基于磁耦合的電源轉換裝置

楊波 喬明

摘 要：為了解決現有限電場所電源接口能夠直接被接入220V用電器，從而導致用電不安全的問題。設計了磁耦合的電源轉換裝置，裝置包括墻外部分和墻內部分。基于變壓器的工作原理，將220V市電降壓為安全電壓，然后通過整流電路、濾波電路和穩壓電路將電壓從USB接口輸出，以達到降低電壓，保證安全的目的。

關鍵詞：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所會造成許多的不便，例如使用者偷用違規電器而導致跳閘，甚至造成電火災等。尤其是在學校寢室中，學生經常偷用違規電器，在使用時又不注意用電安全，從而造成事故，為了杜絕事故發生，許多學校不在寢室內設電源。但是由于現在學生中的自備電腦和手機等用品使用越來越廣泛，寢室沒有電源給學生帶來諸多不便，因此寢室用電變成了一個非常棘手的問題。為了解決現有限電場所安全用電，限制220V電源使用，只允許低壓電子設備能夠使用，現設計了基于磁耦合的電源轉換裝置。

2.變壓器的運行

變壓器一次側繞組接入電源，二次側繞組開路，這種運行方式稱為變壓器的空載運行。這時二次繞組中無電流，二次電壓為開路電壓，一次繞組通過的電流為空載電流。由于二次側開路，變壓器的一次側電路相當于一個交流鐵芯電路，通過的空載電流就是勵磁電流。磁通勢在鐵芯中產生的主磁通通過閉合鐵芯，即穿過一次繞組，也穿過二次繞組，于是在一、二次繞組中分別感應出電動勢。電動勢的有效值為：

略去漏磁通的影響，不計繞組電阻上的電壓，則可認為一、二次繞組上的電動勢有效值近似等于一二次繞組端口的電壓值，即

變壓器空載運行時，一、二次繞組上電壓的比值等于兩者的匝數之比，這個比值K稱為變壓器的變比。當一、二次繞組匝數不同時，變壓器就可以把某一數值的交流電壓變到另一數值的交流電壓。一次繞組匝數大于二次繞組匝數，這種變壓器稱為降壓變壓器。

變壓器的二次繞組接上負載叫變壓器負載運行，這種情況下，在二次繞組感應電動勢的作用下，產生二次繞組電流。這時一次電流將增大。因為二次繞組有電流時二次側的磁通勢也要在鐵芯中產生磁通，變壓器鐵芯中的主磁通由一、二次繞組的磁通勢共同產生。

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變化，以抵消二次繞組磁動勢的作用。也就是說變壓器負載時的總磁通勢應與空載時的磁通勢基本相等，用公式表示為：

這一關系式稱為變壓器的磁通平衡方程式。由此可見變壓器負載運行時，一、二次繞組的磁通勢方向相反，即二次側電流對一次側電流產生的磁通有去磁作用。因此當負載阻抗減小，二次側電流增大時，鐵芯中的主磁通將減小，于是一次側電流必然增加，以保持主磁通基本不變。所以無論負載怎樣變化，一次側電流總能按比例自動調節，以適應負載電流的變化。

從能量轉換的角度來看，二次繞組接上負載后，二次側電路出現電流，說明二次繞組向負載輸出電能量，這些電能只能由一次側繞組從電源獲得，然后通過主磁通傳遞到二次繞組上。二次繞組負載獲得的電能越多，一次繞組向電源吸取的電能越多。

3.電源轉換裝置結構

基于磁耦合的電源轉換裝置包括墻內部分和墻外部分，如圖1所示。墻內部分包括：墻內鐵芯、墻內繞組和干簧管。墻內鐵芯的形狀為“山”字形，該“山”字形鐵芯兩端的鐵柱長度大于中間鐵柱的長度，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內檐，兩個內檐構成墻內部分的插入孔，墻內繞組纏繞在墻內鐵芯中間的鐵柱上。墻內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壓電路的電壓輸入端，穩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啟。墻外部分能夠通過墻內部分的插入孔伸入墻內部分，并與墻內部分產生磁耦合。墻內鐵芯和墻外鐵芯均為0.35mm的冷軋硅鋼片疊壓的結構。墻內部分中間鐵柱的表面開有分相短路環槽，短路環嵌固在該短路環槽中。裝置還包括電源指示燈;穩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換裝置，在實際應用時，將墻外部分插入墻內部分，墻外部分的磁鐵使干簧管閉合，墻內繞組通電，墻內繞組和墻外繞組之間產生磁耦合，即構成了變壓器的高壓繞組和低壓繞組，墻內部分繞組為變壓器的初級，墻外部分繞組為變壓器的次級，變壓器將220V市電降壓為安全電壓，然后通過整流電路、濾波電路和穩壓電路將電壓從USB接口輸出，以達到降低電壓，保證安全的目的。

4.結束語

基于磁耦合的電源轉換裝置的墻外部分輸出的電壓為安全電壓，磁耦合的電源轉換裝置的墻內部分，在人手或其它非磁性物品插入時，干簧管不會受到磁場影響，保持常開狀態，墻內線圈不通電，不會造成觸電事故。該裝置墻內部份元件數量少，工作穩定可靠，壽命長，維護量少。在特殊限電環境下，不需要考慮偷用電或功率過高導致跳閘的問題。本裝置操作方便，結構簡單。適用于特殊的限電場所，例如學校寢室、教室，商場手機充電處或幼兒園等。

參考文件：

[1] 席時達.電工技術[M].北京：高等教育出版社，2003：117-123.

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

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