(cè)量的電壓電流值的幅值誤差以及他們延遲不同造成的誤差，這些延遲是由于每個(gè)測(cè)量通道的延遲時(shí)間不同造成。通常損耗非常小而且相位延遲接近90度，所以cos幾乎為0，Δcos比上cos的值就會(huì)變得很大，給測(cè)量誤差帶來(lái)很大影響。
例如：
測(cè)量一個(gè)鐵氧體磁芯損耗，cos為0.06，一次測(cè)施加50KHz正弦信號(hào)，利用公式： = t 360° f，延遲時(shí)間t大概只有3.8ns，但是結(jié)果Δcos cos = 2%，這樣小的延遲已經(jīng)存在于測(cè)量線小于1m回路中，另外還沒(méi)算上ΔU /U 和 ΔI/I引起的誤差。但是，如果用LMG這樣高精度的功率分析儀，這些問(wèn)題可以忽略掉。
對(duì)于這樣困難的測(cè)量，選擇一臺(tái)好的儀器非常關(guān)鍵，需要的不僅是電壓電流的高精度，更重要的是功率測(cè)量的高精度，另外，測(cè)試回路的精心設(shè)計(jì)對(duì)于取得好的測(cè)量結(jié)果也非常重要，測(cè)量回路一定要盡量短而且等長(zhǎng)。
LMG功率分析儀轉(zhuǎn)為此類應(yīng)用而生，獨(dú)有的延遲調(diào)節(jié)功能，對(duì)于4ns內(nèi)的電壓電流通道之間的延遲可以自由調(diào)節(jié)。
由于LMG強(qiáng)大的功能，用戶可以獲得另外磁場(chǎng)相關(guān)的參數(shù)：
磁場(chǎng)強(qiáng)度：Hpk=Ipp/2*n1/lmagn
磁通密度：Bpk = Urect/（4 · f · n2 · A）
相對(duì)幅值導(dǎo)磁系數(shù)：ua=Bpk/Hpk/1.2566e6
磁芯損耗：Pfe = P * n1/n2
LMG系統(tǒng)功率分析儀測(cè)試過(guò)程：
按照?qǐng)D1把功率分析儀和電源及待測(cè)設(shè)備連接，通過(guò)腳本編輯器內(nèi)置公式，計(jì)算出來(lái)的值可以直接讀取，圖形顯示或打印。
特別是磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁通密度、導(dǎo)磁系數(shù)這些無(wú)法直接測(cè)量的量可以實(shí)時(shí)的顯示在屏幕中。
結(jié)論：
通過(guò)直接測(cè)量獲得的參數(shù)：整流過(guò)的傳導(dǎo)電壓，頻率，一次側(cè)電流峰值以及用戶提供的鐵氧體磁芯尺寸數(shù)據(jù)，可以算出磁通量，磁場(chǎng)強(qiáng)度，導(dǎo)磁系數(shù)，這些量可以通過(guò)功率分析儀LMG系列實(shí)時(shí)的顯示。