常见电气设备中变压器的结构及工作原理探析

赵亮

摘 要：本文介绍了变压器的结构和工作原理，对变压器的应用有借鉴意义。

关键词：变压器；结构；工作原理

变压器是一种常见的电气设备，可用于将某一电压值的交流电变换为同频率的另一电压值的交流电。除变换电压外，它还可以变换电流和变换阻抗。变压器在国民经济的很多领域里有着非常广泛的应用。

1.变压器的结构和工作原理

变压器的型式多种多样，但它们的基本结构是相同的，都由铁心和绕在铁心上的绕组所组成。根据铁心和绕组的相对位置不同，变压器可以分为心式和壳式两种。

1.1 心式变压器

心式变压器的结构和外形，如图1所示。其特点是铁心1在绕组（低压绕组2和高压绕组3）里面，即绕组包围铁心。心式变压器的结构简单，用铁量少，绕组的安装和绝缘比较容易。容量较大的单相变压器和三相电力变压器都采用这种结构。

图1 心式变压器的结构和外形

1- 铁心；2-低压绕组；3-高压绕组

1.2 壳式

壳式变压器的结构和外形，如图2所示。其特点是绕组（低压绕组2和高压绕组3）在铁心1里面，即铁心包围绕组。壳式變压器用铜量少，散热比较容易，而且可以不要专门的变压器外壳。容量较小的单相变压器和某些特殊用途的变压器采用这种结构。

图2 壳式变压器的结构和外形

1- 铁心；2-低压绕组；3-高压绕组

变压器的铁心用于构成磁路。为了提高导磁能力，降低损耗，变压器的铁心通常是用表面涂有绝缘漆膜，厚度为0.22mm、0.27mm、0.35mm及0.5mm的硅钢片叠装而成。变压器的绕组又称线圈，由绝缘导线绕制而成，是变压器导电的部分。变压器的绕组有一次绕组和二次绕组。与电源相连的称为一次绕组，与负载相连的称为二次绕组。

变压器除了铁心和绕组两个主要部分之外，还有一些其他装置和附件。例如，在电力变压器中，有用于变压器身散热的邮箱（变压器的铁心和绕组都津在装有变压器油的油箱中，这种冷却方式叫油津式）、油管（散热用）、油枕（储油柜），有用于使带电引线与油箱之间可靠绝缘的绝缘套管，以及用于观测变压器油面高度的油位表和油面温度的温度表等。

2. 变压器的工作原理

磁通的绝大部分通过铁心而闭合，称为主磁通，用Φ表示。由于主磁通同时与一次、二次绕组相链，因此当主磁通交变在一次绕组中产生感应电动势e1时，也会在二次绕组中产生感应电动势e2，。如果二次绕组接有负载，便有电流i2流过负载，并向负载输出电功率。在此，负载上的电流和功率是通过变压器铁心中的交变磁通，利用电磁感应作用，从一次绕组传送到二次绕组的，这就是变压器的基本工作原理。下面分别讨论变压器的电压变换、电流变换和阻抗变换关系。

2.1 电压变换

根据电磁感应定律，设主磁通 则

（2.1）

（2.2）

它们的有效值：

（2.3）

（2.4）

由于漏磁通Φδ1和Φδ2是经过空气隙的，因此Φδ1、Φδ2分别与电流i1、i2成正比，其作用可用电感 和 来表示，故漏磁感应电动势

（2.5）

（2.6）

当变压器空载时， ，故 （ 为二次绕组的空载电压）。由于此时一次绕组上的阻抗压降很小（约占U1的0.01%～0.25%），可以忽略不计，故 。因此空载时一次、二次绕组电压有效值之比

（2.7）

式中，K称为变压器的变比。由式（2.7）说明，空载时变压器一次、二次绕组电压之比近似等于它们的匝数之比。这就是变压器的电压变换关系。变比K是变压器的一个重要参数，它可由变压器的铭牌数据就得，数值上等于一次、二次绕组的额定电压之比。

2.2电流变换

如上所述，由于变压器绕组的阻抗压降很小，可以忽略不计，因此

（2.8）

式（2.8）说明，在电源电压U1和频率f不变时，感应电动势E1和主磁通的最大值 也近似不变。 不变则意味着产生主磁通的磁动势不变。因为变压器空载时产生主磁通的磁动势为N1i0（i0为空载电流），负载时产生主磁通的磁动势为（N1i1+N2i2），故

N1i1+N2i2=N1i0 或 （2.9）

因为变压器的空载电流I0很小（约为I1N的1%～3%），因此一般可以认为

（2.10）

式（2.10）说明，二次绕组磁动势与一次绕组磁动势相位近似相反，对主磁通是起去磁作用的。由式（2.10）可得变压器一次、二次电流有效值之比：

（2.11）

即变压器一次、二次电流有效值之比近似等于它们的匝数比的倒数。这就是变压器的电流变换关系。

3 结束语

本文首先讨论变压器的结构和工作原理，变压器是电力系统中非常重要的电气设备。

参考文献

[1]姚志松，姚磊.变压器节能方法与技术改造应用实例[M]北京：中国电力出版社，2008：125-129.

[2]胡景生.变压器能效与节电技术[M]北京：机械工业出版社，2007：136-140.