[拼音]：bianyaqi

[外文]：transformer

根據(jù)電磁感應(yīng)定律將交流電變換為同頻率不同電壓的交流電的非旋轉(zhuǎn)式電機(jī)（見(jiàn)圖）。主要由兩組或更多組互相靠近的繞組構(gòu)成，并使各繞組的磁場(chǎng)互相交鏈。利用變壓器可以實(shí)現(xiàn)：

（1）高效、經(jīng)濟(jì)、方便地升高電壓，減小電流，以滿(mǎn)足遠(yuǎn)距離、大功率輸電的要求；

（2）方便地降低電壓，利于近距離供電，或進(jìn)一步降低到安全電壓（如8伏、12伏、24伏等），以保證人身安全；

（3）變換電流（如儀用變流器）；

（4）變換阻抗（如輸入變壓器、輸出變壓器）；

（5）變換相數(shù)（如將三相變成六相或十二相的整流用變壓器）；

（6）變換相角；

（7）既不變換電壓，也不變換電流和相角，只是以1:1的變比將其兩側(cè)的電路用高強(qiáng)度絕緣予以隔離。由于變壓器的多種功能，特別是它在高壓輸電中的決定性影響，使它在電力系統(tǒng)中幾乎起著和發(fā)電機(jī)同樣重要的作用?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有大容量的電力變壓器，就不會(huì)有現(xiàn)代大電力系統(tǒng)。

簡(jiǎn)史

1851年，列姆勒夫發(fā)明感應(yīng)線(xiàn)圈，這是變壓器的雛型。1876年，俄國(guó)的П.Н.雅布洛奇科夫采用有兩個(gè)繞組的感應(yīng)線(xiàn)圈改變供給負(fù)載的電壓，用低壓側(cè)的交流電給“電燭”供電，這實(shí)際是不閉合磁心的單相變壓器。1882年，俄國(guó)的И.Ф.烏薩金在莫斯科首次展出了有升壓、降壓變壓器的高壓變電裝置。1883年，法國(guó)的L.戈拉爾和英國(guó)的J.D.吉布斯制成一臺(tái)容量為 5千伏安的有實(shí)用價(jià)值的電力變壓器，當(dāng)時(shí)被稱(chēng)為“二次發(fā)電機(jī)”。美國(guó)的G.威斯汀豪斯購(gòu)買(mǎi)了戈拉爾和吉布斯的專(zhuān)利后進(jìn)行了改造，于1885年制成具有現(xiàn)代實(shí)用性能的電力變壓器，并用這種變壓器在馬薩諸塞州大巴林頓裝備了一座實(shí)驗(yàn)性交流發(fā)電站。1905年，瑞士勃朗－鮑威利有限公司制成第一臺(tái)大容量的電力變壓器(容量為1000千伏安)。至此，變壓器已達(dá)到工業(yè)性電網(wǎng)的實(shí)用程度。到50年代，單臺(tái)變壓器最大容量已達(dá)到500兆伏安，1975年則提高到1800兆伏安。

分類(lèi)

經(jīng)過(guò)約一百年的發(fā)展，變壓器已經(jīng)品種繁多、用途廣泛?，F(xiàn)代變壓器可分為兩大類(lèi)：電力變壓器和特種變壓器。電力變壓器按用途又可分為升壓、降壓、配電、廠用、礦用、聯(lián)絡(luò)變壓器等；按相數(shù)可分為單相、三相變壓器兩種；按繞組數(shù)可分為雙繞組、三繞組、自耦變壓器；按冷卻方式可分為油浸自冷式、油浸風(fēng)冷式、油浸水冷式、強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷式、強(qiáng)迫油循環(huán)水冷式變壓器等；按絕緣介質(zhì)可分為油浸式、合成非燃性油浸式、SF₆氣體絕緣式、 蒸發(fā)冷卻氣體絕緣式以及澆鑄干式變壓器等；按調(diào)壓方式可分為無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓式和有載調(diào)壓式變壓器。特種變壓器主要有：整流變壓器、電爐變壓器、電氣化鐵路專(zhuān)用變壓器、電焊變壓器、高壓直流輸電換流閥用變壓器、中頻變壓器、工頻高壓試驗(yàn)變壓器、大電流沖擊變壓器、儀用互感器（變換電壓用的電壓互感器和變換電流用的電流互感器）以及隔離變壓器等。

基本結(jié)構(gòu)

變壓器(以最簡(jiǎn)單的雙繞組變壓器為例)主要由兩個(gè)繞組和穿過(guò)這兩個(gè)繞組的共同磁路構(gòu)成（圖1）。

與電源相連、取得電功率的繞組稱(chēng)原繞組，又稱(chēng)一次繞組；與負(fù)載相連，輸出電功率的稱(chēng)副繞組，又稱(chēng)二次繞組。為了加強(qiáng)磁場(chǎng)，提高效率，通常采用鐵心，將兩個(gè)繞組套在鐵心上。磁通的絕大部分都通過(guò)鐵心，這部分磁通稱(chēng)主磁通，它交鏈原、副繞組。只環(huán)鏈一個(gè)繞組的稱(chēng)漏磁通，它遠(yuǎn)小于主磁通。因此，鐵心就是形象化了的共同磁路。這種帶鐵心的變壓器稱(chēng)鐵心變壓器（圖lb）。

變壓器鐵心用高磁導(dǎo)率的軟磁材料制成，最常用的是硅鋼。為了減少磁滯損耗和渦流損耗，鐵心一般用0.35或0.5毫米厚的兩面均有絕緣層的硅鋼片疊成或卷成。現(xiàn)代電力變壓器的鐵心，一般都已采用低損耗的冷軋硅鋼片制成。

變壓器鐵心可分為芯式和殼式兩大類(lèi)。在芯式鐵心變壓器中，繞組包圍鐵心柱，磁通如同繞組（也就是電流通路）的內(nèi)心。在殼式鐵心變壓器中，有分支的磁路系統(tǒng)圍住繞組，如同繞組的一層外殼。通常芯式鐵心用于高電壓、小容量的變壓器；殼式鐵心用于低電壓、大容量的變壓器。

鐵心中通過(guò)交變磁通后會(huì)產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗，也會(huì)引起副邊電壓的波形畸變和對(duì)原邊電壓的相位移。所以在高頻中有用鐵氧體材料制作鐵心的。頻率更高或精度要求極高時(shí)，常采用非鐵磁材料制作繞組的心子。非鐵磁材料的磁性能與空氣非常接近。因此，這種變壓器稱(chēng)為空心變壓器（圖la）。

繞組是變壓器的電路部分。它由銅或鋁的絕緣扁導(dǎo)線(xiàn)或圓導(dǎo)線(xiàn)繞成。變壓器原、副繞組的匝數(shù)不同，電壓不同，所以可分為高壓繞組和低壓繞組。變壓器繞組還可以按高、低壓繞組相互間的布置和繞組在鐵心柱上的安排形式分為同心式和交疊式兩類(lèi)。在心式變壓器中，高、低壓繞組一般都制成圓筒形，同心地套在鐵心柱上，稱(chēng)同心式。這種繞組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便。中國(guó)產(chǎn)的變壓器大都采用這種結(jié)構(gòu)。交疊式繞組的高、低壓繞組都繞成圓餅式，交疊放置。其特點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度較高，引出線(xiàn)的布置和焊接都比較方便，漏電抗較小，常用于殼式及特殊變壓器。

對(duì)于大容量（大電流）變壓器，用幾根導(dǎo)線(xiàn)并聯(lián)繞制的繞組，其內(nèi)外側(cè)導(dǎo)線(xiàn)要進(jìn)行換位，使各并聯(lián)導(dǎo)線(xiàn)的電阻和漏電抗基本相等。

電工中所用大型變壓器還有冷卻系統(tǒng)、保護(hù)裝置、出線(xiàn)裝置、油箱等部分。

基本工作原理

變壓器的基本工作原理是電磁感應(yīng)定律。據(jù)此，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于匝數(shù)N 乘磁通的變化率dΦ/dt。在變壓器中，交流電每交變一次，主磁通就由正向最大值(+Φ_m)變成反向最大值(-Φ_m)， 又從反向最大值變?yōu)檎蜃畲笾怠Ｗ兓慕^對(duì)值是

｜＋Φ_m－(-Φ_m)｜＋｜－Φ_m－(+Φ_m)｜=4Φ_m

對(duì)于頻率為?的交流電，主磁通的平均變化率（絕對(duì)值）就等于4?Φ_m。此值乘以繞組的匝數(shù)N 和正弦交流的波形因數(shù)（即有效值與整流平均值之比）1.11，就得到繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（有效值）E 為

E＝4.44?NΦ_m

若原繞組的匝數(shù)為N₁，則原繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E₁為

E₁=4.44?N₁Φ_m

若副繞組的匝數(shù)為N₂，則它的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E₂為

E₂=4.44?N₂Φ_m

兩電動(dòng)勢(shì)之比等于兩繞組的匝數(shù)比。由于變壓器的漏磁一般很小，繞組的電阻也很小，在工程上繞組的漏磁阻抗電壓降可略去不計(jì)，而將原邊、副邊的電壓U₁和U₂分別看作等于各自的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E₁和E₂。所以原、副繞組的匝數(shù)比п 就近似等于電壓比（即變壓比，簡(jiǎn)稱(chēng)變比）

U₁/U₂≈E₁/E₂=N₁/N₂=n

通過(guò)改變?cè)褦?shù)比就可以制做具有各種變比的變壓器。

當(dāng)副繞組端接入負(fù)載時(shí)，即產(chǎn)生感生電流向負(fù)載供電。根據(jù)楞次定律，副繞組的感生電流對(duì)主磁通起阻礙其變化的作用。因此當(dāng)接入負(fù)載或負(fù)載電流增大時(shí)，部分抵消了主磁通而使原繞組的自感電動(dòng)勢(shì)也減弱。又根據(jù)歐姆定律，原繞組中自感電動(dòng)勢(shì)的減弱導(dǎo)致原繞組電流增大，使得被抵消的主磁通又得到補(bǔ)償，仍保持為空載時(shí)的磁通量。這可用相量（見(jiàn)相量法）表示為

N₁??₁+N₂??₂=N₁??₀=常數(shù)式中??₁、??₂

分別為原邊、副邊電流相量，??₀為勵(lì)磁電流相量。由于變壓器的勵(lì)磁電流一般很小，僅占額定電流的1～10％，故可以近似認(rèn)為

N₁??₁＋N₂??₂≈0

于是，兩電流值之比

??₁/??₂≈N₂/N₁=1/п

即原、副繞組電流之比等于匝數(shù)比的倒數(shù)。而原繞組輸入阻抗Z₁(等于??₁/??₁)與副繞組輸出阻抗 Z₂(等于??₂/??₂)之比近似為匝數(shù)比的平方。

這些結(jié)果還說(shuō)明，正常工作的變壓器其主磁通不隨負(fù)載的大小而變化，它僅取決于原邊電源電壓、頻率及變壓器本身固有的電參數(shù)。

相量圖與等效電路

變壓器的各物理量（為電流、電壓、磁通密度等）基本上都是正弦量。各量的大小和相互間的相位關(guān)系可以用相量圖直觀地表示，并可據(jù)此進(jìn)行簡(jiǎn)單的加減運(yùn)算。對(duì)于較復(fù)雜的計(jì)算，特別是乘、除，則需采用等效電路法。

圖2a所示為單相變壓器空載運(yùn)行的相量圖。圖中??_0a為勵(lì)磁電流??₀的有功分量，??_0r為??₀的無(wú)功分量。

用2b為單相變壓器帶電感性負(fù)載運(yùn)行的相量圖。圖中帶上角撇“′”的量代表副邊的量折算成原邊的相應(yīng)的量，φ₁為??₁滯后于??₁的相位差，φ₂為??₂滯后于??₂的相位差，??兄禿笥???械南轡徊鉅彩?φ₂。cosφ為負(fù)載的功率因數(shù)，這時(shí)U₁I₁cosφ₁是變壓器從電源取得的輸入功率，它等于變壓器供給負(fù)載的功率加上變壓器的鐵耗及原、副繞組的銅耗。

等效電路表示變壓器內(nèi)部的電磁關(guān)系。所謂等效，僅是指原、副邊電壓、電流和功率關(guān)系方面的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況比較接近，并不是一切方面都等效。例如，實(shí)際變壓器的原、副邊兩側(cè)并無(wú)電路方面的直接聯(lián)系，但在等效電路中卻是畫(huà)在一起的。畫(huà)等效電路也與繪制相量圖相同，需將一側(cè)的量歸算成另一側(cè)的量。圖3是變壓器空載運(yùn)行時(shí)的等效電路。

額定值

變壓器的額定值主要包括額定頻率、額定原邊電壓和電流、額定副邊電壓和電流、額定視在功率（即容量）。變壓器的銘牌上刻有這些量值，所以又稱(chēng)銘牌值。額定頻率和額定原邊電壓指變壓器應(yīng)該接的交流電源的頻率和電壓。使用時(shí)必須遵守這一規(guī)定。額定容量指變壓器長(zhǎng)期連續(xù)輸出這一視在功率時(shí)，由各種損耗轉(zhuǎn)變成的熱不致于升溫到使絕緣受損或縮短壽命的極限值。變壓器運(yùn)行于這一額定容量時(shí)稱(chēng)為滿(mǎn)載；超過(guò)額定容量時(shí)稱(chēng)過(guò)載；遠(yuǎn)低于額定容量時(shí)稱(chēng)輕載。變壓器的副邊電壓與原邊電壓有一定的比例關(guān)系，所以若按額定值運(yùn)行時(shí)，變壓器就可以得到額定副邊電壓。使用時(shí)需注意此電壓應(yīng)和負(fù)載要求的電壓一致。額定電流等于額定容量除以額定電壓。

變壓器的額定容量決定于絕緣的許可使用溫度，因此它與環(huán)境溫度有關(guān)。 變壓器按規(guī)定的環(huán)境溫度設(shè)計(jì)，例如，按最高氣溫+40℃設(shè)計(jì)。如環(huán)境溫度高于規(guī)定值，則變壓器就應(yīng)該減載運(yùn)行；低于規(guī)定值，變壓器可適當(dāng)過(guò)載運(yùn)行。在應(yīng)付臨時(shí)緊急供電任務(wù)時(shí)，考慮到變壓器即使短時(shí)過(guò)載也不致溫度立即升高太多，絕緣的壽命不致大大縮短，許可變壓器短時(shí)過(guò)載。短時(shí)過(guò)載值往往大于長(zhǎng)期許可過(guò)載值，其允許持續(xù)的時(shí)間與變壓器的冷卻方式、環(huán)境溫度等因素有關(guān)。

損耗和效率

工程上將變壓器的損耗分為空載損耗和短路損耗?？蛰d損耗指副繞組開(kāi)路時(shí)的變壓器損耗，即此時(shí)的原邊輸入功率?？蛰d損耗中主要是鐵心的磁滯損耗和渦流損耗，即鐵耗。短路損耗指變壓器的低壓繞組短接、高壓繞組上加很低電壓使電流達(dá)到額定值時(shí)的損耗。此時(shí)，變壓器的輸出功率也是零，輸入功率就等于這一損耗。由于所加電壓很低，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和磁通都很低，所以鐵耗很小，可以忽略。短路損耗中主要的是額定電流在原、副邊繞組中引起的電阻損耗，即銅耗。

變壓器的效率η是變壓器的輸出功率與輸入功率之比。輸出功率等于副邊電壓U₂、副邊電流I₂和副邊功率因數(shù)cosφ₂的乘積。輸入功率又等于輸出功率加損耗，即

η＝輸出功率／輸入功率

＝輸出功率／（輸出功率＋損耗）對(duì)于單相變壓器

η=U₂I₂cosφ₂/(U₂I₂cosφ₂+ )

對(duì)于三相變壓器

η=??U₂I₂cosφ₂/(??U₂I₂cosφ₂+ )

式中為鐵耗，為銅耗。

現(xiàn)代的電力變壓器中，滿(mǎn)載時(shí)的損耗只占輸入功率的0.5～3％，即效率可達(dá)99.5～97％。

電壓調(diào)整率

變壓器的原邊電壓保持在額定值不變條件下，輸出視在功率由零變化到額定值時(shí)，副邊電壓U₂的變化率，即

電壓調(diào)整率＝(U₂₀–U₂)/U₂

式中U₂₀為變壓器空載時(shí)的副邊電壓。電壓調(diào)整率大的變壓器，使用時(shí)負(fù)載變動(dòng)引起的輸出電壓變化也大。這不利于用電設(shè)備的正常工作。另外，不同電壓調(diào)整率的兩臺(tái)變壓器，在并聯(lián)運(yùn)行聯(lián)合供電時(shí)，會(huì)造成負(fù)載的不均衡分配，甚至可能發(fā)生一臺(tái)尚在輕載，而另一臺(tái)已嚴(yán)重過(guò)載。

變壓器的并聯(lián)運(yùn)行

在負(fù)荷增長(zhǎng)而現(xiàn)有變壓器容量不足以供應(yīng)所需電功率時(shí)；或?yàn)樘岣邔?duì)用戶(hù)供電的可靠性，滿(mǎn)足在變壓器出現(xiàn)事故時(shí)不致于中斷電源的要求，往往需要兩臺(tái)或幾臺(tái)變壓器并聯(lián)運(yùn)行。并聯(lián)運(yùn)行是指幾臺(tái)變壓器原邊與副邊都并接起來(lái)，共同運(yùn)行的方式。單相、三相以及三相變壓器組均可并聯(lián)使用。

并聯(lián)運(yùn)行有以下3點(diǎn)要求：

（1）并聯(lián)的變壓器要有同樣的匝數(shù)比。否則，當(dāng)原邊接于同一電源時(shí)，副邊即使沒(méi)有負(fù)載，也會(huì)出現(xiàn)環(huán)流。

（2）在變壓器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，各臺(tái)變壓器如何分配負(fù)載，是一個(gè)重要問(wèn)題。最佳分配狀態(tài)為按各臺(tái)的額定容量或電流來(lái)分配負(fù)載。負(fù)載分配與各臺(tái)變壓器的等效漏阻抗有關(guān)。例如，兩臺(tái)變壓器，其等效漏阻抗分別為Z_σ1和Z_σ2，則其視在功率S₁和S₂、電流I₁和I₂的分配為

S₁/S₂=I₁/I₂= Z_σ2/ Z_σ1

即阻抗大者承載較少，阻抗小者承載較多。如需按額定容量分配負(fù)載，則其漏阻抗應(yīng)與額定容量成反比。從公式可看出，兩臺(tái)變壓器漏阻抗上的電壓I₁Z_σ1和I₂Z_σ2應(yīng)相等，它們引起的變壓器電壓調(diào)整率也應(yīng)相等。

（3）三相變壓器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，各臺(tái)的原邊與副邊的線(xiàn)電壓要相等，而且相位要一致。因此，△-△或Y-Y接法的變壓器不能與△-Y或Y-△接法的并聯(lián)。

參考書(shū)目

1. Van E.Mablekos， Electric　Machine　Theory　for Power Engineers，Happer & Row Publishers，N.Y.， 1980.
2. Vincent Del Toro， Electric　Machines and Power Systems，Practice-Hall，1985.
3. John Hind Marsh， Electric??l Machines and their Applications，Pergamon Press，London，1984.

參考文章

• 某供電企業(yè)為擴(kuò)大宣傳，將在路邊安裝的變壓器設(shè)備上的安全警示標(biāo)志替換成企業(yè)宣傳標(biāo)語(yǔ)。（）法律題庫(kù)
• 變壓器的操作應(yīng)遵守什么?電氣技術(shù)
• 變壓器常見(jiàn)故障有哪些?電氣技術(shù)
• 什么是變壓器？作用是什么?電氣技術(shù)
• 取運(yùn)行中的變壓器的瓦斯氣體時(shí)應(yīng)注意哪些安全事項(xiàng)？電氣技術(shù)
• 變壓器全壓起動(dòng)有那些缺點(diǎn)?電氣技術(shù)
• 采用斯柯特變壓器供電，在什么情況下一次三相電流對(duì)稱(chēng)？交通運(yùn)輸
• 變壓器鐵芯接地的原因是什么?電氣技術(shù)
• 變壓器大修有什么?電氣技術(shù)
• 變壓器的保護(hù)應(yīng)符合什么規(guī)定?電氣技術(shù)

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標(biāo)簽：變壓器

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文章名稱(chēng)：《變壓器》

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