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关于变压器——从电路的角度理解

2022-03-29 17:08 作者:长庚星灿  | 我要投稿

变压器电路本质上是个含耦合电感的电路,利用互感原理,原副边(被隔离的两个电路)靠磁场联系起来,从而传递能量或信号。本文将从电路的角度,分析变压器原副边电压电流关系。

变压器等效电路如下

变压器等效电路

可直接列写KVL方程

定义原边回路阻抗和副边回路阻抗

其中Z是副边负载阻抗。从而

变压器电路的KVL
  • 原边

由变压器电路KVL可推导出

原边等效电路的KVL

该式表明,副边对原边的影响,可用一个阻抗

进行等效。该阻抗称为原边引入阻抗。据此可以得出原边的等效电路图。

原边等效电路
  • 副边

同样由等效电路的KVL方程得出

副边电流表达式


计算副边开路电压,当副边负载阻抗Z的模趋于无穷大时,

副边开路电压

将副边电流表达式写为

副边电流表达式

从而副边等效电路

副边等效电路

下面推导原副边电压、电流的关系。

对于电压,很显然

略去电阻(忽略铜损),并且假设原副边耦合系数为1(M=sqrt(L1L2)),于是

变压器原副边电压关系

准确来说,此处L1,L2是原副边线圈的外自感。线圈的外自感与匝数的平方成正比,即

电感器外自感计算公式(Neumann公式)

因此

变压器原副边电压关系

对于电流,首先,空载时,原边电流为:

原边开路电流(励磁电流)

副边带负载Z,从而产生副边电流I2时,


需要消去式中的Z,从而得到I1和I2的关系,根据

导出

代入I1表达式,即

这与《电机学》中基于磁路分析(磁势平衡)的结果一致。原边电流一部分用于励磁,励磁电流大小等于副边开路时的原边电流,且不随负载变化。另一部分与副边电流成正比。略去电阻,并认为原副边耦合系数为1,从而

原副边电流关系

这学期做毕业设计,关于光伏并网逆变器的,在Simulink仿真时总是不会设置变压器参数,仿真了一个月才发现参数搞错了,于是重新翻开《电机学》和《电路》,果然是基础不牢地动山摇啊(●'◡'●)

根据上述分析,励磁电感应该与原边电感(是原边线圈的外自感,而不是漏感)相等。设计高频的反激电路时,需要设置两边的电感在某一数值以下,方能保证电路工作在断续模式。仿真时只需要设置励磁电感即可。

上述分析是基于耦合电感的,没有体现铁芯损耗及与之相关的Rm。事实上,我们可以把铁芯与线圈直接的电磁感应同样等效为耦合电感,然后用一个纯电阻等效Rm的损耗。分析方法与上述过程类似,但是很难用除了实验测量之外的方法得到具体参数。

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