4.2 变压器

4.2.1 变压器的基础知识

变压器是一种能提升或降低交流电压、电流的电气设备。无论是在电力系统中，还是在微电子技术领域，都得到了广泛的应用。

1.结构与工作原理

变压器主要由绕组和铁心组成，其结构与符号如图4-58所示。

图4-58 变压器的结构与符号

从图可以看出，两组绕组L₁、L₂绕在同一铁心上就构成了变压器。一个绕组与交流电源连接，该绕组称为一次绕组（或称原边绕组），匝数（即圈数）为N₁；另一个绕组与负载R_L连接，称为二次绕组（或称副边绕组），匝数为N₂。当交流电压U₁加到一次绕组L₁两端时，有交流电流I₁流过L₁，L₁产生变化的磁场，变化的磁场通过铁芯穿过二次绕组L₂，L₂两端会产生感应电压U₂，并输出电流I₂流经负载R_L。

实际的变压器铁心并不是一块厚厚的环形铁，而是由很多薄薄的、涂有绝缘层的硅钢片叠在一起而构成的，常见的硅钢片主要有心式和壳式两种，其形状如图4-59所示。由于在闭合的硅钢片上绕制绕组比较困难，因此每片硅钢片都分成两部分，先在其中一部分上绕好绕组，然后再将另一部分与它拼接在一起。

变压器的绕组一般采用表面涂有绝缘漆的铜线绕制而成，对于大容量的变压器则常采用绝缘的扁铜线或铝线绕制而成。变压器接高压的绕组称为高压绕组，其线径细、匝数多；接低压的绕组称为低压绕组，其线径粗、匝数少。

图4-59 硅钢片的形状

变压器是由绕组绕制在铁心上构成的，对于不同形状的铁心，绕组的绕制方法有所不同，图4-60所示是几种绕组在铁心上的绕制方式。从图中可以看出，不管是心式铁心，还是壳式铁心，高、低压绕组并不是各绕在铁心的一侧，而是绕在一起，图中线径粗的绕组绕在铁心上构成低压绕组，线径细的绕组则绕在低压绕组上。

图4-60 变压器的绕组绕制方式

2.电压、电流变换功能说明

变压器的基本功能是电压变换和电流变换。

（1）电压变换

变压器既可以升高交流电压，也可以降低交流电压。在忽略变压器对电能损耗的情况下，变压器一次、二次绕组的电压与一次、二次绕组的匝数的关系为

式中，K为匝数比或变压比。由上式可知：

1）当N₁<N₂（即K<1）时，变压器输出电压U₂较输入电压U₁高，故K<1的变压器称为升压变压器。

2）当N₁>N₂（即K>1）时，变压器输出电压U₂较输入电压U₁低，故K>1的变压器称为降压变压器。

3）当N₁=N₂（即K=1）时，变压器输出电压U₂和输入电压U₁相等，这种变压器不能改变交流电压的大小，但能将一次、二组绕组电路隔开，故K=1的变压器常称为隔离变压器。

（2）电流变换

变压器不但能改变交流电压的大小，还能改变交流电流的大小。在忽略变压器电能损耗的情况下，变压器的一次绕组的功率P₁（P₁=U₁I₁）与二次绕组的功率P₂（P₂=U₂I₂）是相等的，即

由上式可知，变压器一次、二次绕组的电压与一次、二次绕组的电流成反比：若提升二次绕组的电压，则会使二次绕组的电流减小；若降低二次绕组的电压，则二次绕组的电流会增大。

综上所述，对于变压器来说，不管是一次或是二次绕组，匝数越多，它两端的电压就越高，流过的电流就越小。例如，某变压器的二次绕组匝数少于一次绕组匝数，其二次绕组两端的电压就低于一次绕组两端的电压，而二次绕组的电流比一次绕组的大。

4.2.2 三相变压器

1.电能的传送

发电部门的发电机将其他形式的能（如水能和化学能）转换成电能，再通过导线传送给用户。由于用户与发电部门的距离往往很远，电能传送需要很长的导线，电能在导线传送的过程中有损耗。根据焦耳定律Q=I²Rt可知，损耗的大小主要与流过导线的电流和导线的电阻有关，电流、电阻越大，导线的损耗越大。

为了降低电能在导线上传送产生的损耗，可减小导线电阻和降低流过导线的电流。具体做法有：通过采用电阻率小的铝或铜材料制作成粗导线来减小导线的电阻；通过提高传送电压来减小电流，这是根据P=UI，在传送功率一定的情况下，导线电压越高，流过导线的电流越小。

电能从发电站传送到用户的过程如图4-61所示。发电机输出的电压先送到升压变电站进行升压，升压后得到110～330kV的高压，高压经导线进行远距离传送，到达目的地后，再由降压变电站的降压变压器将高压降低到220V或380V的低压，提供给用户。实际上，在提升电压时，往往不是依靠一个变压器将低压提升到很高的电压，而是经过多个升压变压器一级级地进行升压。在降压时，也需要经多个降压变压器进行逐级降压。

图4-61 电能传送示意图

2.三相变压器

（1）三相交流电的产生

目前电力系统广泛采用三相交流电，三相交流电是由三相交流发电机产生的。三相交流发电机原理示意图如图4-62所示。从图中可以看出，三相发电机主要是由U、V、W三个绕组和磁铁组成的，当磁铁旋转时，在U、V、W绕组中分别产生电动势，各绕组两端的电压分别为UU、UV、UW，这三个绕组输出的三组交流电压称为三相交流电压。

（2）利用单相变压器改变三相交流电压

要将三相交流发电机产生的三相电压传送出去，为了降低线路损耗，需对每相电压都进行提升。简单的做法是采用三个单相变压器，如图4-63所示。单相变压器是指一次绕组和二次绕组分别只有一组的变压器。

图4-62 三相交流发电机原理示意图

图4-63 利用三个单相变压器改变三相交流电压

（3）利用三相变压器改变三相交流电压

将三对绕组绕在同一铁心上可以构成三相变压器。三相交流变压器的结构如图4-64所示。利用三相变压器也可以改变三相交流电压，具体接法如图4-65所示。

图4-64 三相交流变压器的结构

图4-65 利用三相变压器改变三相交流电压

3.三相变压器的工作接线方法

（1）星形联结

用图4-65所示的方法连接三相发电机与三相变压器的缺点是连接所需的导线太多，在进行远距离电能传送时必然会使线路成本上升，而采用星形联结可以减少导线数量，从而降低成本。发电机绕组与变压器绕组的星形联结如图4-66所示。

图4-66 发电机绕组与变压器绕组的星形联结

变压器的星形联结如图4-66a所示，将发电机的三相绕组的末端连起来构成一个连接点，该连接点称为中性点，将变压器三个低压绕组（匝数少的绕组）的末端连接起来构成中性点，将变压器三个高压绕组的末端连接起来构成中性点，然后将发电机三相绕组的首端分别与变压器三个低压绕组的首端连接起来。

发电机绕组与变压器绕组的星形联结可以画成图4-66b所示的形式。从图中可以看出，发电机绕组和变压器绕组连接成星形，故这种接法称为星形联结，又因为这种接法需用四根导线，故又称为三相四线制星形联结。发电机和变压器之间按星形联结后，变压器就可以升高发电机送来的三相电压。如发电机的U相电压送到变压器的绕组u₁u₂两端，在高压绕组U₁U₂两端就会输出升高的U相电压。

（2）三角形联结

三相变压器与三相发电机之间的连线接法除了星形联结外，还有三角形联结。三相发电机与三相变压器之间的三角形联结如图4-67所示。

图4-67 发电机绕组与变压器绕组的三角形联结

变压器的三角形联结如图4-67a所示，将发电机的三相绕组的首尾依次连接起来，再在每相绕组首端连出引线，将变压器的低压绕组的首尾依次连接起来，并在每相绕组首端连出引线，将变压器的高压绕组的首尾依次连接起来，并在每相绕组首端连出引线，然后将发电机的三根引线与变压器低压绕组相对应的三根引线连接起来。

发电机绕组与变压器绕组的三角形联结可以画成图4-67b所示的形式。从图中可以看出，发电机绕组和变压器绕组连接成三角形，故这种接法称为三角形联结，又因为这种接法需用三根导线，故又称为三相三线制三角形联结。发电机和变压器之间按三角形连接好后，变压器就可以升高发电机送来的三相电压。如发电机的W相电压送到变压器的绕组w₁w₂两端，在高压绕组W₁U₁两端（也即W、U两引线之间）就会输出升高的W相电压。

4.2.3 电力变压器

电力变压器的功能是对传送的电能进行电压或电流的变换。大多数电力变压器属于三相变压器。电力变压器有升压变压器和降压变压器之分：升压变压器用于将发电机输出的低压升高，再通过电网线输送到各地；降压变压器用于将电网高压降低成低压，送给用户使用。平时见到的电力变压器大多数是降压变压器。

1.外形与结构

电力变压器的实物外形如图4-68所示。

图4-68 电力变压器的实物外形

由于电力变压器所接的电压高，传输的电能大，为了使铁心和绕组的散热和绝缘良好，一般将它们放置在装有变压器油的绝缘油箱内（变压器油具有良好的绝缘性），高、低压绕组引出线均通过绝缘性能好的瓷套管引出。另外，电力变压器还有各种散热保护装置。

电力变压器的结构如图4-69所示。

图4-69 电力变压器的结构

图4-70 电力变压器与高、低压电网的两种连接方式

2.连接方式

在使用电力变压器时，其高压侧绕组要与高压电网连接，低压侧绕组则与低压电网连接，这样才能将高压降低成低压供给用户。电力变压器与高、低压电网的连接方式有多种，图4-70所示是两种较常见的连接方式。

在图4-70中，电力变压器的高压绕组首端和末端分别用U₁、V₁、W₁和U₂、V₂、W2表示，低压绕组的首端和末端分别用u₁、v₁、w₁和u₂、v₂、w2表示。图4-70a中的变压器采用了Y/Y0接法，即高压绕组采用中性点不接地的星形联结（Y），低压绕组采用中性点接地的星形联结（Y0），这种接法又称为Yyn0联结。图4-70b中的变压器采用了△/Y0联结，即高压绕组采用三角形联结，低压绕组采用中性点接地的星形联结，这种接法又称为Dyn11联结。

在工作时，电力变压器每个绕组上都有电压，每个绕组上的电压称为相电压，高压绕组中每个绕组上的相电压都相等，低压绕组中的每个绕组上的相电压也都相等。如果图4-70中的电力变压器低压绕组是接照明用户，低压绕组的相电压通常为220V，由于三个低压绕组的三端连接在一个公共点上并接出导线（称为中性线），因此每根相线（即每个绕组的引出线）与中性线之间的电压（称为相电压）为220V，而两根相线之间有两个绕组，故两根相线之间的电压（称为线电压）应大于相电压，线电压为。

这里要说明一点，线电压虽然是两个绕组上的相电压叠加得到的，但由于两个绕组上的电压相位不同，故线电压与相电压的关系不是乘以2，而是乘以。

4.2.4 自耦变压器

普通的变压器有一次绕组和二次绕组，如果将两个绕组融合成一个绕组就能构成一种特殊的变压器，即自耦变压器。自耦变压器是一种只有一个绕组的变压器。

1.外形

自耦变压器的种类很多，图4-71所示是一些常见的自耦变压器。

2.工作原理

自耦变压器的结构和符号如图4-72所示。从图中可以看出，自耦变压器只有一个绕组（匝数为N₁），在绕组的中间部分（图中为A点）引出一个接线端，这样就将绕组的一部分当作二次绕组（匝数为N₂）。自耦变压器的工作原理与普通的变压器相同，也可以改变电压的大小，其规律同样可以用下式表示，即

图4-71 一些常见的自耦变压器

图4-72 自耦变压器的结构和符号

从上式可以看出，改变N₂就可以调节输出电压U₂的大小。为了方便地改变输出电压，自耦变压器将绕组的中心抽头换成一个可滑动的触头，如图4-72所示。当旋转触头时，绕组匝数N₂就会变化，输出电压也就变化，从而实现手动调节输出电压的目的。这种自耦变压器又称为自耦调压器。

4.2.5 交流弧焊变压器

交流弧焊变压器又称交流弧焊机，是一种具有陡降外特性的特殊变压器。

1.外形

交流弧焊变压器的外形如图4-73所示。

图4-73 交流弧焊变压器的外形

2.结构工作原理

交流弧焊机的基本结构如图4-74所示。它是由变压器在二次侧回路串入电抗器（电感量较大的电感器）构成的，电抗器起限流作用。在空载时，变压器的二次侧开路电压为60～80V，便于起弧。在焊接时，焊条接触工件的瞬间，二次侧短路，由于电抗器的阻碍，输出电流虽然很大，但还不至于烧坏变压器，电流在流过焊条和工件时，高温熔化焊条和工件金属，对工件实现焊接。在焊接过程中，焊条与工件高温接触，存在一定接触电阻（类似灯泡发光后高温灯丝电阻会增大），此时焊钳与工件间电压为20～40V，满足维持电弧的需要。要停止焊接，只需把焊条与工件间的距离拉长，电弧随即熄灭。

图4-74 交流弧焊机的基本结构与原理说明图

有的交流弧焊机只是一个变压器，工作时需要外接电抗器，也有的交流弧焊机将电抗器和变压器绕在同一铁心上，交流弧焊机可以通过切换绕组的不同抽头来改变匝数比，从而改变输出电流来满足不同的焊接要求。

3.使用注意事项

在使用交流弧焊变压器时，应注意以下事项：

1）对于第一次使用、长期停用后使用或置于潮湿场地的焊机，在使用前应用兆欧表检查绕组对机壳（对地）的绝缘电阻，应不低于1MΩ。

2）检查配电系统的开关、熔断器是否合格（熔丝规格应在额定电流的2倍之内），导线绝缘是否完好。

3）在接线时，应严格按使用说明书的要求进行，特别是380V/220V两用的焊机，绝不允许接错，以免烧毁绕组。

4）焊机的外壳应可靠接地，接地线的截面积应不小于输入线的截面积。

5）焊机接线板上的螺母、接线柱和导线必须压紧，以免接触不良导致局部过热而烧毁部件。

6）在焊接时，严禁转动调节器档位来改变电流，以防烧坏焊机。

7）尽量不要超负荷使用焊机。如果超负荷使用焊机，要随时注意焊机的温度，温度过高时应马上停机，否则易缩短焊机使用寿命，甚至会烧毁绕组。焊钳与工件的接触时间也不要过长，以免烧坏绕组。

8）焊机使用完毕后，应切断焊机电源，以确保安全。焊机不用时，应放在通风良好、干燥的地方。