1.1 变压器介绍

在本教程中，我们将简要介绍变压器。我们将学习什么是电力变压器、变压器的构造、其工作原理、变压器的分类、损耗和效率以及一些应用。

变压器简介

变压器是电气系统中最常见的设备之一，用于连接在不同电压下运行的电路。它们通常用于需要将交流电压从一个电压等级转换到另一个电压等级的应用中。

根据电气设备或负载的需求，变压器可以在交流电路中增加或减少电压和电流。各种应用使用不同类型的变压器，包括电力变压器、仪表变压器和脉冲变压器。

从广义上讲，变压器分为两类，即电子变压器和电力变压器。电子变压器的运行电压很低，功率等级也很低。这些用于消费电子设备，如电视、个人电脑、CD/DVD播放器等。

电力变压器是指具有高功率和高电压等级的变压器。这些广泛用于电力发电、传输、分配和公用系统中，以增加或减少电压等级。然而，这两种变压器的操作原理是相同的。让我们深入了解变压器。

什么是电力变压器？

变压器是一种静态设备（即没有运动部件），它由一个、两个或多个绕组组成，这些绕组在有或没有磁芯的情况下磁性耦合且电性分离。它通过电磁感应原理将电能从一个电路转移到另一个电路。

连接到交流电源的绕组称为初级绕组，而连接到负载或从中提取能量的绕组称为次级绕组。这两个绕组在适当的绝缘下绕在叠片铁芯上，为绕组之间的磁通提供磁路。

当初级绕组被交流电压源激励时，变压器芯会产生交流磁通或磁场。该磁通的幅度取决于施加的电压大小、电源的频率以及初级侧的匝数。

该磁通通过芯并因此与次级绕组相连。根据电磁感应原理，这种磁通感应会在次级绕组中产生电压。这称为两个电路之间的互感。次级电压取决于次级的匝数以及磁通和频率。

变压器广泛用于电气电力系统中，以在相同频率下产生不同电压和电流的可变值。因此，通过适当选择初级和次级匝数比例，变压器可以获得所需的电压比。

变压器构造

变压器的主要部件包括芯、绕组、容器或油箱、套管和储油柜以及散热器。

芯

对于高功率应用，变压器芯由高磁导率材料制成，为磁通提供低磁阻路径。芯的截面通常是方形或矩形。

通常，铁芯变压器比空气芯变压器提供更好的功率转换。空气芯变压器用于高频应用（高于2 kHz），而铁芯变压器用于低频应用（低于2 kHz）。

在所有类型的变压器中，芯由硅钢或薄钢片制成，这些钢片被组装以提供连续的磁通路径。使用这种叠片芯可以最小化涡流损耗。

这些叠片钢片的厚度为0.35到5毫米，用漆、氧化物或磷酸盐绝缘，然后形成芯。

为了获得更好的磁性能，使用热轧取向硅钢（HRGO）、冷轧取向硅钢（CRGO）或高B（HiB）叠片。对于小型变压器，芯由热轧硅钢片制成，形状为E形和I形、C形和I形或O形。

绕组

通常，（双绕组）变压器有两个绕组，即初级绕组和次级绕组，它们由高纯度铜制成。

使用绝缘的绞合导体作为绕组，以承载高电流。这种绝缘可以防止匝与匝之间的接触。

变压器的电压连接到初级绕组称为初级电压，而次级感应电压称为次级电压。如果次级电压高于初级电压，则称为升压变压器；如果低于初级电压，则称为降压变压器。因此，根据电压等级，绕组被指定为高压（HV）和低压（LV）绕组。

与LV绕组相比，HV绕组需要更多的绝缘以承受高电压，并且需要更多的间隙与芯和变压器主体。

变压器线圈可以是同心线圈或夹层线圈。同心线圈用于芯式变压器，而夹层线圈用于壳式变压器。在同心排列中，LV绕组靠近芯，HV绕组围绕LV绕组，以减少绝缘和间隙要求。变压器最常用的线圈包括螺旋形、夹层形、盘形和交叉形线圈。

变压器的其他必要部件包括储油柜，用于提供必要的油储存，以便在重负载下油压得以稳定。当变压器中的油受热时，油自然会膨胀和收缩。在这种情况下，油会受到重压，如果没有储油柜，变压器可能会破裂。

套管为从变压器绕组中取出的输出端子提供绝缘。这些可以是瓷套管或电容器套管，根据运行电压的水平进行选择。由于其简单、耐用和坚固的结构，变压器需要很少的维护。由于没有运动部件，变压器的效率非常高，通常在95%到98%之间。

变压器的分类

变压器根据多种因素进行分类，包括电压等级、结构、冷却方式、交流系统的相数以及其应用场所等。让我们讨论一些这些类型的变压器。

根据功能分类

根据电压等级的转换，变压器分为升压和降压变压器两种。

升压变压器

在升压变压器中，次级电压高于初级电压。这是由于初级绕组的线圈数少于次级绕组。这种变压器用于将电压提升到更高水平。这些用于传输系统，并且功率等级较高。

降压变压器

在降压变压器中，次级电压低于初级电压，这是由于次级绕组的线圈数较少。因此，这种变压器用于将电压降低到电路的指定水平。大多数电源使用降压变压器，以将电路的操作范围保持在指定的安全电压限制内。这些类型的变压器用于配电系统（电力变压器）和电子电路（电子变压器）。

需要注意的是，变压器是一种可逆设备，因此可以作为升压和降压变压器使用。例如，如果电路需要高电压，我们将高压端子连接到负载；如果负载或电路需要低电压，我们将低压端子连接到负载。

升压和降压变压器的电压比由匝数比决定。使用更多的匝数，产生的电压会更高。因此，降压变压器在次级侧有较少的匝数以产生低电压，并且在初级侧有更多的匝数以承受交流电源的高电压水平。

匝数比 = 初级电压 / 次级电压 = 初级匝数 / 次级匝数

匝数比为：

$\frac{V_P}{V_S} = \frac{N_P}{N_S}$

根据芯结构分类

根据结构，变压器分为芯式和壳式变压器两种，这两种变压器的绕组围绕芯的方式不同。

芯式变压器

在芯式变压器中，绕组围绕芯的大部分。通常，配电变压器是芯式变压器。一些大型电力变压器是壳式变压器。

在芯式变压器中，使用成型绕制的圆柱形线圈，这些线圈可能是矩形的、椭圆形的或圆形的。对于小型芯式变压器，使用简单的矩形芯，带有圆形或矩形的圆柱形线圈。对于大型芯式变压器，使用十字形芯，带有圆形或圆形的圆柱形线圈。在大多数芯式变压器中，使用圆柱形线圈，因为它们具有机械强度。这些圆柱形线圈以螺旋层绕制，并且通过绝缘材料（如布、纸、云母等）相互绝缘。

由于LV绕组的绝缘比HV绕组更容易，因此它被放置得更靠近芯。

壳式变压器

在壳式变压器中，铁芯围绕铜绕组的相当一部分，与芯式变压器的情况相反。在这种类型的变压器中，线圈也是成型绕制的，但为多层盘形线圈，呈煎饼状绕制。这些多层盘形线圈在不同层之间由纸分隔。整个绕组由堆叠的盘形组成，并且在线圈之间提供绝缘空间，以形成水平的绝缘和冷却通道。

贝雷变压器是常用的壳式变压器。在壳式变压器中，芯有三个肢，绕组绕在中央肢上。LV和HV绕组被分成不同的线圈，这些线圈交替排列。在LV绕组之间，HV绕组被夹在中间。再次为了减少绝缘要求，LV绕组被放置得靠近芯。这种结构适用于高功率等级的变压器。

根据供电性质分类

根据供电性质，变压器可以是单相或三相变压器。单相变压器设计用于单相系统工作，因此它有两个绕组用于转换电压等级。这些用于电力分配系统的远端。它们的功率等级通常低于三相变压器。大多数情况下，这种变压器采用芯式结构。

为了与三相系统一起工作，我们需要三个单相变压器。因此，为了经济上的优势，三相变压器被用于三相操作。它由三个绕组或线圈组成，这些绕组或线圈以适当的方式连接以匹配输入电压。这种变压器的初级和次级绕组根据负载电压要求以星形-三角形或三角形-星形的方式连接。

根据用途分类

1. 电力变压器
2. 配电变压器
3. 仪表变压器

其他类型的变压器

根据冷却方式，变压器分为以下几种：

• 自然空气冷却变压器
• 强迫空气冷却变压器
• 油浸自冷变压器
• 油浸水冷变压器
• 油浸强迫油冷变压器

变压器的工作原理

变压器的工作基于两个绕组之间的互感原理，这两个绕组通过共同的磁通相连。当初级绕组被交流电源激励时，初级绕组中建立了磁通。

由于铁芯为磁通提供了低磁阻路径，因此初级绕组产生的大部分磁通与次级绕组相连。这被称为主磁通或有用磁通。此外，未与次级绕组相连的磁通被称为漏磁通。大多数变压器被设计为具有低漏磁通，以减少损耗。

根据法拉第电磁感应定律，这种磁通与初级和次级绕组的连接会在它们中感应出电动势（EMF）。每个绕组中感应的电动势与其匝数成正比。初级绕组中感应的电压或电动势称为反电动势，它会抵消输入电源电压，使得初级电流无法流动。

然而，变压器初级侧会流过一个小的励磁电流。次级绕组中感应的电动势是开路电压。如果次级电路闭合或连接了负载，次级电流开始流动，这会形成去磁磁通。由于这种去磁磁通，输入电压与反电动势之间会失去平衡。

为了恢复这两者之间的平衡，会从电源中吸取更多的电流，以产生与次级磁场相平衡的等效磁场。

由于相同的互感磁通切割两个绕组，因此两个绕组的每一匝中感应的电动势相同。因此，每个绕组中感应的总电动势必须与其匝数成正比。这建立了感应电动势与匝数之间的著名关系，如下所示：

$\frac{E_1}{E_2} = \frac{N_1}{N_2}$

由于两个绕组的端电压与其感应电动势略有不同，因此可以写为：

$\frac{V_1}{V_2} = \frac{N_1}{N_2}$

这被称为变压器的变比。在升压变压器中，这个变比值大于1；在降压变压器中，变比值小于1。

在安匝平衡方面：

$I_1 N_1 = I_2 N_2$ $\frac{I_1}{I_2} = \frac{N_2}{N_1}$

变压器的等效电路

机器或设备的等效电路仅仅是将固定和可变电阻和电抗结合起来的方程的解释，这些方程可以精确地模拟或描述机器的完整行为。

通常，变压器的电压和电流相关问题可以通过使用相量图来解决。然而，为了简化计算，使用等效电路来表示变压器是非常方便的。

将直接电路理论应用于这个等效电路，我们可以轻松地计算出变压器中的电流和电压。

上图显示了变压器的等效电路，其中假设初级和次级绕组的电阻和电抗是外部的（分别显示）。空载电流$I_0$ 是励磁分量 $I_u$ 和有功分量 $I_w$ 的组合。

因此，励磁电流的影响用 $X_0$ 表示，有功分量（或铁损分量）的影响用非感性电阻 $R_0$ 表示。如图所示，$R_0$ 和 $X_0$ 并联连接在初级绕组上。这个并联组合被称为空载条件下的等效电路。

当负载连接到次级时，电流 $I_2$ 开始在次级电路中流动，并在 $X_2$ 和 $R_2$ 上产生电压降。如上所述，由于次级电流 $I_2$，初级会吸取更多电流。因此，初级电流 $I_1$ 在 $R_1$ 和 $X_1$ 上产生显著的电压降。

为了简化计算，等效电路进一步简化，将次级电阻和电抗转移到初级侧，同时保持 $E_2/E_1$ 比值在相位和幅值上不变。

次级电动势的初级等效值为：

$E_2' = \frac{E_2}{K}$

其中 $K$ 是变比。

同样，次级端电压的初级等效值为：

$V_2' = \frac{V_2}{K}$

次级电流的初级等效值为：

$I_2' = \frac{I_2}{K}$

设 $R_2'$ 是要转移到初级侧的电阻，它在初级侧产生的电压降与在次级侧产生的电压降相同。因此，$I_2' R_2'$ 是由 $R_2'$ 在初级侧产生的电压降。这意味着 $I_2' R_2'$ 与 $I_2 R_2$ 的比值必须与匝数比 $N_1/N_2$ 相同。

因此：

$\frac{I_2' R_2'}{I_2 R_2} = \frac{N_1}{N_2} = \frac{1}{K}$ $R_2' = R_2 \times \frac{I_2}{I_2'} \times \frac{1}{K}$

但由于 $\frac{I_2}{I_2'} = \frac{N_1}{N_2} = \frac{1}{K}$

因此：

$R_2' = \frac{R_2}{K^2}$

同样：

$X_2' = \frac{X_2}{K^2}$

同样，负载电阻和电抗也可以转移到初级侧。将所有这些转移值结合起来，变压器的精确等效电路如下所示：

同样，也可以将初级电阻和电抗（或阻抗）转移到次级侧，就像将次级电阻和电抗（或阻抗）转移到初级侧一样。设 $R_1'$ 和 $X_1'$ 是从初级侧转移到次级侧的电阻和电抗，则：

$R_1' = K^2 R_1$ $X_1' = K^2 X_1$

需要注意的是，空载电流只是满载电流的一个小部分，而且 $E_1$ 与 $V_1$ 的差值也很小，因此电流 $I_2'$ 实际上等于 $I_1$。

因此，由于空载电流 $I_0$ 在 $R_1$ 和 $X_1$ 上产生的电压降很小，可以忽略不计。因此，通过将包含 $R_0$ 和 $X_0$ 的空载并联分支移到最左侧，精确等效电路进一步简化，如下图所示。

这个电路被称为变压器的适当等效电路，参考初级侧。因此，通过加上串联电阻和电抗，分析变得简单。

变压器的损耗

变压器没有运动部件，因此不存在机械损耗。因此，变压器的损耗被认为是电能损耗。变压器中存在两种电能损耗：铁损和铜损。

铁损或铁芯损耗

这些损耗包括磁滞损耗和涡流损耗。

变压器铁芯中建立的磁通是交变的，因此它会经历磁化和去磁的循环。在这个过程中，需要适当的功率来持续反转铁芯中的基本磁体。这被称为磁滞效应，由于这种效应，会发生相当大的能量损失。

磁滞损耗为：

$\text{磁滞损耗} = K_h B_m^{1.67} f v \, \text{瓦特}$

其中：

• $K_h$ = 磁滞常数
• $B_m$ = 最大磁通密度
• $f$ = 频率
• $v$ = 铁芯体积

由于变压器铁芯由也是良导体的铁磁材料制成，因此磁通与铁芯相连会在铁芯中感应出电动势。因此，铁芯会在铁芯中产生涡流，从而在铁芯中产生相当大的涡流损耗。

涡流损耗为：

$\text{涡流损耗} = K_e B_{m}^{2} f^{2} t^{2} \, \text{瓦特/单位体积}$

其中，

• $K_e$ = 涡流常数
• $t$ = 铁芯的厚度

从上述两个公式可以看出，当电源频率固定时，电源电压是恒定的，因此铁芯中的磁通密度几乎保持不变。因此，磁滞损耗和涡流损耗在所有负载下都是恒定的。因此，铁损也被称为固定损耗。

通过使用高质量的铁芯材料（如磁滞回线非常小的硅钢），可以将磁滞损耗降至最低。另一方面，通过使用叠片铁芯可以将涡流损耗降至最低。这些固定损耗或铁损可以通过对变压器进行空载试验来测量。

铜损

当变压器承载负载电流时，其绕组电阻中会发生铜损。变压器的总铜损是初级和次级铜损之和。这些损耗可以通过对变压器进行短路试验来确定。

变压器中的其他损耗包括介质损耗和杂散损耗。杂散损耗是由油箱和绕组导体中的涡流引起的。介质损耗发生在变压器的绝缘材料（如油和固体绝缘材料）中。

变压器效率

变压器的效率是有用功率输出与在特定负载和功率因数下输入功率的比值。

$\text{效率} = \frac{\text{输出}}{\text{输入}}$ $= \frac{\text{输出}}{\text{输出} + \text{总损耗}}$ $= \frac{\text{输入} - \text{损耗}}{\text{输入}}$ $= 1 - \frac{\text{损耗}}{\text{输入}}$

通常，变压器的效率在95%到98%之间。从上述效率公式可以看出，效率取决于功率（瓦特），而不是视在功率（伏安）。因此，在任何视在功率等级下，变压器的效率都取决于功率因数。当功率因数为1时，效率最高，可以通过空载（OC）和短路（SC）试验计算总损耗来确定。

变压器的应用

• 在电力传输系统（如输电和配电系统）中升高或降低电压水平。
• 在变电站、工业控制电路等场合，将低压电路与高压电路隔离。
• 仪表变压器（如电流互感器和电压互感器）用于保护和计量指示系统。
• 这些变压器还用于阻抗匹配。