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变压器

变压器

变压器(Transformer)是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置,主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯(磁芯)。主要功能有:电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压(磁饱和变压器)等。按用途可以分为:电力变压器和特殊变压器(电炉变、整流变、工频试验变压器、调压器、矿用变、音频变压器、中频变压器、高频变压器、冲击变压器、仪用变压器、电子变压器、电抗器、互感器等)。[1]

基本信息

中文名:变压器

外文名: Transformer

作 用: 电压变换、电流变换、阻抗变换

组 成 :初级线圈、次级线圈和铁芯

变换对象:交流电

发展历史

法拉第在1831年8月29日发明了一个“电感环”,称为“法拉第感应线圈”,实际上是世界上第一只变压器雏形。但法拉第只是用它来示范电磁感应原理,并没有考虑过它可以有实际的用途。

1881年,路森·戈拉尔(Lucien Gaulard)和约翰·狄克逊·吉布斯(John Dixon Gibbs)在伦敦展示一种称为“二次手发电机”的设备,然后把这项技术卖给了美国西屋公司, 这可能是第一个实用的电力变压器,但并不是最早的变压器。

1884年,路森·戈拉尔和约翰·狄克逊·吉布斯在采用电力照明的意大利都灵市展示了他们的设备。早期变压器采用直线型铁心,后来被更有效的环形铁心取代。

西屋公司的工程师威廉·史坦雷从乔治·威斯汀豪斯、路森·戈拉尔与约翰·狄克逊·吉布斯买来变压器专利以后,在1885年制造了第一台实用的变压器。后来变压器的铁心由E型的铁片叠合而成,并于1886年开始商业运用。

变压器变压原理首先由法拉第发现,但是直到十九世纪80年代才开始实际应用。在发电场应该输出直流电和交流电的竞争中,交流电能够使用变压器是其优势之一。变压器可以将电能转换成高电压电流形式,然后再转换回去,因此大大减小了电能在输送过程中的损失,使得电能的经济输送距离达到更远。如此一来,发电厂就可以建在远离用电的地方。世界大多数电力经过一系列的变压最终才到达用户那里的。

基本结构

变压器由铁芯(或磁芯)和线圈组成。线圈有两个或两个以上的绕组,其中接电源的绕组叫初级线圈,其余的绕组叫次级线圈。它可以变换交流电压、电流和阻抗。最简单的铁心变压器由一个软磁材料做成的铁心及套在铁心上的两个匝数不等的线圈构成。[2]

变压器的附件有:变压器油、油箱、冷却装置、调压装置、保护装置(吸湿器、安全气道、气体继电器、储油柜及测温装置等)和出线套管。

1、铁芯

铁芯是变压器中主要的磁路部分。通常由含硅量较高,厚度分别为0.35 mm\0.3mm\0.27 mm,由表面涂有绝缘漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成。

铁芯分为铁芯柱和横片两部分,铁芯柱套有绕组;横片是闭合磁路之用。铁芯结构的基本形式有心式和壳式两种。

2、绕组

绕组是变压器的电路部分,它是用双丝包绝缘扁线或漆包圆线绕成。变压器两个线圈之间没有电的联系,线圈由绝缘铜线(或铝线)绕成。一个线圈接交流电源称为初级线圈(或原线圈),另一个线圈接用电器称为次级线圈(或副线圈)。[3]

工作原理

实际的变压器是很复杂的,不可避免地存在铜损(线圈电阻发热)、铁损(铁心发热)和漏磁(经空气闭合的磁感应线)等,为了简化讨论这里只介绍理想变压器。理想变压器成立的条件是:忽略漏磁通,忽略原、副线圈的电阻,忽略铁心的损耗,忽略空载电流(副线圈开路原线圈线圈中的电流)。例如电力变压器在满载运行时(副线圈输出额定功率)即接近理想变压器情况。

变压器是利用电磁感应原理制成的静止用电器。当变压器的原线圈接在交流电源上时,铁心中便产生交变磁通,交变磁通用φ表示。原、副线圈中的φ是相同的,φ也是简谐函数,表为φ=φmsinωt。由法拉第电磁感应定律可知,原、副线圈中的感应电动势为e1=-N1dφ/dt、e2=-N2dφ/dt。式中N1、N2为原、副线圈的匝数。由图可知U1=-e1,U2=e2(原线圈物理量用下角标1表示,副线圈物理量用下角标2表示),其复有效值为U1=-E1=jN1ωΦ、U2=E2=-jN2ωΦ,令k=N1/N2,称变压器的变比。由上式可得U1/ U2=-N1/N2=-k,即变压器原、副线圈电压有效值之比,等于其匝数比而且原、副线圈电压的位相差为π。

进而得出:U1/U2=N1/N2

在空载电流可以忽略的情况下,有I1/ I2=-N2/N1,即原、副线圈电流有效值大小与其匝数成反比,且相位差π。

进而可得:I1/ I2=N2/N1

理想变压器原、副线圈的功率相等P1=P2。说明理想变压器本身无功率损耗。实际变压器总存在损耗,其效率为η=P2/P1。电力变压器的效率很高,可达90%以上。 [4]

主要分类

按相数分

1、单相变压器:用于单相负荷和三相变压器组。

2、三相变压器:用于三相系统的升、降电压。

按冷却方式分

1、干式变压器:依靠空气对流进行自然冷却或增加风机冷却,多用于高层建筑、高速收费站点用电及局部照明、电子线路等小容量变压器。

2、油浸式变压器:依靠油作冷却介质、如油浸自冷、油浸风冷、油浸水冷、强迫油循环等。

按用途分

1、电力变压器:用于输配电系统的升、降电压。

2、仪用变压器:如电压互感器、电流互感器、用于测量仪表和继电保护装置。

3、试验变压器:能产生高压,对电气设备进行高压试验。

4、特种变压器:如电炉变压器、整流变压器、调整变压器、电容式变压器、移相变压器等。[5]

按绕组形式分

1、双绕组变压器:用于连接电力系统中的两个电压等级。

2、三绕组变压器:一般用于电力系统区域变电站中,连接三个电压等级。

3、自耦变电器:用于连接不同电压的电力系统。也可做为普通的升压或降后变压器用。

按铁芯形式分

1、芯式变压器:用于高压的电力变压器。

2、非晶合金变压器:非晶合金铁芯变压器是用新型导磁材料,空载电流下降约80%,是节能效果较理想的配电变压器,特别适用于农村电网和发展中地区等负载率较低地方。

3、壳式变压器:用于大电流的特殊变压器,如电炉变压器、电焊变压器;或用于电子仪器及电视、收音机等的电源变压器。[6]

特征参数

1、工作频率:变压器铁芯损耗与频率关系很大,故应根据使用频率来设计和使用,这种频率称工作频率。

2、额定功率:在规定的频率和电压下,变压器能长期工作而不超过规定温升的输出功率。

3、额定电压:指在变压器的线圈上所允许施加的电压,工作时不得大于规定值。

4、电压比:指变压器初级电压和次级电压的比值,有空载电压比和负载电压比的区别。

5、空载电流:变压器次级开路时,初级仍有一定的电流,这部分电流称为空载电流。空载电流由磁化电流(产生磁通)和铁损电流(由铁芯损耗引起)组成。对于50Hz电源变压器而言,空载电流基本上等于磁化电流。

6、空载损耗:指变压器次级开路时,在初级测得功率损耗。主要损耗是铁芯损耗,其次是空载电流在初级线圈铜阻上产生的损耗(铜损),这部分损耗很小。

7、效率:指次级功率P2与初级功率P1比值的百分比。通常变压器的额定功率愈大,效率就愈高。

8、绝缘电阻:表示变压器各线圈之间、各线圈与铁芯之间的绝缘性能。绝缘电阻的高低与所使用的绝缘材料的性能、温度高低和潮湿程度有关。


相关视频

1、变压器的基本结构与工作原理

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2、变压器原理分类介绍

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參考來源

  1. 变压器的作用,原理及分类,化工仪器网,2017年05月05日
  2. 变压器的工作原理,电工学习网,2015-09-16
  3. 变压器的结构和工作原理,个人图书馆网,2018-05-25
  4. 电力变压器的原理,电工学习网,2014年06月23日
  5. 变压器的作用,原理及分类,化工仪器网,2017年05月05日
  6. 变压器的作用,原理及分类,化工仪器网,2017年05月05日