第六章變壓器基礎知識

變壓器是用來升高或降低交流電壓又能夠供持其頻率不變的靜止的電氣設備。在現實生產、生括中，需要高低不同的多種電壓；電力系統為減少輸電過程中的電能損失，必須用升壓變壓器將輸電電壓升高。輸電電壓越高，輸送距離越遠，輸送功率越大，當電能輸送到用電地區，又需要用降壓變壓器將輸電線路上的高電壓降低到配電系統的電壓，然后再經過配電變壓器將電壓降低到用電器的電壓以供使用。工廠中常用的三相異步電動機的額定電壓為380V或220V，一些大型電力負荷則為3000V或6000V。照明電路電壓220V，而機床照明、臨時照明的電壓一般為36V、24V、12V。在電子電路中更是需要多種電壓供電。這樣多等級不同的電壓不可能使用那么多數值不同電壓級別的發電機供電，這就需要各種不同電壓、不同規格、不同型號的變壓器。第一節變壓器的工作原理

變壓器的工作原理是建立在電磁感應原理上的。變壓器空載運行時的情況如圖6-1所示。在原繞組N1兩端接入交流電壓Ul，繞組中便流過交流電流I0，鐵心中便會產生交變磁通Φ。設此磁通全通過鐵心（即忽略漏磁通），則在原繞組N1和副繞組N2中分別產生感應電動勢E1、E2。若鐵心中的磁通按正弦規律變化，則原、副繞組中感應電動勢的有效值分別為：

E1=4.44?lN1Φm

E2=4.44?2N2Φm

式中，Φm為鐵心中磁通最大值；N1

，N2分別為原、副繞組匝數。原、副繞組感應電動勢的比值為:

第一節變壓器的工作原理變壓器的空載損耗很小，若忽略空載耗損則U1≈E1U2≈E2所以可見，變壓器原、副繞組中電壓的比值等于原、副繞組的匝數比。原繞組輸入電壓與副繞組輸出電壓的比值稱作變壓器的變比，用K表示。變壓器空載時原繞組中的電流I0稱為空載電流，此電流只為額定電流的5%左右。空載電流I0在鐵心中建立的磁勢稱為空載磁勢，空載磁勢I1N1產生的磁通Φ1稱為空載磁通（即勵磁磁通）。當副繞組接人負載，繞組中流過電流I2，I2建立二次磁勢I2N2，并在鐵心中產生磁通Φ2，此磁通與一次磁勢I1N1產生的磁通方向相反，因而使得一次磁通減少，一次磁通的減少使原繞組中的感應電動勢E1減小。由于電源電壓U1不變，E1的減少使一次電流I1增加，一次磁勢I1N1隨之增加，其結果是一次電勢E1增并與電源

第一節變壓器的工作原理達到新的平衡。可見負載時，鐵心里的磁勢是一次磁勢和二次磁勢共同作用的結果。負載電流增加，二次磁勢I2N2也增加，則一次電流隨之增加，一次磁勢I1N1增加，以抵消二次磁勢，保持鐵心中的空載磁勢

I1N1

–I2N2

=I0N0由于I0很小，則I1N1

=I2N2所以上式說明，變壓器負載運行時，原、副繞組中的電流與它們的電壓成反比。變壓器負載運行時的情況如圖6-2。

第二節變壓器的結構

變壓器種類繁多，用途不同，因此結構形式多樣。但無論何種變壓器，其最基本的結構都是由鐵心和繞組組成。變壓器的鐵心和繞組配置有心式和殼式兩種基本結構形式。圖6-3至圖6-6為幾種不同結構形式的變壓器。在我國，心式變壓器應用較多，殼式變壓器多用于小容量單相變壓器。變壓器的鐵心由0.35～0.5mm厚的高導磁率的硅鋼片疊裝而成。硅鋼片兩面涂有絕緣漆，以減少鐵心的磁滯損耗和渦流損耗。為減小磁路損耗、硅鋼片在疊裝時片間接縫每疊裝一層交叉一次，使接縫錯開，詳見圖6-7。第二節變壓器的結構第二節變壓器的結構變壓器的繞組是由帶有絕緣的圓形或矩形的銅（或鋁）導線繞制成一定形狀的線圈套在鐵心上。變壓器的線圈有圓筒式的、螺旋式的、連續式的等。圓筒式線圈如圖6-8所示第二節變壓器的結構按高、低壓繞組之間的排放位置及在鐵心柱上的排放方法，變壓器的繞組可分為同心式和交疊式，見圖6-9。同心式繞組用于心式變壓器時，一般低壓繞組在內靠近鐵心柱，高壓繞組在外面。高、低壓繞組之間以及低壓繞組與鐵心之間都必須有一定的絕緣間隙，并以絕緣紙筒分隔開。交疊式繞組的高壓線圈和低壓線圈按交替次序安放在鐵心柱上。這種繞組高低壓之間間隙大、絕緣比較復雜，用于低電壓、大電流的變壓器如電焊變壓器、電爐變壓器等。電力系統中常用的電力變壓器多為油浸式，其外形如圖6-10所示。

第二節變壓器的結構第三節特殊變壓器

一、自耦變壓器前面講到的變壓器的原繞組與副繞組是兩個獨立的繞組，它們之間只有磁的耦合、沒有電的聯系。而自耦變壓器只有一個繞組，用原繞組（或副繞組）的一部分作為副繞組（或原繞組），兩者之間既有磁的耦合又有電的聯系。如圖6-11所示。自耦變壓器的工作原理與普通兩繞組的變壓器工作原理相同：當原繞阻接人交流電壓U1，即有電流，I1流過，并在鐵心中產生磁通。此磁通在原、副繞組中分別產生感應電動勢，且感應電動勢亦與匝數成正比，因而可得與普通變壓器相同的等式：

第三節特殊變壓器若忽略空載電流，則:式中，負號表示I1與I2方向相反。三相自耦變壓器通常接成星形，常被用作為三相異步電動機的啟動設備（見圖6-12）。若將副繞組的匝數通過滑動觸頭隨意改變從而改變副邊的電壓，則這種自耦變壓器就成了實驗室中經常使用的自耦調壓器。自耦變壓器的特點是損耗小，可節省材料，但由于原、副繞組之間有電的聯系，有可能產生高電壓竄入低電壓的危險，所以嚴禁用自耦變壓器代替低壓照明用的行燈變壓器。低壓手持式電動工具也嚴禁使用自耦變壓器供電。第三節特殊變壓器二、電焊變壓器電焊是依靠電弧放電的熱量來熔化金屬。焊接時起弧電壓約為70V，起弧后要維持電弧燃燒，電弧壓降約為35V左右，二次側短路時（例如焊條搭在焊件上）電流不能過大。焊接電流應能在100～500A范圍內調節，以適應不同的焊件和焊條。電焊變壓器（也稱交流弧焊機）就是能滿足上述工藝要求的變壓器。電焊變壓器的工作原理與普通變壓器的工作原理相同，為了保證焊接時電弧穩定并限制短路電流，焊接回路必須有相當大的電抗，以使電焊變壓器具有很陡的外特性（即隨著電焊電流的增加，輸出電壓迅速下降）。圖6-13是電焊變壓器的外特性與普通變壓器的外特性曲線。第三節特殊變壓器由圖可以看出電焊變壓器輸出端短路，輸出電壓降為零時，短路電流也不會非常大。常見的電焊變壓器有電抗器式（見圖6-14）和磁分路動鐵式（見圖6-15）。前者是通過改變電抗器兩鐵心間的氣隙大小改變電抗器的電抗，從而調節電焊電流。后者是通過改變動鐵柱的位置來調節漏磁，從而使電焊電流得到調節。第三節特殊變壓器三、電流互感器互感器是電工測量與自動保護裝置中使用的特種雙繞組變壓器。使用互感器可以使儀表測量器回路或繼電保護回路與高壓電路隔開，保證工作安全，另外還可以擴大儀表量程。互感器可分為電壓互感器和電流互感器，本書僅介紹電流互感器。電流互感器的工作原理及接線如圖6-16所示。電流互感器原繞組的匝數很少（通常僅一、二匝），并與被測電路串聯。副繞組匝數較多與儀表或繼電器的電流線圈串聯。由于儀表或繼電器的電流線圈阻抗很小，所以運行中的電流互感器相當于變壓器短路運行時的情況，這是電流互感器與變壓器的重要區別之一。電流互感器的一次繞組與被測電路串聯、流過一次繞組電流的大小由負載的大小決定，而與串聯在二次繞組回路的負載阻抗無關。這是電流互感器區別于變壓器的又一個重要特點。第三節特殊變壓器電流互感器運行時，鐵心中的磁通是一次磁勢和二次磁勢共同作用的結果，忽略勵磁電流，依據磁勢平衡式I1N1=-I2N2可得式中，K為電流互感器的變比。一次電流等于二次電流乘以變比。可見利用原、副繞組匝數不同，可將線路上的大電流變成小電流來測量。電流互感器的誤差可分為變比誤差和相角誤差，主要由勵磁電流、漏抗和二次負載阻抗引起的。為減小誤差，電流互感器的鐵心磁通密度設計得很低，為0.08～O.1T并且還嚴格規定二次負載的阻抗值，以保證測量的準確性。第三節特殊變壓器

根據電流互感器的誤差，其準確度級次可分為：0.2級、0.5級、1.0級、3.0級、10.0級。作為計量應選用0.5級，作為繼電保護用，可選用3.0級或10.0級。電流互感器二次額定電流一般為5A，低壓電流互感器一次電流為5～25000A。電流互感器可分為干式、油浸式、澆注式，低壓電流互感器多為干式的。正常運行的電流互感