變壓器

簡介

　　變壓器的功能主要有：電壓變換；電流變換，阻抗變換；隔離；穩(wěn)壓（磁飽和變壓器）等，變壓器常用的鐵芯形狀一般有E型和C型鐵芯，XED型，ED型，CD型。

　　變壓器按用途可以分為：配電變壓器、電力變壓器、全密封變壓器、組合式變壓器、干式變壓器、油浸式變壓器、單相變壓器、電爐變壓器、整流變壓器、電抗器、抗干擾變壓器、防雷變壓器、箱式變電器試驗變壓器、轉(zhuǎn)角變壓器、大電流變壓器、勵磁變壓器。

　　變壓器的最基本形式，包括兩組繞有導線之線圈，并且彼此以電感方式稱合一起。當一交流電流(具有某一已知頻率)流于其中之一組線圈時，于另一組線圈中將感應出具有相同頻率之交流電壓，而感應的電壓大小取決于兩線圈耦合及磁交鏈之程度。

　　一般指連接交流電源的線圈稱之為「一次線圈」(Primary coil);而跨于此線圈的電壓稱之為「一次電壓」。在二次線圈的感應電壓可能大于或小于一次電壓，是由一次線圈與二次線圈間的「匝數(shù)比」所決定的。因此，變壓器區(qū)分為升壓與降壓變壓器兩種。

　　大部分的變壓器均有固定的鐵芯，其上繞有一次與二次的線圈?；阼F材的高導磁性，大部分磁通量局限在鐵芯里，因此，兩組線圈藉此可以獲得相當高程度之磁耦合。在一些變壓器中，線圈與鐵芯二者間緊密地結(jié)合，其一次與二次電壓的比值幾乎與二者之線圈匝數(shù)比相同。因此，變壓器之匝數(shù)比，一般可作為變壓器升壓或降壓的參考指標。由于此項升壓與降壓的功能，使得變壓器已成為現(xiàn)代化電力系統(tǒng)之一重要附屬物，提升輸電電壓使得長途輸送電力更為經(jīng)濟，至于降壓變壓器，它使得電力運用方面更加多元化，可以這樣說，沒有變壓器，現(xiàn)代工業(yè)實無法達到目前發(fā)展的現(xiàn)狀。

　　電子變壓器除了體積較小外，在電力變壓器與電子變壓器二者之間，并沒有明確的分界線。一般提供50Hz電力網(wǎng)絡之電源均非常龐大，它可能是涵蓋有半個洲地區(qū)那般大的容量。電子裝置的電力限制，通常受限于整流、放大，與系統(tǒng)其它組件的能力，其中有些部分屬放大電力者，但如與電力系統(tǒng)發(fā)電能力相比較，它仍然歸屬于小電力之范圍。各種電子裝備常用到變壓器，理由是：提供各種電壓階層確保系統(tǒng)正常操作；提供系統(tǒng)中以不同電位操作部分得以電氣隔離；對交流電流提供高阻抗，但對直流則提供低的阻抗；在不同的電位下，維持或修飾波形與頻率響應?！缸杩埂蛊渲兄豁椫匾拍?，亦即電子學特性之一，其乃預設一種設備，即當電路組件阻抗系從一階層改變到另外的一個階層時，其間即使用到一種設備-變壓器。

　　變壓器又有其做試驗而用的，稱之為試驗變壓器，分別可以分為充氣式，油浸式，干式等試驗變壓器，是發(fā)電廠、供電局及科研單位等廣大用戶的用來做交流耐壓試驗的基本試驗設備，通過了國家質(zhì)量監(jiān)督局的標準，用于對各種電氣產(chǎn)品、電器元件、絕緣材料等進行規(guī)定電壓下的絕緣強度試驗。

組成

　　變壓器組成部件包括器身(鐵芯、繞組、絕緣、引線)、變壓器油、油箱

　　和冷卻裝置、調(diào)壓裝置、保護裝置(吸濕器、安全氣道、氣體繼電器、儲油柜及測溫裝置等)和出線套管。

　　1．鐵芯

　　鐵芯是變壓器中主要的磁路部分。通常由含硅量較高，厚度分別為0.35 mm\0.3mm\0.27 mm，

　　表面涂有絕緣漆的熱軋或冷軋硅鋼片疊裝而成

　　鐵芯分為鐵芯柱和橫片兩部分，鐵芯柱套有繞組；橫片是閉合磁路之用。

　　鐵芯結(jié)構(gòu)的基本形式有心式和殼式兩種

　　2．繞組

　　繞組是變壓器的電路部分，它是用雙絲包絕緣扁線或漆包圓線繞成。變壓器的基本原理是電磁感應原理，現(xiàn)以單相雙繞組變壓器為例說明其基本工作原理：當一次側(cè)繞組上加上電壓U1時，流過電流I1，在鐵芯中就產(chǎn)生交變磁通O1，這些磁通稱為主磁通，在它作用下，兩側(cè)繞組分別感應電勢E1，E2，感應電勢公式為：E=4.44fNØm

　　式中：E--感應電勢有效值

　　f--頻率

　　N--匝數(shù)

　　Øm--主磁通最大值

　　由于二次繞組與一次繞組匝數(shù)不同，感應電勢E1和E2大小也不同，當略去內(nèi)阻抗壓降后，電壓U1和U2大小也就不同。

　　當變壓器二次側(cè)空載時，一次側(cè)僅流過主磁通的電流（I0），這個電流稱為激磁電流。當二次側(cè)加負載流過負載電流I2時，也在鐵芯中產(chǎn)生磁通，力圖改變主磁通，但一次電壓不變時，主磁通是不變的，一次側(cè)就要流過兩部分電流，一部分為激磁電流I0，一部分為用來平衡I2，所以這部分電流隨著I2變化而變化。當電流乘以匝數(shù)時，就是磁勢。

　　上述的平衡作用實質(zhì)上是磁勢平衡作用，變壓器就是通過磁勢平衡作用實現(xiàn)了一、二次側(cè)的能量傳遞。

工作原理

　　變壓器是變換交流電壓、交變電流和阻抗的器件，當初級線圈中通有交流電流時，鐵芯（或磁芯）中便產(chǎn)生交流磁通，使次級線圈中感應出電壓（或電流）。

　　變壓器由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個或兩個以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈。

技術參數(shù)

　　對不同類型的變壓器都有相應的技術要求，可用相應的技術參數(shù)表示。如電源變壓器的主要技術參數(shù)有：額定功率、額定電壓和電壓比、額定頻率、工作溫度等級、溫升、電壓調(diào)整率、絕緣性能和防潮性能，對于一般低頻變壓器的主要技述參數(shù)是：變壓比、頻率特性、非線性失真、磁屏蔽、靜電屏蔽、效率等。

ontent">電壓比

　　變壓器兩組線圈圈數(shù)分別為N1和N2，N1為初級，N2為次級。在初級線圈上加一交流電壓，在次級線圈兩端就會產(chǎn)生感應電動勢.當N2>N1時，其感應電動勢要比初級所加的電壓還要高，這種變壓器稱為升壓變壓器：當N2<N1時，其感應電動勢低于初級電壓，這種變壓器稱為降變壓器。初級次級電壓和線圈圈數(shù)間具有下列關系：

　　U1/U2=N1/N2

　　式中n稱為電壓比(圈數(shù)比).當n<1時，則N1>N2，U1>U2，該變壓器為降壓變壓器。反之則為升壓變壓器.

　　另有電流之比I1/I2=N2/N1

　　電功率P1=P2

　　注意：上面的式子，只在理想變壓器只有一個副線圈時成立。當有兩個副線圈時，P1=P2+P3,U1/N1=U2/N2=U3/N3,電流則須利用電功率的關系式去求，有多個時，依此類推。

變壓器的效率

　　在額定功率時，變壓器的輸出功率和輸入功率的比值，叫做變壓器的效率，即：

　　η=(P2÷P1)x100%

　　式中，η為變壓器的效率；P1為輸入功率，P2為輸出功率。

當變壓器的輸出功率P2等于輸入功率P1時，效率η等于100%，變壓器將不產(chǎn)生任何損耗。但實際上這種變壓器是沒有的。變壓器傳輸電能時總要產(chǎn)生損耗，這種損耗主要有銅損和鐵損。

　　銅損是指變壓器線圈電阻所引起的損耗.當電流通過線圈電阻發(fā)熱時，一部分電能就轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏鴵p耗。由于線圈一般都由帶絕緣的銅線纏繞而成，因此稱為銅損。

　　變壓器的鐵損包括兩個方面：一是磁滯損耗，當交流電流通過變壓器時，通過變壓器硅鋼片的磁力線其方向和大小隨之變化，使得硅鋼片內(nèi)部分子相互摩擦，放出熱能，從而損耗了一部分電能，這便是磁滯損耗。另一是渦流損耗，當變壓器工作時，鐵芯中有磁力線穿過，在與磁力線垂直的平面上就會產(chǎn)生感應電流，由于此電流自成閉合回路形成環(huán)流，且成旋渦狀，故稱為渦流。渦流的存在使鐵芯發(fā)熱，消耗能量，這種損耗稱為渦流損耗。

　　變壓器的效率與變壓器的功率等級有密切關系，通常功率越大，損耗與輸出功率就越小，效率也就越高。反之，功率越小，效率也就越低。

變壓器的功率

　　變壓器鐵芯磁通和施加的電壓有關。在電流中勵磁電流不會隨著負載的增加而增加。雖然負載增加鐵芯不會飽和，將使線圈的電阻損耗增加，超過額定容量由于線圈產(chǎn)生的熱量不能及時的散出，線圈會損壞，假如你用的線圈是由超導材料組成，電流增大不會引起發(fā)熱，但變壓器內(nèi)部還有漏磁引起的阻抗，但電流增大，輸出電壓會下降，電流越大，輸出電壓越低，所以變壓器輸出功率不可能是無限的。假如你又說了，變壓器沒有阻抗，那么當變壓器流過電流時會產(chǎn)生特別大電動力，很容易使變壓器線圈損壞，雖然你有了一臺功率無限的變壓器但不能用。只能這樣說，隨著超導材料和鐵芯材料的發(fā)展，相同體積或重量的變壓器輸出功率會增大，但不是無限大！

原理

　　圖1是變壓器的原理簡體圖，當一個正弦交流電壓U1加在初級線圈兩端時，導線中就有交變電流I1并產(chǎn)生交變磁通ф1，它沿著鐵芯穿過初級線圈和次級線圈形成閉合的磁路。在次級線圈中感應出互感電勢U2，同時ф1也會在初級線圈上感應出一個自感電勢E1，E1的方向與所加電壓U1方向相反而幅度相近，從而限制了I1的大小。為了保持磁通ф1的存在就需要有一定的電能消耗，并且變壓器本身也有一定的損耗，盡管此時次級沒接負載，初級線圈中仍有一定的電流，這個電流我們稱為“空載電流”。　如果次級接上負載，次級線圈就產(chǎn)生電流I2，并因此而產(chǎn)生磁通ф2，ф2的方向與ф1相反，起了互相抵消的作用，使鐵芯中總的磁通量有所減少，從而使初級自感電壓E1減少，其結(jié)果使I1增大，可見初級電流與次級負載有密切關系。當次級負載電流加大時I1增加，ф1也增加，并且ф1增加部分正好補充了被ф2所抵消的那部分磁通，以保持鐵芯里總磁通量不變。如果不考慮變壓器的損耗，可以認為一個理想的變壓器次級負載消耗的功率也就是初級從電源取得的電功率。變壓器能根據(jù)需要通過改變次級線圈的圈數(shù)而改變次級電壓，但是不能改變允許負載消耗的功率。

檢測

　　一、中周變壓器的檢測。

　　二、電源變壓器的檢測。

絕緣等級

　　變壓器的絕緣等級，并不是絕緣強度的概念，而是允許的溫升的標準，即絕緣等級是指其所用絕緣材料的耐熱等級，分A、E、B、F、H級。絕緣的溫度等級分為A級 E級B級 F級H級。各絕緣等級具體允許溫升標準如下：

　　最高允許溫度（℃）105 120 130 155 180

　　繞組溫升限值（K）60 75 80 100 125

　　性能參考溫度（℃）80 95 100 120 145

　　變壓器的容量等級：30、50、63、80、100、125.160、200、250、315、400、500、630、800、1000、1250、1600、2000、2500、3150、4000、5000、6300、8000、10000、12500、16000、20000、25000、31500、40000、50000、63000、90000、120000、150000、180000、260000、360000、400000 kVA。通常，容量為630KVA及以下的變壓器統(tǒng)稱為小型變壓器；800~6300KVA的變壓器稱為中型變壓器；8000~63000KVA的變壓器稱為大型變壓器；90000KVA以上的變壓器稱為特大型變壓器。

變壓器損耗

　　當變壓器的初級繞組通電后，線圈所產(chǎn)生的磁通在鐵芯流動，因為鐵芯本身也是導體，在垂直于磁力線的平面上就會感應電勢，這個電勢在鐵芯的斷面上形成閉合回路并產(chǎn)生電流，好像p一個旋渦所以稱為“渦流”。這個“渦流”使變壓器的損耗增加，并且使變壓器的鐵芯發(fā)熱變壓器的溫升增加。由“渦流”所產(chǎn)生的損耗我們稱為“鐵損”。另外要繞制變壓器需要用大量的銅線，這些銅導線存在著電阻，電流流過時這電阻會消耗一定的功率，這部分損耗往往變成熱量而消耗，我們稱這種損耗為“銅損”。所以變壓器的溫升主要由鐵損和銅損產(chǎn)生的。

　　由于變壓器存在著鐵損與銅損，所以它的輸出功率永遠小于輸入功率，為此我們引入了一個效率的參數(shù)來對此進行描述，η=輸出功率/輸入功率。

繞制材料

　　要繞制一個變壓器我們必須對與變壓器有關的材料要有一定的認識，為此這里我就介紹一下這方面的知識。

　　1.鐵芯材料

　　變壓器使用的鐵芯材料是鐵片中加入硅能降低鋼片的導電性，增加電阻率，它可減少渦流，使其損耗減少。我們通常稱為加了硅的鋼片為硅鋼片，變壓器的質(zhì)量所用的硅鋼片的質(zhì)量有很大的關系，硅鋼片的質(zhì)量通常用磁通密度B來表示，一般黑鐵片的B值為6000-8000、低硅片為9000-11000，高硅片為12000-16000，

　　2.繞制變壓器通常用的材料

　　漆包線，紗包線，絲包線紙包線，最常用的漆包線。對于導線的要求，是導電性能好，絕緣漆層有足夠耐熱性能，并且要有一定的耐腐蝕能力。一般情況下最好用QZ型號的高強度的聚脂漆包線。

　　3.絕緣材料

　　在繞制變壓器中，線圈框架層間的隔離、繞阻間的隔離，均要使用絕緣材料，一般的變壓器框架材料可用酚醛紙板制作，環(huán)氧板，或紙板。層間可用聚脂薄膜，電話紙，6520復合紙等作隔離，繞阻間可用黃臘布，或亞胺膜作隔離。

　　4.浸漬材料

　　變壓器繞制好后，還要過最后一道工序，就是浸漬絕緣漆，它能增強變壓器的機械強度、提高絕緣性能、延長使用壽命，一般情況下，可采用甲酚清漆作為浸漬材料 或1032絕緣漆，樹脂漆。

分類

　　一般常用變壓器的分類可歸納如下：

　　(1)按相數(shù)分：

　　(1)單相變壓器：用于單相負荷和三相變壓器組。

　　(2)三相變壓器：用于三相系統(tǒng)的升、降電壓。

　　(2)按冷卻方式分：

　　(1)干式變壓器：依靠空氣對流進行冷卻，一般用于局部照明、電子線路等小容量變壓器。

　　(2)油浸式變壓器：依靠油作冷卻介質(zhì)、如油浸自冷、油浸風冷、油浸水冷、強迫油循環(huán)等。

　　(3)按用途分：

　　(1)電力變壓器：用于輸配電系統(tǒng)的升、降電壓。

　　(2)儀用變壓器：如電壓互感器、電流互感器、用于測量儀表和繼電保護裝置。

　　(3)試驗變壓器：能產(chǎn)生高壓，對電氣設備進行高壓試驗。

　　(4)特種變壓器：如電爐變壓器、整流變壓器、調(diào)整變壓器、電容式變壓器、移相變壓器等。

　　(4)按繞組形式分：

　　(1)雙繞組變壓器：用于連接電力系統(tǒng)中的兩個電壓等級。

　　(2)三繞組變壓器：一般用于電力系統(tǒng)區(qū)域變電站中，連接三個電壓等級。

　　(3)自耦變電器：用于連接不同電壓的電力系統(tǒng)。也可做為普通的升壓或降后變壓器用。

　　(5)按鐵芯形式分：

　　(1)芯式變壓器：用于高壓的電力變壓器。

　?。?）非晶合金變壓器：非晶合金鐵芯變壓器是用新型導磁材料，空載電流下降約80%，是目前節(jié)能效果較理想的配電變壓器，特別適用于農(nóng)村電網(wǎng)和發(fā)展中地區(qū)等負載率較低的地方。

　　(3)殼式變壓器：用于大電流的特殊變壓器，如電爐變壓器、電焊變壓器；或用于電子儀器及電視、收音機等的電源變壓器。