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變壓器
改變交流電壓的裝置
變壓器（transformer），是一種利用電磁感應(yīng)原理來升降電壓并實(shí)現(xiàn)能量和信息傳遞的多端電氣設(shè)備。裝置的發(fā)明最早可以追溯到十九世紀(jì)的歐洲。主要結(jié)構(gòu)為由鐵芯、繞組、引線構(gòu)成的器身以及若干附件，包括油箱，防爆管，氣體繼電器，分接頭，絕緣套管等。變壓器的種類非常豐富，通常可以按用途分為電力變壓器和特種變壓器。變壓器的主要功能是實(shí)現(xiàn)電壓的升降，另外也可以實(shí)現(xiàn)電流的升降改變，能量的傳輸，電氣絕緣隔離，電路的穩(wěn)壓，改善電路的抗干擾性等等。可以用于輸電系統(tǒng)，測量系統(tǒng)，自動(dòng)控制、電焊、電子電力等諸多領(lǐng)域。
基本信息
中文名
變壓器
英文名
transformer
原理
電磁感應(yīng)定律
功能
改變交流電壓電流
組成部分
鐵芯、繞組及其他相關(guān)附件
應(yīng)用學(xué)科
電工學(xué)
概念簡述
變壓器是一種利用電磁感應(yīng)原理來升降電壓電流并實(shí)現(xiàn)能量和信息傳遞的多端電氣設(shè)備。該裝置采用磁耦合的基本原理，在相同的頻率下，可以把從原來的交流電的電壓值轉(zhuǎn)變成其它的電壓值，滿足高壓、低壓等應(yīng)用需求。在電網(wǎng)中，變壓器是一種重要的電器。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，各種類型的電力變壓器相繼出現(xiàn)，不斷適應(yīng)各種電氣電路的需求。由于在電力輸送中，由于電力守恒原理，所消耗的電力與所傳送的電力相比很少，因此，在正常工作狀態(tài)下，變壓器的工作效能可高達(dá)95%。
發(fā)展歷史
1831年，法拉第利用圖1所示的裝置，發(fā)現(xiàn)左邊開關(guān)在接通的瞬間，右邊的電流表會(huì)立刻偏轉(zhuǎn)，并很快復(fù)原。由此證明電磁可以互相產(chǎn)生，并建立了電磁感應(yīng)定律。不僅為變壓器的誕生奠定了理論基礎(chǔ)，這一模型也是變壓器最早的模型。
圖1. 法拉第電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置
1882年，法國人高納德和英國人吉伯斯使用一種名為“二次發(fā)電機(jī)”的裝置來改變電壓。
1885年，匈牙利電力工程的德利、伯拉錫、濟(jì)拍勞斯基在高納德一吉伯斯的裝置結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，并將“變壓器”這個(gè)術(shù)語第一次應(yīng)用到了這個(gè)領(lǐng)域。同年，匈牙利的 Genz工廠制造出了一臺(tái)單相閉環(huán)磁電路（此后被稱作“變壓器”），它的主要部件已初步成型。
1890年左右，三相交流輸配電系統(tǒng)的發(fā)明與發(fā)展，使變壓器在電網(wǎng)中的重要性更為明顯，三相鐵心式變壓器應(yīng)運(yùn)而生。
1930年左右，在初步建立起了變壓器的基礎(chǔ)理論后，對變壓器進(jìn)行了各種改造和完善。即利用新的材質(zhì)、新的優(yōu)化方法和新的生產(chǎn)流程來不斷拓寬變壓器應(yīng)用領(lǐng)域。
1934年，美國人高斯攻克單向硅鋼片的制備技術(shù)，使得變壓器的重量、空載損耗、額定容量等性能指標(biāo)得到大幅改善。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，感應(yīng)爐變壓器、高壓試驗(yàn)變壓器、電子變壓器、高溫超導(dǎo)變壓器等各式各樣的變壓器不斷涌現(xiàn)，在電力網(wǎng)絡(luò)，電路通訊，國防軍工，金屬冶煉等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
工作原理
基本原理
根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，線圈當(dāng)中交變的電流會(huì)產(chǎn)生磁通。當(dāng)把兩個(gè)線圈放到一起的時(shí)候，線圈中激勵(lì)的磁通不僅能與穿過自身引起自感電壓，而且還會(huì)有一部分會(huì)穿過鄰近的線圈，在該線圈中產(chǎn)生互感電壓。這種現(xiàn)象稱之為互感現(xiàn)象 ，也稱之為磁耦合。變壓器就是典型的互感元件。
無論是單相還是三相電力變壓器，都是由鐵芯、繞組和引線構(gòu)成變壓器的器身。通常纏繞在輸入端芯棒上的導(dǎo)線稱為原始繞組，纏繞在輸出端芯棒上的導(dǎo)線稱為副繞組。變壓器中由于原始繞組和副繞組靠得很近，原始繞組中的交變電流產(chǎn)生的磁通，會(huì)在副繞組中激勵(lì)出感應(yīng)電勢。如果副繞組端有電阻等負(fù)載的接入，會(huì)在副繞組連接的電路中產(chǎn)生電流使電阻加熱，這就是變壓器的基本工作原理。另外，鐵芯可以大幅增強(qiáng)互感系數(shù)，從而將絕大部分的能量從原始繞組傳遞到副繞組。
理想電壓變換關(guān)系
在原繞組端輸入交變電壓
圖2. 空載運(yùn)行的變壓器
由于副邊開路，原繞組的磁勢為
根據(jù)電磁感應(yīng)定律可得
理想情況下，線圈電阻和漏磁電動(dòng)勢與主磁電動(dòng)勢相比都可以忽略不計(jì)，
由此得到
式中，
理想電流變換關(guān)系
同樣，
能量損耗
鐵損耗
- 釋義：由鐵芯存在的磁滯和渦流損耗造成的能量損耗；
銅損耗
- 釋義：電流流過兩側(cè)繞組時(shí)，由于電阻的存在，造成的能量損耗；
- 影響因素：負(fù)載電流大小，繞組的材料；
- 特點(diǎn)：正比于負(fù)載端電流的平方，又稱為“可變損耗”。
理想變壓器
實(shí)際變壓器由于各種限制，難以避免會(huì)存在上述兩類損耗。在分析或者應(yīng)用時(shí)，所建立的一個(gè)忽略這些損耗的等效近似模型，稱為理想變壓器。
結(jié)構(gòu)
雖然有多種類型的變壓器，但是它們的基本構(gòu)造都是一樣的，都是由鐵芯、原副繞組和若干附件構(gòu)成的。
鐵芯
鐵芯材料
鐵芯是變壓器的核心骨架，它由兩個(gè)部件組成：鐵芯柱（芯棒）和鐵軛。芯棒上裝有線圈，鐵輪的功能是關(guān)閉磁回線。為改善磁芯的磁導(dǎo)特性，降低磁芯中的滯后損失和渦流損失，一般選用高導(dǎo)電率、低比耗的冷軋硅鋼板。對于有特別需求的變壓器，可用坡莫型合金、鐵氧體等。
鐵芯疊片形式
條狀鐵行疊片：大、中型變壓器的芯，通常是把硅鋼板切成條形結(jié)構(gòu)的疊片，并以交叉疊放的形式堆砌，以保證每一層的磁間隙彼此錯(cuò)位；該工藝能減小空氣間隙，減小磁電阻。小型變壓器經(jīng)常交替堆疊不同形狀的沖片，以簡化工藝并減少空氣間隙。
圖3. 不同形狀的沖片
漸開線式鐵芯：其鐵芯支柱由釘在預(yù)成型的漸開線形狀的冷軋硅鋼片上壓縮制成，鐵軛是用硅鋼片卷裝纏繞而成，然后將兩者對接擰緊。具有適合大批量生產(chǎn)、比體積小、耗材少等優(yōu)點(diǎn)。
鐵芯截面形態(tài)
鐵芯柱的截面有方形、矩形和梯形，前兩種形狀截面常見于小型變壓器，后者通常是大型變壓器為充分利用空間所采用。
繞組
又稱為線圈，是變壓器的傳導(dǎo)電流的部分，通常由絕緣導(dǎo)線（一般為銅、鋁材料）纏繞而成。繞組一般都繞成圓形，這種形狀的繞組便于纏繞的同時(shí)也具有一定的韌性強(qiáng)度。根據(jù)繞組的形狀結(jié)構(gòu)不同，繞組可以分為同心型和交疊型。
同心式繞組
主要有圓筒式、分段式、螺旋式和連續(xù)式。通常為了便于與鐵芯絕緣，將低壓繞組繞和高壓繞組分別同心地纏繞在內(nèi)外面。在高低壓繞組之間設(shè)置了有助于分散繞組的熱量油道，油道的存在也可在兩個(gè)繞組之間形成電氣隔離。
交疊式繞組
交疊式繞組是將高壓繞組和低壓繞組分成制成線餅的形狀，沿著芯棒像堆盤子一樣交替堆疊，所以又稱餅式繞組。高壓繞組一般不會(huì)放置在最上面和最下面，以防電壓過大產(chǎn)生電氣擊穿。交疊式繞組具有絕緣性能好，承重能力強(qiáng)，方便接線等優(yōu)點(diǎn)。
其他附件
油箱：中等容量以上的變壓器往往需要考慮散熱問題，為了增強(qiáng)變壓器的散熱，變壓器被設(shè)計(jì)成內(nèi)部裝滿油的密封油箱結(jié)構(gòu)。變壓器的鐵芯和繞組等部件浸入在油箱里面。油箱包括油箱本體和油箱附件。
安全氣道：又稱為防爆管，可以保證變壓器內(nèi)部壓力過大時(shí)，可以將油以及氣化產(chǎn)生的氣體從安全氣道疏導(dǎo)出去，使油箱不會(huì)因壓力異常而損壞。
圖4.氣體繼電器
氣體繼電器：氣體繼電器是變壓器的保護(hù)裝置。當(dāng)變壓器因高溫、壓力失衡導(dǎo)致油揮發(fā)分解或者產(chǎn)生沖擊的油流時(shí)，繼電器觸點(diǎn)起作用，發(fā)出報(bào)警信號(hào)或跳閘。
分接頭與分接開關(guān)：變壓器分接頭的功能是調(diào)節(jié)原副繞組匝數(shù)比，因?yàn)橐话阋笤呺妷阂笤谝欢ǖ姆秶鷥?nèi)調(diào)節(jié)，因而原繞組一般都有抽頭，稱為分接頭。利用分接開關(guān)與不同的分接頭相接，就可以改變原繞組的匝數(shù)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)變壓器輸出電壓的目的。分接開關(guān)分為有載調(diào)壓和無載調(diào)壓兩種。
絕緣套管：變壓器的絕緣套管是一個(gè)負(fù)載電流的部件。它的主要功能是把高壓引線從變壓器中引出，用于絕緣保護(hù)和固定引線。
主要分類
變壓器的種類很多，為了達(dá)到不同的使用目的，并適應(yīng)不同的工作條件，變壓器的類型可按其用途、繞組和鐵芯的材料結(jié)構(gòu)、相數(shù)、工作頻率、調(diào)壓方式、冷卻方式等進(jìn)行分類。
根據(jù)用途分類
變壓器分為電力變壓器和特種變壓器
根據(jù)變壓器構(gòu)造分類
按繞組結(jié)構(gòu)
按鐵芯結(jié)構(gòu)
按照繞組在芯棒上的纏繞方式，鐵芯主要可分成芯型和殼型兩種結(jié)構(gòu)類別。
圖5. 芯式變壓器和殼式變壓器
芯型變壓器：芯型變壓器的原、副繞組組合在兩個(gè)鐵心柱上，構(gòu)造較為簡單，安裝時(shí)有更多的空隙，安裝方便，耗鐵也少；大容量、高電壓的變壓器通常為芯型。
殼式變壓器：殼式變壓器的鐵芯圍繞線圈的上下部和兩側(cè)。該構(gòu)造的變壓器具有良好的力學(xué)性能，且芯易于散熱器，但其耗鐵較多，生產(chǎn)工藝也比較繁瑣。小容量、低電壓的變壓器通常為殼型。
按相數(shù)分類
單相變壓器
用兩組線圈纏繞在同一鐵芯便構(gòu)成了單相變壓器。通常是用來變換單相交流電壓和電流，一般額定容量比較小。在電子線路、焊接、治金、測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及試驗(yàn)等方面，單相變壓器的應(yīng)用較為廣泛。
三相變壓器
1、三相變壓器組
圖6. 三相變壓器組的磁路系統(tǒng)
結(jié)構(gòu)：由三個(gè)完全一樣的單相變壓器按右圖形式構(gòu)成，稱為三相組式變壓器或三相變壓器組。
特點(diǎn)：對應(yīng)的磁路是一種組式磁路，三相的每一相具有各自獨(dú)立的磁回線，并不相互關(guān)聯(lián)。所以，在一次側(cè)加上三相對稱的三相電壓時(shí)，每相主磁通量和空載電流都相互對稱。
圖7. a、三相芯式變壓器的磁路系統(tǒng) b、省出中間鐵芯柱
c、將鐵心柱布置在同一平面
2、三相芯式變壓器
結(jié)構(gòu)：用三根鐵芯按圖7結(jié)構(gòu)連接在一塊形成的。在三相磁通對稱情況下，中間鐵心柱內(nèi)部的主要磁通量為零
特點(diǎn)：三相芯式變壓器對應(yīng)的是芯式磁路，芯式磁路具有相互關(guān)聯(lián)的特征，每個(gè)相位的磁路都與另外兩相磁路形成閉合回路；三相磁路的長度可以是不同的，磁阻也可以不同。
3、原理特點(diǎn)
從工作機(jī)理上分析，三相變壓器在負(fù)荷均勻的情況下，不同相的電流電壓除了有120°的相位差，電流電壓的大小、振幅、頻率均與單相無異。
多相變壓器
多相交流電通常是三相交流電利用平衡變壓器轉(zhuǎn)換得到。最基本的平衡變壓器有三種類型：斯科特變壓器、李布朗克變壓器和伍德橋變壓器。
按冷卻形式
干式變壓器
主要特點(diǎn)有：
1、安全，防火，無污染；
2、機(jī)械強(qiáng)度高，抗短路能力強(qiáng)；
3、損耗低，噪聲小；
4、散熱性能、防潮性能好；
5、體積和質(zhì)量小，安裝調(diào)試方便。
油浸式變壓器
油浸式變壓器是指變壓器的繞組是浸泡在油中的一類變壓器，也屬于自發(fā)冷卻型變壓器。通常又分為自冷式，風(fēng)冷式和強(qiáng)制油循環(huán)冷卻式等。
特點(diǎn)：由于防火的需要，油浸式變壓器一般安裝在單獨(dú)的變壓器室內(nèi)或室外，具有體積大、成本低、維修簡單、散熱好、過負(fù)荷能力強(qiáng)、適應(yīng)環(huán)境廣泛的特點(diǎn)。
充氣式變壓器
充氣式變壓器是指變壓器的器身放在一密封的鐵箱內(nèi)，箱內(nèi)充以氣體代替變壓器油的一類變壓器。這種氣體通常要求絕緣性能好，傳熱快，化學(xué)性能穩(wěn)定，常用沸點(diǎn)比較低的六氟化硫作為冷卻介質(zhì)，屬于蒸發(fā)冷卻型變壓器。
特點(diǎn)：具有優(yōu)良的電氣性能，可用于安全防火要求較高的場所。
根據(jù)調(diào)壓方式分類
（1）無載調(diào)壓變壓器：不具備帶負(fù)載轉(zhuǎn)換檔位的能力，調(diào)檔時(shí)必須使變壓器停電。
主要功能和應(yīng)用領(lǐng)域
電流電壓升降
變壓器線圈匝數(shù)可用于調(diào)節(jié)變壓器輸出的電壓和電流。通常情況下，輸出電壓和輸入電壓的比率是次級線圈的匝數(shù)
阻抗變換
變壓器的一次繞組與二次繞組的匝數(shù)比不同，耦合過來的阻抗也不同，在數(shù)值上，二次阻抗
相位轉(zhuǎn)換
采用變換線圈纏繞方向的方式，可以實(shí)現(xiàn)對交變信號(hào)進(jìn)行反相位調(diào)節(jié)。
穩(wěn)壓和隔離
利用鐵心材料的飽和特性來實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，通常需要將初級繞組放在截面積大的芯棒上，次級繞組放在截面積小的芯棒上。通過一次繞組與二組繞組的磁性耦合，使其在兩組繞組間無電氣聯(lián)結(jié)，使其電氣絕緣。
應(yīng)用領(lǐng)域
輸電系統(tǒng) | 利用變壓器的升降電壓的功能，減少長距離輸電的損耗，同時(shí)滿足各級電壓需求 |
電力保護(hù) | 實(shí)際工作中，經(jīng)常利用變壓器的絕緣特性，可以防止在使用過程中發(fā)生電擊事故 |
電子電路 | 通過電壓升降、整流功能獲得器件所需的直交流電壓；利用隔離功能實(shí)現(xiàn)器件間的絕緣；通過阻抗變換功能滿足電路阻抗匹配的要求 |
測量系統(tǒng) | 利用變壓器調(diào)節(jié)電壓電流的功能，將大電壓大電流轉(zhuǎn)化成小電壓和小電流，便于安全測量 |
電焊領(lǐng)域 | 在需要利用電弧焊進(jìn)行連接的結(jié)構(gòu)、管線中，可以使用電焊變壓器完成焊接 |
自動(dòng)控制系統(tǒng) | 利用脈沖變壓器可以增大脈沖寬度以及減少脈沖后延時(shí)間等特性用于晶體管的觸發(fā)控制 |
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作者
