变压器

变压器（transformer），是一种利用电磁感应原理来升降电压并实现能量和信息传递的多端电气设备。^[1][2][8]装置的发明最早可以追溯到十九世纪的欧洲。^[9][10][11]主要结构为由铁芯、绕组、引线构成的器身以及若干附件，包括油箱，防爆管，气体继电器，分接头，绝缘套管等^{[5][6][7][12][13]}。变压器的种类非常丰富^[14]，通常可以按用途分为电力变压器和特种变压器。^[15]变压器的主要功能是实现电压的升降^[3]，另外也可以实现电流的升降改变^[4]，能量的传输^[10]，电气绝缘隔离^[5]，电路的稳压^[16]，改善电路的抗干扰性等等。^[17]可以用于输电系统，测量系统，自动控制、电焊、电子电力等诸多领域。^{[5][16][18][19][20]}

变压器是一种利用电磁感应原理来升降电压电流并实现能量和信息传递的多端电气设备。^[1][2]该装置采用磁耦合的基本原理，在相同的频率下，可以把从原来的交流电的电压值转变成其它的电压值，满足高压、低压等应用需求。^[2]在电网中，变压器是一种重要的电器。^[17]随着电力系统的发展，各种类型的电力变压器相继出现，不断适应各种电气电路的需求。^[7]由于在电力输送中，由于电力守恒原理，所消耗的电力与所传送的电力相比很少，因此，在正常工作状态下，变压器的工作效能可高达95%。^[2]

1831年，法拉第利用图1所示的装置，发现左边开关在接通的瞬间，右边的电流表会立刻偏转，并很快复原。由此证明电磁可以互相产生，并建立了电磁感应定律。不仅为变压器的诞生奠定了理论基础，这一模型也是变压器最早的模型。^[9][21]

1882年，法国人高纳德和英国人吉伯斯使用一种名为“二次发电机”的装置来改变电压。^[11]

1885年，匈牙利电力工程的德利、伯拉锡、济拍劳斯基在高纳德一吉伯斯的装置结构基础上进行改造，并将“变压器”这个术语第一次应用到了这个领域。^[11]同年，匈牙利的 Genz工厂制造出了一台单相闭环磁电路（此后被称作“变压器”），它的主要部件已初步成型。^[10]

1890年左右，三相交流输配电系统的发明与发展，使变压器在电网中的重要性更为明显，三相铁心式变压器应运而生。^[10][22]

1930年左右，在初步建立起了变压器的基础理论后，对变压器进行了各种改造和完善。即利用新的材质、新的优化方法和新的生产流程来不断拓宽变压器应用领域。^[10]

1934年，美国人高斯攻克单向硅钢片的制备技术，使得变压器的重量、空载损耗、额定容量等性能指标得到大幅改善。^[10]

随着科学技术的不断发展，感应炉变压器^[23]、高压试验变压器^[23]、电子变压器^[24]、高温超导变压器^[25]等各式各样的变压器不断涌现，在电力网络，电路通讯，国防军工，金属冶炼等多个领域得到广泛应用。^{[15][23][24][25]}

变压器采用磁耦合原理，主副线圈的电流不是通过导线连接，而是利用电磁感应耦合在一起。^[1]变压器以磁通为媒介在电网和负载之间传输能量。^[8]

根据法拉第电磁感应定律，线圈当中交变的电流会产生磁通。当把两个线圈放到一起的时候，线圈中激励的磁通不仅能与穿过自身引起自感电压，而且还会有一部分会穿过邻近的线圈，在该线圈中产生互感电压。这种现象称之为互感现象 ，也称之为磁耦合。变压器就是典型的互感元件。^[5]

无论是单相还是三相电力变压器，都是由铁芯、绕组和引线构成变压器的器身。通常缠绕在输入端芯棒上的导线称为原始绕组，缠绕在输出端芯棒上的导线称为副绕组。^[17]变压器中由于原始绕组和副绕组靠得很近，原始绕组中的交变电流产生的磁通，会在副绕组中激励出感应电势。如果副绕组端有电阻等负载的接入，会在副绕组连接的电路中产生电流使电阻加热，这就是变压器的基本工作原理。^[26]另外，铁芯可以大幅增强互感系数，从而将绝大部分的能量从原始绕组传递到副绕组。^[5]

在原绕组端输入交变电压，断开副绕组端，如图2所示。这时副绕组无电流流过，有开路电压，原绕组有励磁电流，为空载电流，这一状态称为空载运行。^[27]

由于副边开路，原绕组的磁势为，在闭合铁芯中产生主磁通，主磁通在原、副绕组中分别感应出电动势。^[27]

根据电磁感应定律可得

理想情况下，线圈电阻和漏磁电动势与主磁电动势相比都可以忽略不计，和取模量后有，两条关系关系式。^[27]

由此得到

式中，称为变压器的变比，变压器具有升压功能，变压器具有降压功能。^[27]

当副绕组端接入负载时，根据能量守恒定律，忽略损耗的情况下，变压器输入端功率等于输出端功率，即满足关系式所以。^[14]

同样，变压器可以使得电流减小，变压器可以使得电流提高。^[27]

释义：由铁芯存在的磁滞和涡流损耗造成的能量损耗；影响因素：铁芯中磁通密度、交流电的频率、铁芯的材料；特点：与负载无关，电源一侧固定时，铁损耗不发生改变，又称为“不变损耗”。^[15]

释义：电流流过两侧绕组时，由于电阻的存在，造成的能量损耗；影响因素：负载电流大小，绕组的材料；特点：正比于负载端电流的平方，又称为“可变损耗”。^[15]

实际变压器由于各种限制，难以避免会存在上述两类损耗。在分析或者应用时，所建立的一个忽略这些损耗的等效近似模型，称为理想变压器。^[15][28]

虽然有多种类型的变压器，但是它们的基本构造都是一样的，都是由铁芯、原副绕组和若干附件构成的。^{[6][14][17][26]}

铁芯是变压器的核心骨架，它由两个部件组成：铁芯柱（芯棒）和铁轭。芯棒上装有线圈，铁轮的功能是关闭磁回线。为改善磁芯的磁导特性，降低磁芯中的滞后损失和涡流损失，一般选用高导电率、低比耗的冷轧硅钢板。对于有特别需求的变压器，可用坡莫型合金、铁氧体等。^[26]

条状铁行叠片：大、中型变压器的芯，通常是把硅钢板切成条形结构的叠片，并以交叉叠放的形式堆砌，以保证每一层的磁间隙彼此错位；该工艺能减小空气间隙，减小磁电阻。小型变压器经常交替堆叠不同形状的冲片，以简化工艺并减少空气间隙。^[26]

渐开线式铁芯：其铁芯支柱由钉在预成型的渐开线形状的冷轧硅钢片上压缩制成，铁轭是用硅钢片卷装缠绕而成，然后将两者对接拧紧。具有适合大批量生产、比体积小、耗材少等优点。^[26]

铁芯柱的截面有方形、矩形和梯形，前两种形状截面常见于小型变压器，后者通常是大型变压器为充分利用空间所采用。^[26]

又称为线圈，是变压器的传导电流的部分，通常由绝缘导线（一般为铜、铝材料）缠绕而成。绕组一般都绕成圆形，这种形状的绕组便于缠绕的同时也具有一定的韧性强度。^[29]根据绕组的形状结构不同，绕组可以分为同心型和交叠型。^[2]

主要有圆筒式、分段式、螺旋式和连续式。^[29]通常为了便于与铁芯绝缘，将低压绕组绕和高压绕组分别同心地缠绕在内外面。在高低压绕组之间设置了有助于分散绕组的热量油道，油道的存在也可在两个绕组之间形成电气隔离。^[2]

交叠式绕组是将高压绕组和低压绕组分成制成线饼的形状，沿着芯棒像堆盘子一样交替堆叠，所以又称饼式绕组。高压绕组一般不会放置在最上面和最下面，以防电压过大产生电气击穿。交叠式绕组具有绝缘性能好，承重能力强，方便接线等优点。^[29]

油箱：中等容量以上的变压器往往需要考虑散热问题，为了增强变压器的散热，变压器被设计成内部装满油的密封油箱结构。变压器的铁芯和绕组等部件浸入在油箱里面。油箱包括油箱本体和油箱附件。^[6]

安全气道：又称为防爆管，可以保证变压器内部压力过大时，可以将油以及气化产生的气体从安全气道疏导出去，使油箱不会因压力异常而损坏。^[12]

气体继电器：气体继电器是变压器的保护装置。当变压器因高温、压力失衡导致油挥发分解或者产生冲击的油流时，继电器触点起作用，发出报警信号或跳闸。^[13]

分接头与分接开关：变压器分接头的功能是调节原副绕组匝数比，因为一般要求原边电压要求在一定的范围内调节，因而原绕组一般都有抽头，称为分接头。^[30]利用分接开关与不同的分接头相接，就可以改变原绕组的匝数，从而达到调节变压器输出电压的目的。分接开关分为有载调压和无载调压两种。^[31]

绝缘套管：变压器的绝缘套管是一个负载电流的部件。它的主要功能是把高压引线从变压器中引出，用于绝缘保护和固定引线。^[32]

变压器的种类很多，为了达到不同的使用目的，并适应不同的工作条件，变压器的类型可按其用途、绕组和铁芯的材料结构、相数、工作频率、调压方式、冷却方式等进行分类。^[14][7]

变压器分为电力变压器和特种变压器

电力变压器：电力变压器又可分为升压、降压变压器，配电变压器，厂用变压器等。^[15]

特种变压器：特种变压器主要包括电炉变压器、整流变压器、电焊变压器、高压试验变压器、仪用互感器、高压试验变压器和调压器、脉冲变压器等。^[15]

根据绕组的构造划分，可将其划分成单绕组、多绕组，而单线圈式的变压器也被称作自耦合式变压器；多绕组的变压器由双绕组、三绕组、六绕组（稳压变压器中可见）等组成。^[33]

按照绕组在芯棒上的缠绕方式，铁芯主要可分成芯型和壳型两种结构类别。^[26]

芯型变压器：芯型变压器的原、副绕组组合在两个铁心柱上，构造较为简单，安装时有更多的空隙，安装方便，耗铁也少；大容量、高电压的变压器通常为芯型。^[26]

壳式变压器：壳式变压器的铁芯围绕线圈的上下部和两侧。该构造的变压器具有良好的力学性能，且芯易于散热器，但其耗铁较多，生产工艺也比较繁琐。小容量、低电压的变压器通常为壳型。^[26]

除此之外，还有环形变压器、金属变压器、插片变压器、C型变压器、铁氧体变压器。^[34]

变压器按相数可分为单相变压器、三相变压器和多相变压器^[15]

用两组线圈缠绕在同一铁芯便构成了单相变压器。通常是用来变换单相交流电压和电流，一般额定容量比较小。在电子线路、焊接、治金、测量系统、控制系统以及试验等方面，单相变压器的应用较为广泛。^[35]

1、三相变压器组

结构：由三个完全一样的单相变压器按右图形式构成，称为三相组式变压器或三相变压器组。^[36][37]

特点：对应的磁路是一种组式磁路，三相的每一相具有各自独立的磁回线，并不相互关联。所以，在一次侧加上三相对称的三相电压时，每相主磁通量和空载电流都相互对称。^[36][37][38]

2、三相芯式变压器

结构：用三根铁芯按图7结构连接在一块形成的。在三相磁通对称情况下，中间铁心柱内部的主要磁通量为零，故常可将中间铁柱省掉。三相铁柱圆柱通常可以设置在一个平面上，以便于制作和节约材料。^[36][37][38]

特点：三相芯式变压器对应的是芯式磁路，芯式磁路具有相互关联的特征，每个相位的磁路都与另外两相磁路形成闭合回路；三相磁路的长度可以是不同的，磁阻也可以不同。^[36][37][38]

3、原理特点

从工作机理上分析，三相变压器在负荷均匀的情况下，不同相的电流电压除了有120°的相位差，电流电压的大小、振幅、频率均与单相无异。^[36]

多相交流电通常是三相交流电利用平衡变压器转换得到。最基本的平衡变压器有三种类型：斯科特变压器、李布朗克变压器和伍德桥变压器。^[39]

变压器可以按冷却介质可以分为干式、油浸式和充气式变压器，也可以按冷却形式分为自发冷却型变压器，蒸发冷却型变压器。^[7][40]

干式变压器是指铁芯和绕组不浸在绝缘液体中的变压器。^[41]利用空气作为冷却介质，属于自发冷却型变压器。^[40]干式变压器通常分为开启式、封闭式和浇注式三种类型。^[41]

主要特点有：

1、安全，防火，无污染；

2、机械强度高，抗短路能力强；

3、损耗低，噪声小；

4、散热性能、防潮性能好；

5、体积和质量小，安装调试方便。^[41]

油浸式变压器是指变压器的绕组是浸泡在油中的一类变压器，也属于自发冷却型变压器。^[40][42]通常又分为自冷式，风冷式和强制油循环冷却式等。^[7]

特点：由于防火的需要，油浸式变压器一般安装在单独的变压器室内或室外，具有体积大、成本低、维修简单、散热好、过负荷能力强、适应环境广泛的特点。^[42]

充气式变压器是指变压器的器身放在一密封的铁箱内，箱内充以气体代替变压器油的一类变压器。^[43]这种气体通常要求绝缘性能好，传热快，化学性能稳定，常用沸点比较低的六氟化硫作为冷却介质，属于蒸发冷却型变压器。^[7]

特点：具有优良的电气性能，可用于安全防火要求较高的场所。^[44][43]

（1）无载调压变压器：不具备带负载转换档位的能力，调档时必须使变压器停电。^[31]

（2）有载调压变压器：可带负荷切换档位。^[31]

此外还可以按频率可分为低频变压器，中频高压器，高频变压器。^[34]也可以按导线材料分类，有铜导线变压器、铝导线变压器。^[40]

变压器线圈匝数可用于调节变压器输出的电压和电流。通常情况下，输出电压和输入电压的比率是次级线圈的匝数和初级线圈线圈的匝数的比率，即。输出电流和输出的电压呈相反的关系，输出电压下降的电压器会使输出的电流增大。^[4]

变压器的一次绕组与二次绕组的匝数比不同，耦合过来的阻抗也不同，在数值上，二次阻抗与一次阻抗之比，等于二次绕组匝数与一次绕组匝数之比的平方。^[4]

采用变换线圈缠绕方向的方式，可以实现对交变信号进行反相位调节。^[4]

利用铁心材料的饱和特性来实现输出电压的稳定，通常需要将初级绕组放在截面积大的芯棒上，次级绕组放在截面积小的芯棒上。^[16]通过一次绕组与二组绕组的磁性耦合，使其在两组绕组间无电气联结，使其电气绝缘。^[5]

输电系统利用变压器的升降电压的功能，减少长距离输电的损耗，同时满足各级电压需求^[18]电力保护实际工作中，经常利用变压器的绝缘特性，可以防止在使用过程中发生电击事故^[5]电子电路通过电压升降、整流功能获得器件所需的直交流电压；利用隔离功能实现器件间的绝缘；通过阻抗变换功能满足电路阻抗匹配的要求^[16]测量系统利用变压器调节电压电流的功能，将大电压大电流转化成小电压和小电流，便于安全测量^[19]电焊领域在需要利用电弧焊进行连接的结构、管线中，可以使用电焊变压器完成焊接^[19]自动控制系统利用脉冲变压器可以增大脉冲宽度以及减少脉冲后延时间等特性用于晶体管的触发控制^[20]