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(yè)技術(shù)學(xué)院 （錦州 121000）

變壓器是利用電磁感應(yīng)原理，將某一數(shù)值的交流電壓變換為同頻率的另一數(shù)值的交流電壓的電氣設(shè)備。除了在電力系統(tǒng)中用于升高或降低電壓的電力變壓器外，還有具有穩(wěn)壓、陡降、移相、改變波形等特性的變壓器。例如，在測量系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)中使用的互感器，可以將大電流變?yōu)樾‰娏鳎驅(qū)⒏唠妷鹤優(yōu)榈碗妷?；用于?shí)驗(yàn)室的調(diào)壓變壓器，可任意調(diào)節(jié)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(kuò)音電路的變壓器，可進(jìn)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(jī)的特性及應(yīng)用有進(jìn)一步的認(rèn)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(shù)用 N1表示；把與負(fù)載 Zfz（如燈泡）連接的繞組稱為副繞組，其匝數(shù)用N2表示。當(dāng)原繞組接通交流電源，原繞組有電流i1通過時(shí)，將激發(fā)鐵芯產(chǎn)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(shí)交連原、副繞組，于是在兩繞組中產(chǎn)生頻率相同的交變感應(yīng)電動勢e1、e2。顯然，對于負(fù)載來說，副繞組中的感應(yīng)電動勢e2相當(dāng)于電源，在副繞組接通的回路中，便有電流i2通過，使負(fù)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(fù)載。事實(shí)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(dāng)變壓器原繞組通以交流電流時(shí)，在其鐵芯中產(chǎn)生交變磁通，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，原、副繞組都產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，副繞組的感應(yīng)電動勢相當(dāng)于負(fù)載的電源，變壓器便將電能從原繞組傳遞到負(fù)載。

三相變壓器按鐵心結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）有三個(gè)獨(dú)立的變壓器鐵芯；（2）三相磁路互不關(guān)聯(lián)，各相彼此獨(dú)立；（3）三相電壓平衡時(shí)，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(xiàn)在三相變壓器的主要結(jié)構(gòu)。把三個(gè)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(gè)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(diǎn)：（1）三個(gè)鐵心互不獨(dú)立；（2）三相磁路互相關(guān)聯(lián)；（3）中間相的磁路短、磁阻?。划?dāng)三相電壓平衡時(shí)，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(jié)構(gòu)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(cè)，匝數(shù)很少，只有一匝到幾匝，導(dǎo)線很粗。原繞組串聯(lián)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(fù)載決定。電流互感器的副繞組也叫做二次繞組或二次側(cè)，它的匝數(shù)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(lián)成為閉合電路。由于這些線圈的阻抗都很小，二次側(cè)近似于短路狀態(tài)。所以，電流互感器在工作時(shí)近似于短路運(yùn)行的升壓變壓器。由于一次側(cè)繞組的阻抗小，又串聯(lián)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(jù)磁勢平衡方程式，當(dāng)不考慮相位關(guān)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(diǎn)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(tài)，若副繞組開路，因?yàn)樵呺娏鱅1很大，磁勢平衡被打破，這樣就在鐵芯中產(chǎn)生磁勢很強(qiáng)的磁通，這個(gè)磁通使鐵芯損耗增加，使鐵芯過熱，絕緣損壞；很強(qiáng)的磁通使二次側(cè)產(chǎn)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(yùn)行時(shí)，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(shí)質(zhì)是一個(gè)降壓變壓器，其工作原理與普通變壓器沒有區(qū)別，也是由鐵芯和原繞組（一次側(cè)）、副繞組（二次側(cè)）兩個(gè)主要部分組成，如圖2所示。它的主要特點(diǎn)在于：原繞組匝數(shù)較多，并聯(lián)在被測電路中 ；副繞組匝數(shù)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(zhǔn)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(yùn)行時(shí)，接近于空載運(yùn)行的變壓器。根據(jù)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(shù)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(jù)自感現(xiàn)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(gè)線圈，如圖3所示。整個(gè)線圈的匝數(shù)為N1，并用它做一個(gè)繞組；在這個(gè)線圈中匝數(shù)為N2的地方作一抽頭成為另一個(gè)繞組；匝數(shù)為N2的一部分線圈是原、副繞組的公共部分。當(dāng)把其中一個(gè)繞組接到交流電源上時(shí)，在鐵芯中形成磁通，在匝數(shù)N1的整個(gè)線圈和匝數(shù)為N2的公共部分產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 E1、E2，若兩個(gè)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(gè)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(gè)鐵芯柱上的外層，另一部分在右邊一個(gè)鐵芯柱上，如圖4所示。由于動鐵芯可以推進(jìn)和拉出，這樣就可以方便地改變變壓器的漏磁通。當(dāng)動鐵芯在全部推進(jìn)位置時(shí)，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(dāng)動鐵芯在全部拉出的位置時(shí)，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(jié)構(gòu)，鐵芯氣隙是固定不可調(diào)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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)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?yàn)樵聿煌杂胁煌奶攸c(diǎn)及應(yīng)用。

[1]李剛.電機(jī)與變壓器[M].南開大學(xué)出版社,2013.

[2]許翏.電機(jī)與電氣控制技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2012.