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變壓器發(fā)展歷史及其工作原理

       變壓器發(fā)展歷史：法拉第在1831年8月29日發(fā)明了一個(gè)“電感環(huán)”，稱為“法拉第感應(yīng)線圈”，實(shí)際上是世界上第一只變壓器雛形。但法拉第只是用它來示范電磁感應(yīng)原理，并沒有考慮過它可以有實(shí)際的用途。1881年，路森·戈拉爾（Lucien Gaulard）和約翰·狄克遜·吉布斯（John Dixon Gibbs）在倫敦展示一種稱為“二次手發(fā)電機(jī)”的設(shè)備，然后把這項(xiàng)技術(shù)賣給了美國西屋公司， 這可能是第一個(gè)實(shí)用的電力變壓器，但并不是最早的變壓器。1884年，路森·戈拉爾和約翰·狄克遜·吉布斯在采用電力照明的意大利都靈市展示了他們的設(shè)備。早期變壓器采用直線型鐵心，后來被更有效的環(huán)形鐵心取代。西屋公司的工程師威廉·史坦雷從喬治·威斯汀豪斯、路森·戈拉爾與約翰·狄克遜·吉布斯買來變壓器專利以后，在1885年制造了第一臺實(shí)用的變壓器。后來變壓器的鐵心由E型的鐵片疊合而成，并于1886年開始商業(yè)運(yùn)用。變壓器變壓原理首先由法拉第發(fā)現(xiàn)，但是直到十九世紀(jì)80年代才開始實(shí)際應(yīng)用。在發(fā)電場應(yīng)該輸出直流電和交流電的競爭中，交流電能夠使用變壓器是其優(yōu)勢之一。變壓器可以將電能轉(zhuǎn)換成高電壓低電流形式，然后再轉(zhuǎn)換回去，因此大大減小了電能在輸送過程中的損失，使得電能的經(jīng)濟(jì)輸送距離達(dá)到更遠(yuǎn)。如此一來，發(fā)電廠就可以建在遠(yuǎn)離用電的地方。世界大多數(shù)電力經(jīng)過一系列的變壓最終才到達(dá)用戶那里的。

     變壓器工作原理：變壓器由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個(gè)或兩個(gè)以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈。它可以變換交流電壓、電流和阻抗。最簡單的鐵心變壓器由一個(gè)軟磁材料做成的鐵心及套在鐵心上的兩個(gè)匝數(shù)不等的線圈構(gòu)成。鐵心的作用是加強(qiáng)兩個(gè)線圈間的磁耦合。為了減少鐵內(nèi)渦流和磁滯損耗，鐵心由涂漆的硅鋼片疊壓而成;兩個(gè)線圈之間沒有電的聯(lián)系，線圈由絕緣銅線（或鋁線）繞成。一個(gè)線圈接交流電源稱為初級線圈（或原線圈），另一個(gè)線圈接用電器稱為次級線圈（或副線圈）。實(shí)際的變壓器是很復(fù)雜的，不可避免地存在銅損（線圈電阻發(fā)熱）、鐵損（鐵心發(fā)熱）和漏磁（經(jīng)空氣閉合的磁感應(yīng)線）等，為了簡化討論這里只介紹理想變壓器。理想變壓器成立的條件是：忽略漏磁通，忽略原、副線圈的電阻，忽略鐵心的損耗，忽略空載電流（副線圈開路原線圈線圈中的電流）。例如電力變壓器在滿載運(yùn)行時(shí)（副線圈輸出額定功率）即接近理想變壓器情況。變壓器是利用電磁感應(yīng)原理制成的靜止用電器。當(dāng)變壓器的原線圈接在交流電源上時(shí)，鐵心中便產(chǎn)生交變磁通，交變磁通用φ表示。原、副線圈中的φ是相同的，φ也是簡諧函數(shù)，表為φ=φmsinωt。由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，原、副線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢為e1=-N1dφ/dt、e2=-N2dφ/dt。式中N1、N2為原、副線圈的匝數(shù)。由圖可知U1=-e1，U2=e2（原線圈物理量用下角標(biāo)1表示，副線圈物理量用下角標(biāo)2表示），其復(fù)有效值為U1=-E1=jN1ωΦ、U2=E2=-jN2ωΦ，令k=N1/N2，稱變壓器的變比。由上式可得U1/ U2=-N1/N2=-k，即變壓器原、副線圈電壓有效值之比，等于其匝數(shù)比而且原、副線圈電壓的位相差為π。

進(jìn)而得出：U1/U2=N1/N2。在空載電流可以忽略的情況下，有I1/ I2=-N2/N1，即原、副線圈電流有效值大小與其匝數(shù)成反比，且相位差π。進(jìn)而可得I1/ I2=N2/N1理想變壓器原、副線圈的功率相等P1=P2。說明理想變壓器本身無功率損耗。實(shí)際變壓器總存在損耗，其效率為η=P2/P1。電力變壓器的效率很高，可達(dá)90%以上。

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