变压器的结构和工作原理详解

4.2　变压器的基本结构和工作原理

4.2.1　变压器的基本结构

变压器具有变换电压、电流和阻抗的作用，在各个领域有着广泛的应用。

电力变压器是电力系统中不可缺少的重要设备。在电厂或电站，用变压器将电压升高后通过输电线路送到各处，再用变压器将电压降低后送给各用电单位，这种输电方式可以大大降低线路损耗，提高输送效率。目前我国有多条主干线路已采用500kV的高压进行输电。

在其他领域中，也时常用到各种各样的变压器，例如电子电路中用的整流变压器、振荡变压器、输入变压器、输出变压器、脉冲变压器，控制线路用的控制变压器，调节电压用的自耦变压器，测量用的互感器，另外还有电焊变压器、电炉变压器等。

各种用途的变压器的工作原理都是基于电磁感应现象。因此，尽管变压器种类繁多，外形和体积有很大的差别，但它们的基本结构都相同，主要由铁芯和绕组两部分组成。根据铁芯与绕组的结构，变压器可分为心式变压器和壳式变压器。如图4-5（a）、（b）、（c）所示为心式变压器，其特点是绕组包围铁芯。其中图4-5（a）、（c）为大型单相和三相电力变压器采用的结构；图4-5（b）为C形铁芯变压器，一般用于小型的单相变压器和特殊的变压器。图4-5（d）所示为壳式变压器，这种变压器的部分绕组被铁芯所包围，可以不要专门的变压器外壳，适用于容量较小的变压器。

变压器的铁芯通常采用表面涂有绝缘漆膜，厚度为0.35mm的硅钢片经冲剪、叠制而成。

变压器的绕组有一次绕组和二次绕组，一次绕组和电源连接，二次绕组和负载连接。一次绕组和二次绕组均可以由一个或几个线圈组成，使用时可根据需要把它们连接成不同的组态。

4.2.2　变压器的工作原理

1.变压器的电压变换作用下面通过对变压器空载运行情况的分析，来说明电压变换作用。

变压器的一次绕组加上额定电压，二次绕组开路，这种情况称为空载运行。图4-6所示为变压器空载运行示意。当一次绕组加上正弦交流电压u₁时就有电流i₀通过，并由此而产生磁通。i₀称为励磁电流，也称空载电流。主磁通与一次、二次绕组相交并分别产生感应电动势e₁、e₂。漏磁通Φ_σ在一次绕组中产生感应电动势e₁′，图中规定Φ、Φ′的参考方向和i₀的参考方向符合右手螺旋定则，e₁、e₂的参考方向和Φ的参考方向也符合右手螺旋定则。设一次绕组的电阻为R₁，二次绕组空载时的端电压为u₂₀，根据基尔霍夫定律，可写出这两个绕组电路的电压方程分别为

u₁=-e₁-e₁′+R₁i₀

u₂₀=e₂

为了方便分析，不考虑磁饱和性及磁滞性而产生的电流、电动势的影响，式（4-9）与式（4-10）可写成向量的形式，即

不计绕组内阻损耗及漏磁电动势，式（4-11）可写成

设一次、二次绕组的匝数分别为N₁、N₂，由式（4-12）可知两个绕组的电压有效值分别为

U₁≈E₁=4.44fN₁Φ_m

U₂₀≈E₂=4.44fN₂Φ_m

于是

式中K为变压器的变比。

式（4-13）说明，一次、二次绕组的变压比等于它们的匝数比，当N₁、N₂不同时，变压器可以把某一数值的交流电压变换成同频率的另一个数值的交流电压，这就是变压器的电压变换作用。

如N₁＞N₂，U₁＞U₂₀，K＞1，变压器起降压作用，称为降压变压器。反之，若N₁＜N₂，U₁＜U₂₀，K＜1，称为升压变压器。

变压器的两个绕组之间，在电路上没有连接。一次绕组外加交流电压后，依靠两个绕组之间的磁耦合和电磁感应作用，使二次绕组产生交流电压，也就是说，一次、二次绕组在电路上是相互隔离的。

按照图4-6中绕组在铁芯柱上的绕向，若在某一瞬时一次绕组中的感应电动势e₁为正值，则二次绕组中的感应电动势e₂也为正值。在此瞬时绕组端点X与x的电位分别高于A与a，或者说端点X与x、A与a的电位瞬时极性相同。把具有相同瞬时极性的端点称为同极性端，也称为同名端，通常用“.”作标记。(www.xing528.com)

变换三相电压可采用三相变压器（图4-7），也可用3台单相变压器连接成三相变压器组来实现。

三相变压器或三相变压器组每一相的工作情况和单相变压器相同，所以单相变压器的分析同样适用于三相变压器的任何一相。

在三相变压器中，每根铁芯柱上绕着属于同一相的一次、二次绕组。一次绕组的首端和末端分别用A、B、C和X、Y、Z标明。二次绕组的首、末端则用a、b、c和x、y、z标明。

变换三相电压时，三相变压器或三相变压器组的一次绕组和二次绕组都可以接成星形或三角形。因此三相变压器有4种可能的接法：“Y,y”、“Y,d”、“D,d”、“D,y”。Y、y表示星形连接，D、d表示三角形连接。每组符号里前一符号（大写字母）表示高压绕组的接法，后一符号（小写字母）表示低压绕组的接法。其中星形连接又分三线制和四线制两种。三线制用Y表示，四线制用Y_n表示。我国生产的三相电力变压器以“Y,y_n”、“Y,d”和“Y_n，d”3种接法最多。

三相变压器的高压线电压和低压线电压的比值，不仅与高、低压绕组的每相匝数有关，而且与绕组的接法有关。

三相变压器与三相变压器组相比较，同容量的三相变压器体积小、成本低、效率高。但容量较大时，一般采用三相变压器组以便于分散搬运和安装。

2.变压器的电流变换作用　在变压器的一次绕组上施加额定电压，二次绕组接上负载后，电路中就会产生电流。下面讨论一次绕组电流和二次绕组电流之间的关系。

图4-8所示为变压器负载运行原理。i₂为二次电流，它是在二次绕组感应动势e₂的作用下流过负载Z_L上的电流。

二次绕组接上负载后，铁芯中的主磁通将由磁动势N₁和N₂共同产生。根据图示参考方向，合成后的总磁动势为N₁+N₂。在负载运行时，一次绕组的电阻电压降R1I1和漏磁通产生的感应电动势E1′比E1仍然小得很多，因此可近似认为

U₁≈E₁=4.44fN₁Φ_m

上述关系说明从空载到负载，若外加电压U₁及其频率f保持不变，主磁通的最大值Φ也基本不变，所以空载时的磁通势N₁和负载时的合成磁通势N₁+N₂应相等。即

因空载电流i₀很小，仅占额定电流的百分之几，故在额定负载时可近似认为

其有效值形式

式（4-14）说明，在额定情况下，一次绕组、二次绕组的电流有效值近似地与它们的匝数成反比，也就是说变压器具有电流变换作用。对于图4-8所示的电流参考方向而言，电流i₁和i₂在相位上几乎相差180°，因此，磁通势i₁N₁和i₂N₂的实际方向几乎是相反的。

3.变压器的阻抗变换作用如图4-9所示，当变压器负载阻抗Z_L变化时，i₂发生变化，i₁也随之而变。Z_L对i₁的影响可以用接于u₁的阻抗Z_L′来等效，等效的条件是u₁、i₁保持不变。下面分析等效阻抗Z_L′和负载阻抗Z_L的关系。为了分析方便，不考虑一次绕组、二次绕组漏磁通感应电动势和空载电流的影响，并忽略各种损耗，这样的变压器称为理想变压器。

图4-9中，根据所标电压参考方向和变压器的同极性端，u1和u2相位相反。对于理想变压器，，于是可得

式（4-15）说明，接在二次绕组的负载阻抗Z_L对一次侧的影响可以用一个接于一次绕组的等效阻抗Z_L′来代替，等效阻抗Z_L′等于Z_L的K²倍。由此可见，变压器具有阻抗变换作用。在电子技术中有时利用变压器的阻抗变换作用来达到阻抗匹配的目的。

【例4-1】图4-10所示信号源=1.0V，＆nbsp；内阻RS=200Ω，负载电阻RL=8Ω，今欲使负载从信号源获得最大功率，试求变压器的变比。

解：从电路原理可知，负载要获得最大功率应使其等效负载等于电源内阻，即

Z₁=K²R_L=R_S

故变压器变比

这种情况在电子技术中称为阻抗匹配。