铁路信号设备中的变压器：结构与作用

变压器是根据电磁感应原理制成的一种电气设备，它的符号如图3-2所示，T是它的文字符号。

图3-2　变压器的符号

它具有变压、变流和变阻抗的作用，因而在各个专业领域获得广泛应用。

1.变压器的用途和种类

在供电系统中，变压器是一种重要的电气设备。交流电的输电配电是离不开变压器的（见图3-3）。在电力拖动、自动控制、无线电设备中，变压器作为能量或信号的传递的元件广泛得到应用，在国民经济的其他部门，也大量使用变压器。

变压器在铁路信号设备中得到广泛应用，如信号变压器、轨道变压器、道岔表示变压器、扼流变压器、防雷变压器等。变压器具有隔离、变压、调压、测量等作用。

图3-3　输配电系统示意图

在电子线路中，变压器可以使负载获得适当电压等级的电源，还可用来传递信号和实现阻抗匹配。

变压器的种类很多，按交流电的相数不同，分为单相变压器和三相变压器；按用途分为输配电用的电力变压器，调节电压用的自耦变压器，测量电路用的仪用互感器以及电子设备中常用的电源变压器、耦合变压器、脉冲变压器等。

单相变压器的结构

2.变压器的基本结构

变压器主要由铁心和线圈两部分构成。

铁心是变压器的磁路部分，又是机械骨架。是用磁导率较高且相互绝缘的硅钢片制成的，以便减少涡流和磁滞损耗。按其构造形式可分为芯式和壳式两种，如图3-4（a）、图3-4（b）所示。

图3-4　芯式和壳式变压器（数字资源）

芯式变压器的铁轭靠着绕组的顶面和底面，而不包围绕组的侧面，其结构比较简单，绕组的装配和绝缘也较容易。绝大多数是变压器采用心式结构。

壳式变压器的铁轭不仅包围绕组的侧面。其制造工艺复杂，费材料。除小型电源变压器外，很少采用。

铁心的叠装方式有对装式和叠装式两种。

对装式铁心是将芯柱和铁轭分别由硅钢片叠成以后再对装起来。这种方式装配铁芯和安装绕组都很方便，但气隙过大。

广泛采用的是叠装式。将各层硅钢片交错放置，以减小芯柱和铁轭间磁路的磁阻。叠成后用穿通螺杆将铁芯夹紧，螺杆与硅钢片之间用纸绝缘。

线圈是变压器的电路部分，是用漆色线、沙包线或丝包线绕成。其中和电源相连的线圈叫原线圈（初级绕组），和负载相连的线圈叫副线圈（次级绕组）。

其他还有油箱、油、油枕、散热器、保护设备等。(www.xing528.com)

3.变压器的工作原理

变压器是按电磁感应原理工作的，原线圈接在交流电源上，在铁芯中产生交变磁通，从而在原、副线圈产生感应电动势，如图3-5所示。

图3-5　变压器空载运行原理图

4.变换交流电压

在交流电源电压U1作用下，原边绕组有一较小电流I1，此电流称为空载电流或励磁电流。在I1的作用下，铁心中产生一交变主磁通Φ，Φ 穿过原、副边绕组，分别产生感应电动势E1、E2。感应电动势为

其中N1为原边绕组匝数，N2为副边绕组匝数。

由此得

忽略线圈内阻得

式（3-6）中K称为变压比。由此可见：变压器原副线圈的端电压之比等于匝数比。

如果N1＜N2，K＜1，电压上升，称为升压变压器。

如果N1＞N2，K＞1，电压下降，称为降压变压器。

5.变换交流电流

根据能量守恒定律，变压器输出功率与从电网中获得功率相等，即P1=P2，由交流电功率的公式可得

式中，cosφ1为原线圈电路的功率因数；cosφ2为副线圈电路的功率因数。φ1，φ2相差很小，可认为相等，因此得到

可见，变压器工作时原、副线圈的电流跟线圈的匝数成反比。高压线圈通过的电流小，用较细的导线绕制；低压线圈通过的电流大，用较粗的导线绕制。这是在外观上区别变压器高、低压绕组的方法。

6.变换交流阻抗

设变压器初级输入阻抗为|Z1|，次级负载阻抗为|Z2|，则

可见，次级接上负载|Z2|时，相当于电源接上阻抗为K2|Z2|的负载。变压器的这种阻抗变换特性，在电子线路中常用来实现阻抗匹配和信号源内阻相等，使负载上获得最大功率。

例3-1　有一电压比为220/110 V的降压变压器，如果次级接上55 Ω的电阻，求变压器初级的输入阻抗。