变压器的原理与空载运行

变压器的结构和⼯作原理变压器是利⽤电磁感应原理传输电能、信号的器件。

它具有变压、变流、变阻抗、隔离的作⽤，种类繁多应⽤⼴泛。

例如：1.电⼒系统中，升压远距离输电（如：10KV输电线路），⽤户端降压供电（如：220V市电）；2.实验室利⽤⾃耦变压器改变电源电压；3.测量上利⽤变压器扩⼤对交流电压、电流的测量范围；4.电⼦设备和仪器中利⽤变压器提供多种电压和传递信号并隔离电路上的联系。

变压器虽然⼤⼩悬殊，⽤途各异，但基本结构和⼯作原理是相同的。

变压器的结构变压器由铁芯和绕组两个基本部分组成，如下图所⽰，是它的⽰意图和符号。

变压器的结构⽰意图与符号这是⼀个简单的双绕组变压器，在⼀个闭合的铁芯上套有两个绕组，绕组与绕组之间以及绕组与铁芯之间都是绝缘的。

绕组通常⽤绝缘的铜线或铝线绕成，其中⼀个绕组与电源相连，称为⼀次绕组，另⼀个绕组与负载相连，称为⼆次绕组。

为了减少铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗，变压器的铁芯⼤多⽤0.35～0.5 mm厚的硅钢⽚叠成，为了降低磁路的磁阻，⼀般采⽤交错叠装⽅式，即将每层硅钢⽚的接缝错开。

如下图所⽰为⼏种常见的铁芯形状。

⼏种常见的铁芯形状变压器按铁芯和绕组的组合⽅式，可分为⼼式和壳式两种，如下图所⽰。

变压器的结构形式⼼式变压器的铁芯被绕组所包围，它的⽤铁量⽐较少，多⽤于⼤容量的变压器，如电⼒变压器。

壳式变压器的绕组被铁芯锁包围，它的⽤铁量⽐较多，但不需要专门的变压器外壳，常⽤于⼩容量的变压器，如各种电⼦设备和仪器中的变压器。

变压器的⼯作原理变压器的⼯作原理，我们将从空载运⾏、负载运⾏、阻抗变换，三种情况进⾏讲述。

1.空载运⾏如下图所⽰，变压器的空载运⾏⽰意图。

变压器的空载运⾏变压器的⼀次绕组接上交流电压【u1】，⼆次侧开路，这种运⾏状态称为空载运⾏。

这时⼆次绕组中的电流i2=0，电压为开路电压【u20】，⼀次绕组通过的电流为空载电流【i10】，各量的⽅向按习惯参考⽅向选取。

上图中【N1】为⼀次绕组的匝数，【N2】为⼆次绕组的匝数。

变压器空载运行的物理过程和技术参数空载运行是变压器的一种极限运行状态。

变压器的空载运行是指原绕组接入电源电压、副绕组开路，副绕组里没有电流流过时的最简单的运行情况。

一、空载运行的物理过程1、上图所示为单相变压器空载运行的示意图。

副绕组端头ax开路，原绕组端头AX接上电源。

在外加电压U1作用下，原绕组中流过一个交变电流，这个电流称为空载电流，用I0表示。

I0在原绕组中产生交变的磁势F0=I0N1，并建立空载时的磁场。

由于铁芯的导磁系数比空气或油的导磁系数大得多，使得I0N1所产生的磁通绝大部分(占总磁通的99%以上)被约束在铁芯中，沿铁芯磁路而闭合，并与原、副绕组的全部匝数相交链。

这部分磁通是联系原、副绕组的媒介，起传递能量的作用，称为主磁通，用φm表示。

另有一小部分磁通沿空气或油等非铁磁材料在原边自行闭合，这是一些仅与原绕组的全部或部分匝数交链，而不穿过副绕组的磁通，称为原绕组的漏磁通，用φ1δ表示。

2、应当指出，主磁通和漏磁通无论在性质上，还是在所起的作用上都是不同的。

主磁通因受铁芯饱和的影响，与产生主磁通的电流之间是非线性的关系，即φm与I0不成正比。

由于主磁通不仅在原绕组内感生电势，而且在副绕组内也感生电势，所以能传递能量；原绕组漏磁通主要沿非铁磁材料闭合，与I0之间是线性关系，而且这个漏磁通仅能在原绕组内感应电势，所以它不能传递能量，只能对原边电路起电抗压降的作用。

3、根据电磁感应定律，主磁通在原、副绕组内的感应电势分别为e1=-N1dφ/dt，e2=-N2dφ/dt假定主磁通按正弦变化，即φ=φmsinωt，则感应电势为e1=-N1dφ/dt=-N1ωφmcosωt=-√2E1cosωt=√2 E1sin(ωt-900)e2=-N2dφ/dt=-N2ωφmcosωt=-√2E2cosωt=√2 E2sin(ωt-900)以上各式中e1和e2分别为原、副绕组感应电势的瞬时值；N1和N2分别为原、副绕组的匝数；E1和E2分别为原、副绕组感应电势的有效值；φm为主磁通最大值。