电气新手必知：变压器原理（专业电气学姐带你学二十八）

谈及变压器，我想没有哪位电工朋友是没听过的，而且大家对它或多或少应该都有一定的了解。变压器是一种很常见的电气设备，它的应该非常广泛，不管是在电力系统或者的在电子电路中，它都是不可或缺的设备。

变压器是基于电磁感应原理而制成的静止式电机，它的用途主要是用于电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等。在电力系统中有着很多不同的电压等级，这些电压等级之间的变换靠的就是电力变压器，包括升压变压器和降压变压器。如下图28-1所示，电力变压器在电力系统电能的输送与分配过程中起着中间媒介的作用。

▲图28-1

变压器电流变换方面的应用，大家较为熟悉的应该是电流互感器了。关于电流互感器，本文接下来也会讲到。既然电压、电流都能变换，根据U=IZ（Z为阻抗符号），显然，阻抗也是可以变换的，例如电子电路中的阻抗匹配就是通过变压器实现的。

变压器的构造基本是大同小异，主要构件都有初级线圈、次级线圈和铁芯（磁芯）三部分。而随着电压等级的升高，变压器的体积也会随之增大。下图28-2为几种变压器的实物图，从图中我们可以看到，高低压变压器的大小差别特别明显。另外，心式变压器和壳式变压器的区别如图28-2右边所示。

▲图28-2

变压器的分类除了高低压上的区别外，还有很多种分类方式。例如按相数分可以分为单相、三相及多相变压器；按用途分可以分为电力变压器、仪用变压器、特种变压器等；按绕组形式分可以分为双绕组、三绕组和变压器等。上文说到，变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，如图28-3所示，其中接电源的绕组叫初级线圈（或者叫一次绕组等），其余的绕组叫次级线圈（或者叫二次绕组等）。关于变压器的工作原理，其实就是一次绕组流过励磁电流，励磁电流产生的磁通沿铁芯构成磁路，该磁通穿过二次绕组，然后使得二次绕组产生感应电动势，若二次回路闭合，则会流过二次电流，通过一、二次绕组的匝数不同达到变压的目的。而铁心的作用是加强两个线圈间的磁耦合。

▲图28-3

变压器是基于电磁感应原理的实际应用，如果大家是按《电工基础》系列文章的顺序学习的，那么变压器的工作原理不用我讲大家也已经懂了。

在《电工基础》中，曹老师还讲到了变压器的空载运行和负载运行，但是没有讲得很详细，这是理所当然的，《电工基础》本就是基础课程，如果大家想深入学习变压器的知识，还是要看一些其他的专业课程。我再此就按曹老师的课程，给大家简单讲解一下变压器的空载运行和负载运行。

▲图28-4

变压器的空载运行，是指变压器的原边绕组接入电源，而副边绕组处于开路的工作状态。此时，变压器原边绕组中流过的电流称为变压器的空载电流，空载电流产生空载磁场。如上图28-4所示，一次绕组外加交流电压，使得一次绕组流过一次电流（空载电流），此时一、二次绕组都会产生感应电动势，即一次线圈产生的压降为U₁，二次线圈的端口电压为U₂₀。根据电磁感应定律e =-NΔφ/Δt，两个绕组处在同一磁路，所穿过的磁通变化率相同，此时有一次线圈的感应电动势与二次感应电动势数值之比（或者一次电压与二次电压数值之比）等于两个绕组的匝数之比，如图28-4所示，即U₁/U₂₀=N₁/N₂=k，其中U₂₀等于变压器的二次额定电压；k就是变压器的变比。简单来说就是，原副边电压之比等于原副边匝数之比，等于常数k，这就是变压器的变电压作用。

变压器的负载运行，是指变压器的原边绕组接入电源，而副边绕组处于负载运行的工作状态。理想情况下，此时变压器一次侧的输入功率等于二次侧的输出功率，即P₁=P₂。如下图28-5所示，其中Z₁、Z₂是原副边的阻抗。阻抗，简单来讲就是电阻和电抗的矢量和，其中电抗又包括感抗和容抗，在变压器中的电抗主要是感抗。

▲图28-5

图28-5中的阻抗Z₁、Z₂加绝对值符号是代表该阻抗的模。模指的是向量的大小，它和向量的区别在于，向量是有方向的，而模是没有方向的。更多向量的知识，在这里也不做展开讲解。

变压器负载运行时，原边线圈流过一次电流产生的磁通在副边绕组中产生感应电动势，由于二次回路是闭合带负载的，此时副边线圈就会流过负载电流，该负载电流又会产生磁通影响着一次线圈，原副边线圈产生的磁通相互影响，然后趋于动态平衡状态。理想情况下，原副边线圈的电压、电流和阻抗的关系如图28-5所示，即变压器可以进行电压变换、电流变换以及阻抗变换。

实际工作中，变压器的负载运行是存在损耗的，这在之前的文章也提到过，所以变压器的电压变换或电流变换不可能完全等于常数即变比k，它存在一定的误差。变压器二次端电压随着二次负载电流的变化而变化，是变压器外特性的体现。

▲图28-6

如图28-6所示，一次侧外加电压保持不变，变压器负载后，由于一、二次侧均有电流通过，必然在一次侧、二次侧内阻抗上产生电压降，从而使二次电压随负载电流的增加而变小。二次电压与电流的关系曲线为U₂=f(I₂)，称为变压器的外特性。

电力系统中，当变压器过载或重载时，往往会造成二次电压过低，此时就要采取措施对二次电压进行调整。这里就要涉及到一个新的概念：变压器的电压调整率。

▲图28-7

想要了解一台设备，就必须要查看它的技术数据，变压器的技术数据比较多，如下图28-8所示是变压器型号的简单说明。我们主要是学习变压器的额定值。一般变压器的额定值在它的铭牌上均有给出。如图28-7所示为变压器电压调整率的表达式，即空载电压U₂₀与变压器热平衡后的满载电压U₂之差与空载电压U₂₀的百分比。

▲图28-8

1、额定电压：指在变压器的线圈上所允许施加的电压，这里的额定电压指的是线电压（即相与相之间的电压），变压器在工作时不得大于规定值。（1）一次额定电压U_1N：指正常时一次绕组所加电压的有效值；（2）二次额定电压U_1N：指一次电压为U_1N时，变压器空载时对应二次侧的空载电压有效值，即U₂₀=U_2N。

2、额定电流：（1）一次额定电流I_1N：一次绕组加额定电压，正常工作时一次绕组允许长期通过的大电流有效值；（2）二次额定电流I_2N：一次绕组加额定电压，正常工作时二次绕组允许长期通过的大电流有效值。无论是I_1N或是I_2N均是指线电流。

3、额定容量S_N：指二次侧的输出额定视在功率，在单相变压器中，S_N=U_2NI_2N；在三相变压器中，S_N≈1.732U_2NI_2N，即根号3倍的U_2NI_2N。变压器的额定容量代表着变压器传输功率的大能力。

4、额定频率f_N：变压器的额定频率为工频50Hz。

前文提到过，变压器在实际的工作中是有损耗的，之前的学习文章中有一章是讲述交流铁芯线圈功率损耗的，其中也有提到过变压器的损耗，在此，再次展开学习一下。

变压器的损耗ΔP和交流铁芯线圈的损耗一样，也是包括铁损ΔP_Fe和铜损ΔP_Cu两部分，即ΔP =ΔP_Fe ΔP_Cu。

（1）铁损ΔP_Fe：变压器的铁损又称为固定损耗，是交变的主磁通在铁芯中产生磁滞损耗ΔP_h和涡流损耗ΔP_e之和。磁滞损耗是指磁滞现象引起铁芯发热，造成的损耗；涡流损耗是交变磁通在铁芯中产生的感应电流（涡流）造成的损耗。和之前关于交流铁芯线圈的损耗文章中已经提到过的一样，为了减少变压器的涡流损耗，其铁芯一般由导磁硅钢片叠成。

（2）铜损ΔP_Cu：变压器的铜损又称为可变损耗，它是变压器绕组导线电阻的损耗。变压器一次侧、二次侧均有电阻，当有电流通过时，就会有损耗的产生。

有损耗就有效率，变压器的效率η如下图28-9所示，为二次侧输出功率与一次侧输入功率的百分比。在这里要提到的一点是，变压器的容量并不等于它的输出功率。

▲图28-9

在各种各样的变压器中，除了较为常见的普通变压器外，还有一些特殊的变压器，例如自耦变压器、电流互感器和电压互感器等。

自耦变压器，所谓自耦，指的的自行耦合。自耦变压器是指它的原边绕组和副边绕组直接串联，即它的一、二次均在同一绕组上的变压器。普通的变压器是通过原副边线圈电磁耦合来传递能量的，原副边之间没有直接电的联系，而自耦变压器的原副边有直接电的联系，它的低压线圈就是高压线圈的一部分。

▲图28-10

自耦变压器的原理图如图28-10所示，使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的输出电压。实验室中使用的调压器就是根据此原理制作的。

电压互感器，如下图28-11左边所示，类似于普通变压器，它是用来变换电压的仪器。一般的变压器变换电压的目的是方便电能的输送，有升压和降压两种，容量很大，一般都是以千伏安或兆伏安为计算单位；而电压互感器类似降压变压器，主要是用来给测量仪表和继电保护装置提供电压的，容量比较小。电压互感器的二次侧是不能短路的，以防产生过电流而造成设备的损坏或人身的伤害。另外，电压互感器的铁芯和低压绕组的一端接地，以防在绝缘损坏时，在二次侧出现高压。

▲图28-11

电流互感器，如上图28-11右边所示，简单来讲就是变换电流的变压器，它的主要作用是讲一次侧的大电流转换成二次侧的小电流来提供测量的仪器。电流互感的一次侧绕组匝数很少，串在被测电流的线路中。电流互感器一次侧的电流即是线路的电流，二次侧绕组匝数比较多，和一次绕组一样，也是采用串联的形式串接在测量仪表和保护回路中。电流互感器在使用时，二次侧是不能开路的，以防产生高电压，造成设备的损坏或人身的伤害。另外，铁芯和低压绕组的一端也要接地，以防在绝缘损坏时，在二次侧出现过电压。

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