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變壓器
改變交流電壓的裝置
變壓器（transformer），是一種利用電磁感應原理來(lái)升降電壓并實(shí)現能量和信息傳遞的多端電氣設備。裝置的發(fā)明最早可以追溯到十九世紀的歐洲。主要結構為由鐵芯、繞組、引線(xiàn)構成的器身以及若干附件，包括油箱，防爆管，氣體繼電器，分接頭，絕緣套管等。變壓器的種類(lèi)非常豐富，通常可以按用途分為電力變壓器和特種變壓器。變壓器的主要功能是實(shí)現電壓的升降，另外也可以實(shí)現電流的升降改變，能量的傳輸，電氣絕緣隔離，電路的穩壓，改善電路的抗干擾性等等。可以用于輸電系統，測量系統，自動(dòng)控制、電焊、電子電力等諸多領(lǐng)域。
基本信息
中文名
變壓器
英文名
transformer
原理
電磁感應定律
功能
改變交流電壓電流
組成部分
鐵芯、繞組及其他相關(guān)附件
應用學(xué)科
電工學(xué)
概念簡(jiǎn)述
變壓器是一種利用電磁感應原理來(lái)升降電壓電流并實(shí)現能量和信息傳遞的多端電氣設備。該裝置采用磁耦合的基本原理，在相同的頻率下，可以把從原來(lái)的交流電的電壓值轉變成其它的電壓值，滿(mǎn)足高壓、低壓等應用需求。在電網(wǎng)中，變壓器是一種重要的電器。隨著(zhù)電力系統的發(fā)展，各種類(lèi)型的電力變壓器相繼出現，不斷適應各種電氣電路的需求。由于在電力輸送中，由于電力守恒原理，所消耗的電力與所傳送的電力相比很少，因此，在正常工作狀態(tài)下，變壓器的工作效能可高達95%。
發(fā)展歷史
1831年，法拉第利用圖1所示的裝置，發(fā)現左邊開(kāi)關(guān)在接通的瞬間，右邊的電流表會(huì )立刻偏轉，并很快復原。由此證明電磁可以互相產(chǎn)生，并建立了電磁感應定律。不僅為變壓器的誕生奠定了理論基礎，這一模型也是變壓器最早的模型。
圖1. 法拉第電磁感應實(shí)驗裝置
1882年，法國人高納德和英國人吉伯斯使用一種名為“二次發(fā)電機”的裝置來(lái)改變電壓。
1885年，匈牙利電力工程的德利、伯拉錫、濟拍勞斯基在高納德一吉伯斯的裝置結構基礎上進(jìn)行改造，并將“變壓器”這個(gè)術(shù)語(yǔ)第一次應用到了這個(gè)領(lǐng)域。同年，匈牙利的 Genz工廠(chǎng)制造出了一臺單相閉環(huán)磁電路（此后被稱(chēng)作“變壓器”），它的主要部件已初步成型。
1890年左右，三相交流輸配電系統的發(fā)明與發(fā)展，使變壓器在電網(wǎng)中的重要性更為明顯，三相鐵心式變壓器應運而生。
1930年左右，在初步建立起了變壓器的基礎理論后，對變壓器進(jìn)行了各種改造和完善。即利用新的材質(zhì)、新的優(yōu)化方法和新的生產(chǎn)流程來(lái)不斷拓寬變壓器應用領(lǐng)域。
1934年，美國人高斯攻克單向硅鋼片的制備技術(shù)，使得變壓器的重量、空載損耗、額定容量等性能指標得到大幅改善。
隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，感應爐變壓器、高壓試驗變壓器、電子變壓器、高溫超導變壓器等各式各樣的變壓器不斷涌現，在電力網(wǎng)絡(luò )，電路通訊，國防軍工，金屬冶煉等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應用。
工作原理
基本原理
根據法拉第電磁感應定律，線(xiàn)圈當中交變的電流會(huì )產(chǎn)生磁通。當把兩個(gè)線(xiàn)圈放到一起的時(shí)候，線(xiàn)圈中激勵的磁通不僅能與穿過(guò)自身引起自感電壓，而且還會(huì )有一部分會(huì )穿過(guò)鄰近的線(xiàn)圈，在該線(xiàn)圈中產(chǎn)生互感電壓。這種現象稱(chēng)之為互感現象 ，也稱(chēng)之為磁耦合。變壓器就是典型的互感元件。
無(wú)論是單相還是三相電力變壓器，都是由鐵芯、繞組和引線(xiàn)構成變壓器的器身。通常纏繞在輸入端芯棒上的導線(xiàn)稱(chēng)為原始繞組，纏繞在輸出端芯棒上的導線(xiàn)稱(chēng)為副繞組。變壓器中由于原始繞組和副繞組靠得很近，原始繞組中的交變電流產(chǎn)生的磁通，會(huì )在副繞組中激勵出感應電勢。如果副繞組端有電阻等負載的接入，會(huì )在副繞組連接的電路中產(chǎn)生電流使電阻加熱，這就是變壓器的基本工作原理。另外，鐵芯可以大幅增強互感系數，從而將絕大部分的能量從原始繞組傳遞到副繞組。
理想電壓變換關(guān)系
在原繞組端輸入交變電壓
圖2. 空載運行的變壓器
由于副邊開(kāi)路，原繞組的磁勢為
根據電磁感應定律可得
理想情況下，線(xiàn)圈電阻和漏磁電動(dòng)勢與主磁電動(dòng)勢相比都可以忽略不計，
由此得到
式中，
理想電流變換關(guān)系
同樣，
能量損耗
鐵損耗
- 釋義：由鐵芯存在的磁滯和渦流損耗造成的能量損耗；
銅損耗
- 釋義：電流流過(guò)兩側繞組時(shí)，由于電阻的存在，造成的能量損耗；
- 影響因素：負載電流大小，繞組的材料；
- 特點(diǎn)：正比于負載端電流的平方，又稱(chēng)為“可變損耗”。
理想變壓器
實(shí)際變壓器由于各種限制，難以避免會(huì )存在上述兩類(lèi)損耗。在分析或者應用時(shí)，所建立的一個(gè)忽略這些損耗的等效近似模型，稱(chēng)為理想變壓器。
結構
雖然有多種類(lèi)型的變壓器，但是它們的基本構造都是一樣的，都是由鐵芯、原副繞組和若干附件構成的。
鐵芯
鐵芯材料
鐵芯是變壓器的核心骨架，它由兩個(gè)部件組成：鐵芯柱（芯棒）和鐵軛。芯棒上裝有線(xiàn)圈，鐵輪的功能是關(guān)閉磁回線(xiàn)。為改善磁芯的磁導特性，降低磁芯中的滯后損失和渦流損失，一般選用高導電率、低比耗的冷軋硅鋼板。對于有特別需求的變壓器，可用坡莫型合金、鐵氧體等。
鐵芯疊片形式
條狀鐵行疊片：大、中型變壓器的芯，通常是把硅鋼板切成條形結構的疊片，并以交叉疊放的形式堆砌，以保證每一層的磁間隙彼此錯位；該工藝能減小空氣間隙，減小磁電阻。小型變壓器經(jīng)常交替堆疊不同形狀的沖片，以簡(jiǎn)化工藝并減少空氣間隙。
圖3. 不同形狀的沖片
漸開(kāi)線(xiàn)式鐵芯：其鐵芯支柱由釘在預成型的漸開(kāi)線(xiàn)形狀的冷軋硅鋼片上壓縮制成，鐵軛是用硅鋼片卷裝纏繞而成，然后將兩者對接擰緊。具有適合大批量生產(chǎn)、比體積小、耗材少等優(yōu)點(diǎn)。
鐵芯截面形態(tài)
鐵芯柱的截面有方形、矩形和梯形，前兩種形狀截面常見(jiàn)于小型變壓器，后者通常是大型變壓器為充分利用空間所采用。
繞組
又稱(chēng)為線(xiàn)圈，是變壓器的傳導電流的部分，通常由絕緣導線(xiàn)（一般為銅、鋁材料）纏繞而成。繞組一般都繞成圓形，這種形狀的繞組便于纏繞的同時(shí)也具有一定的韌性強度。根據繞組的形狀結構不同，繞組可以分為同心型和交疊型。
同心式繞組
主要有圓筒式、分段式、螺旋式和連續式。通常為了便于與鐵芯絕緣，將低壓繞組繞和高壓繞組分別同心地纏繞在內外面。在高低壓繞組之間設置了有助于分散繞組的熱量油道，油道的存在也可在兩個(gè)繞組之間形成電氣隔離。
交疊式繞組
交疊式繞組是將高壓繞組和低壓繞組分成制成線(xiàn)餅的形狀，沿著(zhù)芯棒像堆盤(pán)子一樣交替堆疊，所以又稱(chēng)餅式繞組。高壓繞組一般不會(huì )放置在最上面和最下面，以防電壓過(guò)大產(chǎn)生電氣擊穿。交疊式繞組具有絕緣性能好，承重能力強，方便接線(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。
其他附件
油箱：中等容量以上的變壓器往往需要考慮散熱問(wèn)題，為了增強變壓器的散熱，變壓器被設計成內部裝滿(mǎn)油的密封油箱結構。變壓器的鐵芯和繞組等部件浸入在油箱里面。油箱包括油箱本體和油箱附件。
安全氣道：又稱(chēng)為防爆管，可以保證變壓器內部壓力過(guò)大時(shí)，可以將油以及氣化產(chǎn)生的氣體從安全氣道疏導出去，使油箱不會(huì )因壓力異常而損壞。
圖4.氣體繼電器
分接頭與分接開(kāi)關(guān)：變壓器分接頭的功能是調節原副繞組匝數比，因為一般要求原邊電壓要求在一定的范圍內調節，因而原繞組一般都有抽頭，稱(chēng)為分接頭。利用分接開(kāi)關(guān)與不同的分接頭相接，就可以改變原繞組的匝數，從而達到調節變壓器輸出電壓的目的。分接開(kāi)關(guān)分為有載調壓和無(wú)載調壓兩種。
絕緣套管：變壓器的絕緣套管是一個(gè)負載電流的部件。它的主要功能是把高壓引線(xiàn)從變壓器中引出，用于絕緣保護和固定引線(xiàn)。
主要分類(lèi)
變壓器的種類(lèi)很多，為了達到不同的使用目的，并適應不同的工作條件，變壓器的類(lèi)型可按其用途、繞組和鐵芯的材料結構、相數、工作頻率、調壓方式、冷卻方式等進(jìn)行分類(lèi)。
根據用途分類(lèi)
變壓器分為電力變壓器和特種變壓器
根據變壓器構造分類(lèi)
按繞組結構
按鐵芯結構
按照繞組在芯棒上的纏繞方式，鐵芯主要可分成芯型和殼型兩種結構類(lèi)別。
圖5. 芯式變壓器和殼式變壓器
芯型變壓器：芯型變壓器的原、副繞組組合在兩個(gè)鐵心柱上，構造較為簡(jiǎn)單，安裝時(shí)有更多的空隙，安裝方便，耗鐵也少；大容量、高電壓的變壓器通常為芯型。
殼式變壓器：殼式變壓器的鐵芯圍繞線(xiàn)圈的上下部和兩側。該構造的變壓器具有良好的力學(xué)性能，且芯易于散熱器，但其耗鐵較多，生產(chǎn)工藝也比較繁瑣。小容量、低電壓的變壓器通常為殼型。
按相數分類(lèi)
單相變壓器
用兩組線(xiàn)圈纏繞在同一鐵芯便構成了單相變壓器。通常是用來(lái)變換單相交流電壓和電流，一般額定容量比較小。在電子線(xiàn)路、焊接、治金、測量系統、控制系統以及試驗等方面，單相變壓器的應用較為廣泛。
三相變壓器
1、三相變壓器組
圖6. 三相變壓器組的磁路系統
結構：由三個(gè)完全一樣的單相變壓器按右圖形式構成，稱(chēng)為三相組式變壓器或三相變壓器組。
特點(diǎn)：對應的磁路是一種組式磁路，三相的每一相具有各自獨立的磁回線(xiàn)，并不相互關(guān)聯(lián)。所以，在一次側加上三相對稱(chēng)的三相電壓時(shí)，每相主磁通量和空載電流都相互對稱(chēng)。
圖7. a、三相芯式變壓器的磁路系統 b、省出中間鐵芯柱
c、將鐵心柱布置在同一平面
2、三相芯式變壓器
結構：用三根鐵芯按圖7結構連接在一塊形成的。在三相磁通對稱(chēng)情況下，中間鐵心柱內部的主要磁通量為零
特點(diǎn)：三相芯式變壓器對應的是芯式磁路，芯式磁路具有相互關(guān)聯(lián)的特征，每個(gè)相位的磁路都與另外兩相磁路形成閉合回路；三相磁路的長(cháng)度可以是不同的，磁阻也可以不同。
3、原理特點(diǎn)
從工作機理上分析，三相變壓器在負荷均勻的情況下，不同相的電流電壓除了有120°的相位差，電流電壓的大小、振幅、頻率均與單相無(wú)異。
多相變壓器
多相交流電通常是三相交流電利用平衡變壓器轉換得到。最基本的平衡變壓器有三種類(lèi)型：斯科特變壓器、李布朗克變壓器和伍德橋變壓器。
按冷卻形式
干式變壓器
主要特點(diǎn)有：
1、安全，防火，無(wú)污染；
2、機械強度高，抗短路能力強；
3、損耗低，噪聲小；
4、散熱性能、防潮性能好；
5、體積和質(zhì)量小，安裝調試方便。
油浸式變壓器
油浸式變壓器是指變壓器的繞組是浸泡在油中的一類(lèi)變壓器，也屬于自發(fā)冷卻型變壓器。通常又分為自冷式，風(fēng)冷式和強制油循環(huán)冷卻式等。
特點(diǎn)：由于防火的需要，油浸式變壓器一般安裝在單獨的變壓器室內或室外，具有體積大、成本低、維修簡(jiǎn)單、散熱好、過(guò)負荷能力強、適應環(huán)境廣泛的特點(diǎn)。
充氣式變壓器
充氣式變壓器是指變壓器的器身放在一密封的鐵箱內，箱內充以氣體代替變壓器油的一類(lèi)變壓器。這種氣體通常要求絕緣性能好，傳熱快，化學(xué)性能穩定，常用沸點(diǎn)比較低的六氟化硫作為冷卻介質(zhì)，屬于蒸發(fā)冷卻型變壓器。
特點(diǎn)：具有優(yōu)良的電氣性能，可用于安全防火要求較高的場(chǎng)所。
根據調壓方式分類(lèi)
（1）無(wú)載調壓變壓器：不具備帶負載轉換檔位的能力，調檔時(shí)必須使變壓器停電。
主要功能和應用領(lǐng)域
電流電壓升降
變壓器線(xiàn)圈匝數可用于調節變壓器輸出的電壓和電流。通常情況下，輸出電壓和輸入電壓的比率是次級線(xiàn)圈的匝數
阻抗變換
變壓器的一次繞組與二次繞組的匝數比不同，耦合過(guò)來(lái)的阻抗也不同，在數值上，二次阻抗
相位轉換
采用變換線(xiàn)圈纏繞方向的方式，可以實(shí)現對交變信號進(jìn)行反相位調節。
穩壓和隔離
利用鐵心材料的飽和特性來(lái)實(shí)現輸出電壓的穩定，通常需要將初級繞組放在截面積大的芯棒上，次級繞組放在截面積小的芯棒上。通過(guò)一次繞組與二組繞組的磁性耦合，使其在兩組繞組間無(wú)電氣聯(lián)結，使其電氣絕緣。
應用領(lǐng)域
輸電系統 | 利用變壓器的升降電壓的功能，減少長(cháng)距離輸電的損耗，同時(shí)滿(mǎn)足各級電壓需求 |
電力保護 | 實(shí)際工作中，經(jīng)常利用變壓器的絕緣特性，可以防止在使用過(guò)程中發(fā)生電擊事故 |
電子電路 | 通過(guò)電壓升降、整流功能獲得器件所需的直交流電壓；利用隔離功能實(shí)現器件間的絕緣；通過(guò)阻抗變換功能滿(mǎn)足電路阻抗匹配的要求 |
測量系統 | 利用變壓器調節電壓電流的功能，將大電壓大電流轉化成小電壓和小電流，便于安全測量 |
電焊領(lǐng)域 | 在需要利用電弧焊進(jìn)行連接的結構、管線(xiàn)中，可以使用電焊變壓器完成焊接 |
自動(dòng)控制系統 | 利用脈沖變壓器可以增大脈沖寬度以及減少脈沖后延時(shí)間等特性用于晶體管的觸發(fā)控制 |
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作者
