电气新手必知：变压器原理

1、电气新手必知：变压器原理谈及变压器，我想没有哪位电工朋友是没听过的,而且大家对它或多或少应 该都有一定的了解。变压器是一种很常见的电气设备,它的应该非常广泛,不管 是在电力系统或者的在电子电路中,它都是不可或缺的设备。变压器是基于电磁感应原理而制成的静止式电机,它的用途主要是用于电压 变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等。在电力系统中有 看很多不同的电压等级，这些电压等级之间的变换靠的就是电力变压器，包括升 压变压器和降压变压器。如下图28-1所示,电力变压器在电力系统电能的输送 与分配过程中起看中间媒介的作用。图 2 8-1变压器电流变换方面的应用，大家较为熟悉的应该是电流

2、互感器了。关于电流互 感器,本文接下来也会讲到。既然电压、电流都能变换，根据U二IZ （ Z为阻抗 符号），显然，阻抗也是可以变换的，例如电子电路中的阻抗匹配就是通过变压 器实现的。变压器的构造基本是大同小异，主要构件都有初级线圈、次级线圈和铁芯（磁芯） 三部分。而随看电压等级的升高,变压器的体积也会随之增大。下图28-2为几 种变压器的实物图,从图中我们可以看到，高低压变压器的大小差别特别明显。 另外,心式变压器和壳式变压器的区别如图28-2右边所示。图 28-2变压器的分类除了高低压上的区别外，还有很多种分类方式。例如按相数分可以 分为单相、三相及多相变压器；按用途分可以分为电力变压器、仪

3、用变压器、特 种变压器等；按绕组形式分可以分为双绕组、三绕组和变压器等。上文说到,变 压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成,线圈有两个或两个以上的绕组,如图28-3 所示,其中接电源的绕组叫初级线圈（或者叫一次绕组等）,其余的绕组叫次级 线圈（或者叫二次绕组等）。关于变压器的工作原理,其实就是一次绕组流过励 磁电流,励磁电流产生的磁通沿铁芯构成磁路，该磁通穿过二次绕组,然后使得 二次绕组产生感应电动势,若二次回路闭合,则会流过二次电流,通过一、二次 绕组的匝数不同达到变压的目的。而铁心的作用是加强两个线圈间的磁耦合。初级绕组M f/ """次级绕组“2原边绕组<丄

4、> <T-b副边绕组“2一次绕组M o <111>°二次绕组一次侧f二次侧图 28-3变压器是基于电磁感应原理的实际应用,如果大家是按电工基础系列文童的 顺序学习的,那么变压器的工作原理不用我讲大家也已经懂了。在电工基础中,曹老师还讲到了变压器的空载运行和负载运行，但是没有讲 得很详细,这是理所当然的，电工基础本就是基础课程,如果大家想深入学 习变压器的知识,还是要看一些其他的专业课程。我再此就按曹老师的课程,给 大家简单讲解一下变压器的空载运行和负载运行。H旦二k6。二次额定电压4 Mk变压器变比A g 28-4变压器的空载运行,是指变压器的原边绕组接入电源

5、,而副边绕组处于开路的工 作状态。此时,变压器原边绕组中流过的电流称为变压器的空载电流,空载电流 产生空载磁场。如上图28-4所示，一次绕组外加交流电压,使得一次绕组流过 次电流（空载电流）,此时一、二次绕组都会产生感应电动势,即一次线圈产 生的压降为U1,二次线圈的端口电压为U2O。根据电磁感应定律e =-NA（p/A t,两个绕组处在同一磁路，所穿过的磁通变化率相同，此时有一次线圈的感应 电动势与二次感应电动势数值之比（或者一次电压与二次电压数值之比）等于两 个绕组的匝数之比，如图28-4所示,即Ui/U2o=N!/N2=k ,其中U2。等于变 压器的二次额定电压；k就是变压器的变比。简单

6、来说就是,原副边电压之比等 于原副边匝数之比,等于常数k ,这就是变压器的变电压作用。变压器的负载运行,是指变压器的原边绕组接入电源,而副边绕组处于负载运行 的工作状态。理想情况下，此时变压器一次侧的输入功率等于二次侧的输出功率, 即Pi=P2o如下图28-5所示,其中乙、Z2是原副边的阻抗。阻抗,简单来讲 就是电阻和电抗的矢量和，其中电抗又包括感抗和容抗，在变压器中的电抗主要 是感抗。图 28-5图28-5中的阻抗乙、Z2加绝对值符号是代表该阻抗的模。模指的是向量的大小,它和向量的区别在于，向量是有方向的,而模是没有方向的。更多向量的知 识,在这里也不做展开讲解。 变压器负载运行时，原边线圈

7、流过一次电流产生的磁通在副边绕组中产生感应电 动势，由于二次回路是闭合带负载的，此时副边线圈就会流过负载电流，该负载 电流又会产生磁通影响看一次线圈,原副边线圈产生的磁通相互影响,然后趋于 动态平衡状态。理想情况下,原副边线圈的电压、电流和阻抗的关系如图28-5 所示，即变压器可以进行电压变换、电流变换以及阻抗变换。实际工作中，变压器的负载运行是存在损耗的,这在之前的文章也提到过,所以变压器的电压变换或电流变换不可能完全等于常数即变比k，它存在一定的误差。变压器二次端电压随看二次负载电流的变化而变化,是变压器外特性的体现。变压器外特性A 28-6如图28-6所示,次侧外加电压保持不变，变压器负

8、载后，由于一、二次侧均 有电流通过,必然在一次侧、二次侧内阻抗上产生电压降,从而使二次电压随负高压绕组的额定电压(KV)变压器额定容fit(KVA)-错线關冷却方式jJ：油浸自冷式If：风冷式相数S:三相 is单相图 28-81、颔定电压：指在变压器的线圈上所允许施加的电压,这里的额定电压指的是 线电压(即相与相之间的电压)，变压器在工作时不得大于规定值。(1 ) 一次 额定电压U1N :指正常时一次绕组所加电压的有效值；(2 )二次额定电压U1N : 指一次电压为U1N时，变压器空载时对应二次侧的空载电压有效值，即U20二U2N。2、颔定电流：(1)次额定电流Iin :次绕组加额定电压，正常

9、工作时一次 绕组允许长期通过的大电流有效值；(2)二次额定电流I2N :次绕组加额定电 压,正常工作时二次绕组允许长期通过的大电流有效值。无论是I1N或是I2N均 是指线电流。3、颔定容量Sn指二次侧的输出额定视在功率，在单相变压器中，Sn二U2N【2N ； 在三相变压器中,Sn".732U2nI2n ,即根号3倍的U2nI2no变压器的额定容量 代表看变压器传输功率的大能力。4、颔定频率低：变压器的额定频率为工频50H乙前文提到过，变压器在实际的工作中是有损耗的，之前的学习文童中有一童是讲 述交流铁芯线圈功率损耗的,其中也有提到过变压器的损耗,在此,再次展开学 习一下。变压器的损耗

10、AP和交流铁芯线圈的损耗一样,也是包括铁损和铜损APs 两部分，即AP二APeAPc%(1 )铁损APre :变压器的铁损又称为固定损耗,是交变的主磁通在铁芯中产生 磁滞损耗APh和涡流损耗APe之和。磁滞损耗是指磁滞现象引起铁芯发热，造成 的损耗；涡流损耗是交变磁通在铁芯中产生的感应电流(涡流)造成的损耗。和 之前关于交流铁芯线圈的损耗文章中已经提到过的一样，为了减少变压器的涡流 损耗，其铁芯一般由导磁硅钢片春成。(2 )铜损APcu :变压器的铜损又称为可变损耗,它是变压器绕组导线电阻的损 耗。变压器一次侧、二次侧均有电阻，当有电流通过时，就会有损耗的产生。有损耗就有效率，变压器的效率n如

11、下图28-9所示,为二次侧输出功率与一次 侧输入功率的百分比。在这里要提到的一点是,变压器的容量并不等于它的输出 功率。一次侧输入功率纬二次侧输岀功率出，效率为777 = =亠X100%A A + Cu + Fu小型变压器的效率为70%85%大型变压器效率可达98%； 一般沦95%,负载为额定负载的（50-75）%时，最大。图 28-9在各种各样的变压器中，除了较为常见的普通变压器外，还有一些特殊的变压器, 例如自耦变压器、电流互感器和电压互感器等。自耦变压器，所谓自耦，指的的自行耦合。自耦变压器是指它的原边绕组和副边 绕组直接串联，即它的一、二次均在同一绕组上的变压器。普通的变压器是通过 原

12、副边线圈电磁耦合来传递能量的，原副边之间没有直接电的联系，而自耦变压 器的原副边有直接电的联系,它的低压线圈就是高压线圈的一咅收分。图 28-10自耦变压器的原理图如图28-10所示,使用时,改变滑动端的位置,便可得到 不同的输出电压。实验室中使用的调压器就是根据此原理制作的。电压互感器,如下图28-11左边所示，类似于普通变压器,它是用来变换电压 的仪器。一般的变压器变换电压的目的是方便电能的输送,有升压和降压两种, 容量很大，一般都是以千伏安或兆伏安为计算单位；而电压互感器类似降压变压 器,主要是用来给测量仪表和继电保护装置提供电压的，容量比较小。电压互感 器的二次侧是不能短路的,以防产生过电流而造成设备的损坏或人身的伤害。另 外,电压互感器的铁芯和低压绕组的一端接地,以防在绝缘损坏时,在二次侧出 现高压。电流互感器,如上图28-11右边所示,简单来讲就是变换电流的变压器,它的 主要作用是讲一次