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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現(xiàn)電壓的升降，另外也可以實現(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)用學科
電工學
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)實驗裝置
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”的裝置來改變電壓。
1885年，匈牙利電力工程的德利、伯拉錫、濟拍勞斯基在高納德一吉伯斯的裝置結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行改造，并將“變壓器”這個術(shù)語第一次應(yīng)用到了這個領(lǐng)域。同年，匈牙利的 Genz工廠制造出了一臺單相閉環(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得到大幅改善。
隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，感應(yīng)爐變壓器、高壓試驗變壓器、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，線圈當中交變的電流會產(chǎn)生磁通。當把兩個線圈放到一起的時候，線圈中激勵的磁通不僅能與穿過自身引起自感電壓，而且還會有一部分會穿過鄰近的線圈，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，會在副繞組中激勵出感應(yīng)電勢。如果副繞組端有電阻等負載的接入，會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勢與主磁電動勢相比都可以忽略不計，
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，由于電阻的存在，造成的能量損耗；
- 影響因素：負載電流大小，繞組的材料；
- 特點：正比于負載端電流的平方，又稱為“可變損耗”。
理想變壓器
實際變壓器由于各種限制，難以避免會存在上述兩類損耗。在分析或者應(yīng)用時，所建立的一個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
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也具有一定的韌性強度。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，方便接線等優(yōu)點。
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，為了增強變壓器的散熱，變壓器被設(shè)計成內(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，可以將油以及氣化產(chǎn)生的氣體從安全氣道疏導(dǎo)出去，使油箱不會因壓力異常而損壞。
圖4.氣體繼電器
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，因為一般要求原邊電壓要求在一定的范圍內(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負載電流的部件。它的主要功能是把高壓引線從變壓器中引出，用于絕緣保護和固定引線。
主要分類
變壓器的種類很多，為了達到不同的使用目的，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、副繞組組合在兩個鐵心柱上，構(gòu)造較為簡單，安裝時有更多的空隙，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：對應(yīng)的磁路是一種組式磁路，三相的每一相具有各自獨立的磁回線，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，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：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
從工作機理上分析，三相變壓器在負荷均勻的情況下，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
主要特點有：
1、安全，防火，無污染；
2、機械強度高，抗短路能力強；
3、損耗低，噪聲??；
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，風冷式和強制油循環(huán)冷卻式等。
特點：由于防火的需要，油浸式變壓器一般安裝在單獨的變壓器室內(nèi)或室外，具有體積大、成本低、維修簡單、散熱好、過負荷能力強、適應(yīng)環(huán)境廣泛的特點。
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，化學性能穩(wěn)定，常用沸點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：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：不具備帶負載轉(zhuǎn)換檔位的能力，調(diào)檔時必須使變壓器停電。
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，可以實現(xiàn)對交變信號進行反相位調(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，同時滿足各級電壓需求 |
電力保護 | 實際工作中，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間等特性用于晶體管的觸發(fā)控制 |
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