建筑常用电气设备(一)<1>

3.1 变压器
    变压器是根据电磁感应原理制成的一种静止的电能转换设备，用来将交流电由一种等级的电压与电流转换为同频的另一种等级的电压与电流。
    变压器按相数分，有单相、三相或多相变压器；根据作用分，有升压变压器、降压变压器、接地变压器；按用途分，有用于电力系统的电力变压器、用于局部动力和照明的小容量变压器以及用于传递信号的耦合和控制变压器；根据绕组数量分，有自耦变压器、两绕组变压器、三绕组变压器；根据冷却方式分，有自冷干式变压器、风冷干式变压器、自冷油浸式变压器、风冷油浸式变压器、水冷油浸式变压器等各种名称的变压器，以及一些有专门用途的特种变压器。

    3.1.1 变压器的结构与工作原理
    1.变压器的结构
    尽管变压器的种类很多，而且用途、电压等级和容量又各不相同，但其基本结构是相同的。变压器主要是由两个或两个以上绕组（线圈）绕在一个公共铁心柱上，铁心和绕组组合成变压器的主体。变压器基本上是由两部分组成，一是电路部分，即一次绕组和二次绕组；二是磁路部分，由硅钢片叠成的铁心柱。此外还有油箱、绝缘套管、油位计。温度计和储油柜等，其结构如图3-l所示。

    图3-2a是心式变压器，绕组装在铁心的两个铁心柱上。单相变压器的结构比较简单，有较大的绝缘空间，用于功率大、电压高的变压器，以减少用铁量，电力变压器大部分采用心式变压器；图3-2b是壳式变压器，铁心包围着绕组的上下和两侧，这种变压器机械强度较好，铁心散热条件好，但工艺复杂，用钢量大，用于功率较小的干式变压器。
    （1）变压器铁心
    变压器铁心的作用是构成磁路，支撑绕组。铁心是由垂直的铁心柱和水平的铁轭两部分组成。为减小涡流损耗，铁心用0.35mm厚的硅钢片交错叠装而成，硅钢片表面涂有绝缘漆并经氧化处理形成绝缘层。
    （2）变压器的绕组（线圈）
    变压器的绕组（线圈）是变压器的电路部分，它的作用是构成交流电的通路，通以励磁电流建立磁场。小功率的单相变压器的绕组多用高强度漆包线绕制；大功率的三相变压器的绕组可用扁铜线或铝线绕制。绕组的形状多为圆筒形。低压绕组靠近铁心，高压绕组同心地套在低压绕组的外面。
    变压器接电源一边的绕组，称为一次绕组；接负载一边的绕组称为二次绕组。变压器的铁心、一次绕组和二次绕组之间是彼此绝缘的。

    2.工作原理
    如图3-3所示，变压器的一次绕组与交流电源 接通后，经绕组流过交变电流 ，铁心中便有交变磁通 ，即一次绕组从电源吸取电能转变为磁能， 在铁心中同时交（换）链一次、二次绕组，由于电磁感应作用，分别在一次、二次绕组上产生频率相同的感应电动势 、 ，根据电磁感应定律，绕组的感应电动势正比于它的匝数。如果此时二次绕组接通负载，在二次绕组感应电动势作用下，便有电流输出给负载，铁心中的磁能又转换为电能。这就是变压器利用电磁感应原理将电源的电能传递到负载中的工作原理。

    3.变压器的空载运行与电压变换
    变压器一次绕组接交流电源、二次绕组未接负载的工作状态，称为空载运行状态，如图3-4所示。
变压器空载运行时，其二次绕组开路，I₂=0 ，此时一次绕组中的电流入称为空载电流或励磁电流。由于I₂=0，二次绕组对一次绕组的工作状态没有任何影响，因此空载运行的变压器与交流铁心绕组电路的基本关系相同。变压器在传递电能的过程中，铁心的交变磁通，在一次、二次绕组中的每一匝线圈中都产生相同的感应电动势。如果忽略较小的一次阻抗压降，主磁通不仅穿过一次绕组，同时也穿过二次绕组，并产生感应电动势。所以空载运行时                 (3-1)
    式中 E₁ —— 一次绕组产生的感应电动势（kV）；
         E₂ —— 二次绕组产生的感应电动势（kV）；
         N₁ —— 一次绕组匝数；
         N₂ —— 二次绕组匝数。
变压器空载时，一次绕组电阻及电抗的电压降甚小，故略而不计，二次绕组端电压与感应电动势相等，即

    式中 U₁ —— 一次绕组端电压（kV）；
      U₂ —— 二次绕组端电压（kV）；
      K —— 变压器的电压比。
    变压器的电压比近似等于一次、二次绕组的匝数之比。因此，只要适当改变变压器一次、二次绕组的匝数，就可达到改变电压的目的。可见变压器具有变换电压的功能。
    电压比 K ＞1时为降压变压器；K＜1时，为升压变压器。

    4. 变压器的负载运行与电流变换
    变压器一次绕组加上电源电压U₁；二次绕组接上负载Z_L的工作状态称为变压器的负载运行状态，如图3-5所示。
    变压器在负载运行状态下，由于二次线圈电动势E₂的作用，二次绕组中就有电流I₂通过，二次绕组的磁动势 I₂N₂ 产生磁通，其中大部分通过铁心而闭合（_S1和 _S2 分别是一次、二次绕组的漏磁通）。此时，铁心中的主磁通_M 是一个由一次、二次绕组的磁动势共同产生的合成磁通。在电源电压U₁和频率 f 不变的情况下，铁心中主磁通的幅值在变压器空载或有负载时是差不多恒定的。因此，有负载时产生主磁通的一次、二次绕组的合成磁动势应该和空载时产生主磁通的一次绕组的磁动势差不多相等，由于铁心的磁导率高，励磁电流、是很小的，有 I₁N₁=-I₂N₂         （3-3）
    式中I₁——一次绕组的电流（A）
        I₂——二次绕组的电流；
        N₁——一次绕组匝数；
        N₂——二次绕组匝数。
上式表明
    （1）一次、二次绕组的磁动势在相位上近似反相，即二次绕组的磁动势对一次绕组的磁动势有去磁作用。变压器由空载到负载运行时它的一次电流从 增大到 ，以抵偿二次绕组磁动势对一次绕组磁动势的去磁作用，从而维持主磁通恒定不变；
    （2）一次、二次绕组的电流关系为           (3-4)  
    即一次、二次绕组中电流之比等于其电压比K的倒数，这就是变压器变换电流的功能。运行中的变压器，其一次、二次电流是由负载大小决定的，不过它们变化的比率是差不多不变的，所以当负载增加时，I₂ 随着增大，而I₁也必须相应增大。
5. 变压器的阻抗变换（如图3-6所示） 把阻抗为 的负载接到变压器的二次绕组时，如图3-6a所示；对电源来讲，其输入端子的右侧部分可以等效成一个二端网络，如图3-6b所示，它的等效阻抗则为         （3-5）
    式中 ——负载阻抗Z_L折算到一次侧的等效阻抗，它等于实际负载阻抗的K²倍。
    实际的负载阻抗并没有改变，而是通过变压器改变了从一次侧看进去的等效阻抗，这就是变压器的阻抗变换功能。
    由于变压器具有变换电压、变换电流和变换阻抗的三种功能，因而它在电力工程和电子技术中得到广泛应用。