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自制变压器和稳压电源
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2013-03-01
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三 自制变压器实验 电池输出的电流是低压直流电。而工业和家庭广泛使用的 却是 380/220 伏的交流电。可能有人会问:人触摸到 220 伏的 电压有危险,为什么不采用像电池一样的低压直流供电呢? 我们知道,所有用电器是有一定功率的,其值等于电压和 电流的乘积。假如一台 200 瓦的电器采用 2 伏的低压供电,所 需的电流竟达 100 安培之多。在低压状态下每平方毫米的铜导 线能流过 2.5 安培的电流,这台电器所用导线的截面积竟然有 40 平方毫米,几乎有手指粗细。这只是一台 200 瓦的用电器, 若为许多家庭和工厂供电的主干线就有可能粗达几十米。显然 这是行不通的。所以,必需采用高压以减小输电电流。但直接 使用过高的电压会产生危险。经过人们长期的实践和摸索才把 用户的电压定在 220 伏这一比较合适的数值。实际上,电厂发 电机发出的电压是几千伏特,我们还嫌不高,还要把它升至几 十、甚至上百万伏后再经高压线输送至远方。到达用电的城市 后,再把电压降至几千伏送至各个厂矿和居民区,然后再降至 380/220 伏送到用户。这其中每一环节电压的变化都离不开变
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三 自制变压器实验
电池输出的电流是低压直流电。 而工业和家庭广泛使用 的
却是 380 / 220 伏的交流电。可能有人会问:人触摸到 220 伏的
电压有危险,为什么不采用像电池一样的低压直流供电呢?
我们知道,所有用电器是有一定功率的,其值等于电压和
电流的乘积。假如一台 200 瓦的电器采用 2 伏的低压供电,所
需的电流竟达 100 安培之多。在低压状态下每平方毫米的铜导
线能流过 2.5 安培的电流,这台电器所用导线的截面积竟然有
40 平方毫米,几乎有手指粗细。这只是一台 200
瓦的用电器,
若为许多家庭和工厂供电的主干线就有可能粗达几十米。显然
这是行不通的。所以,必需采用高压以减小输电电流。但直接
使用过高的电压会产生危险。经过人们长期的实践和摸索才把
用户的电压定在 220 伏这一比较合适的数值。实际上,电厂发
电机发出的电压是 几千伏特,我们还嫌不高,还要把它升至几
十、甚至上百万伏后再经高压线输送至远方。到达用电的城市
后,再把电压降至几千伏送至各个厂矿和居民区,然后再降至
380 / 220 伏送到用户。这其中每一环节电压的变化都离不开变
压器。
1 变压器的工作原理
要想弄清变压器的原理,得从一个实验说起。图 3 1 是 在
一个接有电流表的线圈内插入磁铁的情况。没有插入磁铁或磁
铁放入线圈不动时,电流表中都没有电流。在插入磁铁的过程
中,电流表中有电流指示,指针偏向一方;在拔出磁铁的过程
中电流表也有电流指示,指针偏向另一方。这说明插入和拔出
磁铁时线圈内都被感应出电流,而且两种情况感应出的电流方
向不同。这一实验表明线圈内没有磁场或磁场不变化,线圈里
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没有感应电流。 只有当线圈内磁场发生变化 (磁场增强或减弱
)
时,线圈里才有感应电流出现。
变压器就是根据变化磁场可以在线圈内感应出电流的原理
制成的。它实际上两个绕在同一铁芯上的线圈。其结构如图 3
2 所示。接到电源的线圈叫初级线圈,也叫原线圈;接用电 器
的线圈叫次级线圈,也叫副线圈。当初级线圈接到交流电源上
时,流经线圈电流的大小和方向是按一定规则变化的。所以,
由其产生的磁场也是不断变化的。变化的磁场通过次级线圈在
铁芯内部形成一个闭合磁路 (图中的虚线所示) , 也就在次级 线
圈内感应出了交变电流。我们在这个过程中可以看出,电能和
磁能互相转变,是由磁场作媒介,把初级线圈的电流 “ 传 ” 到
次级级上的,这在电学上叫作耦合。
假如初级线圈中流过的不是交流而是直流电,初级线圈产
不插入磁铁
图 3-1 线圈内磁场变化产生电流
磁铁插入不动
拔出磁铁时
插入磁铁时
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生的磁场不会变化,次级也就不
会产生感应电流。所以,便于升
压和降压是广泛采用交流电的另
一个重要原因。
理论上讲,初级线圈的电能
是能够全部耦合到次级线圈的。
实际上,由于变压器的铁芯发热
和线圈电阻的影响,多少要损失
掉一部分功率。但如果变压器的
质量好, 损失的电功率是很小的
。
假如,我们把损失的电功率忽略
不计,那么,变压器的输入功率
I
1
U
1
与输出功率 I
2
U
2
相等,于是有:
I
1
U
1
= I
2
U
2
或
1
2
2
1
U
U
I
I
实践证明,变压器的次级电压高低与初级线圈的圈数 n
1
、
次级线圈的圈数 n
2
之比有关。
即
1
2
1
2
U
U
n
n
1
1
2
2
U
n
n
U
如果初级线圈的圈数多于次级线圈,就是降压变压器;如果初
级线圈的圈数少于次级线圈,就是升压变压器。
对于一个给定的变压器,它的初、次级功率是一定的。如
果是降压变压器,次级线圈的电压 U
2
低于初级线圈电压 U
1
,
次级线圈中的电流 I
2
要大于初级线圈中的 I
1
。由
和 得出
1
2
2
1
U
U
I
I
1
2
1
2
U
U
n
n
1
2
2
1
n
n
I
I
也就是说:初、次级线圈电压与初、次级线圈的圈数成正比,
初、次级线圈的电流与初、次级线圈的圈数成反比。
次级线圈
图 3 2 变压器的绕组
I
2
U
1
U
2
I
1
初级线圈
n
2
n
1
磁
场
33
2 小功率变压器的设计
小功率变压器在日常生活中用处很多。它可把 220 伏特的
交流市电降至几伏,用来进行点亮小灯泡、整流后给蓄电池充
电等电科学实验。若把整流后的低压脉动直流加上滤波还可替
代电池,直接作为收录机的直流电源。
小型变压器需要的原材料是铁芯和漆包线。 有了这些材料
,
我们完全可以自己设计制作变压器。
变压器的铁芯是用很多硅钢片(也叫矽钢片)一片一片迭
起来的。这些硅钢片均经过特殊处理,表面有一层不导电深灰
色的氧化膜。这层氧化膜使得硅钢片的片与片之间处于绝缘状
态, 能够消除铁芯发热 (减小涡流) , 对于提高变压器的效率 起
着重要的作用。
变压器有壳式和心式两种,壳式变压器的初次级线圈绕在
“ 日 ” 字形铁芯的中心柱上。一般把初级绕组绕在里面,外面
绕上次级绕组。整个线圈都被铁芯包住,好像线圈的的铁壳,
所以叫壳式。心式变压器则把初次级线圈分别绕在 “ 口 ” 字形
铁芯的两侧,如图 3 3 所示。功率较大的变压器多采用心式,
初级
线圈
图 3 3 变压器的两种结构
“ 日 ” 形铁心
“ 口 ” 形铁芯
初级在内
次级在外
心
式
壳
式
次级
线圈
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功率较小的电源变压器一般都做成壳式。
壳式变压器铁芯的硅钢片呈 “ 日 ” 字形。为了把硅钢片插
入线圈,必需把日字形的硅钢片分成两半。图 3 4 是常见的 两
种片子的示意图。不论是那种形状,其目的都是要插入线圈后
再拼成一个 “ 日 ” 字形,以便给磁场提供一个闭合通路。硅钢
片的各部分都有一定的名称和尺寸,如图 3 5 所示。其主要 尺
寸是中间的舌宽,其它部分的尺寸都和舌宽有关系。变压器的
功率小,硅钢片的各部分尺寸小,功率大,硅钢片的尺寸也相
应加大。硅钢片具体尺寸的大小和叠厚要根据功率的大小来选
择。只要知道了变压器的功率,就可计算出铁芯的截面积。铁
芯的截面积是指硅钢片绕线处的舌宽和叠起来的总厚度的乘
图 3 4 硅钢片的两种形状
舌宽
舌宽
A 舌宽 B 窗口宽度 S 截面积
H 窗口高度 D 叠厚
图 3 5 铁芯的各部分名称
窗
口
窗
口
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