变压器的工作原理

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1、变压器的工作原理 吴江川一 概述：变压器是利用电磁感应原理工作的，先化电为磁，后化磁为电。它具有5大基本功能，（1）自闸电磁控电阀功能，当一次绕组接入正弦交流电源时，一次线圈内就有正弦交变电流流过，电流所产生的电磁场汇集在线圈内部，磁化穿在其内部的闭合铁芯，产生一个寄生在电磁场上的，封闭在铁芯内部的正弦交变磁通，交变磁通在一次绕组上感应出自感电动势，具有天生的逆反性，遵从楞次定律永远滞后磁通90，由于逆反自感电动势的产生，在一次绕组回路内就有二个电源（、）同时存在，且总对使反劲(阻碍)，二龙治水争权夺势，使一次电流明显减小和()滞后相位自动移相，人为地利用和强化对的阻碍作用，设计变压器时让铁芯

2、全部磁化时磁通在一次绕组内产生的自感电动势约等于，、（）自移相至滞后90，连带自移相滞后180，自感电动势的方向与电源电压的方向相反，自感电动势对电源的阻碍达到了最大，电源被约反向约相等的逆反自感电动势自闸在一次绕组内，只利用小小的错开相位放出很小的励磁电流用来磁化铁芯来产生自感电动势，变压器处于空载自闸运行状态，损耗很小，交变磁通在二次绕组上也感应电动势，接上负载，在二次绕组内产生电流，的集合电磁场阻碍磁通的变化，对进行消磁，减小自感自闸电动势减小，自闸电磁控电阀开启，正比放出一次电流，对二次电流电磁场消磁，二次侧产生多少反向的电磁场，一次侧电流电磁场就正比抵消多少，保持一次电流对铁芯励磁的

3、主动权，空载时闸得住，负载时放得开，这就是变压器的自闸电磁控电阀功能。（2）改变电压，（3）改变电流，（4）不但自己产生无功功率而且能汇合负载无功功率通过变压器回馈给发电机，产生无功功率危害。（5）隔绝一二次电力系统的直接电联系，确保用电安全，详述如下。二 空载变压器自闸励磁过程（自闸电磁控电阀功能）：一次绕组接上正弦交流电源二次绕组开路，变压器励磁电流滞后约90，自感电动势滞后约180，由于一次绕组电阻很小，空载变压器可以看做纯电感电路，设计变压器时让（铁芯全部磁化，f50）（1）用PN结试验判定电源电压与自感电动势的正确相位：在一次偶然把一只整流二级管接在了一小型（220/36）变压器一次

4、侧，二次开路（空载），变压器发出很大的异常声音，严重发热，电磁场外漏，铁芯象永磁铁一样吸引螺丝刀等铁件的严重失常现象，主因是接入了脉动单项直流电，后又并联反相接入一只整流二级管，可通过正弦交流电，空载变压器正常如初，实验接线电路如图1所示。结合对变压器的种种疑问及对变压器的多次拆装分解试验，空载变压器近似纯电感元件，二级管PN结单项正向导电必须加正向电压，结合分析纯电感电路波形图顿悟如下，得出正确的纯电感电路波形图如图2所示。参看图1图2，（0180）周期内，电流从整流二极管内流过，即导通，截止，（180360）周期内电流从整流二极管流过，即导通，截止，根据二极管PN结单项导通的必要条件必须加

5、正向电压，电压为君，电流为臣，即电压决定电流，没有电压就没有电流，（0180）导通，截止，A点电位必须始终高于B点电位，并大于结电压，（）。在(090)上正下负，上正下负，波形下降，导通，必须，克服的反相电压阻滞，推动电流流过，、同方向，()。（90180）反向上负下正，反向上负下正，波形上升，本应截止却没有截止电流仍按原方向继续流动，根据的PN结导通条件必需是，克服的反向电压阻滞，推动电流继续流过，、同方向，()，同理(180360)从流过，即导通，截止，必加正向电压，并大于结电压。（180270）上负下正，上负下正，波形下降，导通，必须是，克服的反向电压阻滞，推动电流流过，、同方向，=()

6、，（270360）反向上正下负， 反向上正下负，波形上升，电流继续流过，根据 PN结的导通条件必需是， 克服的反向电压阻滞，推动电流继续流过，、同方向，=（）。由于，经如上分析PN结试验判定与的相位差接近但不等于180(180），接近90但不等于90（90）。如图2所示这才是的正确相位，图3是它们的正确向量图。如图2所示利用、小小的错开相位放出很小的励磁电流磁化铁芯，一次电流被自感电动势以电阻电的形式自闸在一次侧，图中虚线是的波形直观的反应了、的大小关系，参照的波形图能更好的理解上述分析正确判定与的相位差，由于隐性存在不能直接测量，所以照成了前人在教科书中对相位的错误判定，进而也导致变压器原理

7、分析的错误。（2），、联动自移相的原因：硅钢片是高导磁软磁性材料本身不具有磁性必须经过永磁场或电磁场磁化才具有磁性，是电磁场磁化铁芯的磁通，它形影不离地寄生在电磁场里，不考虑磁滞影响，基本与同相位，也是矢量，正弦交流电源加在一次绕组上产生一次电流，它的集合电磁场瞬间磁化铁芯产生交变磁通，在一次绕组内感应出正弦交变自感电动势，永远滞后90，因为=4.44f，设计变压器时根据铁芯大小（变压器功率大小决定）以及f合理选配一次匝数使自感自闸电动势，利用矢量自感电动势对矢量电源电压的阻碍，它们同时作用在一次绕组线圈上，因电压决定电流没有电压就没有电流，加在一次线圈电阻上的电压合矢量=+合成规律是几何平行

8、四边形法则（也可简化成三角形法则），如图4矢量改变了方向即向90方向移相，同时带动与同步的矢量电流=移相，同时带动电磁场磁化的磁通移相，的移相连锁带动移相（滞后90），的移相使进一步移相，就这样彼此带动着移相，经过若干个正弦交变周期，、从0移相到约90相位，090245222.5211.25290，从90移相到约180相位，9090245222.5211.252180,、，、三者始终保持直角三角形几何向量关系，随着移相不断减小，矢量电流=也在移相中不断减小，并随同一起带动移相到约90相位浮动，当减小到其集合电磁场()刚好能全部磁化铁芯，寄生在一起融为一体，闭合在磁路内，磁通产生的自闸自感电动势

9、时停止移相，稳定在自调整动平衡的直角三角形状态（是波动的），把仅仅用于磁化铁芯的很小的滞后的电流称为变压器空载励磁电流即为。（3），以电压阻碍电压限制电流：为了防止两台并联运行的同步发电机的电流机内互相流动产生内耗，要求两者的所发出的电压相等，频率相同，三相同相连接，同相间电压相位互差180，构成交流电压互闸，这才是同步的内涵，灯光熄灭法合闸并网同步发电机之道理所在，用摇表测量有电容性质的试品(如电缆)时，完成测量需先断开测量回路，后停止摇表摇动，就是用摇表产生的等电压抵抗住测量时存储的电容电荷电压，否则反操作电容电荷电压对摇表放电损坏摇表，用交流电压互闸要求两个电压相等相位差180，频率相同

10、。手机充电器对锂电池充电正极对正极，负极对负极，开始时电池电压低于充电器电压，充电器电源克服电池电压的阻碍流过电池储能，电流较大，随着电池电压的上升阻碍越来越大，充电电流越来越小，当充电器电压等于电池电压时，充电停止，充电回路被升高的电池电压自闸。而变压器设计时让自感自闸电动势与电源电压约相等，经自移相相位差小于180，瞬时值极性都是正极对正极负极对负极，其目的都是人为限控电流。变压器空载自闸其本质就是利用反方向的约等电源电压的自感自闸电动势与的微小错位，产生一个加在一次线圈电阻上的很小的合矢量正弦交变励磁电压，的相位滞后约90，励磁电流（）刚好磁化铁芯，磁通又生成约等于的自闸，人为的有目的的

11、利用(、)相生又相克的自矛盾自调整自平衡的关系，有意识的加强把电流限控成为很小的励磁电流 （4）变压器的空载自闸励磁过程：（a）励磁涌流，按输出电功率大小确定变压器铁芯尺寸人为有目的的选配一次绕组的匝数，让电磁场磁化铁芯的磁通产生的阻碍电源的自感电动势，有意识地利用并强化的阻碍作用达到最大值（自闸），如图4，电阻很小的一次绕组线圈接上正弦交流电源，磁通为很好建立且为移相，自闸作用不大，产生很大的励磁涌流，随着、联动自移相，、自移相约小于90相位，也关联移相到约小于180的最佳相位处浮动， 由大变的很小很小，对的阻碍（自闸）达到最佳状态，很大的励磁涌流经过一段时间（若干周期），衰减为很小的滞后约

12、90的励磁电流，变压器运行在良好的空载自闸状态。（b）电源对铁芯充磁储能：如图2.（090）、（180270）两个区间，电源电压波形由最大到零下降区间，电流波形上升对无磁铁芯充磁，由所产生，应由电源电压的电流电磁场产生，所以大于，0和180，的电压幅值最大，一次绕组电阻很小，可导致电流突变I（）最大，相对应产生的最大，对的阻碍最大（）的差压很小，（) 电流最小，变化率最大，随着的下降电流突变变小I()减小，（）的差压变到最大，同理电流升到最大值励磁电流的电磁场全部磁化铁芯（）完成铁芯全部磁化充磁储能，（c)电感实验新解读：接上直流电源的电感线圈，电流缓慢上升，电磁场磁化铁芯充磁完毕，自感电动势

13、消失，电流稳定在UR的数值上，储存磁能，拉开开关断开电源直流电磁场消失，在电感线圈两端会产生数倍直流电压的自感高电压，原因是铁芯磁通失去赖以生存的电磁场磁通也突然消失，特别大，储存的磁能瞬时释放能产生几十倍的高压，有些电气就是利用自感高电压工作的，有些电气（直流继电器）需加装续流二极管消除有害的自感高压，原理是以自感电动势做电源通过二极管构成回路产生电流（方向与直流励磁电流方向相同），电磁场托着磁通轻轻放下释放磁能，结论是铁芯磁化储存磁能必要放磁释放磁能，磁化电流与放磁电流方向相同，续流放磁软着陆突然失磁能产生高电压，电流与磁通基本同相位。（d）.自感电动势续流放磁归零释放磁能：（90180）

14、、（270360）两个电源电压波形上升区间，铁芯以全部磁化，若突然失去电磁场的依托，失磁会产生很高的大于几倍的自感电压，此时以反向增大，电流若由生成，电磁场将对铁芯反向消磁，产生的叠加电动势会更高，所以能大于，电流() ，克服的阻碍，按照充磁电流的方向继续流动，的电磁场托着磁通释放磁能，开始放磁时（）的差压最大，也最大，拖住磁通能力强，失磁慢反而小，随着的上升，阻碍能力增强，（）差压减小，电流减小，托磁能力变差，失磁快（）大，反而最大。自感电动势克服的阻碍，自己续流，电磁场托着磁通放磁归零，全部释放储存磁能。 综上所述以电源电压的波形为模板参照其变化，遵循楞次定律，化矛盾为统一，励磁电流也产生

15、了畸变，铁芯充磁放磁自如，设计时让经自移相,各个正弦矢量自平衡在直角三角形向量图内，数量关系是(，向量图如图3所示用自感电动势自闸电源，实现空载自闸控电阀，这才是变压器真正的励磁过程和正确相位关系，一次绕组电阻越小越好，铁芯导磁越高越好。（5）无功电功率的产生：利用自感电动势以电阻治电，实现变压器空载自闸是其优点，但自感电动势与电源电压二龙治水，造成了励磁电流移相约90，电压超前电流，使得电压与电流的乘积不能正比反应电功率，产生了无功电功率，变压器要想正常工作必然要产生感性无功功率，一个变压器有很多负载，多个正弦交变矢量电压电动势争夺电流的支配权，正弦交变电流只能按照它们的综合矢量方向流动，这

16、就造成了电流相对于电源电压的移相，大小可直接测量显示和累积计量，在发电机上不产生阻力损耗。（6）自感电动势的利弊，发现感生电动势公式ENT的不足：请参阅百度文库三相交流发电机是动生电动势与感生电动势联合输出电能的一文，能更好理解下文，变压器是最大限度利用自感电动势自闸电源电压的，而发电机必须消除自感电动势的有害影响，把一个小型变压器铁芯拆下，只把山字形铁片单方向穿在线圈内，铁芯磁路断开，一次侧接上电源线圈严重发热电流很大，根据变压器空载自闸原理一定是断开的磁路铁芯没有产生足够的自闸自感电动势，电源电压没被闸住电流很大，重新按原样装好铁芯磁路闭合变压器工作如初，为什么电流很大，比正常大很多，产生

17、的自感电动势却很小呢？结合分析交流接触器，强力磁吸合的两半山字形铁芯和可拆教学变压器组装在一起的两半铁芯，接上电源后产生磁铁吸力，原来变压器闭合铁芯磁化后上下两部分，在线圈内部隐性存在着强大的磁吸力，只不过没有外露，只有嗡嗡声响而已，产生最大的自感电动势，线圈插入不闭合的铁芯磁作用力很小，产生的自感电动势也很小，发电机负载电流流过定子三相绕组线圈，负荷电流的电磁场磁化定子铁芯产生的自感电动势为什么没有对发电机三相电压产生有害的阻碍影响呢？是因为定子绕组磁化的定子铁芯不是闭合磁路，产生的自感电动势很小，旋转负荷电流阻力电磁场NS顺时针连续不断磁化定子铁芯，前边铁芯N增加，后边的铁芯N减少，产生的

18、自感电动势方向相反互相抵消，S同理抵消，所以负荷电流磁化定子铁芯没有产生有害的阻碍自感电动势，NS与转子励磁NS发生磁阻力作用更好的使定子铁芯正比电流补充感生发电了，所以NS与NS磁作用力越大发电机阻力越大，定子铁芯感生发电越多，综上对变压器发电机的关联分析直接建立了感生电动势与磁作用力间的直接力学联系，感生电动势不单与磁通变化率成正比而且与磁间的作用力成正比，感生电动势的公式应修改为ET加上正比磁间作用力，是指硅钢片等软磁材料被电磁场或永磁铁磁场磁化或失磁的过程中产生的电动势，切在磁作用力最大处最大，即在线圈内部和磁极磁化铁芯的近端处，磁场溶合在磁路内，不外露。三 变压器的负载运行：严密闭合

19、铁芯磁通在二次绕组上产生感生电动势，设计时目的是自闸，原因是空载，4.44f4.44f，改变与的比值就可改变变压器的电压，二次绕组接上负载负荷电流的集合感生电磁场对磁通产生阻碍作用（依照楞次定律），影响磁通的变化，磁通减少，自闸自感电动势减小，、的合矢量增大，一次电流上升，一次电流的集合电磁场反向消除的电磁场，并保持磁化铁芯的主权，生多少电磁正比消除多少，变压器的自闸电磁控电阀正比开启，电能是怎样通过铁芯磁通传递给二次绕组的至今仍是个迷，惰学解惑时常用万能的能量守恒定律来当挡箭牌，（1）.纯电阻负载：变压器二次绕组接上纯电阻负载、同相位，等于负载上的电压加上内阻电压，如图5向量图。的集合电磁场

20、对磁通减磁，减小，减小，增大，增大它的集合电磁场对集合电磁场反向消磁，永远大于，它们的合矢量电磁场对铁芯励磁产生磁通（），组成矢量铁直角三角形，其原因是，与同相位，所以，很小，大小十分接近，被铁直角三角形关系压控在约90相位，也就把压控在约180相位，从而把压控在约0相位，这样更导致了接近180，也相应减小，到什么时候才能平衡下来的呢？所谓的平衡就是等大小使反劲，由于，使反劲，的电磁场永远是铁芯励磁的原始电磁场，对铁芯充磁储能，铁芯若不磁化什么也感应不出来，对铁芯减磁（消磁），+=，减小，上升，=+，上升到电磁场能抵消的电磁场时，不再减磁，电压向量平衡，磁场向量平衡（在铁芯磁通向量的浮动调节下

21、），的相位与空载时的波形和相位差相同（180），的相位和波形与相同，在波形下降区间，的电磁场反向抵消的电磁场，的剩余电磁场对铁芯充磁储能，在波形上升区间，的电磁场抵消着的电磁场，的剩余电磁场托着铁芯磁通放磁归零，磁通周而复始自由地进行着充磁必放磁的循环，就这样电源电压自感自闸电动势平衡着一次电流，一次电流二次电流的电磁场减磁平衡着铁芯磁通，磁通控制着自感自闸电动势，相互制约化矛盾为统一自调整动平衡，超前很小的相位角，即产生了无功分量，变压器的短路稳态试验相量关系与纯电阻负载一样，只不过所加电压很小而已，所化向量均从原点出发，重合部分为了明显化成了两种颜色，不表示向量断开，电流方向和磁势方向相同

22、，电流未用折算法化，化的是磁势平衡，这样能更好的反应向量关系。（2），涡流损耗：由于铁芯即导磁又导电，磁通在横截面内外围周边自闭合的环路上感应出电动势形成环形电流，相当于一个很小的匝数为1的铁质的短路的二次绕组，其电磁场对铁芯减磁相当于一个永远存在的纯电阻负载，涡电流垂直于磁通，与励磁电流也构成直角三角形向量关系，因为涡电流很小，所以只照成了磁通很小的滞后相位，也就是空载试验时得出的铁耗模拟电阻。（3），有无功负载时：电压电流联动平衡向量图如图6所示。二次绕组流过有无功分量的电流时集合电磁场对变化的铁芯磁通阻碍减磁（楞次定律），并有使磁通向下移相的趋势，自感自闸电动势减少，上升，一次电流的集合

23、电磁场是磁化铁芯充磁储能的原始电磁场，如果电源电压的电流不能对铁芯充磁生成磁通，而由衍生的、将不存在，所以具有决定相位的绝对优先权，使向上移相，在通过的联动配合移相，自动移相适应的相位变化永远保持超前的约180的君主励磁相位，使反劲的的电磁场的合矢量电磁场自动调节磁通的大小和相位，也就改变了的大小和相位，当的电磁场抵消掉的反向电磁场并对铁芯充磁时磁势平衡下来+=，随即也平衡下来，在一次电流波形下降区间，一次电流的集合电磁场抵消反向的二次电流集合电磁场（二次电流波形也下降），剩余的一次电流电磁场磁化铁芯充磁储能，一次电流波形上升区间，一次电流的集合电磁场抵消着二次电流的集合电磁场（二次电流波形也

24、上升）剩余的二次电流的电磁场拖着磁通放磁卸掉磁能，永远掌握着励磁的主动权，这说明变压器不但能够正向传递有功功率也能反向回馈无功功率，变压器不但自产无功功率而且汇合其它电气的无功功率一起通过变压器回馈给发电机，综合纯电阻负载的磁势平衡方程，由于很小，简化成零时磁势平衡方程式+=0，=说明一次电流电磁场和二次感应电流电磁场大小相等方向相反（相位差约180），不考虑方向只考虑大小转化成标量，=变压器反比改变电流，在二次电流反向电磁场的触发下，变压器的自闸电磁控电阀正比开启，一次绕组电阻越小空载自闸越好，负载时铁芯减磁越小，减小量越小，二次电压变化越小。（4）.无功功率的利与害：有些电气设备人为的利用

25、自感电动势进行工作的，这就照成了电源电压与自感电动势争夺电流的支配权，产生了电流滞后电压的现象，即产生了无功功率，再通过变压器回馈给发电机，三相负荷电流滞后电压一定角度，三相负荷电流磁化定子铁芯所形成的同步于转子的阻力电磁场由270向零度方向移相一个角度，比如电流滞后电压30阻力电磁场移相到300，同样大小的负荷电流阻力电磁场与转子电磁场的作用力明显减小，定子铁芯的感生电动势发电减小（正比磁阻力，也就说明感生电动势不但与磁通的变化率成正比也与磁与磁间的作用力成正比），拖动发电机的原动机能耗减少，模拟实验：圆环形永磁体孔内在放一个能转动的永磁体，转动永磁体改变与圆环形磁铁间的角度，磁体间的作用力

26、大小发生变化，圆孔内的永磁场可模拟定子绕组线圈内部的电磁场，转动永磁体的磁场可模拟发电机转子励磁磁场，磁作用力的变化即可模拟发电机转子磁场与阻力电磁场的大小和相位关系，无功功率在发电机上不产生阻力不消耗能源，但它经过变压器输电线路长距离累加回馈给发电机，照成发电机出力不足，长距离线路损耗，这是无功功率的严重危害，需就地电容器分流补偿或减少电感元件，请参看百度文库里的里的第三图。（5）.漏电磁场：变压器空载时励磁电流很小，一次电流的电磁场几乎全部用来磁化铁芯和磁通融为一体很少外漏，这也是设计变压器的基本要求，励磁电流只是额定电流的28，满负载时，百分之90多的一次电流电磁场外漏抵消反向的二次电流

27、电磁场，只有相当于空载时的励磁电磁场闭合在铁芯内，所以一次绕组和二次绕组必须套在一起才行，一次电磁场和二次电磁场的反向争斗除了对铁芯减磁外，对变压器电能的传递起何作用至今是个迷，现在教科书中只是数学意义上的能量守恒（），教科书中说产生了漏阻抗，人为地把相当于纯电阻负载的稳态短路试验所产生的无功功率用直角三角形计算法分成了两个漏阻抗，并断定只产生自感不产生互感，这与中学物理通电线圈产生感生电动势的实验是矛盾的，两个电磁场方向几乎相反，产生的感生电动势相互抵消才对。四 变压器能量守恒之谜：三项交流发电机是转子励磁的动生电动势做启动，正比负荷电流定子铁芯电磁感生电动势，正比负荷电流阻力电磁与转子励磁

28、间的磁作用阻力联合输出电能的，阻力越大定子铁芯输出电能越多，能量是这样守恒的，参照发电机设想变压器的能量守恒是铁芯感生电动势做启动，动生电动势联合输出电能的，设想是套装在一起的一、二次绕组线圈的一次电磁场反向抵消二次感生电磁场时，在线圈内部产生了一个自旋转的同步转动磁场，大小正比二次电流，其磁场自转切割线圈产生与铁芯磁通同步合拍的补充电动势，证明实验，在线圈和铁芯之间放一个自由浮动的硅钢片，如果有转动磁场，外漏的磁场就要磁化硅钢片产生吸力的声响（在铁芯和浮动硅钢片之间），用一小型变压器做了几次实验均为听到与二次电流相关的声响，证明线圈内部铁芯不存在一、二次电流电磁场争斗时假想的铁芯自转动转子磁

29、场，与发电机的能量守恒没有可类比性，一次电流电磁场感应的电动势与铁芯磁通产生的电动势相位不一致，不能合拍一致地正比二次电流补充发电，得出两个推想（a）一次电磁场对二次电磁场产生了一个至今仍未被认知的电磁感应现象，正比与二次电流的补充发电，(b)二次电流电磁场阻碍铁芯磁通变化，并对其小小的减磁，一次绕组自感自闸电动势减小，自闸电磁控电阀开启，正比放出了一次电流，一次电流电磁场反向抵消着二次电流的电磁场，并保证铁芯自由的充磁放磁，能量完全来自于铁芯正弦交变的磁能，一次电流增加的电磁场只是为了消除二次电流电磁场，不参与补充能量转换。在变压器是怎样能量守恒的未被实验确切证明，变压器可能能量守恒也可能能

30、量不守恒，构思了一个能量不守恒发电实验验证机，进行完成了所有分项实验，只差整体组装实验，它具有双向实验证明目的，如果失败则说明变压器未被认知的能量守恒着，如果实验成功将开辟发电机的新时代。因身体条件有限不能继续实验，欲求一合作者共同切磋。qq1838839216五 结尾：本文与三相交流发电机是动生电动势与感生电动势联合输出电能的一文是姊妹篇，需要联合阅读；用PN结实验正确判定了一次线圈内电压和自感电动势的正确相位，纠正了教科书中变压器向量图的错误；全面细致地从物理意义上分析了变压器的工作原理；电压电流磁势平衡是一个有机整体应联合分析；以电阻电是变压器自闸电磁控电阀的根本；一次电流与二次电流的相位小于180，从根本上解释了纯电感电路电压为什么超前电流90，以及变压器为何产生励磁涌流；找到了自感电动势是产生无功功率的根本原因，以及对电力系统的利弊；分析了一次绕组电阻对变压器关键作用，变压器的能量守恒只是数学意义上的能量守恒，没有找到正比二次电流消耗电能一次电流正比补充电能的真正物理机理，只发现了相互抵消电磁场而已，这就留给人们50的挑战能量不守恒发电的希望；以上两文集合了我十七年的实验思考，因本人水平有限有不当之处尽请指教。