基于磁耦合的電源轉(zhuǎn)換裝置

楊波 喬明

摘 要：為了解決現(xiàn)有限電場(chǎng)所電源接口能夠直接被接入220V用電器，從而導(dǎo)致用電不安全的問(wèn)題。設(shè)計(jì)了磁耦合的電源轉(zhuǎn)換裝置，裝置包括墻外部分和墻內(nèi)部分?；谧儔浩鞯墓ぷ髟恚瑢?20V市電降壓為安全電壓，然后通過(guò)整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路將電壓從USB接口輸出，以達(dá)到降低電壓，保證安全的目的。

關(guān)鍵詞：變壓器;線圈;鐵芯;干簧管

1.引言

人們的正常生活中，市電（AC）電壓為220V，在一些需要限制用電電壓的場(chǎng)所會(huì)造成許多的不便，例如使用者偷用違規(guī)電器而導(dǎo)致跳閘，甚至造成電火災(zāi)等。尤其是在學(xué)校寢室中，學(xué)生經(jīng)常偷用違規(guī)電器，在使用時(shí)又不注意用電安全，從而造成事故，為了杜絕事故發(fā)生，許多學(xué)校不在寢室內(nèi)設(shè)電源。但是由于現(xiàn)在學(xué)生中的自備電腦和手機(jī)等用品使用越來(lái)越廣泛，寢室沒(méi)有電源給學(xué)生帶來(lái)諸多不便，因此寢室用電變成了一個(gè)非常棘手的問(wèn)題。為了解決現(xiàn)有限電場(chǎng)所安全用電，限制220V電源使用，只允許低壓電子設(shè)備能夠使用，現(xiàn)設(shè)計(jì)了基于磁耦合的電源轉(zhuǎn)換裝置。

2.變壓器的運(yùn)行

變壓器一次側(cè)繞組接入電源，二次側(cè)繞組開(kāi)路，這種運(yùn)行方式稱為變壓器的空載運(yùn)行。這時(shí)二次繞組中無(wú)電流，二次電壓為開(kāi)路電壓，一次繞組通過(guò)的電流為空載電流。由于二次側(cè)開(kāi)路，變壓器的一次側(cè)電路相當(dāng)于一個(gè)交流鐵芯電路，通過(guò)的空載電流就是勵(lì)磁電流。磁通勢(shì)在鐵芯中產(chǎn)生的主磁通通過(guò)閉合鐵芯，即穿過(guò)一次繞組，也穿過(guò)二次繞組，于是在一、二次繞組中分別感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)的有效值為：

略去漏磁通的影響，不計(jì)繞組電阻上的電壓，則可認(rèn)為一、二次繞組上的電動(dòng)勢(shì)有效值近似等于一二次繞組端口的電壓值，即

變壓器空載運(yùn)行時(shí)，一、二次繞組上電壓的比值等于兩者的匝數(shù)之比，這個(gè)比值K稱為變壓器的變比。當(dāng)一、二次繞組匝數(shù)不同時(shí)，變壓器就可以把某一數(shù)值的交流電壓變到另一數(shù)值的交流電壓。一次繞組匝數(shù)大于二次繞組匝數(shù)，這種變壓器稱為降壓變壓器。

變壓器的二次繞組接上負(fù)載叫變壓器負(fù)載運(yùn)行，這種情況下，在二次繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，產(chǎn)生二次繞組電流。這時(shí)一次電流將增大。因?yàn)槎卫@組有電流時(shí)二次側(cè)的磁通勢(shì)也要在鐵芯中產(chǎn)生磁通，變壓器鐵芯中的主磁通由一、二次繞組的磁通勢(shì)共同產(chǎn)生。

在一次繞組的外加電源電壓不變的情況下，主磁通基本保持不變，因而一次繞組的電流將增大，使得一次繞組的磁通勢(shì)變化，以抵消二次繞組磁動(dòng)勢(shì)的作用。也就是說(shuō)變壓器負(fù)載時(shí)的總磁通勢(shì)應(yīng)與空載時(shí)的磁通勢(shì)基本相等，用公式表示為：

這一關(guān)系式稱為變壓器的磁通平衡方程式。由此可見(jiàn)變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)，一、二次繞組的磁通勢(shì)方向相反，即二次側(cè)電流對(duì)一次側(cè)電流產(chǎn)生的磁通有去磁作用。因此當(dāng)負(fù)載阻抗減小，二次側(cè)電流增大時(shí)，鐵芯中的主磁通將減小，于是一次側(cè)電流必然增加，以保持主磁通基本不變。所以無(wú)論負(fù)載怎樣變化，一次側(cè)電流總能按比例自動(dòng)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)負(fù)載電流的變化。

從能量轉(zhuǎn)換的角度來(lái)看，二次繞組接上負(fù)載后，二次側(cè)電路出現(xiàn)電流，說(shuō)明二次繞組向負(fù)載輸出電能量，這些電能只能由一次側(cè)繞組從電源獲得，然后通過(guò)主磁通傳遞到二次繞組上。二次繞組負(fù)載獲得的電能越多，一次繞組向電源吸取的電能越多。

3.電源轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)

基于磁耦合的電源轉(zhuǎn)換裝置包括墻內(nèi)部分和墻外部分，如圖1所示。墻內(nèi)部分包括：墻內(nèi)鐵芯、墻內(nèi)繞組和干簧管。墻內(nèi)鐵芯的形狀為“山”字形，該“山”字形鐵芯兩端的鐵柱長(zhǎng)度大于中間鐵柱的長(zhǎng)度，且該“山”字形鐵芯兩端的鐵柱均向中間鐵柱的方向延伸出一個(gè)內(nèi)檐，兩個(gè)內(nèi)檐構(gòu)成墻內(nèi)部分的插入孔，墻內(nèi)繞組纏繞在墻內(nèi)鐵芯中間的鐵柱上。墻內(nèi)繞組的一端連接干簧管的一端，干簧管的另一端連接市電的火線，墻內(nèi)繞組的另一端接入市電零線。

墻外部分包括：墻外鐵芯、墻外繞組、磁鐵、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路和電源接口。墻外繞組纏繞在墻外鐵芯上，墻外鐵芯的寬度小于或等于墻內(nèi)部分的插入孔寬度。墻外繞組的電壓輸出端連接整流電路的電壓輸入端，整流電路的電壓輸出端連接濾波電路的電壓輸入端，濾波電路的電壓輸出端連接穩(wěn)壓電路的電壓輸入端，穩(wěn)壓電路的電壓輸出端連接電源接口的電壓輸入端，如圖2所示。磁鐵用于控制干簧管閉合或開(kāi)啟。墻外部分能夠通過(guò)墻內(nèi)部分的插入孔伸入墻內(nèi)部分，并與墻內(nèi)部分產(chǎn)生磁耦合。墻內(nèi)鐵芯和墻外鐵芯均為0.35mm的冷軋硅鋼片疊壓的結(jié)構(gòu)。墻內(nèi)部分中間鐵柱的表面開(kāi)有分相短路環(huán)槽，短路環(huán)嵌固在該短路環(huán)槽中。裝置還包括電源指示燈;穩(wěn)壓電路的電壓輸出端連接電源指示燈的電壓輸入端。

電源接口輸出的電壓值均為5V，并為USB口。

基于磁耦合的電源轉(zhuǎn)換裝置，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將墻外部分插入墻內(nèi)部分，墻外部分的磁鐵使干簧管閉合，墻內(nèi)繞組通電，墻內(nèi)繞組和墻外繞組之間產(chǎn)生磁耦合，即構(gòu)成了變壓器的高壓繞組和低壓繞組，墻內(nèi)部分繞組為變壓器的初級(jí)，墻外部分繞組為變壓器的次級(jí)，變壓器將220V市電降壓為安全電壓，然后通過(guò)整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路將電壓從USB接口輸出，以達(dá)到降低電壓，保證安全的目的。

4.結(jié)束語(yǔ)

基于磁耦合的電源轉(zhuǎn)換裝置的墻外部分輸出的電壓為安全電壓，磁耦合的電源轉(zhuǎn)換裝置的墻內(nèi)部分，在人手或其它非磁性物品插入時(shí)，干簧管不會(huì)受到磁場(chǎng)影響，保持常開(kāi)狀態(tài)，墻內(nèi)線圈不通電，不會(huì)造成觸電事故。該裝置墻內(nèi)部份元件數(shù)量少，工作穩(wěn)定可靠，壽命長(zhǎng)，維護(hù)量少。在特殊限電環(huán)境下，不需要考慮偷用電或功率過(guò)高導(dǎo)致跳閘的問(wèn)題。本裝置操作方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。適用于特殊的限電場(chǎng)所，例如學(xué)校寢室、教室，商場(chǎng)手機(jī)充電處或幼兒園等。

參考文件：

[1] 席時(shí)達(dá).電工技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2003：117-123.

[2] 秦曾煌.電工學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2011：198-209.

[3] 湯蕰璆.電機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：25-31.