任务2.1
变压器的工作原理和基本结构

2.1.1 变压器的工作原理

由于变压器是利用电磁感应定律工作的，因此它主要由铁心和套在铁心上的两个（或两个以上）互相绝缘的线圈组成，线圈之间有磁的耦合，但通常没有电的联系，如图2-1所示。

通常一个线圈接交流电源，称为一次绕组，另一个线圈接负载，称为二次绕组。当在一次绕组两端加上合适的交流电源时，在电源电压 u ₁ 的作用下，一次绕组中就有交流电流 i ₁ 流过，产生一次绕组磁动势，于是铁心中激励起交变的磁通 Φ ，这个交变的磁通 Φ 同时交链一次、二次绕组，根据电磁感应定律，便在一次、二次绕组中产生感应电动势 e ₁ 和 e ₂ 。二次绕组在感应电动势 e ₂ 的作用下，便向负载供电，实现了能量传递。按图2-1中标明的变量关系，变压器的电动势平衡方程可写成

假定变压器两边绕组的电压和电动势的瞬时值都按正弦规律变化，由式（2-1）和式（2-2）可得一次、二次绕组中电压和电动势的有效值与匝数的关系为

式中 k ——电压比，亦称为匝比。

根据能量守恒原理，变压器的输入与输出电能相等，即

U ₁ I ₁ = U ₂ I ₂

由此可得变压器一次、二次绕组中电压和电流有效值的关系为

也就是

因此，只要改变一次、二次绕组的匝比 k ，便可达到变换输出电压 u ₂ 或 i ₂ 大小的目的，这就是变压器利用电磁感应定律，将一种电压等级的交流电转换成同频率的另一种电压等级的交流电的基本工作原理。图2-2给出了常用变压器的图形符号。

2.1.2 变压器的基本结构

变压器的种类繁多，结构各有特点，但铁心和绕组是组成变压器的两个主要部分。这里以油浸式电力变压器为例，简要介绍变压器的结构及各主要部分的功能。

1.铁心

为了减少交变磁通在铁心中引起的磁滞损耗和电涡流损耗（合称铁损耗），变压器铁心是由厚0.3～0.35mm的硅钢片叠压而成的。铁心的基本结构有芯式和壳式两种。芯式变压器在两侧的铁心柱上放置绕组，形成绕组包围铁心的形式，如图2-3a所示。芯式变压器结构较为简单，绕组的装配及绝缘也较容易，绝大部分国产变压器均采用芯式结构。壳式变压器在中间的铁心柱上放置绕组，形成铁心包围绕组的形式，如图2-3b所示。壳式变压器制造工艺复杂，使用材料较多，目前只有容量很小的电源变压器使用这种结构。

2.绕组

变压器的绕组是变压器中的电路部分，小型变压器的绕组一般用具有绝缘的漆包圆铜线绕制而成，对容量稍大的变压器则用扁铜线或扁铝线绕制绕组。

在变压器中，接到高压电网的绕组称高压绕组，接到低压电网的绕组称低压绕组。按高压绕组和低压绕组的相互位置和形状的不同，绕组可分为同心式和交叠式两种。

同心式绕组是将高、低压绕组同心地套装在铁心柱上，如图2-4a所示。为了便于与铁心绝缘，把低压绕组套装在里面，高压绕组套装在外面。对低压大电流大容量的变压器，由于低压绕组引出线很粗，也可以把它放在外面。高、低压绕组之间留有空隙，可作为油浸式变压器的油道，既利于绕组散热，又作为两绕组之间的绝缘。同心式绕组的结构简单、制造容易，常用于芯式变压器中，这是一种最常见的绕组结构形式，国产电力变压器基本上采用这种结构。

交叠式绕组又称饼式绕组，它是将高压绕组及低压绕组分成若干个线饼，沿着铁心柱的高度交替排列，如图2-4b所示。为了便于绝缘，一般最上层和最下层安放低压绕组。交叠式绕组的主要优点是漏抗小、机械强度高、引线方便。这种绕组形式主要用在低压大电流的变压器上，如容量较大的电炉变压器、电阻电焊机变压器等。

3.其他结构部件

油浸式电力变压器的绕组及铁心浸在变压器油中，变压器油充满油箱。使用变压器油可以提高绕组绝缘强度，并通过油受热后的自然对流将铁心和绕组产生的热量带到油箱壁，再由油箱壁散发到空气中去。变压器油箱一般做成椭圆状，为增大散热面积，往往还在油箱外增设散热管，以提高散热效果。在油箱盖上还装有储油柜和安全气道。储油柜是固定在油箱顶部的圆筒形容器，并以管道与油箱连通，它可以减小变压器油与空气的接触面积，以减轻变压器油与空气接触后的老化变质。安全气道是一根长筒钢管，下部与油箱连通，上部出口处盖以玻璃或酚醛纸板。当变压器发生较严重的故障时，油箱内会产生大量气体，其迅速上升的压力可以冲破安全气道的出口盖板，从而释放气体压力，达到保护变压器主体的目的。

此外，油箱上还有引出线的绝缘套管、发生事故时报警的气体继电器、调节一次绕组匝数用的分接开关等部件。 J3koQoxoPdBAmn5yru3iArJ3cl9oUwM+UPZxfo8q3vVC7e3V8E2ey7s1iQzAZj31