变压器的结构和工作原理

变压器按用途,可分为输配电用的电力变压器、测量用的仪用互感器和传递信号用的耦合变压器等;按交流电的相数不同,可分为单相变压器和三相变压器。不同种类变压器的基本结构和工作原理是相似的。

(1)变压器的基本结构

变压器主要由铁磁性材料制成的铁芯和绕在铁芯上的绕组(线圈)两部分组成。常见的结构有芯式和壳式两种。芯式变压器如图4.3.1(a)所示,绕组套在铁芯的两个铁芯柱上,常用于容量较大的变压器,一般的电力变压器均采用芯式结构;壳式变压器如图4.3.1(b)所示,铁芯包围着绕组的上下面和两个侧面,铁芯容易散热,常用于小容量的变压器。

图4.3.1　芯式变压器和壳式变压器结构示意图

1)铁芯

铁芯是变压器的磁路部分。为了减少铁芯内的磁滞和涡流损耗,通常采用含硅量为5、厚度为0.35 mm或0.5 mm、两平面涂绝缘漆的硅钢片叠装而成。为了降低磁路中的磁阻,铁芯一般采用交错叠装方式,即将每层硅钢片的接缝错开,如图4.3.2所示。

2)绕组

绕组是变压器的电路部分,一般用绝缘铜导线或铝导线绕制而成。变压器与电源相连的一侧称为原边,其绕组称为原绕组(或称为初级绕组、一次绕组);与负载相连的一侧称为副边,其绕组称为副绕组(或称为次级绕组、二次绕组)。在一般情况下,原、副绕组的匝数不同,匝数多的称为高压绕组,匝数少的称为低压绕组。

图4.3.2　变压器的铁芯形状

(2)变压器的工作原理

变压器工作时,因绕组压降和漏磁电动势都非常小,故在讨论其工作原理时可忽略不计。下面分空载和负载两种情况讨论单相变压器的工作原理。

1)变压器的空载运行

变压器的空载运行是指副绕组开路、不接负载的情况,如图4.3.3所示为变压器空载运行原理图,原、副绕组的匝数分别为N1、N2。为了便于分析,原、副绕组分别画在两边。

在正弦电压u1作用下,原绕组中的电流为i1,此时的i1=i0称为空载电流,也称励磁电流。它在原边建立磁动势i0 N1,在铁芯中产生同时交链着原、副绕组的主磁通Φ,依据电磁感应原理,主磁通在原、副绕组中分别产生频率相同的感应电动势e1和e2,由于副绕组开路,i2=0,其两端的开路电压用U20表示,图中标注的是它们的参考方向。由式(4.2.3)可得e1和e2的有效值为

图4.3.3　变压器的空载运行

图4.3.4　变压器的负载运行

由式(4.2.4)可得原边电压U1与副边开路电压U20为

因此,原边电压U1与副边开路电压U20之间的关系为(www.xing528.com)

在式(4.3.1)中,K称为变压器的变压比(简称变比)。可知,变压器原、副绕组的电压之比等于原、副绕组的匝数之比。当K>1时,为降压变压器;当K<1时,为升压变压器。

2)变压器的负载运行

变压器的负载运行是指副绕组接上负载的运行情况,如图4.3.4所示。负载运行时,副绕组中产生电流i2,在副边产生磁动势i2 N2。依据恒磁通特性,在电源电压u1及其频率f一定时,无论变压器是空载还是负载,Φm将基本保持不变。空载运行时的主磁通由磁动势i0 N1产生,负载运行时的主磁通由磁动势i1 N1和i2 N2共同产生,其相量表达式为

变压器的空载电流i0很小,其有效值I0小于原绕组额定电流I1N的10,于是式(4.3.2)可写为

式中,负号说明电流i1和i2的相位相反,即i2 N2对i1 N1有去磁作用。由式(4.3.3)可得

可知,原、副绕组电流的有效值之比近似等于变压比的倒数。应当说明的是,变压器通过磁路将原边的电能传递到副边。当变压器的负载增加时,I2和I2 N2会增大,I1和I1 N1也必须相应增大,以抵偿副绕组电流和磁动势对主磁通的影响,从而维持主磁通的最大值Φm基本不变,即原绕组电流的大小决定于副绕组电流的大小,这是一个自动适应的过程。

变压器除了能变换交流电压、交流电流以外,还可变换阻抗。在图4.3.5(a)中,变压器副绕组接入阻抗Z,则虚线框部分可用一个阻抗Z′来代替,其等效电路如图4.3.5(b)所示。之间的关系为

图4.3.5　变压器的阻抗变换

可知,副边阻抗模折算到原边的等效阻抗模为这就是阻抗变换作用。这样,只需调整匝数比,就能将负载阻抗模变换为所需要的数值,这种做法称为阻抗匹配。

【例4.3.1】　一个交流信号源的输出电压为60 V,内阻R0=800Ω,负载电阻RL=8Ω,求:

(1)RL直接接到信号源上时获得的功率;

(2)若在负载RL与信号源之间接入一个变压器进行阻抗变换,为使该负载获得最大功率,需选择变压比为多少的变压器?RL上获得的最大功率为多少?

解　(1)RL直接接到电源上时获得的功率P为

(2)阻抗匹配时变压器的变压比K及RL上获得的最大功率PLmax为

可知,利用变压器进行阻抗匹配,可使负载获得较大的功率。