单相变压器结构及电压变换功能解析

变压器按相数不同分为单相变压器、三相变压器；按结构不同分为心式变压器、壳式变压器；按用途不同分为电力变压器、配电变压器、整流变压器、电焊变压器、船用变压器、电源变压器等；按每相绕阻的个数不同分为双绕阻变压器、三绕阻变压器、自耦变压器；按冷却方式不同分为干式变压器、油浸式变压器。

1.变压器的结构

变压器基本组成均为闭合铁心、线圈绕组及冷却系统。其中铁心构成变压器的磁路，为了减少铁损，提高磁路的导磁性能，一般由表面绝缘的硅钢片交错叠压而成。根据铁心的结构不同，变压器可分为心式（小功率）和壳式（容量较大）两种；绕组即线圈，是变压器的电路部分，用绝缘导线绕制而成的，有一次绕组、二次绕组之分。与电源相连的称为一次绕组（或称初级绕组），与负载相连的称为二次绕组（或称次级绕组）；由于铁损而使铁心发热，变压器还要有冷却系统。小容量变压器采用自冷式冷却系统，而中大容量的变压器采用油冷式冷却系统。

单相变压器结构图及其符号如图911所示。

2.单相变压器的工作原理

如图912所示，在一次绕组上接入交流电压u1时，一次绕组中便有电流i1通过。一次绕组的磁动势i1N1产生的磁通绝大部分通过铁心而闭合，从而在二次绕组中感应出电动势。

如果二次绕组接有负载，那么二次绕组中就有电流i2通过。二次绕组的磁动势i2N2也产生磁通，其绝大部分也通过铁心而闭合。因此，铁心中的磁通是一个由一次绕组、二次绕组的磁动势共同产生的合成磁通，它称为主磁通，用Φ表示。主磁通穿过一次绕组和二次绕组而在其中感应出的电动势分别为e1、e2。此外，一次绕组、二次绕组的磁动势还分别产生漏磁通Φσ1和Φσ2，从而在各自的绕组中分别产生漏磁动势eσ1和eσ2。

图911　变压器结构图及其符号

图912　单相变压器

3.变压器的功能

（1）电压变换。当主磁通同时穿过一次绕组、二次绕组时，就在两个绕组中分别产生与电源频率相同的感生电动势和。设一次绕组、二次绕组的匝数分别为N1和N2，则由法拉第电磁感应定律可得一次绕组、二次绕组感应电动势的数学表达式为

当忽略一次绕组、二次绕组的直流电阻和漏磁通时，感应电压就等于感生电动势，但相位相反，即

由以上可推导出一次绕组、二次绕组的电压有效值大小之比为

式中K称为变压器的变比，亦即一次绕组、二次绕组的匝数比。可见，当电源电压U1一定时，只要改变匝数比，就可得出不同的输出电压U2。K＞1，为降压变压器；K＜1，为升压变压器。变比在变压器的铭牌上注明，它通常以“6000/400V”的形式表示一次绕组、二次绕组的额定电压之比，此例表明这台变压器的一次绕组的额定电压U1N=6000V，二次绕组的额定电压U2N=400V。所谓二次绕组的额定电压是指一次绕组加上额定电压时二次绕组的空载电压。由于变压器有内阻抗压降，所以二次绕组的空载电压一般应较满载时的电压高5%～10%。(www.xing528.com)

【例911】已知某变压器的一次绕组电压为220V，二次绕组电压为36V，一次绕组的匝数为2200匝。试求该变压器的变压比和次级的匝数。

解：由式（913）可分别求得电压比和次级匝数为

（2）电流变换。变压器能从电网吸收能量并通过电磁形成的能量转换，以另一个电压等级把电能输给用电设备或下一级变压器。在这个过程中，变压器只起一个传递能量的作用。根据能量守恒定律，在忽略损耗时，变压器输出的能量P2应和变压器从电网中吸收的能量P1相等，即P1=P2。于是当变压器只有一个次级时，就有下述关系

I1U1=I2U2

一次绕组、二次绕组的电流之比为

可见，变压器中的电流虽然由负载的大小确定，但是一次绕组、二次绕组中电流的比值是基本上不变的。因为当负载增加时，I2和I2N2随着增大，而I1和I1N1也必须相应增大，以抵偿二次绕组的电流和磁动势对主磁通的影响，从而维持主磁通的最大值近于不变。

变压器的额定电流I1N和I2N是指变压器在长时连续工作运行时一次绕组、二次绕组允许通过的最大电流，它们是根据绝缘材料允许的温度确定的。

二次绕组的额定电压与额定电流的乘积称为变压器的额定容量。

【例912】已知某电焊机变压器的匝数比K=5，其二次绕组电流I2=60A。试计算一次绕组电流。

解：根据式（914）可得

（3）阻抗变换。变压器不但可以变换电压和电流，还有变换阻抗的作用。变压器之所以能够实现阻抗匹配，根据输入功率等于输出功率，是因为只要适当选择一次绕组、二次绕组线圈的匝数，即变压器的变比，即可得到恰当的输出阻抗。

变压器具有变换阻抗的作用，所以他能实现阻抗匹配。阻抗匹配指使负载阻抗与放大器输出阻抗恰当配合，从而得到最大输出功率，这种阻抗恰当的配合称为阻抗匹配。