變壓器

簡(jiǎn)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(yàn)變壓器、轉(zhuǎn)角變壓器、大電流變壓器、勵(lì)磁變壓器。

　　變壓器的最基本形式，包括兩組繞有導(dǎo)線之線圈，并且彼此以電感方式稱合一起。當(dāng)一交流電流(具有某一已知頻率)流于其中之一組線圈時(shí)，于另一組線圈中將感應(yīng)出具有相同頻率之交流電壓，而感應(yīng)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(yīng)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。基于鐵材的高導(dǎo)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(dāng)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(biāo)。由于此項(xiàng)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(zhǎng)途輸送電力更為經(jīng)濟(jì)，至于降壓變壓器，它使得電力運(yùn)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(shí)無法達(dá)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(luò)之電源均非常龐大，它可能是涵蓋有半個(gè)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(duì)交流電流提供高阻抗，但對(duì)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(yīng)?！缸杩埂蛊渲兄豁?xiàng)重要概念，亦即電子學(xué)特性之一，其乃預(yù)設(shè)一種設(shè)備，即當(dāng)電路組件阻抗系從一階層改變到另外的一個(gè)階層時(shí)，其間即使用到一種設(shè)備-變壓器。

　　變壓器又有其做試驗(yàn)而用的，稱之為試驗(yàn)變壓器，分別可以分為充氣式，油浸式，干式等試驗(yàn)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(yàn)的基本試驗(yàn)設(shè)備，通過了國家質(zhì)量監(jiān)督局的標(biāo)準(zhǔn)，用于對(duì)各種電氣產(chǎn)品、電器元件、絕緣材料等進(jìn)行規(guī)定電壓下的絕緣強(qiáng)度試驗(yàn)。

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(hù)裝置(吸濕器、安全氣道、氣體繼電器、儲(chǔ)油柜及測(cè)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(yīng)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(dāng)一次側(cè)繞組上加上電壓U1時(shí)，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(yīng)電勢(shì)E1，E2，感應(yīng)電勢(shì)公式為：E=4.44fNØm

　　式中：E--感應(yīng)電勢(shì)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(yīng)電勢(shì)E1和E2大小也不同，當(dāng)略去內(nèi)阻抗壓降后，電壓U1和U2大小也就不同。

　　當(dāng)變壓器二次側(cè)空載時(shí)，一次側(cè)僅流過主磁通的電流（I0），這個(gè)電流稱為激磁電流。當(dāng)二次側(cè)加負(fù)載流過負(fù)載電流I2時(shí)，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(shí)，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(dāng)電流乘以匝數(shù)時(shí)，就是磁勢(shì)。

　　上述的平衡作用實(shí)質(zhì)上是磁勢(shì)平衡作用，變壓器就是通過磁勢(shì)平衡作用實(shí)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(dāng)初級(jí)線圈中通有交流電流時(shí)，鐵芯（或磁芯）中便產(chǎn)生交流磁通，使次級(jí)線圈中感應(yīng)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(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。

技術(shù)參數(shù)

　　對(duì)不同類型的變壓器都有相應(yīng)的技術(shù)要求，可用相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)表示。如電源變壓器的主要技術(shù)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(jí)、溫升、電壓調(diào)整率、絕緣性能和防潮性能，對(duì)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(jí)，N2為次級(jí)。在初級(jí)線圈上加一交流電壓，在次級(jí)線圈兩端就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).當(dāng)N2>N1時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)要比初級(jí)所加的電壓還要高，這種變壓器稱為升壓變壓器：當(dāng)N2<N1時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)低于初級(jí)電壓，這種變壓器稱為降變壓器。初級(jí)次級(jí)電壓和線圈圈數(shù)間具有下列關(guān)系：

　　U1/U2=N1/N2

　　式中n稱為電壓比(圈數(shù)比).當(dāng)n<1時(shí)，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(gè)副線圈時(shí)成立。當(dāng)有兩個(gè)副線圈時(shí)，P1=P2+P3,U1/N1=U2/N2=U3/N3,電流則須利用電功率的關(guān)系式去求，有多個(gè)時(shí)，依此類推。

變壓器的效率

　　在額定功率時(shí)，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(dāng)變壓器的輸出功率P2等于輸入功率P1時(shí)，效率η等于100%，變壓器將不產(chǎn)生任何損耗。但實(shí)際上這種變壓器是沒有的。變壓器傳輸電能時(shí)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(dāng)電流通過線圈電阻發(fā)熱時(shí)，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(gè)方面：一是磁滯損耗，當(dāng)交流電流通過變壓器時(shí)，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(dāng)變壓器工作時(shí)，鐵芯中有磁力線穿過，在與磁力線垂直的平面上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)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(jí)有密切關(guān)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(guān)。在電流中勵(lì)磁電流不會(huì)隨著負(fù)載的增加而增加。雖然負(fù)載增加鐵芯不會(huì)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(shí)的散出，線圈會(huì)損壞，假如你用的線圈是由超導(dǎo)材料組成，電流增大不會(huì)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(huì)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(dāng)變壓器流過電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生特別大電動(dòng)力，很容易使變壓器線圈損壞，雖然你有了一臺(tái)功率無限的變壓器但不能用。只能這樣說，隨著超導(dǎo)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(huì)增大，但不是無限大！

原理

　　圖1是變壓器的原理簡(jiǎn)體圖，當(dāng)一個(gè)正弦交流電壓U1加在初級(jí)線圈兩端時(shí)，導(dǎo)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(jí)線圈和次級(jí)線圈形成閉合的磁路。在次級(jí)線圈中感應(yīng)出互感電勢(shì)U2，同時(shí)ф1也會(huì)在初級(jí)線圈上感應(yīng)出一個(gè)自感電勢(shì)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(shí)次級(jí)沒接負(fù)載，初級(jí)線圈中仍有一定的電流，這個(gè)電流我們稱為“空載電流”?！∪绻渭?jí)接上負(fù)載，次級(jí)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(jí)自感電壓E1減少，其結(jié)果使I1增大，可見初級(jí)電流與次級(jí)負(fù)載有密切關(guān)系。當(dāng)次級(jí)負(fù)載電流加大時(shí)I1增加，ф1也增加，并且ф1增加部分正好補(bǔ)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(rèn)為一個(gè)理想的變壓器次級(jí)負(fù)載消耗的功率也就是初級(jí)從電源取得的電功率。變壓器能根據(jù)需要通過改變次級(jí)線圈的圈數(shù)而改變次級(jí)電壓，但是不能改變?cè)试S負(fù)載消耗的功率。

檢測(cè)

　　一、中周變壓器的檢測(cè)。

　　二、電源變壓器的檢測(cè)。

絕緣等級(jí)

　　變壓器的絕緣等級(jí)，并不是絕緣強(qiáng)度的概念，而是允許的溫升的標(biāo)準(zhǔn)，即絕緣等級(jí)是指其所用絕緣材料的耐熱等級(jí)，分A、E、B、F、H級(jí)。絕緣的溫度等級(jí)分為A級(jí) E級(jí)B級(jí) F級(jí)H級(jí)。各絕緣等級(jí)具體允許溫升標(biāo)準(zhǔn)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(jí)：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(dāng)變壓器的初級(jí)繞組通電后，線圈所產(chǎn)生的磁通在鐵芯流動(dòng)，因?yàn)殍F芯本身也是導(dǎo)體，在垂直于磁力線的平面上就會(huì)感應(yīng)電勢(shì)，這個(gè)電勢(shì)在鐵芯的斷面上形成閉合回路并產(chǎn)生電流，好像p一個(gè)旋渦所以稱為“渦流”。這個(gè)“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(dǎo)線存在著電阻，電流流過時(shí)這電阻會(huì)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(yuǎn)小于輸入功率，為此我們引入了一個(gè)效率的參數(shù)來對(duì)此進(jìn)行描述，η=輸出功率/輸入功率。

繞制材料

　　要繞制一個(gè)變壓器我們必須對(duì)與變壓器有關(guān)的材料要有一定的認(rèn)識(shí)，為此這里我就介紹一下這方面的知識(shí)。

　　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(dǎo)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(guān)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(duì)于導(dǎo)線的要求，是導(dǎo)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(hào)的高強(qiáng)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(fù)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(qiáng)變壓器的機(jī)械強(qiáng)度、提高絕緣性能、延長(zhǎng)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(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(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)量儀表和繼電保護(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。

　?。?）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(fù)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(jī)等的電源變壓器。