第5章變壓器5.1變壓器的基本結構和分類

5.2變壓器的工作原理

5.3變壓器的運行特性

5.4變壓器的使用

5.5特殊變壓器

本章小結習題與思考題

變壓器用于實現變壓、變流、變阻抗及電隔離作用，根據應用場合不同又有各種不同類型，工業和民用所需的不同高低的電壓都是通過變壓器降壓后得到的。本章主要介紹變壓器的結構、工作原理、特性及應用。5.1變壓器的基本結構和分類

變壓器具有變換電壓、變換電流和變換阻抗的功能，在通信、廣播、冶金、電氣測量及自動控制等方面獲得了廣泛的應用。5.1.1變壓器的結構不同類型的變壓器在具體結構、外形、體積和重量上有很大的差異，但其基本結構是相同的，主要由鐵芯和繞組兩部分構成。如圖5-1所示，在一個閉合的鐵芯上套有兩個繞組，繞組與繞組之間以及繞組與鐵芯之間都是絕緣的。圖5-1變壓器

1．鐵芯

鐵芯是變壓器的主磁路，一般由0.35～0.5mm的硅鋼片疊裝而成。鐵芯由鐵芯柱和鐵軛組成，鐵芯柱的作用是套裝繞組，鐵軛的作用是連接鐵芯柱，使磁路閉合。按照繞組套入鐵芯柱的形式，鐵芯可分為心式結構和殼式結構。圖5-2是心式單相和三相變壓器的結構示意圖，其繞組環繞著鐵芯柱，是應用最多的一種結構形式。圖5-3是殼式單相變壓器的結構示意圖，其繞組被鐵芯包圍，僅用于小功率的單相變壓器和特殊用途的變壓器。圖5-2心式變壓器圖5-3殼式單相變壓器

2．繞組

繞組是變壓器的電路部分，一般由絕緣銅線或鋁線繞制而成。把變壓器與電源相接的一側稱為原繞組或一次繞組，其電磁量用下標數字“1”表示；而與負載相接的一側稱為副繞組或二次繞組，其電磁量用下標數字“2”表示。通常一次、二次繞組的匝數N不相等，匝數多的電壓較高，匝數少的電壓較低。在電力系統中，以油浸自冷式雙繞組變壓器的應用最為廣泛，如圖5-4所示。其主要部件是由鐵芯和繞組構成的器身，另外還有油箱和其他附件。油浸式變壓器的器身浸在充滿變壓器油的油箱里，變壓器油既是絕緣介質，又是冷卻介質。圖5-4油浸式電力變壓器結構示意圖5.1.2變壓器的分類

變壓器的分類方法有以下幾種：

(1)按用途分有電力變壓器、儀用互感器和特種變壓器。

(2)按繞組數目分有單繞組變壓器(自耦變壓器)、雙繞組變壓器、三繞組變壓器和多繞組變壓器。

(3)按相數分有單相變壓器、三相變壓器和多相變壓器。(4)按鐵芯結構分有心式變壓器和殼式變壓器。

(5)按冷卻介質和冷卻方式分有干式變壓器、油浸式變壓器和充氣式變壓器。5.2變壓器的工作原理

變壓器利用電磁感應原理，可將一種交流電轉變為另一種或幾種頻率相同、大小不同的交流電。5.2.1變壓器的空載運行如圖5-5所示，將變壓器的原邊接在交流電壓u1上，副邊開路，這種運行狀態稱為空載運行。此時副繞組中的電流i2=0，電壓為開路電壓u20，原繞組通過的電流為空載電流i10，電壓和電流的參考方向如圖所示。圖中N1為原邊繞組的匝數，N2為副邊繞組的匝數。圖5-5變壓器空載運行原理圖副邊開路時，通過原邊的空載電流i10就是勵磁電流。由于變壓器的鐵芯采用高導磁的硅鋼片疊成，所以絕大部分磁通經鐵芯閉合，這部分磁通稱為主磁通Φ；有少量磁通經空氣閉合，這部分磁通稱為漏磁通。主磁通Φ既穿過原繞組，又穿過副繞組，于是在原、副繞組中分別感應電動勢e1和e2，且e1和e2符合右手螺旋定則。由法拉第電磁感應定律可知：(5-1)(5-2)

e1和e2的有效值分別為：

E1=4.44fN1Φm

(5-3)

E2=4.44fN2Φm

(5-4)式中f為交流電源的頻率，Φm為主磁通的最大值。如果忽略漏磁通的影響并且不考慮繞組上電阻的壓降，則可認為原、副繞組上電動勢的有效值近似等于原、副繞組上電壓的有效值，即

U1≈E1

(5-5)

U2≈E2

(5-6)因此，由式(5-7)可見，變壓器空載運行時，原、副繞組上電壓的比值等于兩者的匝數之比，K稱為變壓器的變比。若改變變壓器原、副繞組的匝數，就能夠把某一數值的交流電壓變為同頻率的另一數值的交流電壓，即當原繞組的匝數N1比副繞組的匝數N2多時，K＞1，這種變壓器稱為降壓變壓器；反之，當N1的匝數比N2的匝數少時，K＜1，這種變壓器稱為升壓變壓器。(5-8)5.2.2變壓器的負載運行

如圖5-6所示，變壓器的原繞組接交流電壓u1，副繞組接負載ZL，這種運行狀態稱為負載運行。這時副邊電流為i2，原邊電流由i10增大為i1，且u2略有下降，這是因為有了負后，i1和i2會增大，原、副繞組本身的內部壓降要比空載時增大，使副繞組電壓U2比E2低一些。由于變壓器內部壓降一般小于額定電壓的10%，因此變壓器有無負載對電壓比的影響不大，可以認為負載運行時變壓器原、副繞組的電壓比仍然基本上等于原、副繞組匝數之比。圖5-6變壓器的負載運行原理圖變壓器負載運行時，由i2形成的磁通對磁路也會產生影響，即鐵芯中的主磁通Φ是由i1N1和i2N2共同產生的。由式U≈E≈4.44fNΦm可知，當電源電壓和頻率不變時，鐵芯中的磁通最大值應保持基本不變，故磁動勢這是變壓器接負載時的磁動勢平衡方程式。由于空載電流比較小，與負載時電流相比，可以忽略空載磁動勢10N1，因此(5-9)(5-10)(5-11)(5-12)由式(5-12)可見，當變壓器負載運行時，原、副繞組的電流比等于匝數比的倒數。若改變原、副繞組的匝數，就能夠改變原、副繞組電流的比值，這就是變壓器的電流變換作用。5.2.3變壓器的阻抗變換在電子電路中，為了提高信號的傳輸功率，常用變壓器將負載阻抗變換為適當的數值，使其與放大電路的輸出阻抗相匹配，即稱為阻抗匹配。如圖5-7所示，負載阻抗ZL接在變壓器的副邊，圖5-7(a)中虛線框內的部分可以用一個等效的阻抗ZL′來代替，如圖5-7(b)所示。所謂等效，就是在電源相同的情況下，電源輸入圖5-7(a)和圖5-7(b)電路的電壓、電流和功率保持不變。當忽略變壓器的漏磁和損耗時，等效阻抗可由下式求得：(5-13)式中|ZL|=為變壓器副邊的負載阻抗。可見，對于變比為K且變壓器副邊阻抗為ZL的負載，相當于在電源上直接接一個阻抗|ZL′|=K2|ZL|的負載。因此，通過選擇合適的變比K，可把實際負載阻抗變換為所需的數值，這就是變壓器的阻抗變換作用。圖5-7變壓器的阻抗變換

例5-1如圖5-8所示，某交流信號源的電動勢E=120V，內阻R0=800Ω，負載電阻RL=8Ω。

(1)當將負載直接與信號源連接時，信號源輸出多大功率？

(2)要求RL折算到一次側的等效電阻RL′=R0，試求變壓器的變比和信號源輸出的功率。

解

(1)若將負載直接與信號源連接，信號源的輸出功率為圖5-8例5-1圖

(2)變壓器的變比為信號源的輸出功率為可見，阻抗匹配后輸出功率變大。5.2.4三相電壓的變換

由于目前電力系統都是三相制的，所以三相變壓器的應用非常廣泛。從運行原理來看，三相變壓器在對稱負載下運行，各相電壓、電流大小相等，相位上彼此相差120°，就某一相來說，和單相變壓器沒有什么區別。因此，單相變壓器的基本方程式及運行特性的分析方法和結論等完全適用于三相變壓器。變換三相電壓，既可以用一臺心式三相變壓器，也可以用三臺單相變壓器組成的三相變壓器組來完成。三相變壓器的原理結構如圖5-9所示，原繞組的首末端分別為U1、V1、W1和U2、V2、W2，副邊繞組的首末端分別用u1、v1、w1和u2、v2、w2表示。圖5-9三相變壓器三相變壓器的原邊繞組和副邊繞組均可以連成星形或三角形，星形接法用符號“Y”表示，三角形接法用符號“△”表示。采用星形接法，從中性點引出中線時，可用符號“Y0”表示。因此，三相變壓器可能有Y/Y、Y/△、△/△、△/Y四種基本接法，符號中的分子表示原邊繞組的接法，分母表示副邊繞組的接法。當繞組接成星形時，每相繞組的相電流等于線電流，相電壓只有線電壓的1/倍。相電壓較低有利于降低繞組的絕緣強度要求，因此變壓器原邊多采用“Y”接法。當繞組接成三角形時，每相繞組的相電壓等于線電壓，但相電流只有線電流的1/倍。這樣，在輸送相同的線電流時，繞組導線的截面積可以減小，故“△”接法多用于變壓器副邊。目前我國生產的三相電力變壓器通常采用Y/Y、Y/△和Y0/△三種接法。圖5-10為三相變壓器常用的接線方式。三相變壓器繞組的接法通常標在它的銘牌上。圖5-10三相變壓器常用的連接方式5.3變壓器的運行特性

5.3.1變壓器的外特性當電源電壓和負載的功率因數等于常數時，副邊電壓隨負載電流變化的規律曲線稱為變壓器的外特性。由于變壓器繞組具有電阻和漏磁感抗，故當負載電流流過時，變壓器內部會產生阻抗壓降，使副邊電壓隨電流的變化而變化。如圖5-11所示，特性曲線表明，變壓器副邊電壓隨負載的增加而下降；對于相同的負載電流，感性負載的功率因數愈低，副邊電壓下降愈多。圖5-11變壓器的外特性曲線變壓器帶負載后副邊電壓下降的程度可用電壓調整率ΔU表示。電壓調整率ΔU規定如下：原邊為額定電壓，負載功率因數為常數時，副邊空載電壓U20與負載時副邊電壓U2之差相對空載電壓U20的百分值定義為ΔU，即(5-14)5.3.2變壓器的損耗、效率和效率特性

變壓器的損耗主要包括鐵損耗和原、副繞組的銅損耗。

1．鐵損耗

鐵損耗包括基本鐵損耗和附加鐵損耗。基本鐵損耗指鐵芯中磁滯和渦流損耗，取決于鐵芯中的磁通密度大小、磁通交變的頻率和硅鋼片的質量。附加損耗指由鐵芯疊片之間絕緣損耗引起的局部渦流損耗等。變壓器的鐵損耗與一次側外加電源電壓的大小有關，而與負載的大小無關。當電源電壓一定時，鐵損耗就不變，因此鐵損耗也稱為“不變損耗”。

2．銅損耗

銅損耗包括基本銅損耗和附加銅損耗。基本銅損耗是電流在原、副邊繞組電阻上的損耗，而附加損耗指因集膚效應引起導線等效截面積變小而增加的損耗以及漏磁場在結構部件中引起的渦流損耗等。變壓器銅損耗的大小與負載電流的平方成正比，因此銅損耗也叫“可變損耗”。

3．效率及效率特性

變壓器效率指輸出功率P2與輸入功率P1之比，通常用百分數表示，即圖5-12為變壓器的效率曲線η=f(P2)。由圖可見，效率隨輸出功率的變化而變化，并有一最大值。由于電力變壓器不可能一直處于滿載運行，設計時通常使最大效率出現在50%~60%額定負載附近。(5-15)圖5-12變壓器的效率曲線圖5.4變壓器的使用5.4.1變壓器的額定值按照國家標準規定，標注在銘牌上的代表變壓器在規定使用環境和運行條件下的主要技術數據稱為變壓器的額定值(或銘牌數據)。

1．額定電壓UN

額定電壓指變壓器長時間運行時所能承受的工作電壓，以伏或千伏為單位。變壓器的額定電壓有一次額定電壓U1N和二次額定電壓U2N。U1N指一次側應加的電源電壓，U2N指一次側加上U1N時二次繞組的空載電壓。應該注意，三相變壓器一次側和二次側的額定電壓都是指其線電壓。

2．額定電流IN

額定電流指變壓器允許長期通過的電流，以安為單位。變壓器的額定電流有一次額定電流I1N和二次額定電流I2N。同樣應注意，三相變壓器中I1N和I2N都是指其線電流。

3．額定容量SN

變壓器額定容量是指其二次側的額定視在功率，以伏安或千伏安為單位。額定容量反映了變壓器傳遞電功率的能力。對單相變壓器

SN=U2NI2N≈U1NI1N

(5-16)對于三相變壓器(5-17)

4．額定頻率fN

我國規定標準工頻頻率為50Hz。此外，變壓器的銘牌上還會標注溫升、效率、絕緣等級等。

例5-2某單相變壓器額定容量SN=5kV·A，額定電壓U1N=220V，U2N=36V，求原、副邊繞組的額定電流。

解副邊額定電流為由于U2N≈U1N/K，I2N≈KI1N，所以U2NI2N≈U1NI1N，變壓器額定容量SN也可以近似用I1N和U1N的乘積表示，即

例5-3三相變壓器，其連接組別為Y/Y0，額定電壓為10000/400V，現向額定電壓U2=380V，功率P=60kW，cosφ2=0.82的負載供電。求原副邊的電流，并選擇變壓器的容量。

解變壓器供給負載的電流為因為變壓器是Y形連接，相電流等于線電流，則副邊電流也是111.2A。變壓器的變比為原邊電流為變壓器容量為(原邊相電流也等于線電流)5.4.2變壓器繞組的極性及測定方法

1．極性要正確使用變壓器，還必須了解繞組的同名端(或稱同極性端)概念。繞組的極性是指繞組在任意瞬時兩端產生的感應電動勢的瞬時極性，它總是從繞組的相對瞬時電位的低電位端(用符號“-”表示)指向高電位端(用符號“+”表示)。兩個磁耦合作用聯系起來的繞組，例如變壓器的原、副繞組，當某一瞬時原繞組某一端點的瞬時電位相對于原繞組的另一端為正時，副繞組必定有一個對應的端點，其瞬時電位相對于副繞組的另一端點為正。這兩個具有正極性或另兩個具有負極性的端點，稱為同極性端，也叫同名端，用符號“.”表示。如圖5-13所示，把變壓器的副繞組ax與原繞組AX畫在同一鐵芯柱上，圖(a)中，兩個繞組在鐵芯柱上的繞向是相同的，當磁通Ф的變化使繞組中產生感應電動勢時，A與a或X與x端子的相對瞬時電位的極性是相同的，即A與a或X與x為同名端，畫上標記符號“.”表示。圖5-14(a)為變壓器繞組極性的表示方法。如果副繞組和原繞組在鐵芯柱上的繞向相反，如圖5-13(b)所示，則用同樣的方法可判別A與x或X與a是同名端，如圖5-14(b)所示。可見，變壓器繞組的同名端與兩個繞組在鐵芯柱上的繞向有關，已知繞組的繞向是很容易判別繞組的同名端的。圖5-13繞組極性與繞組繞向的關圖5-14變壓器繞組極性的表示

2．測定方法

對于已制成的變壓器，通常都無法從外觀上看出繞組的繞向，如果使用時需要知道它的同名端，可通過實驗方法測定同名端。

1)直流法圖5-15是采用直流感應法測定變壓器繞組極性的電路圖。將變壓器的AX繞組通過開關S與電池相連，另一個繞組與直流毫安表相連，圖中a端接毫安表正端，x接毫安表負端。開關S接通瞬間，如果毫安表指針正向偏轉，則AX繞組與電池正極相連的端子(圖中為A)和ax繞組與毫安表正極相連的端子(圖中為a)為同名端；如果毫安表指針反偏，則A和x為同名端。這是因為開關S接通瞬間，AX繞組中將流過一個從A流向X的正向增長的電流i1，根據楞次定律，AX繞組中將產生由X指向A的感應電動勢e1。如果a與A是同名端，則ax繞組中的感應電動勢e2的方向應由x指向a，故毫安表指針正向偏轉。如果x與A是同名端，則e2的方向應由a指向x，故毫安表指針反向偏轉。圖5-15變壓器繞組極性的測定1

2)交流法用交流感應法測定變壓器繞組極性的電路如圖5-16所示。用導線將AX和ax兩個繞組中的任一對端點(圖中為X和x)連在一起，在其中一個繞組(圖中為AZ)的兩端加一個較低的便于測量的交流電壓。用交流電壓表分別測量繞組AX、ax兩端以及A與a兩端的電壓值，設分別為U1、U2和U3。如果測量結果為U3=|U2-U1|，則用導線連接的一對端點X和x是同名端。如果測量結果為U3=-|U2-U1|，則用導線連接的一對端點X與x為異名端。測定原理讀者可依據同名端概念自行分析。圖5-16變壓器繞組極性的測定25.5特殊變壓器除了傳輸能量的電力變壓器外，還有多種特殊用途的變壓器，它們雖然結構與外形不盡相同，但基本原理是一樣的。下面介紹幾種特殊用途的變壓器。5.5.1自耦變壓器

1．自耦變壓器的結構

普通雙繞組變壓器的原、副繞組是相互絕緣的，它們之間只有磁的耦合，沒有電的直接聯系。如圖5-17所示，如果原、副邊共用一個繞組，副邊繞組只是原邊繞組的一部分，這樣的變壓器稱為自耦變壓器，而且它是一臺降壓變壓器。顯然，自耦變壓器的原、副繞組既有磁的聯系，又有電的聯系。圖5-17自耦變壓器原理圖在實用中為了得到連續可調的交流電壓，如圖5-18所示，常將自耦變壓器的鐵芯做成圓形，副邊抽頭做成滑動的觸頭，可自由滑動。當用手柄轉動觸頭時，就改變了副邊的匝數，調節了輸出電壓的大小。

2．自耦變壓器使用時的注意事項

(1)原、副邊不能對調使用，否則會燒壞繞組，甚至造成電源短路。

(2)接通電源前，應先將滑動觸頭調到零位，接通電源后再慢慢轉動手柄，將輸出電壓調到所需值。圖5-18自耦變壓器的外形圖5.5.2儀用互感器

在電工測量中，被測量的電量經常是高壓或大電流，為了保證測量者的安全，需將待測電壓或電流按一定的比例降低。用于測量的變壓器稱為儀用互感器。儀用互感器按用途可分為電壓互感器和電流互感器。

1．電壓互感器

1)工作原理電壓互感器實際上是一臺小容量的降壓變壓器，如圖5-19所示。它的原邊匝數較多，副邊匝數較少。工作時，原邊端線并聯在被測的高壓線路上；副邊端線接電壓表。其工作原理為(5-18)圖5-19電壓互感器原理圖

2)電壓互感器使用時的注意事項

(1)電壓互感器在運行時副邊絕對不允許短路，否則將產生很大的電流，導致繞組過熱而燒壞。

(2)電壓互感器的鐵芯和副繞組的一端都必須可靠接地，以防止因絕緣損壞時副邊出現高電壓，危及人身安全。

2．電流互感器

1) 工作原理如圖5-20所示，電流互感器原邊匝數少，副邊匝數多。工作時，原邊與被測電路的線路串聯，副邊接電流表。電流互感器是利用電流變換作用，將大電流變為小電流的升壓變壓器。其工作原理為(5-19)圖5-20電流互感器原理圖

2)電流互感器使用時的注意事項

(1)電流互感器在運行時副邊絕對不允許開路，否則鐵芯中的磁通將遠遠超過正常工作時的磁通，鐵芯會因發熱而損壞。

(2)電流互感器的鐵芯和副繞組的一端都必須可靠接地，以防止因絕緣損壞時副邊出現高電壓，危及人身安全。本章小結

(1)變壓器是一種按照電磁感應原理工作的靜止的電器設備。它的基本結構是在一個閉合鐵芯上繞著兩個匝數不同的線圈(繞組)，通過電磁感應關系，傳送電能，改變電壓的大小。變壓器除能變換電壓外，還有變換電流和變換阻抗的作用。

(2)變壓器的變壓原理：變壓器的變流原理:變壓器的變阻抗原理:

(3)為了正確選擇和使用變壓器，必須了解和掌握其額定值(額定電壓、額定電流、額定容量、額定頻率等)，并了解其外特性的意義和作用。變壓器在運行時有兩種損耗，一種是鐵損耗(也叫不變損耗)；一