4.3 变压器的特性

4.3.1 电压、电流、阻抗间的关系

分析变压器电压、电流、阻抗之间的关系，是“设计和制造”变压器必须掌握的基础。

1.电压与电流的关系

首先应当指出，分析变压器电压与电流之间的关系，是在不考虑变压器损耗的条件下进行的。这时，输入功率与输出功率相等，即

P1=P2

由P1=U1I1，P2=U2I2，可推导出

U1I1=U2I2

从而得到变压器初、次级电压与电流之间的关系为

即变压器初级电压 U1与次级电压 U2之比等于次级电流 I2与初级电流 I1之比。有了这一关系式，在设计计算变压器初、次级的电压或电流时，就可根据已知的三项求出第四项。

2.电压与阻抗的关系

对如图4-9所示的变压器应用欧姆定律，便有。则变压器电压与阻抗的关系为。由 P1=P2，又可推出

式中，Z1为初级绕组的阻抗，Z2为次级绕组的阻抗，单位都为Ω。

由此可见，变压器初、次阻抗之比等于初、次级电压平方之比。

4.3.2 变压比与每伏匝数的作用

1.变压比的作用

掌握变压比 ，便可进一步了解变压器的变压特点。

（1）当n＜1时，则有N1＞N2，说明变压器初级绕组的匝数N1比次级绕组的匝数N2多，也可推导出U1＞U2，表明初级电压U1大于次级电压U2，此时变压器就是一个降压变压器。图4-4中就是一个降压变压器。

（2）当n=1时，则有N1=N2、U1=U2，说明变压器初、次级绕组的匝数和电压都相等。这种变压器似乎没有变压作用。但在有些电子设备中，需要输入、输出电压相等，又希望初级与次级电源隔离，这时就要用到这样的变压器，特别是在电子实验中，应用这种变压器的场合比较多。

（3）当 n＞1时，N1＜N2，说明变压器初级绕组的匝数 N1比次级绕组的匝数 N2少；也可推导出 U1＜U2，表明初级绕组的电压 U1小于次级绕组的电压 U2。此时变压器就是一个升压变压器。

上述是只有一个初级绕组和一个次级绕组的变压器，无论是升压还是降压，都起到了变压的作用。

另外，在一个有铁芯的线圈上抽一个或几个抽头时，也能获得不同电压，起到变压作用，常称为自耦变压器，如图4-10所示。该自耦变压器有4个线头，线头②与线头③是抽头，这样整个变压器可当做6个线圈绕组来讨论，即①～②端为一个绕组，共300匝；①～③为一个绕组，共2300匝；①～④为一个绕组，共2500匝；②～③为一个绕组，共2000匝；②～④为一个绕组，共2200匝；③～④为一个绕组，共200匝。

如果在绕组②、④两端接入220V交流电压，就可在另外5个绕组上感应产生5组电压。②～④绕组就可视为这个变压器的初级，另5个绕组都是次级。这5组电压也可通过变压比计算出来。

在同一个变压器中，变压比 是一个确定值。有了变压比公式，就可分别算出图4-10中5组电压的值。①～②绕组产生的电压为

；①～③绕组产生的电压为230V；①～④绕组产生的电压为250V；②～③绕组产生的电压为200V；③～④绕组产生的电压为20V。

可见，①～③绕组与①～④绕组输出的电压比220V电源电压高，它们是升压；①～②绕组、②～③绕组及③～④绕组输出的电压比220V电压低，它们是降压。这就体现了变压比的作用，通过它能算出变压器每个绕组的电压。

2.每伏匝数的作用

变压器绕组的电压还可通过每伏匝数 的公式计算出来。图4-10中，初级绕组②～④的每伏匝数为 。有了变压器的每伏匝数，再知道另外5个绕组的匝数，便可算出这5个绕组产生的电压。例如，①～②绕组的匝数是300圈，那么①～②绕组的电压就为 ，读者可以算一算其他绕组的电压。通过计算可知，用每伏匝数来计算变压器各绕组的电压更简单。

4.3.3 变压器的其他特性

1.阻抗变换特性

变压器初、次级绕组都具有阻抗，初级阻抗用Z1表示，次级阻抗用Z2表示。讨论变压器的阻抗变换特性，就是了解初级阻抗与次级阻抗的关系。由变压器的变压比 、电压与阻抗关系 ，可导出

这个公式表明，在变压器的变压比n确定后，次级阻抗Z2的变化将引起初级阻抗Z1的变化，这一现象叫变压器的“阻抗反射”特性，这种特性对变压器应用的影响很大。下面以图4-11所示进行具体说明。

实际应用变压器，是由初级向次级传输电能，再由次级向负载供给电能，即由次级输出功率。变压器次级输出功率一般与负载功率相匹配，为P2=I2×U2。为了讨论变压器的阻抗，可用欧姆定律将公式P2=I2×U2变为。可见，负载功率P2与它的阻抗Z2成反比。

当次级负载功率P2增大时，负载阻抗就变小，直接影响变压器次级阻抗变小，即 Z2变小。根据变压器的“阻抗反射”特性，又使初级阻抗 Z1变小，致使初级绕组导通电流 I1增大，输入功率P1增大。如图4-11（a）向图4-11（b）的变化所示。

当变压器次级短路时，将使次级阻抗Z2减到很小，“阻抗反射”又使初级绕组阻抗Z1变得很小，导致初级绕组电流I1 很大，将产生很高温度使变压器烧毁。这就是常说的“负载过重将烧毁变压器”的原理，是阻抗反射的结果，体现了阻抗变换的特点。

2.隔直流特性

变压器是用来变换交流电的，初级应加交流电压。如果在初级加上直流电源，则初级绕组将导通直流电流，在开始通电的瞬间，导通电流是从无到有、从小到大地变化。根据电磁感应原理，初级绕组将产生变化磁场。再根据互感原理，次级瞬间产生输出电压。当初级绕组导通的直流电流达到饱和后，电流不再变化，磁场也不变，便不能产生互感现象，次级绕组就不再产生感应电压。可见，变压器就不能将直流电从初级传送到次级，因此变压器具有隔直流电的特点。

3.通交流特性

如果变压器初级通入脉动直流电，次级就产生同样频率的交流电，而初级脉动直流电中的直流成分就被阻隔，如图4-12（a）所示。这就是说，变压器能从脉动直流电中分离出交流成分，而且初、次级交流成分的电压比仍然等于初、次级的匝数比。

4.变相位特性

通过对换变压器初级绕组的两个线头，可以在次级取得相位相反的电压；或对换次级绕组的两个线头，同样可在次级取得相反相位的电压。

5.磁饱和特性

当初级电压（或电流）过大时，变压器铁芯便容纳不下它所产生的磁场，会产生磁饱和现象。饱和了的磁芯导磁率会降低，使次级输出电压（或电流）出现平顶的饱和形状，如图4-12（b）所示。由于变压器磁饱和作用而产生的失真称为磁饱和失真。为了避免直流分量较大时铁芯产生磁饱和，常在制作变压器时采用对插硅钢片。也可以在铁芯中垫衬纸作为空隙来增大磁阻，以防止铁芯的磁饱和。

通常，线间变压器在脉动直流电上应用，既可耦合信号，也可隔直流，还可匹配阻抗。