對各種變壓器原理及特性的分析與探討

連艷芳

遼寧鐵道職業技術學院 （錦州 121000）

變壓器是利用電磁感應原理，將某一數值的交流電壓變換為同頻率的另一數值的交流電壓的電氣設備。除了在電力系統中用于升高或降低電壓的電力變壓器外，還有具有穩壓、陡降、移相、改變波形等特性的變壓器。例如，在測量系統和自動控制系統中使用的互感器，可以將大電流變為小電流，或將高電壓變為低電壓；用于實驗室的調壓變壓器，可任意調節電壓；用于電弧焊接的電焊變壓器，具有陡降的輸出特性；用于電子擴音電路的變壓器，可進行阻抗匹配；脈沖變壓器可以傳送脈沖波。本文就幾種常見變壓器的原理加以對比、分析與探討。從而對各種常見電動機的特性及應用有進一步的認識。

1 三相變壓器的原理

變壓器的主要部件是鐵芯及套在鐵芯上的繞組。把與交流電源連接的繞組稱為原繞組，其匝數用 N1表示；把與負載 Zfz（如燈泡）連接的繞組稱為副繞組，其匝數用N2表示。當原繞組接通交流電源，原繞組有電流i1通過時，將激發鐵芯產生交變的磁通。由于原、副繞組套在同一鐵芯柱上，鐵芯中的交變磁通同時交連原、副繞組，于是在兩繞組中產生頻率相同的交變感應電動勢e1、e2。顯然，對于負載來說，副繞組中的感應電動勢e2相當于電源，在副繞組接通的回路中，便有電流i2通過，使負載工作。

上述過程說明，變壓器原繞組從交流電源吸收電能，通過鐵芯中的磁通將其傳遞到副繞組供給負載。事實證明，變壓器能傳遞交流電能，而不能改變電能，即在傳遞過程中不改變電流與電壓大小的乘積，P=U1I1≈U2I2；變壓器能改變交流電壓或電流的大小，而不改變其頻率。

由此可見，變壓器的基本工作原理是當變壓器原繞組通以交流電流時，在其鐵芯中產生交變磁通，根據電磁感應原理，原、副繞組都產生感應電動勢，副繞組的感應電動勢相當于負載的電源，變壓器便將電能從原繞組傳遞到負載。

三相變壓器按鐵心結構分為三相組式變壓器和三相心式變壓器。

三相組式變壓器的組成：由完全相同的三臺單相變壓器按三相連接方式連接而成。

三相組式變壓器的磁路結構特點：（1）有三個獨立的變壓器鐵芯；（2）三相磁路互不關聯，各相彼此獨立；（3）三相電壓平衡時，三相電流、磁通也平衡。

三相心式變壓器的組成：三相心式變壓器是由三相組式變壓器演變而成，是現在三相變壓器的主要結構。把三個單相鐵心合并在一起，由于三相磁通對稱，其相量和為零，因此可省去中間鐵芯柱，再將三個心柱安排在同一平面上，便得到三相心式變壓器。

三相心式變壓器的磁路特點：（1）三個鐵心互不獨立；（2）三相磁路互相關聯；（3）中間相的磁路短、磁阻小；當三相電壓平衡時，三相電流稍有不對稱。

2 互感器的工作原理

2.1 電流互感器的工作原理

圖1 電流互感器

把大電流變成小電流的變壓器，是電流互感器。電流互感器結構上與普通雙繞組變壓器相似，也有鐵芯和原、副繞組，如圖1所示。原繞組通常叫做一次繞組或一次側，匝數很少，只有一匝到幾匝，導線很粗。原繞組串聯在一次電路中，流過一次電流，一次電流I1的大小由一次電路的負載決定。電流互感器的副繞組也叫做二次繞組或二次側，它的匝數較多，副繞組與電流表或功率表的電流線圈、繼電器的線圈等串聯成為閉合電路。由于這些線圈的阻抗都很小，二次側近似于短路狀態。所以，電流互感器在工作時近似于短路運行的升壓變壓器。由于一次側繞組的阻抗小，又串聯在一次電路中，原繞組的電壓幾乎為“0”；又由于交流鐵芯線圈電路的主磁通正比于電壓，根據磁勢平衡方程式，當不考慮相位關系，電流互感器的變流比Ki=I1/I2

由上面分析，可以看出電流互感器的工作特點如下：

互感器原繞組的輸入和副繞組的輸出都是電流，而電壓幾乎為“0”。這與普通變壓器有所不同，說明它傳遞和改變的是電流而不是電壓。

互感器工作在短路狀態，若副繞組開路，因為原邊電流I1很大，磁勢平衡被打破，這樣就在鐵芯中產生磁勢很強的磁通，這個磁通使鐵芯損耗增加，使鐵芯過熱，絕緣損壞；很強的磁通使二次側產生幾百伏甚至上千伏的高壓，危及儀表和操作人員的安全。因此電流互感器在運行時，副繞組是絕對不允許開路的。

2.2 電壓互感器的工作原理

圖2 電壓互感器

電壓互感器實質是一個降壓變壓器，其工作原理與普通變壓器沒有區別，也是由鐵芯和原繞組（一次側）、副繞組（二次側）兩個主要部分組成，如圖2所示。它的主要特點在于：原繞組匝數較多，并聯在被測電路中 ；副繞組匝數較少，與高阻抗的測量儀表或繼電器的線圈連接。電壓互感器有很準確的電壓比，副繞組電流很小，近似等于“0”。所以電壓互感器正常運行時，接近于空載運行的變壓器。根據變壓器原理，它的原繞組與副繞組的電壓之比等于它們的匝數之比，即U1/U2=N1/N2=Ku；

3 自耦變壓器的工作原理

圖3 自耦變壓器

根據自感現象制成的變壓器，稱為自感變壓器，也稱為自耦變壓器。自耦變壓器與普通變壓器不同的是，自耦變壓器只有一個線圈，如圖3所示。整個線圈的匝數為N1，并用它做一個繞組；在這個線圈中匝數為N2的地方作一抽頭成為另一個繞組；匝數為N2的一部分線圈是原、副繞組的公共部分。當把其中一個繞組接到交流電源上時，在鐵芯中形成磁通，在匝數N1的整個線圈和匝數為N2的公共部分產生感應電動勢 E1、E2，若兩個繞組的端電壓為 U1、U1，則U1/U2≈E1/E2=N1/N2=K。

4 電焊變壓器的工作原理

4.1 磁分路動鐵式電焊變壓器的工作原理

圖4 磁分路動鐵式電焊變壓器

磁分路動鐵式電焊變壓器是在鐵芯的兩柱中間又裝了一個活動的鐵芯柱，稱為動鐵芯。原繞組繞在左邊一鐵芯柱上，而副繞組分兩部分：一部分在左邊與原繞組同繞在一個鐵芯柱上的外層，另一部分在右邊一個鐵芯柱上，如圖4所示。由于動鐵芯可以推進和拉出，這樣就可以方便地改變變壓器的漏磁通。當動鐵芯在全部推進位置時，漏磁通增加，輸出電壓降低，且隨輸出電流的增大而下降較快；當動鐵芯在全部拉出的位置時，漏磁通減少，輸出電壓升高，且隨輸出電流的增大而下降較慢。

4.2 動圈式電焊變壓器的工作原理

圖5 動圈式電焊變壓器

動圈式電焊變壓器的鐵芯是殼式結構，鐵芯氣隙是固定不可調的。原繞組固定在鐵芯下部，副繞組為可動線圈，置于固定線圈的上面，并且可借助調節機構上下移動可動線圈，改變它與固定線圈的距離L0，如圖5所示。原、副繞組的距離L0越小，則耦合越緊，漏抗越小，輸出電壓越高，焊接電流越大；原、副繞組的距離 L0越大，則耦合越差，漏抗越大，輸出電壓越低，焊接電流越小。

以上就是幾種常見變壓器的原理，因為原理不同所以有不同的特點及應用。

[1]李剛.電機與變壓器[M].南開大學出版社,2013.

[2]許翏.電機與電氣控制技術[M].機械工業出版社,2012.