张彤
张彤
Published on 2025-09-02 / 3 Visits
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4.多绕组变压器

多绕组变压器

Multiple Winding Transformers

多绕组变压器可以具有两个或更多的初级或次级绕组,以允许不同电压和电流的组合。

多绕组变压器

多绕组变压器可以具有两个或更多一次绕组primary winding或二次绕组secondary windings,以允许不同电压和电流的组合。

多绕组变压器通常在一次侧设有一个绕组,并在二次侧设有两个或更多绕组。但变压器的魅力在于,它们允许一次侧或二次侧配置不止一个绕组。具有多于一个绕组的变压器通常被称为多绕组变压器。

多绕组变压器的工作原理与普通变压器相同。一次绕组和二次绕组的电压、电流和匝比的计算方法完全相同,这次的不同之处在于,当我们将各绕组连接在一起时,需要特别注意各绕组的电压极性,即使用点记号标示绕组的正(或负)极性

多绕组变压器(也称为多线圈或多绕组变压器)是在同一叠片铁芯上包含多个一次绕组或多个二次绕组的变压器,因此得名。它们既可以是单相变压器,也可以是三相变压器(多绕组、多相变压器),其工作方式相同。

多绕组变压器还可用于在各绕组之间提供升压、降压或两者兼具的功能。事实上,多绕组变压器可在同一铁芯上具有多个二次绕组,每个绕组可输出不同电压或电流等级。

由于变压器基于互感原理工作,多绕组变压器的每个绕组每匝电压相同,因此各绕组的伏安乘积相同,即

\frac{N_P}{N_S} = \frac{V_P}{V_S},


其中 N_PN_S 分别为一次绕组和某一二次绕组的匝数, V_PV_S 分别为对应绕组的电压。

在电子电路中,常常使用一台变压器为不同元件提供多种低电压电源。多绕组变压器的典型应用包括电源供应和可控硅(Triac)开关转换器。因此,一台变压器可以具有多个彼此电气隔离的二次绕组,就像它们与一次绕组相互隔离一样。每个二次绕组将根据其匝数产生相应比例的电压输出。

多绕组变压器

Multiple Winding Transformer

上图展示了一个典型的“多绕组变压器”示例,它具有多个二次绕组,可提供不同电压等级。一次绕组既可单独使用,也可将多个一次绕组并联或串联,以适应更高的电源电压。

二次绕组亦可按不同方式组合接线,以输出更高的电压或电流。但需注意,只有当两个绕组在电气参数上完全相同时,才能并联连接——也就是说,它们的电压和电流额定值必须相同。

双电压变压器

市面上有一种多绕组变压器,具有两组电压、电流额定值相同的一次绕组,以及两组电压、电流额定值相同的二次绕组。此类变压器的设计允许将绕组按串联或并联方式接线,以实现更高的一次侧电压或更大的二次侧电流输出。这种多绕组变压器通常被称为双电压变压器Dual Voltage Transformers

双主双副变压器

Dual Primary & Dual Secondary Transformer

此处该变压器具有两个一次绕组和两个二次绕组,共四个绕组。对于双电压变压器,必须正确接线到一次绕组或二次绕组;若接线不当,可能形成死短路,通常会在通电时摧毁变压器。

正如前面所述,双电压变压器可连接在不同电压等级的电源上运行,因此得名“双电压变压器”。例如,假设一次绕组的电压额定值为 240/120\,\mathrm{V},二次绕组的电压额定值为 12/24\,\mathrm{V}。为此,两个一次绕组每个额定 120\,\mathrm{V},两个二次绕组每个额定 12\,\mathrm{V}。变压器必须接线,使每个一次绕组都能承受正确的电压。请考虑下图电路。

串联二次绕组变压器

Series Connected Secondary Transformer

在本例中,两个额定为 120\mathrm{V} 的一次绕组因完全相同,串联后接于 240\mathrm{V} 电源上。电源电压被平分,每个绕组承受 120\mathrm{V},且相同的一次电流流过两者。

两个额定为 12\mathrm{V};2.5\mathrm{A} 的二次绕组也以串联方式连接,二次端电压等于两者电压之和:

V_{\rm sec} = 12\,\mathrm{V} + 12\,\mathrm{V} = 24\,\mathrm{V}.


由于串联时电流相同,二次电流保持为 2.5\mathrm{A},因此此时的输出额定值为

24\,\mathrm{V},\quad2.5\,\mathrm{A}.下面将讨论二次绕组并联连接的情况。

并联二次绕组变压器

Parallel Connected Secondary Transformer

在此例中,我们保持两个一次绕组不变,但将两个二次绕组按照点标记法并联连接。如前所述,两个二次绕组均额定 12\mathrm{V};2.5\mathrm{A},因此二次端电压仍为 12\mathrm{V},但电流相加。对于并联连接的二次绕组,本例中的输出额定值为 12\mathrm{V};5.0\mathrm{A}

当然,不同的双电压变压器会产生不同的二次电压和电流,但原理相同。二次绕组必须正确连接,才能获得所需的电压或电流输出。

绕组上的点标记用于指示具有相同相位关系的端子。例如,将两个二次绕组以相反点标记并联,会导致两者磁通相互抵消,输出电压为零或损坏变压器。

中点抽头多绕组变压器

Center Tapped Multi Winding Transformers

只有一个二次绕组并在电气中点处抽头的双电压变压器,称为中点抽头变压器。中点抽头变压器设计用于提供两个带公共端的独立二次电压 V_AV_B,形成二相三线供电。

各二次绕组产生的电压与一次绕组电压 V_P 成比例,因此每个绕组的功率相同。每个二次绕组端电压由其匝数比决定,如图所示。

Center-tap Multiple Winding Transformers

上图展示了一个典型的中点抽头变压器。二次绕组的抽头正好位于绕组的电气中点,为两个相等但极性相反的二次电压提供公共连接。将中点抽头接地后,相对于地,输出电压 V_A 为正,而另一个二次绕组的电压 V_B 则为负,二者相位相差 180^\circ

然而,使用未接地的中点抽头变压器有一个缺点:由于不平衡负载会在共有第三端口流过不对称电流,可能导致两侧二次绕组电压不平衡。

我们也可以利用上文所述的双电压变压器来构造中点抽头变压器。将两个二次绕组串联后,可将它们之间的连接点作为抽头,如下图所示。如果每个二次绕组的输出电压为 V,则整个二次侧的总输出电压为2V

Center-tap Transformer using Multiple Winding Transformers

多绕组变压器在电力和电子电路中有多种用途。它们可以为不同的负载提供不同的二次绕组电压;也可以将绕组按串联或并联方式组合,以提供更高的电压或电流;或将二次绕组串联在一起,以构成中点抽头变压器。

在下一节关于变压器的教程中,我们将研究自耦变压器的工作原理,并看到它们只有一个主要的一次绕组,而没有独立的二次绕组。

多绕组变压器总结

  1. 多绕组变压器概念

    • 在同一铁芯上可配置多个一次绕组或多个二次绕组,灵活提供不同电压、电流输出。

    • 各绕组间的匝数比与普通变压器相同,满足:

      \frac{N_P}{N_S} = \frac{V_P}{V_S}

  2. 串联/并联接线原则

    • 串联

      • 串联一次绕组可在较高电压(例如 240 V)下运行;串联二次绕组可获得更高输出电压。

      • 串联时电压相加:

        V_{\rm 总} = V_1 + V_2

      • 串联时电流不变,与单个绕组额定电流相同。

    • 并联

      • 并联一次绕组可增大额定电流;并联二次绕组可获得更大输出电流。

      • 并联时电压不变,与单个绕组额定电压相同。

      • 并联时电流相加:

        I_{\rm 总} = I_1 + I_2

  3. 双电压变压器

    • 具有两组相同规格的一次绕组和两组相同规格的二次绕组。

    • 通过串联/并联接线,可在 120 V/240 V 或 12 V/24 V 等电压等级间切换,满足不同应用需求。

  4. 点标记法(Dot Convention)

    • 在各绕组的同相端打“•”标记,非点端不标记。

    • 同相端间相位相同,异端连接可实现相位反转(180°)。

    • 保证串并联接线时电压、电流的相位关系正确,避免短路或零输出。

  5. 中点抽头变压器

    • 在二次绕组中点抽取公共端,可得到两个极性相反的等幅度电压。

    • 中点接地后,相对于地分别得到正负输出,常用于双极性电源。

    • 缺点:若不平衡负载会在公共端产生不对称电流,导致两侧电压失衡。

  6. 三相中性点对比

    • 单相中点抽头:来自单绕组中点的抽头,需要专门设计。

    • 三相中性点:Y 接法下三相绕组共同点,自然形成且三相相电压矢量和为零。

    • 两者概念不同,不可混用。

附录

点标记法

点记号法(Dot Convention)详解

变压器或电感器绕组的点记号法,用来标示各绕组端点的瞬时极性关系,便于判断电压、电流的相位和正确接线。


1. 点记号的定义

  • 在各绕组首尾端子的一侧,用“•”或“○”标注为“点端”(dotted end),另一端不标点称“非点端”。

  • 标记规则:无论绕组在初级(一次绕组)还是次级(二次绕组),在同一铁芯上的所有绕组,凡在同相位的一侧都要打点,形成“同相端”。


2. 电压与电流的相位关系

  • 设一次绕组电压为 v_P(t),二次绕组电压为 v_S(t),它们的瞬时值与绕组匝数成正比:

    \frac{v_P(t)}{v_S(t)} = \frac{N_P}{N_S}

  • 若一次绕组和二次绕组的“点端”同时为瞬时正极,则两者电压相量同相:

    \underline{V}_P\angle0^\circ \quad\text{和}\quad \underline{V}_S\angle0^\circ

  • 相反,若一次绕组的点端与二次绕组的非点端相连,则二次绕组电压相量相位反转:

    \underline{V}_P\angle0^\circ \quad\text{和}\quad \underline{V}_S\angle180^\circ


3. 电流相位判断

  • 当绕组中流入点端的电流为正方向时,磁通方向与绕组感应电动势的极性一致。

  • 由能量守恒可知,若一次绕组电流 i_P 流入点端,则次级绕组电流 i_S 必须从点端流出,且满足

    \frac{i_P}{i_S} = \frac{N_S}{N_P}


    以保持伏安平衡(VA 平衡):

    v_P\,i_P \approx v_S\,i_S


4. 串联/并联接线规则

  1. 同极性串联

    • 要求“点端”与“点端”相连,另一对非点端相连,此时各绕组电压同相叠加。

  2. 异极性串联

    • 将一个绕组的点端与另一个绕组的非点端相连,此时电压相反,实际输出电压为两者之差。

  3. 并联接线

    • 并联绕组的点端要并联在一起,非点端也并联,保证各绕组电压同相且匝数相同。


5. 举例说明

假设有两组相同匝数的二次绕组 S1 和 S2:

   ·───┐      ┌───·
      [S1]    [S2]
   ·───┘      └───·
  • 同极性串联:左图两点端相连,中间不标点端相连;总电压

    V_{总} = V_{S1} + V_{S2}

  • 异极性串联:左图一个点端连另一绕组非点端;总电压

    V_{总} = V_{S1} - V_{S2}


6. 注意事项

  • 点记号本身不代表高压或低压绕组,仅指示相位极性。

  • 在绘制或接线时,务必核对所有绕组的点端位置,避免因极性接反造成过压或短路故障。

  • 多相(如三相)多绕组变压器,其各相绕组也需遵循相同的点记号原则,以保持三相电压的相位关系(120°)。

单词表

英文术语

中文翻译

Multiple Winding Transformer

多绕组变压器

primary winding

一次绕组

secondary winding

二次绕组

voltage rating

电压额定值

current rating

电流额定值

series connection

串联

parallel connection

并联

dual voltage transformer

双电压变压器

center-tap transformer

中点抽头变压器

dot orientation

点标记法

turns ratio

匝比

volt-ampere (VA)

伏安 (VA)

mutual induction

互感原理

laminated core

叠片铁芯

step-up

升压

step-down

降压

tap

抽头

grounded

接地

ungrounded

未接地

magnetic flux

磁通

supply voltage

电源电压

output voltage

输出电压

output current

输出电流

180° out-of-phase

相位相差180°

unsymmetrical currents

不对称电流

声明

本文翻译自 electronics-tutorials

本文仅供学习,禁止用于任何的商业用途。


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