基于磁耦合的电源转换装置

杨波 乔明

摘 要：为了解决现有限电场所电源接口能够直接被接入220V用电器，从而导致用电不安全的问题。设计了磁耦合的电源转换装置，装置包括墙外部分和墙内部分。基于变压器的工作原理，將220V市电降压为安全电压，然后通过整流电路、滤波电路和稳压电路将电压从USB接口输出，以达到降低电压，保证安全的目的。

关键词：变压器;线圈;铁芯;干簧管

1.引言

人们的正常生活中，市电（AC）电压为220V，在一些需要限制用电电压的场所会造成许多的不便，例如使用者偷用违规电器而导致跳闸，甚至造成电火灾等。尤其是在学校寝室中，学生经常偷用违规电器，在使用时又不注意用电安全，从而造成事故，为了杜绝事故发生，许多学校不在寝室内设电源。但是由于现在学生中的自备电脑和手机等用品使用越来越广泛，寝室没有电源给学生带来诸多不便，因此寝室用电变成了一个非常棘手的问题。为了解决现有限电场所安全用电，限制220V电源使用，只允许低压电子设备能够使用，现设计了基于磁耦合的电源转换装置。

2.变压器的运行

变压器一次侧绕组接入电源，二次侧绕组开路，这种运行方式称为变压器的空载运行。这时二次绕组中无电流，二次电压为开路电压，一次绕组通过的电流为空载电流。由于二次侧开路，变压器的一次侧电路相当于一个交流铁芯电路，通过的空载电流就是励磁电流。磁通势在铁芯中产生的主磁通通过闭合铁芯，即穿过一次绕组，也穿过二次绕组，于是在一、二次绕组中分别感应出电动势。电动势的有效值为：

略去漏磁通的影响，不计绕组电阻上的电压，则可认为一、二次绕组上的电动势有效值近似等于一二次绕组端口的电压值，即

变压器空载运行时，一、二次绕组上电压的比值等于两者的匝数之比，这个比值K称为变压器的变比。当一、二次绕组匝数不同时，变压器就可以把某一数值的交流电压变到另一数值的交流电压。一次绕组匝数大于二次绕组匝数，这种变压器称为降压变压器。

变压器的二次绕组接上负载叫变压器负载运行，这种情况下，在二次绕组感应电动势的作用下，产生二次绕组电流。这时一次电流将增大。因为二次绕组有电流时二次侧的磁通势也要在铁芯中产生磁通，变压器铁芯中的主磁通由一、二次绕组的磁通势共同产生。

在一次绕组的外加电源电压不变的情况下，主磁通基本保持不变，因而一次绕组的电流将增大，使得一次绕组的磁通势变化，以抵消二次绕组磁动势的作用。也就是说变压器负载时的总磁通势应与空载时的磁通势基本相等，用公式表示为：

这一关系式称为变压器的磁通平衡方程式。由此可见变压器负载运行时，一、二次绕组的磁通势方向相反，即二次侧电流对一次侧电流产生的磁通有去磁作用。因此当负载阻抗减小，二次侧电流增大时，铁芯中的主磁通将减小，于是一次侧电流必然增加，以保持主磁通基本不变。所以无论负载怎样变化，一次侧电流总能按比例自动调节，以适应负载电流的变化。

从能量转换的角度来看，二次绕组接上负载后，二次侧电路出现电流，说明二次绕组向负载输出电能量，这些电能只能由一次侧绕组从电源获得，然后通过主磁通传递到二次绕组上。二次绕组负载获得的电能越多，一次绕组向电源吸取的电能越多。

3.电源转换装置结构

基于磁耦合的电源转换装置包括墙内部分和墙外部分，如图1所示。墙内部分包括：墙内铁芯、墙内绕组和干簧管。墙内铁芯的形状为“山”字形，该“山”字形铁芯两端的铁柱长度大于中间铁柱的长度，且该“山”字形铁芯两端的铁柱均向中间铁柱的方向延伸出一个内檐，两个内檐构成墙内部分的插入孔，墙内绕组缠绕在墙内铁芯中间的铁柱上。墙内绕组的一端连接干簧管的一端，干簧管的另一端连接市电的火线，墙内绕组的另一端接入市电零线。

墙外部分包括：墙外铁芯、墙外绕组、磁铁、整流电路、滤波电路、稳压电路和电源接口。墙外绕组缠绕在墙外铁芯上，墙外铁芯的宽度小于或等于墙内部分的插入孔宽度。墙外绕组的电压输出端连接整流电路的电压输入端，整流电路的电压输出端连接滤波电路的电压输入端，滤波电路的电压输出端连接稳压电路的电压输入端，稳压电路的电压输出端连接电源接口的电压输入端，如图2所示。磁铁用于控制干簧管闭合或开启。墙外部分能够通过墙内部分的插入孔伸入墙内部分，并与墙内部分产生磁耦合。墙内铁芯和墙外铁芯均为0.35mm的冷轧硅钢片叠压的结构。墙内部分中间铁柱的表面开有分相短路环槽，短路环嵌固在该短路环槽中。装置还包括电源指示灯;稳压电路的电压输出端连接电源指示灯的电压输入端。

电源接口输出的电压值均为5V，并为USB口。

基于磁耦合的电源转换装置，在实际应用时，将墙外部分插入墙内部分，墙外部分的磁铁使干簧管闭合，墙内绕组通电，墙内绕组和墙外绕组之间产生磁耦合，即构成了变压器的高压绕组和低压绕组，墙内部分绕组为变压器的初级，墙外部分绕组为变压器的次级，变压器将220V市电降压为安全电压，然后通过整流电路、滤波电路和稳压电路将电压从USB接口输出，以达到降低电压，保证安全的目的。

4.结束语

基于磁耦合的电源转换装置的墙外部分输出的电压为安全电压，磁耦合的电源转换装置的墙内部分，在人手或其它非磁性物品插入时，干簧管不会受到磁场影响，保持常开状态，墙内线圈不通电，不会造成触电事故。该装置墙内部份元件数量少，工作稳定可靠，寿命长，维护量少。在特殊限电环境下，不需要考虑偷用电或功率过高导致跳闸的问题。本装置操作方便，结构简单。适用于特殊的限电场所，例如学校寝室、教室，商场手机充电处或幼儿园等。

参考文件：

[1] 席时达.电工技术[M].北京：高等教育出版社，2003：117-123.

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

[3] 汤蕰璆.电机学[M].北京：机械工业出版社，2009：25-31.