什么是变压器?

[拼音]：bianyaqi

[外文]：transformer

根据电磁感应定律将交流电变换为同频率不同电压的交流电的非旋转式电机（见图）。主要由两组或更多组互相靠近的绕组构成，并使各绕组的磁场互相交链。利用变压器可以实现：

（1）高效、经济、方便地升高电压，减小电流，以满足远距离、大功率输电的要求；

（2）方便地降低电压，利于近距离供电，或进一步降低到安全电压（如8伏、12伏、24伏等），以保证人身安全；

（3）变换电流（如仪用变流器）；

（4）变换阻抗（如输入变压器、输出变压器）；

（5）变换相数（如将三相变成六相或十二相的整流用变压器）；

（6）变换相角；

（7）既不变换电压，也不变换电流和相角，只是以1:1的变比将其两侧的电路用高强度绝缘予以隔离。由于变压器的多种功能，特别是它在高压输电中的决定性影响，使它在电力系统中几乎起着和发电机同样重要的作用。可以说，没有大容量的电力变压器，就不会有现代大电力系统。

1851年，列姆勒夫发明感应线圈，这是变压器的雏型。1876年，俄国的П.Н.雅布洛奇科夫采用有两个绕组的感应线圈改变供给负载的电压，用低压侧的交流电给“电烛”供电，这实际是不闭合磁心的单相变压器。1882年，俄国的И.Ф.乌萨金在莫斯科首次展出了有升压、降压变压器的高压变电装置。1883年，法国的L.戈拉尔和英国的J.D.吉布斯制成一台容量为 5千伏安的有实用价值的电力变压器，当时被称为“二次发电机”。美国的G.威斯汀豪斯购买了戈拉尔和吉布斯的专利后进行了改造，于1885年制成具有现代实用性能的电力变压器，并用这种变压器在马萨诸塞州大巴林顿装备了一座实验性交流发电站。1905年，瑞士勃朗－鲍威利有限公司制成第一台大容量的电力变压器(容量为1000千伏安)。至此，变压器已达到工业性电网的实用程度。到50年代，单台变压器最大容量已达到500兆伏安，1975年则提高到1800兆伏安。

经过约一百年的发展，变压器已经品种繁多、用途广泛。现代变压器可分为两大类：电力变压器和特种变压器。电力变压器按用途又可分为升压、降压、配电、厂用、矿用、联络变压器等；按相数可分为单相、三相变压器两种；按绕组数可分为双绕组、三绕组、自耦变压器；按冷却方式可分为油浸自冷式、油浸风冷式、油浸水冷式、强迫油循环风冷式、强迫油循环水冷式变压器等；按绝缘介质可分为油浸式、合成非燃性油浸式、SF6气体绝缘式、 蒸发冷却气体绝缘式以及浇铸干式变压器等；按调压方式可分为无励磁调压式和有载调压式变压器。特种变压器主要有：整流变压器、电炉变压器、电气化铁路专用变压器、电焊变压器、高压直流输电换流阀用变压器、中频变压器、工频高压试验变压器、大电流冲击变压器、仪用互感器（变换电压用的电压互感器和变换电流用的电流互感器）以及隔离变压器等。

变压器(以最简单的双绕组变压器为例)主要由两个绕组和穿过这两个绕组的共同磁路构成（图1）。

与电源相连、取得电功率的绕组称原绕组，又称一次绕组；与负载相连，输出电功率的称副绕组，又称二次绕组。为了加强磁场，提高效率，通常采用铁心，将两个绕组套在铁心上。磁通的绝大部分都通过铁心，这部分磁通称主磁通，它交链原、副绕组。只环链一个绕组的称漏磁通，它远小于主磁通。因此，铁心就是形象化了的共同磁路。这种带铁心的变压器称铁心变压器（图lb）。

变压器铁心用高磁导率的软磁材料制成，最常用的是硅钢。为了减少磁滞损耗和涡流损耗，铁心一般用0.35或0.5毫米厚的两面均有绝缘层的硅钢片叠成或卷成。现代电力变压器的铁心，一般都已采用低损耗的冷轧硅钢片制成。

变压器铁心可分为芯式和壳式两大类。在芯式铁心变压器中，绕组包围铁心柱，磁通如同绕组（也就是电流通路）的内心。在壳式铁心变压器中，有分支的磁路系统围住绕组，如同绕组的一层外壳。通常芯式铁心用于高电压、小容量的变压器；壳式铁心用于低电压、大容量的变压器。

铁心中通过交变磁通后会产生磁滞损耗和涡流损耗，也会引起副边电压的波形畸变和对原边电压的相位移。所以在高频中有用铁氧体材料制作铁心的。频率更高或精度要求极高时，常采用非铁磁材料制作绕组的心子。非铁磁材料的磁性能与空气非常接近。因此，这种变压器称为空心变压器（图la）。

绕组是变压器的电路部分。它由铜或铝的绝缘扁导线或圆导线绕成。变压器原、副绕组的匝数不同，电压不同，所以可分为高压绕组和低压绕组。变压器绕组还可以按高、低压绕组相互间的布置和绕组在铁心柱上的安排形式分为同心式和交叠式两类。在心式变压器中，高、低压绕组一般都制成圆筒形，同心地套在铁心柱上，称同心式。这种绕组结构简单、制造方便。中国产的变压器大都采用这种结构。交叠式绕组的高、低压绕组都绕成圆饼式，交叠放置。其特点是机械强度较高，引出线的布置和焊接都比较方便，漏电抗较小，常用于壳式及特殊变压器。

对于大容量（大电流）变压器，用几根导线并联绕制的绕组，其内外侧导线要进行换位，使各并联导线的电阻和漏电抗基本相等。

电工中所用大型变压器还有冷却系统、保护装置、出线装置、油箱等部分。

变压器的基本工作原理是电磁感应定律。据此，绕组中的感应电动势等于匝数N 乘磁通的变化率dΦ/dt。在变压器中，交流电每交变一次，主磁通就由正向最大值(+Φm)变成反向最大值(-Φm)， 又从反向最大值变为正向最大值。变化的绝对值是

｜＋Φm－(-Φm)｜＋｜－Φm－(+Φm)｜=4Φm

对于频率为ƒ的交流电，主磁通的平均变化率（绝对值）就等于4ƒΦm。此值乘以绕组的匝数N 和正弦交流的波形因数（即有效值与整流平均值之比）1.11，就得到绕组的感应电动势（有效值）E 为

E＝4.44ƒNΦm

若原绕组的匝数为N1，则原绕组的感应电动势E1为

E1=4.44ƒN1Φm

若副绕组的匝数为N2，则它的感应电动势E2为

E2=4.44ƒN2Φm

两电动势之比等于两绕组的匝数比。由于变压器的漏磁一般很小，绕组的电阻也很小，在工程上绕组的漏磁阻抗电压降可略去不计，而将原边、副边的电压U1和U2分别看作等于各自的感应电动势E1和E2。所以原、副绕组的匝数比п 就近似等于电压比（即变压比，简称变比）

U1/U2≈E1/E2=N1/N2=n

通过改变匝数比就可以制做具有各种变比的变压器。

当副绕组端接入负载时，即产生感生电流向负载供电。根据楞次定律，副绕组的感生电流对主磁通起阻碍其变化的作用。因此当接入负载或负载电流增大时，部分抵消了主磁通而使原绕组的自感电动势也减弱。又根据欧姆定律，原绕组中自感电动势的减弱导致原绕组电流增大，使得被抵消的主磁通又得到补偿，仍保持为空载时的磁通量。这可用相量（见相量法）表示为

N1夒1+N2夒2=N1夒0=常数式中夒1、夒2

分别为原边、副边电流相量，夒0为励磁电流相量。由于变压器的励磁电流一般很小，仅占额定电流的1～10％，故可以近似认为

N1夒1＋N2夒2≈0

于是，两电流值之比

夒1/夒2≈N2/N1=1/п

即原、副绕组电流之比等于匝数比的倒数。而原绕组输入阻抗Z1(等于妧1/夒1)与副绕组输出阻抗 Z2(等于妧2/夒2)之比近似为匝数比的平方。

这些结果还说明，正常工作的变压器其主磁通不随负载的大小而变化，它仅取决于原边电源电压、频率及变压器本身固有的电参数。

变压器的各物理量（为电流、电压、磁通密度等）基本上都是正弦量。各量的大小和相互间的相位关系可以用相量图直观地表示，并可据此进行简单的加减运算。对于较复杂的计算，特别是乘、除，则需采用等效电路法。

图2a所示为单相变压器空载运行的相量图。图中夒0a为励磁电流夒0的有功分量，夒0r为夒0的无功分量。

用2b为单相变压器带电感性负载运行的相量图。图中带上角撇“′”的量代表副边的量折算成原边的相应的量，φ1为夒1滞后于妧1的相位差，φ2为夒2滞后于妧2的相位差，夒娦滞后于妧娦的相位差也是φ2。cosφ为负载的功率因数，这时U1I1cosφ1是变压器从电源取得的输入功率，它等于变压器供给负载的功率加上变压器的铁耗及原、副绕组的铜耗。

等效电路表示变压器内部的电磁关系。所谓等效，仅是指原、副边电压、电流和功率关系方面的计算结果与实际情况比较接近，并不是一切方面都等效。例如，实际变压器的原、副边两侧并无电路方面的直接联系，但在等效电路中却是画在一起的。画等效电路也与绘制相量图相同，需将一侧的量归算成另一侧的量。图3是变压器空载运行时的等效电路。

变压器的额定值主要包括额定频率、额定原边电压和电流、额定副边电压和电流、额定视在功率（即容量）。变压器的铭牌上刻有这些量值，所以又称铭牌值。额定频率和额定原边电压指变压器应该接的交流电源的频率和电压。使用时必须遵守这一规定。额定容量指变压器长期连续输出这一视在功率时，由各种损耗转变成的热不致于升温到使绝缘受损或缩短寿命的极限值。变压器运行于这一额定容量时称为满载；超过额定容量时称过载；远低于额定容量时称轻载。变压器的副边电压与原边电压有一定的比例关系，所以若按额定值运行时，变压器就可以得到额定副边电压。使用时需注意此电压应和负载要求的电压一致。额定电流等于额定容量除以额定电压。

变压器的额定容量决定于绝缘的许可使用温度，因此它与环境温度有关。 变压器按规定的环境温度设计，例如，按最高气温+40℃设计。如环境温度高于规定值，则变压器就应该减载运行；低于规定值，变压器可适当过载运行。在应付临时紧急供电任务时，考虑到变压器即使短时过载也不致温度立即升高太多，绝缘的寿命不致大大缩短，许可变压器短时过载。短时过载值往往大于长期许可过载值，其允许持续的时间与变压器的冷却方式、环境温度等因素有关。

工程上将变压器的损耗分为空载损耗和短路损耗。空载损耗指副绕组开路时的变压器损耗，即此时的原边输入功率。空载损耗中主要是铁心的磁滞损耗和涡流损耗，即铁耗。短路损耗指变压器的低压绕组短接、高压绕组上加很低电压使电流达到额定值时的损耗。此时，变压器的输出功率也是零，输入功率就等于这一损耗。由于所加电压很低，感应电动势和磁通都很低，所以铁耗很小，可以忽略。短路损耗中主要的是额定电流在原、副边绕组中引起的电阻损耗，即铜耗。

变压器的效率η是变压器的输出功率与输入功率之比。输出功率等于副边电压U2、副边电流I2和副边功率因数cosφ2的乘积。输入功率又等于输出功率加损耗，即

η＝输出功率／输入功率

＝输出功率／（输出功率＋损耗）对于单相变压器

η=U2I2cosφ2/(U2I2cosφ2+


)

对于三相变压器

η=呑U2I2cosφ2/(呑U2I2cosφ2+


)

式中


为铁耗，


为铜耗。

现代的电力变压器中，满载时的损耗只占输入功率的0.5～3％，即效率可达99.5～97％。

变压器的原边电压保持在额定值不变条件下，输出视在功率由零变化到额定值时，副边电压U2的变化率，即

电压调整率＝(U20-U2)/U2

式中U20为变压器空载时的副边电压。电压调整率大的变压器，使用时负载变动引起的输出电压变化也大。这不利于用电设备的正常工作。另外，不同电压调整率的两台变压器，在并联运行联合供电时，会造成负载的不均衡分配，甚至可能发生一台尚在轻载，而另一台已严重过载。

在负荷增长而现有变压器容量不足以供应所需电功率时；或为提高对用户供电的可靠性，满足在变压器出现事故时不致于中断电源的要求，往往需要两台或几台变压器并联运行。并联运行是指几台变压器原边与副边都并接起来，共同运行的方式。单相、三相以及三相变压器组均可并联使用。

并联运行有以下3点要求：

（1）并联的变压器要有同样的匝数比。否则，当原边接于同一电源时，副边即使没有负载，也会出现环流。

（2）在变压器并联运行时，各台变压器如何分配负载，是一个重要问题。最佳分配状态为按各台的额定容量或电流来分配负载。负载分配与各台变压器的等效漏阻抗有关。例如，两台变压器，其等效漏阻抗分别为Zσ1和Zσ2，则其视在功率S1和S2、电流I1和I2的分配为

S1/S2=I1/I2= Zσ2/ Zσ1

即阻抗大者承载较少，阻抗小者承载较多。如需按额定容量分配负载，则其漏阻抗应与额定容量成反比。从公式可看出，两台变压器漏阻抗上的电压I1Zσ1和I2Zσ2应相等，它们引起的变压器电压调整率也应相等。

（3）三相变压器并联运行时，各台的原边与副边的线电压要相等，而且相位要一致。因此，△-△或Y-Y接法的变压器不能与△-Y或Y-△接法的并联。

参考书目

Van E.Mablekos， Electric Machine Theory for Power Engineers，Happer & Row Publishers，N.Y.， 1980.Vincent Del Toro， Electric Machines and Power Systems，Practice-Hall，1985.John Hind Marsh， Electricɑl Machines and their Applications，Pergamon Press，London，1984.

参考文章

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