《中国大百科全书》(第二版)「变压器书籍」

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变压器 transformer

根据电磁感应定律将一种形式的交流电改变为另一种形式交流电的非旋转式电机。

利用变压器可改变交流电的电压、电流、阻抗、相角、相数甚至频率。

有时也用于将两个交流电路隔离。

分类

现代变压器可分为电力变压器、专用变压器和特种变压器等。

电力变压器使用最多。

按用途可分为升压、降压、配电、厂用、矿用、联络变压器等。

按相数分单相、三相和多相（如六相）等。

按绕组数可分为双绕组、三绕组和自耦变压器。

按冷却方式可分为空气冷却、风冷、油浸自冷、油浸风冷、油浸水冷、强迫油循环风冷、强迫油循环水冷式变压器等。

按绝缘介质可分为油浸、合成非燃性油浸、六氟化硫气体绝缘、蒸发冷却气体绝缘和浇铸干式变压器等。

按调压方式可分为无励磁调压和有载调压两种。

专用变压器指用途特殊的变压器，如整流变压器、电炉变压器、电气化铁路专用变压器、电焊变压器、高压直流输电转流阀用变压器等。

特种变压器包括工频高压试验变压器、大电流冲击变压器、感应分压器、仪用互感器以及隔离变压器等。

基本结构

变压器（以最简单的双绕组变压器为例）主要由两绕组和穿过此两绕组的共同磁路组成。

两绕组分别称为原绕组（一次绕组）和副绕组（二次绕组），其名称可以互换。通常称向变压器输入功率侧为原绕组侧，输出功率侧为副绕组侧。

两绕组通常均套在铁芯上以加强磁通，提高效率。通过铁磁芯的磁通称为主磁通，它交链原、副绕组，是功率转换的媒介。

此外，还有少量只链上单个原子、副绕组的磁通，称为漏磁通（图1a），图1b是三相变压器的基机构和磁通示意图。

图1 铁芯变压器基本结构和磁通示意图

变压器的铁芯用高磁导率的软磁材料制成，最常用的是硅钢。

为了减少磁滞损耗和涡流损耗，一般用0.35毫米或0.5毫米厚的两面均有绝缘层的硅钢片叠成或卷成。

现代变压器的铁芯，一般都已采用低损耗的0.2毫米厚的冷轧硅钢片。

小功率的高频变压器，其铁芯材料也有用铁氧体或玻莫合金。

频率甚高时，常用非铁磁材料构成磁路，其导磁性能与空气相近，称为空心变压器。

铁芯结构可分为芯式和壳式两大类。

在芯式铁芯变压器中，绕组包围铁芯柱，磁通如同绕组的内心。

在壳式铁芯变压器中，有分支的磁路系统围住绕组，如同绕组的一层外壳。壳式变压器的漏磁通较芯式的更少。

绕组是变压器的电路部分，它们是由匝数不同的绝缘铜或铝扁导线或圆导线绕成。

基本工作原理

匝数为N的绕组，当与交变磁通Φ交链时，将在绕组中感应电势

如磁通呈正弦变化，最大值为，交变的频率为f，则感应电势的有效值为。

一般铁芯变压器中，由于漏磁通及漏阻抗压降都很小，因此原副边的匝数比n就近似等于电压比（变压比，简称变比）：

通过改变匝数比就可制作具有各种变比的变压器。

变压器有负载时，原、副绕组中的电流共同产生励磁磁动势（一般为近乎不变的很小量），即：

式子中分别为原、副边电流的相量。这样，两电流值之比：

这样副绕组的实际输出阻抗，变成了原绕组的视在输入阻抗，放大了倍，形成了变阻抗的效果。

相量图与等效电路

变压器的各电磁量（如电压、电流、磁通等）基本上都按正弦变化，各量的大小和相互间的相位关系可以用相量图直观地表示，计算时则常用等效电路法。

如图2a所示为单相变压器（或三相变压器对称负荷的一相）空载运行时的相量图。

图2 变压器相量图

图中均示一相的量，为励磁电流的有功和无功分量，在实际的变压器中，。

图2b为单相变压器（或三相变压器带对称负载时的一相）带电感性负载运行时的相量图。

图中带上角“'”的量表示副边的量折算成原边的相应的量。为滞后于的相位差，为滞后于的相位差，滞后于的相位差也是。为负载的功率因数，这时是变压器从电源取得的输入功率，它等于变压器供给负载的功率加上变压器的铁耗及原、副绕组中的铜耗。

需要指出，图2b中的向量，，，和都比实际的量远远夸大。

图2中的关系，也可用复数等效电路来表示；如图2b的相量关系，就可表示为图3，这样便于计算，图3中原绕组（左回路中）的量是实际的电量，而副绕组（右回路中）的量则是折算到原绕组后的量。

图3 单相变压器带负载时的等效电路

额定值

变压器的额定值包括额定频率、额定原边电压和电流、额定副边电压和电流、额定视在功率（容量）和额定运行方式等。

当运行时的值偏离额定值需考虑其可能引起的后果。

中国电网的额定频率为50赫兹，有的国家额定频率为60赫兹。

频率高将导致铁损增加，但励磁电流会减少。

原边电压低于额定值将导致副边电压及变压器通量的相应降低，而电压高于额定值时会引起励磁电流的急剧增加，有时导致烧毁变压器。

额定容量指变压器在此状态及以下按额定运行方式运行时，其各部分温升不致超出设计值。通常变压器的额定运行方式为连续运行，有时也允许短时过载，但必须严格按运行规范的要求执行，以避免变压器温升超过设计值太多，减短使用寿命甚至烧毁。

损耗及效率

变压器额定工况时的铁损耗为（空载试验测出的空载损耗为），铜损耗为（短路试验测出的短路损耗），效率为。

对单相变压器：

对三相变压器：

式中为副边线电压和线电流，为副边负载的功率因数角。

现代的电力变压器中，满载时的效率可达97％～99.8％，容量大的变压器有高的效率值。

电压调整率

变压器由空载至额定负载时，副边电压的变化率，即

式中为变压器空载时的副边电压。

电压调整率大的变压器，使时负载变化引起输出电压的变化也大。

变压器的并联运行

在负荷增长而现有变压器容量不足以供应所需电功率时；或为提高对用户供电的可靠性，满足在变压器出现事故时不至于中断电源的要求，往往需要将两台或多台变压器并联运行。

对并联运行的变压器有下列要求：

①变比相等。

②变压器的连接要能保证并联后副边电压的相位一致，为此单相变压器要注意极性，三相变压器要注意连接组号。

③并联运行的变压器能按各台额定容量的比值分担负荷的大小。

为此，各变压器的漏阻抗标幺值应尽量相等，否则漏阻抗标幺值小的变压器将承担较大的负荷。

摘自：《中国大百科全书（第2版）》第2册，中国大百科全书出版社，2009年