【电力行业】科普：变压器的结构和工作原理

变压器是利用电磁感应原理传输电能、信号的器件。它具有变压、变流、变阻抗、隔离的作用，种类繁多应用广泛。例如：

1.电力系统中，升压远距离输电（如：10KV输电线路），用户端降压供电（如：220V市电）；

2.实验室利用自耦变压器改变电源电压；

3.测量上利用变压器扩大对交流电压、电流的测量范围；

4.电子设备和仪器中利用变压器提供多种电压和传递信号并隔离电路上的联系。

变压器虽然大小悬殊，用途各异，但基本结构和工作原理是相同的。

变压器的结构

变压器由铁芯和绕组两个基本部分组成，如下图所示，是它的示意图和符号。

▲变压器的结构示意图与符号

这是一个简单的双绕组变压器，在一个闭合的铁芯上套有两个绕组，绕组与绕组之间以及绕组与铁芯之间都是绝缘的。

绕组通常用绝缘的铜线或铝线绕成，其中一个绕组与电源相连，称为一次绕组，另一个绕组与负载相连，称为二次绕组。

为了减少铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗，变压器的铁芯大多用0.35～0.5 mm厚的硅钢片叠成，为了降低磁路的磁阻，一般采用交错叠装方式，即将每层硅钢片的接缝错开。如下图所示为几种常见的铁芯形状。

▲几种常见的铁芯形状

变压器按铁芯和绕组的组合方式，可分为心式和壳式两种，如下图所示。

变压器的结构形式：

• 心式变压器的铁芯被绕组所包围，它的用铁量比较少，多用于大容量的变压器，如电力变压器。
• 壳式变压器的绕组被铁芯锁包围，它的用铁量比较多，但不需要专门的变压器外壳，常用于小容量的变压器，如各种电子设备和仪器中的变压器。
  

变压器的工作原理

变压器的工作原理，我们将从空载运行、负载运行、阻抗变换，三种情况进行讲述。

1、空载运行

如下图所示，变压器的空载运行示意图。

变压器的空载运行：

变压器的一次绕组接上交流电压【u1】，二次侧开路，这种运行状态称为空载运行。这时二次绕组中的电流i2=0，电压为开路电压【u20】，一次绕组通过的电流为空载电流【i10】，各量的方向按习惯参考方向选取。上图中【N1】为一次绕组的匝数，【N2】为二次绕组的匝数。

由于二次侧开路，这时变压器的。一次侧电路相当于一个交流铁心线圈电路，通过的空载电流【i10】就是励磁电流。

磁通势【N1i10】在铁心中产生的主磁通【Φ】通过闭合铁心，既穿过一次绕组，也穿过二次绕组，于是在一、二次绕组中分别感应出电动势【e1】【e2】当e1、e2与Φ的参考方向之间符合右手螺旋定则时，由法拉第电磁感应定律可得

e1、e2的有效值分别为：

式中【f】为交流电源的频率，【Φm】为主磁通的最大值。

若略去漏磁通的影响，不考虑绕组上电阻的压降，则可认为一、二次绕组上电动势的有效值近似等于一、二次绕组上电压的有效值，即：

从上式可见，变压器空载运行时，一、二次绕组上电压的比值等于两者的匝数比，这个比值【K】称为变压器的变压比或变比。

• 当一、二次绕组匝数不同时，变压器就可以把某一数值的交流电压变换为同频率的另一数值的电压，这就是变压器的电压变换作用。
• 当一次绕组匝数N1比二次绕组匝数N2多时，K>1，这种变压器称为降压变压器。
• 当一次绕组匝数N1比二次绕组匝数N2少时，K<1，这种变压器称为升压变压器。
  

2、负载运行

如下图所示，变压器的负载运行示意图。

▲变压器的负载运行

如果变压器的二次绕组接上负载，则在二次绕组感应电动势【e2】的作用下，将产生二次绕组电流【i2】。这时，一次绕组的电流由【i10】增大为【i1】，二次侧的电流【i2】越大，一次侧的电流也越大。

因为二次绕组有了电流【i2】，所以二次侧的磁通势【N2i2】也要在铁心中产生磁通，这时变压器铁心中的主磁通系由一、二次绕组的磁通势共同产生。

显然，二次侧的磁通势【N2i2】的出现，将有改变铁心中原有主磁通的趋势。但是，在一次绕组的外加电压(电源电压)不变的情况下，主磁通基本保持不变，因而一次绕组的电流将由【i10】增大为【i1】使得一次绕组的磁通势由【N1i10】变成【N1i1】，用于抵消二次侧磁通势【N2i2】的作用。

也就是说，变压器负载时的总磁通势应与空载时的磁通势基本相等，用公式表示，即

上式便是变压器的磁通势平衡方程式。这就是为什么，变压器的输入电流会随负载电流增大而增大，起到能量传递的作用。

3、阻抗变换

如下图所示，变压器的阻抗变换示意图。

▲变压器的阻抗变换

变压器除了可以变压和变流，还可以变换阻抗。如上图所示，变压器原边接电源【u1】，副边接负载阻抗【l ZL I】，对于电源来说，图中点划线框内的电路可用另一个阻抗【l Z'LI】来等效代替。

所谓等效，就是它们从电源吸取的电流和功率相等。因为当电源端拥有高电压低电流时，是很难驱动低阻负载的，这时需要变换为低电压大电流，达到等功率传递的目的。早期的电子管功放就是如此，如下图。

电子管功放存在输入输出变压器用于阻抗变换，电子管工作在高电压低电流的环境，无法直接驱动电阻只有8Ω的动圈喇叭，因此需要变压器做阻抗变换，将功率传递成低压大电流的方式驱动喇叭。