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變壓器是基于電磁感應原理而制成的靜止式電機，它的用途主要是用于電壓變換、電流變換、阻抗變換、隔離、穩壓（磁飽和變壓器）等。在電力系統中有著(zhù)很多不同的電壓等級，這些電壓等級之間的變換靠的就是電力變壓器，包括升壓變壓器和降壓變壓器。如下圖28-1所示，電力變壓器在電力系統電能的輸送與分配過(guò)程中起著(zhù)中間媒介的作用。

▲圖28-1

變壓器電流變換方面的應用，大家較為熟悉的應該是電流互感器了。關(guān)于電流互感器，本文也會(huì )講到。既然電壓、電流都能變換，根據U=IZ（Z為阻抗符號），顯然，阻抗也是可以變換的，例如電子電路中的阻抗匹配就是通過(guò)變壓器實(shí)現的。

變壓器的構造基本是大同小異，主要構件都有初級線(xiàn)圈、次級線(xiàn)圈和鐵芯（磁芯）三部分。而隨著(zhù)電壓等級的升高，變壓器的體積也會(huì )隨之增大。下圖28-2為幾種變壓器的實(shí)物圖，從圖中我們可以看到，高低壓變壓器的大小差別特別明顯。心式變壓器和殼式變壓器的區別如圖28-2右邊所示。

▲圖28-2

變壓器的分類(lèi)除了高低壓上的區別外，還有很多種分類(lèi)方式。例如按相數分可以分為單相、三相及多相變壓器；按用途分可以分為電力變壓器、儀用變壓器、特種變壓器等；按繞組形式分可以分為雙繞組、三繞組和變壓器等。上文說(shuō)到，變壓器由鐵芯（或磁芯）和線(xiàn)圈組成，線(xiàn)圈有兩個(gè)或兩個(gè)以上的繞組，如圖28-3所示，其中接電源的繞組叫初級線(xiàn)圈（或者叫一次繞組等），其余的繞組叫次級線(xiàn)圈（或者叫二次繞組等）。關(guān)于變壓器的工作原理，其實(shí)就是一次繞組流過(guò)勵磁電流，勵磁電流產(chǎn)生的磁通沿鐵芯構成磁路，該磁通穿過(guò)二次繞組，使得二次繞組產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，若二次回路閉合，則會(huì )流過(guò)二次電流，通過(guò)一、二次繞組的匝數不同達到變壓的目的。而鐵心的作用是加強兩個(gè)線(xiàn)圈間的磁耦合。

▲圖28-3

變壓器是基于電磁感應原理的實(shí)際應用，如果大家是按《電工基礎》系列文章的順序學(xué)習的，那么變壓器的工作原理不用我講大家也已經(jīng)懂了。

在《電工基礎》中，曹老師還講到了變壓器的空載運行和負載運行，沒(méi)有講得很詳細，這是理所當然的，《電工基礎》本就是基礎課程，如果大家想深入學(xué)習變壓器的知識，還是要看一些其他的專(zhuān)業(yè)課程。我再此就按曹老師的課程，給大家簡(jiǎn)單講解一下變壓器的空載運行和負載運行。

▲圖28-4

變壓器的空載運行，是指變壓器的原邊繞組接入電源，而副邊繞組處于開(kāi)路的工作狀態(tài)。此時(shí)，變壓器原邊繞組中流過(guò)的電流稱(chēng)為變壓器的空載電流，空載電流產(chǎn)生空載磁場(chǎng)。如上圖28-4所示，一次繞組外加交流電壓，使得一次繞組流過(guò)一次電流（空載電流），此時(shí)一、二次繞組都會(huì )產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，即一次線(xiàn)圈產(chǎn)生的壓降為U1，二次線(xiàn)圈的端口電壓為U20。根據電磁感應定律e=-NΔφ/Δt，兩個(gè)繞組處在同一磁路，所穿過(guò)的磁通變化率相同，此時(shí)有一次線(xiàn)圈的感應電動(dòng)勢與二次感應電動(dòng)勢數值之比（或者一次電壓與二次電壓數值之比）等于兩個(gè)繞組的匝數之比，如圖28-4所示，即U1/U20=N1/N2=k，其中U20等于變壓器的二次額定電壓；k就是變壓器的變比。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是，原副邊電壓之比等于原副邊匝數之比，等于常數k，這就是變壓器的變電壓作用。

變壓器的負載運行，是指變壓器的原邊繞組接入電源，而副邊繞組處于負載運行的工作狀態(tài)。理想情況下，此時(shí)變壓器一次側的輸入功率等于二次側的輸出功率，即P1=P2。如下圖28-5所示，其中Z1、Z2是原副邊的阻抗。阻抗，簡(jiǎn)單來(lái)講就是電阻和電抗的矢量和，其中電抗又包括感抗和容抗，在變壓器中的電抗主要是感抗。

▲圖28-5

圖28-5中的阻抗Z1、Z2加juedui值符號是代表該阻抗的模。模指的是向量的大小，它和向量的區別在于，向量是有方向的，而模是沒(méi)有方向的。更多向量的知識，在這里也不做展開(kāi)講解。

變壓器負載運行時(shí)，原邊線(xiàn)圈流過(guò)一次電流產(chǎn)生的磁通在副邊繞組中產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，由于二次回路是閉合帶負載的，此時(shí)副邊線(xiàn)圈就會(huì )流過(guò)負載電流，該負載電流又會(huì )產(chǎn)生磁通影響著(zhù)一次線(xiàn)圈，原副邊線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁通相互影響，趨于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。理想情況下，原副邊線(xiàn)圈的電壓、電流和阻抗的關(guān)系如圖28-5所示，即變壓器可以進(jìn)行電壓變換、電流變換以及阻抗變換。

實(shí)際工作中，變壓器的負載運行是存在損耗的，這在之前的文章也提到過(guò)，變壓器的電壓變換或電流變換不可能完全等于常數即變比k，它存在一定的誤差。變壓器二次端電壓隨著(zhù)二次負載電流的變化而變化，是變壓器外特性的體現。

▲圖28-6

如圖28-6所示，一次側外加電壓保持不變，變壓器負載后，由于一、二次側均有電流通過(guò)，必然在一次側、二次側內阻抗上產(chǎn)生電壓降，從而使二次電壓隨負載電流的增加而變小。二次電壓與電流的關(guān)系曲線(xiàn)為U2=f(I2)，稱(chēng)為變壓器的外特性。

電力系統中，當變壓器過(guò)載或重載時(shí)，往往會(huì )造成二次電壓過(guò)低，此時(shí)就要采取措施對二次電壓進(jìn)行調整。這里就要涉及到一個(gè)新的概念：變壓器的電壓調整率。

▲圖28-7

想要了解一臺設備，就必須要查看它的技術(shù)數據，變壓器的技術(shù)數據比較多，如下圖28-8所示是變壓器型號的簡(jiǎn)單說(shuō)明。我們主要是學(xué)習變壓器的額定值。一般變壓器的額定值在它的銘牌上均有給出。如圖28-7所示為變壓器電壓調整率的表達式，即空載電壓U20與變壓器熱平衡后的滿(mǎn)載電壓U2之差與空載電壓U20的百分比。

▲圖28-8

1、額定電壓：指在變壓器的線(xiàn)圈上所允許施加的電壓，這里的額定電壓指的是線(xiàn)電壓（即相與相之間的電壓），變壓器在工作時(shí)不得大于規定值。（1）一次額定電壓U1N：指正常時(shí)一次繞組所加電壓的有效值；（2）二次額定電壓U1N：指一次電壓為U1N時(shí)，變壓器空載時(shí)對應二次側的空載電壓有效值，即U20=U2N。

2、額定電流：（1）一次額定電流I1N：一次繞組加額定電壓，正常工作時(shí)一次繞組允許長(cháng)期通過(guò)的大電流有效值；（2）二次額定電流I2N：一次繞組加額定電壓，正常工作時(shí)二次繞組允許長(cháng)期通過(guò)的大電流有效值。無(wú)論是I1N或是I2N均是指線(xiàn)電流。

3、額定容量SN：指二次側的輸出額定視在功率，在單相變壓器中，SN=U2NI2N；在三相變壓器中，SN≈1.732U2NI2N，即根號3倍的U2NI2N。變壓器的額定容量代表著(zhù)變壓器傳輸功率的大能力。

4、額定頻率fN：變壓器的額定頻率為工頻50Hz。

前文提到過(guò)，變壓器在實(shí)際的工作中是有損耗的，之前的學(xué)習文章中有一章是講述交流鐵芯線(xiàn)圈功率損耗的，其中也有提到過(guò)變壓器的損耗，在此，展開(kāi)學(xué)習一下。

變壓器的損耗ΔP和交流鐵芯線(xiàn)圈的損耗一樣，也是包括鐵損ΔPFe和銅損ΔPCu兩部分，即ΔP=ΔPFe ΔPCu。

（1）鐵損ΔPFe：變壓器的鐵損又稱(chēng)為固定損耗，是交變的主磁通在鐵芯中產(chǎn)生磁滯損耗ΔPh和渦流損耗ΔPe之和。磁滯損耗是指磁滯現象引起鐵芯發(fā)熱，造成的損耗；渦流損耗是交變磁通在鐵芯中產(chǎn)生的感應電流（渦流）造成的損耗。和之前關(guān)于交流鐵芯線(xiàn)圈的損耗文章中已經(jīng)提到過(guò)的一樣，為了減少變壓器的渦流損耗，其鐵芯一般由導磁硅鋼片疊成。

（2）銅損ΔPCu：變壓器的銅損又稱(chēng)為可變損耗，它是變壓器繞組導線(xiàn)電阻的損耗。變壓器一次側、二次側均有電阻，當有電流通過(guò)時(shí)，就會(huì )有損耗的產(chǎn)生。

有損耗就有效率，變壓器的效率η如下圖28-9所示，為二次側輸出功率與一次側輸入功率的百分比。在這里要提到的一點(diǎn)是，變壓器的容量并不等于它的輸出功率。

▲圖28-9

在各種各樣的變壓器中，除了較為常見(jiàn)的普通變壓器外，還有一些特殊的變壓器，例如自耦變壓器、電流互感器和電壓互感器等。

自耦變壓器，所謂自耦，指的的自行耦合。自耦變壓器是指它的原邊繞組和副邊繞組直接串聯(lián)，即它的一、二次均在同一繞組上的變壓器。普通的變壓器是通過(guò)原副邊線(xiàn)圈電磁耦合來(lái)傳遞能量的，原副邊之間沒(méi)有直接電的聯(lián)系，而自耦變壓器的原副邊有直接電的聯(lián)系，它的低壓線(xiàn)圈就是高壓線(xiàn)圈的一部分。

▲圖28-10

自耦變壓器的原理圖如圖28-10所示，使用時(shí)，改變滑動(dòng)端的位置，便可得到不同的輸出電壓。實(shí)驗室中使用的調壓器就是根據此原理制作的。

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