變壓器的工作原理

　　

變壓器的工作原理及釋義：

法拉第在1831年8月29日發(fā)明了一個(gè)“電感環(huán)"，稱(chēng)為“法拉第感應(yīng)線圈"，實(shí)際上是世界上*只變壓器雛形。但法拉第只是用它來(lái)示范電磁感應(yīng)原理，并沒(méi)有考慮過(guò)它可以有實(shí)際的用途。

法拉第感應(yīng)線圈

1881年，路森·戈拉爾（Lucien Gaulard）和約翰·狄克遜·吉布斯（John Dixon Gibbs）在倫敦展示一種稱(chēng)為“二次手發(fā)電機(jī)"的設(shè)備，然后把這項(xiàng)技術(shù)賣(mài)給了美國(guó)西屋公司， 這可能是*個(gè)實(shí)用的電力變壓器，但并不是 早的變壓器。

1884年，路森·戈拉爾和約翰·狄克遜·吉布斯在采用電力照明的意大利都靈市展示了他們的設(shè)備。早期變壓器采用直線型鐵心，后來(lái)被更有效的環(huán)形鐵心取代。

西屋公司的工程師威廉·史坦雷從喬治·威斯汀豪斯、路森·戈拉爾與約翰·狄克遜·吉布斯買(mǎi)來(lái)變壓器以后，在1885年制造了*臺(tái)實(shí)用的變壓器。后來(lái)變壓器的鐵心由E型的鐵片疊合而成，并于1886年開(kāi)始商業(yè)運(yùn)用。

變壓器變壓原理首先由法拉第發(fā)現(xiàn)，但是直到十九世紀(jì)80年代才開(kāi)始實(shí)際應(yīng)用。在發(fā)電場(chǎng)應(yīng)該輸出直流電和交流電的競(jìng)爭(zhēng)中，交流電能夠使用變壓器是其優(yōu)勢(shì)之一。變壓器可以將電能轉(zhuǎn)換成高電壓低電流形式，然后再轉(zhuǎn)換回去，因此大大減小了電能在輸送過(guò)程中的損失，使得電能的經(jīng)濟(jì)輸送距離達(dá)到更遠(yuǎn)。如此一來(lái)，發(fā)電廠就可以建在遠(yuǎn)離用電的地方。世界大多數(shù)電力經(jīng)過(guò)一系列的變壓 終才到達(dá)用戶那里的。[

2工作原理

變壓器由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個(gè)或兩個(gè)以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級(jí)線圈，其余的繞組叫次級(jí)線圈。它可以變換交流電壓、電流和阻抗。 簡(jiǎn)單的鐵心變壓器由一個(gè)軟磁材料做成的鐵心及套在鐵心上的兩個(gè)匝數(shù)不等的線圈構(gòu)成，如圖所示。

變壓器原理

鐵心的作用是加強(qiáng)兩個(gè)線圈間的磁耦合。為了減少鐵內(nèi)渦流和磁滯損耗，鐵心由涂漆的硅鋼片疊壓而成;兩個(gè)線圈之間沒(méi)有電的，線圈由絕緣銅線（或鋁線）繞成。一個(gè)線圈接交流電源稱(chēng)為初級(jí)線圈（或原線圈），另一個(gè)線圈接用電器稱(chēng)為次級(jí)線圈（或副線圈）。實(shí)際的變壓器是很復(fù)雜的，不可避免地存在銅損（線圈電阻發(fā)熱）、鐵損（鐵心發(fā)熱）和漏磁（經(jīng)空氣閉合的磁感應(yīng)線）等，為了簡(jiǎn)化討論這里只介紹理想變壓器。理想變壓器成立的條件是：忽略漏磁通，忽略原、副線圈的電阻，忽略鐵心的損耗，忽略空載電流（副線圈開(kāi)路原線圈線圈中的電流）。例如電力變壓器在滿載運(yùn)行時(shí)（副線圈輸出額定功率）即接近理想變壓器情況。

變壓器是利用電磁感應(yīng)原理制成的靜止用電器。當(dāng)變壓器的原線圈接在交流電源上時(shí)，鐵心中便產(chǎn)生交變磁通，交變磁通用φ表示。原、副線圈中的φ是相同的，φ也是簡(jiǎn)諧函數(shù)，表為φ=φmsinωt。由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，原、副線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為e₁=-N₁dφ/dt、e2=-N₂dφ/dt。式中N1、N₂為原、副線圈的匝數(shù)。由圖可知U₁=-e₁，U₂=e₂（原線圈物理量用下角標(biāo)1表示，副線圈物理量用下角標(biāo)2表示），其復(fù)有效值為U₁=-E₁=jN₁ωΦ、U₂=E₂=-_jN₂ωΦ，令k=N₁/N₂，稱(chēng)變壓器的變比。由上式可得U₁/ U₂=-N₁/N₂=-k，即變壓器原、副線圈電壓有效值之比，等于其匝數(shù)比而且原、副線圈電壓的位相差為π。

進(jìn)而得出：

U₁/U₂=N₁/N₂

在空載電流可以忽略的情況下，有I₁/ I₂=-N₂/N₁，即原、副線圈電流有效值大小與其匝數(shù)成反比，且相位差π。

進(jìn)而可得

I₁/ I₂=N₂/N₁

理想變壓器原、副線圈的功率相等P₁=P₂。說(shuō)明理想變壓器本身無(wú)功率損耗。實(shí)際變壓器總存在損耗，其效率為η=P₂/P₁。電力變壓器的效率很高，可達(dá)90%以上。

3特征參數(shù)

工作頻率

變壓器鐵芯損耗與頻率關(guān)系很大，故應(yīng)根據(jù)使用頻率來(lái)設(shè)計(jì)和使用，這種頻率稱(chēng)工作頻率。

額定功率

在規(guī)定的頻率和電壓下，變壓器能長(zhǎng)期工作而不超過(guò)規(guī)定溫升的輸出功率。

額定電壓

指在變壓器的線圈上所允許施加的電壓，工作時(shí)不得大于規(guī)定值。

電壓比

指變壓器初級(jí)電壓和次級(jí)電壓的比值，有空載電壓比和負(fù)載電壓比的區(qū)別。

空載電流

變壓器次級(jí)開(kāi)路時(shí)，初級(jí)仍有一定的電流，這部分電流稱(chēng)為空載電流?？蛰d電流由磁化電流（產(chǎn)生磁通）和鐵損電流（由鐵芯損耗引起）組成。對(duì)于50Hz電源變壓器而言，空載電流基本上等于磁化電流。

空載損耗

指變壓器次級(jí)開(kāi)路時(shí)，在初級(jí)測(cè)得功率損耗。主要損耗是鐵芯損耗，其次是空載電流在初級(jí)線圈銅阻上效率

指次級(jí)功率P2與初級(jí)功率P1比值的百分比。通常變壓器的額定功率愈大，效率就愈高。

絕緣電阻

表示變壓器各線圈之間、各線圈與鐵芯之間的絕緣性能。絕緣電阻的高低與所使用的絕緣材料的性能、溫度高低和潮濕程度有關(guān).

4主要分類(lèi)

一般常用變壓器的分類(lèi)可歸納如下

1、按相數(shù)分：

1）單相變壓器：用于單相負(fù)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(duì)流進(jìn)行自然冷卻或增加風(fēng)機(jī)冷卻，多用于高層建筑、高速收費(fèi)站點(diǎn)用電及局部照明、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(fēng)冷、油浸水冷、強(qiáng)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(cè)量?jī)x表和繼電保護(hù)裝置。

3）試驗(yàn)變壓器：能產(chǎn)生高壓，對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行高壓試驗(yàn)。

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(gè)電壓等級(jí)。

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(gè)電壓等級(jí)。

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。

2）非晶合金變壓器：非晶合金鐵芯變壓器是用新型導(dǎo)磁材料，空載電流下降約80%，是節(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(fù)載率較低地方。

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(jī)等的電源變壓器。