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第13章 变压器

两个(或多个)有互感耦合的静止线圈的组合叫做变压器。变压器的通常用法是一个线圈接交变电源,而另一线圈接负载,通过交变磁场把电源输出的能量传送到负载中。

1.变压器的分类

(1)电力变压器

这种变压器适用于输电网路。因为输电线上的功率损耗正比于电流的平方,所以远距离输电时,就要利用变压器升高电压以减小电流。这种高电压经高压输电线传送到城市、农村后,再用降压变压器逐级把电压降到380伏特和220伏特,供一般的用电户使用。通常情况下,电力变压器的容量较大。

(2)电源变压器

不同的电子仪器和设备以及同一仪器电路的不同部位往往需要各种不同的电压,如电子管的灯丝电压是6.3伏特,其阴极电压需要300伏特;各种晶体管的集电极工作电压是几伏至几十伏;示波管的加速极电压达3000伏特等等。通常都用电源变压器将220伏特的市电电压变到各种需要电压。

(3)耦合变压器

所谓耦合,在物理学上指两个或两个以上的体系或两种运动形式之间通过各种相互作用而彼此影响以至联合起来的现象,例如两个线圈之间的互感是通过磁场的耦合。无线电线路中常用作极间耦合的变压器,如收音机的中周、输入变压器、输出变压器都属于这一类,称为耦合变压器。耦合变压器的作用是多方面的,它还可以用来达到阻抗匹配等。

(4)调压变压器

这一变压器,也可称为“自耦变压器”。在生产和科学研究中,常需要在一定范围内连续调节交变电压,供这种用途的变压器叫做调压变压器。一般而言,调压变压器就是一个带有铁心的线圈,线圈由漆包线绕成,以便滑动触点能在各匝上移动,从而在两端获得可调的交流电压。对于大容量的调压变压器来说,同样可以用于输电网路,达到调节电网中的电压的目的。

2.交流电整流

交流电整流,也就是将交流电变成直流电的过程。整流可分为半波整流、全波整流、桥式整流等几种形式。通常情况下,整流装置都是利用电子管和晶体二极管的单向导电的性能来整流的。例如,用锗、硅等半导体材料做成的整流器,已在许多方面得到广泛应用。为了适应较高电压的整流,可将许多单个整流器串联在一起封在一块绝缘材料中,称之为“硅堆”。

整流器可除去交流负半周的波形,使交流变成脉动直流。这样一来,通过整流后的输出波形,只含有正弦波的正半周波形。一个理想的整流器可视为一个开关,正半周的交流输入时,就会有电压输出,如同开关接通一样;与之相反,如果负半周交流输入,则无电压输出,也就相当于开关切断一样。所以当正半周的交流输入时,此开关的有效电阻为0;而在负半周的交流输入时,有效电阻为无穷大。然而实际上的整流器,并没有如此理想化,但相差不远。电子管整流器未导电时,其电阻相当大,此时的电阻称为逆向电阻;整流器导电时,其电阻很小,此时的电阻为顺向(正向)电阻。

在任何情况下,所有的整流器都只允许一个方向导电。此种特性称为单向传导或单向特性。我们知道的二极管(包括晶体管)就具有此种单向特性。任何含有射极或阴极及集极或阳极的电子零件,都称为二极体(包括电子二极管和晶体二极管)。因为二极体中的电子只能向一个方向流。故所有二极体都有整流特性。

交流电整流可分为以下几种:

(1)半波整流

半波整流在整流时,通过整流器的只是交变电流的一个半周。半波整流是最简单的整流器,但效率很低,欲想将其整流出的电流波形变为平滑也比较困难。当有电流流动的正半周时,输出波形的瞬时振幅,完全随输入交流波形的正半周的波形而变。所以在交流输入电压的正半周时,通过晶体管电流的波形,完全与交流输入电压的波形相同。由于只有输入交流电压的正半周输出,输入电压的一半就被损失了。因此半波整流的效率较低,半波整流器的另一缺点,就是输出的脉冲电压及电流的频率与交流输入电压的频率相同。要消除其脉动,加滤波器是必不可少的,这样一来,可以使整流器的输出成为平稳的直流。

(2)全波整流

全波整流是一种对交流整流的电路。在该整流电路中,在半个周期内,电流流过一个整流器件(比如晶体二极管),而在另外一个半周内,电流流经第二个整流器件,并且两个整流器件的连接能使流经它们的电流以同一方向流过负载。

(3)桥式整流

桥式整流是一个全波整流,可变交流电压为较高直流电压,它不需要变压器有中心抽头。在实际的桥式整流电路中,四个整流器连接成一个整体,由外面联成桥式电路(即只要外面留出四个接线点,其中两头接电源,两头接负载)。桥式整流克服了半波整流和全部整流的利用率不高的缺点。在无线电技术和电气工程中广泛采用桥式整流电路。

3.三相交流电

一般家庭用电均为单相交流电,然而电流的大规模生产和分配以及大部分工业用电,则都是以三相交流电路的形式出现。高压输电线,通常是四根线(称为三相四线,其中有一条线为中线)。本质上还是三根导线载负着强度相等、频率相同、而相互间具有120℃相位差的交流电。所以代表这三根导线电压变化的曲线为相同频率的正弦波,位相互相错开三分之一个周期。对这三根导线分别对接地线的电压叫做“相电压”,相电压和线电压对时间的变化以正弦曲线表示,峰值和有效值之间的关系完全与单相交流电之关系相同。

三相输电线的电压值常指线路电压的有效值。三相系统的主要优点在于三相电动机的构造简单而坚固。全世界均由这种电动机作为机械动力。

4.单相交流电

在电路中只具有单一的交流电压,在电路中产生的电流,电压都以一定的频率随时间变化。比如在单个线圈的发电机中(即只有一个线圈在磁场中转动)。在线圈中只产生一个交变电动势,这样的交流电便是单相交流电。