变压器的原理及其应用

摘要    2

关键词    2

Abstract    2

Keywords    2

1变压器的介绍    3

2 变压器的组成

3 变压器的原理及分类    2

3.1 变压器的原理    3

    3.2 变压器的分类.......................................4

    3.3 高压输电...........................................5

4变压器的用途    6

5 变压器的发展前景    7

参考文献    7

变压器的原理及其应用

姓名：尚婉玉                  学号：20105044075

单位：物理电子工程学院        专业：物理学

指导教师：闫海龙              职称：副教授

摘  要：变压器是以互感现象为基础的电磁装置，是绕在同一铁芯上的两个线圈。能量是靠铁芯中的互感磁通来传递的。变压器分为铁芯变压器和空心变压器两大类。铁心变压器是将一、二次绕组绕在一个铁芯（软磁材料）上，利用铁芯的高μ值加强互相耦合，广泛用于电力输配、电工测量、电焊及电子电路中。因为输电线越长，电阻越大，又有P=U*I当用户用电量相同，及输送的功率一定，电压越大，电流就会越小。故应采用高压输电。因我国实力相对较弱，变压器在我国还有极大的发展前景。

    关键词：变压器  互感现象  铁芯  绕组  高压输电  前景

The principle and application of transformer

Abstract :The transformer is using electromagnetic induction role ac voltage, current and change the complex impedance of a kind of electrical equipment, usually contains two the stillness of the coil (winding), there are also contains multiple coil of transformer. When using, two coil power source and load change make respectively, through the alternating magnetic field output power energy transmitted to load. The coil connect power is called a winding, then called the load coil secondary winding. A, the secondary winding respectively in the circuit is called the original circuit (former edge) and vice circuit (deputy side). A secondary winding, the voltage (RMS) general differ, transformer is thus the name. 

Keywords: transformer  Mutual inductance principle  principle classification  prospects

1.变压器的介绍

变压器(Transformer) 是利用电磁感应作用改变交流电压、电流和复阻抗的一种电气设备，通常包含两个静止的线圈（绕组），也有含有多个线圈的变压器。使用时，两个线圈分别接交变电源和负载，通过交变磁场把电源输出的能量传送到负载中。接电源的线圈叫做一次绕组，接负载的线圈叫做二次绕组。一、二次绕组所在电路分别叫做原电路（原边）及副电路（副边）。一、二次绕组的电压（有效值）一般不等，变压器即由此而得名。

变压器在电器设备和无线电路中，常用作升降电压、匹配阻抗，安全隔离等。在发电机中，不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定线圈，均能在线圈中感应电势，此两种情况，磁通的值均不变，但与线圈相交链的磁通数量却有变动，这是互感应的原理。变压器就是一种利用电磁互感应，变换电压，电流和阻抗的器件。变压器的功能主要有：电压变换

电流变换，阻抗变换；隔离；稳压（磁饱和变压器）等。

2.变压器的组成

   变压器组成部件包括器身(铁芯、绕组、绝缘、引线)、变压器油、油箱 和冷却装置、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） 铁心

铁心是变压器中主要的磁路部分，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。

由铁合金制成的铁芯通常做彼此绝缘的片叫迭片。这是为了减少涡流损失，迭片有零点几个毫米厚，在音频时，以前曾用细粉末状的合金胶合而成。于是有了粉末铁芯。

铁氧体用于音频和超音频。这是陶瓷物质，它是由铁的氧化物和多种其他金属合成。它们的主要优点是电导率低，其数量级约为1西门子/米，它是变压器铁芯的10-6倍。这样，在铁氧体里涡流损失低。

（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。

3.变压器的工作原理及分类

3.1变压器的工作原理

变压器是变换交流电压、交变电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。 

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。

变压器可分为铁芯变压器及空心变压器两大类。铁心变压器是将一、二次绕组绕在一个铁芯（软磁材料）上，利用铁芯的高μ值加强互相耦合，广泛用于电力输配、电工测量、电焊及电子电路中。空心变压器没有铁芯，线圈之间通过空气耦合，可以避免铁芯的非线性、磁滞及涡流的不利影响，广泛用于高频电子电路中。

3.2变压器的分类

3.2.1铁芯变压器

铁芯有很高的磁导率，绝大部分B线都在铁芯内部闭合，它们对一、二次绕组的每匝提供相同的磁通，叫做主磁通。此外，也有少数B线只穿过一次绕组的若干线匝而不穿过二次绕组（或相反），它们提供的磁通叫做漏磁通。在近似讨论中可只考虑主磁通而忽略漏磁通，从而使问题大为简化。

磁芯变压器有两个极其重要的特点。第一，对于给定的磁芯截面积，初级每安匝的磁通比空气芯的大个数量级。第二，通过次级的磁通几乎等于通过初级的磁通。

这样，变压器的铁芯可以设计的比较少。另外，在铁芯的情况下，杂散的磁场亦很小。例如，两个变压器由于可以忽略互相干扰而可以放在一起工作。

铁芯在提供磁导率的同时，其非线性、磁滞及涡流都使变压器的运行情况变得非常复杂。在目前的电磁学阶段，我们暂且忽略这些影响，即认为铁芯的B-H曲线是一条过原点的直线，并假定没有涡流。于是铁芯与空气芯的区别就只在于前者的B-H曲线比后者有大得多的斜率。这样，当一次绕组接通简谐电源且电源达到稳态时，一、二次绕组的电压、电流、铁芯中的主磁通及其在两个线圈中感生的电动势都是简谐函数，因此可以用复数法或矢量法讨论。

一、二次绕组的电压关系

约定各量正方向如图所示。把一段含电源电路的欧姆定律分别用于一、二次绕组，得e1=-u1+i1R1及e2=-u2+i2R2,其中e1,e2是主磁通Ф在一、二次绕组感生的电动势，R1，R2是一、二次绕组的电阻。由二式可得

Ε1=-U1+I1R1,

Ε2=U2+I2R2.

R1、R2通常小到这样的程度，以至于I1R1<U1≈-ε1，

U2≈ε2.

设一、二次绕组匝数各为N1和N2，则主磁通Ф在两绕组感生的电动势分别为E1=-N1dФ/dt,

E2=-N2dФ/dt.

由上式得：U1/U2=-N1/N2.

上式说明，一、二次绕组电压的有效值与匝数成正比，相位相差Π。当N2>N1时U2>U1，这种变压器叫做升压变压器；当N23.2.2理想变压器

在交流电源的作用下，在原线圈内产生交变电流，从而在铁芯内激发交变的磁通量，交变的磁通量又在副线圈内产生感应电动势和感应电流，它反过来通过互感磁通又影响到原线圈，这便是变压器的基本工作过程。

下面的推导中我们做如下基本假设：

（1）没有漏磁，即通过两绕组每匝的磁通量Ф都一样；

（2）两绕组中没有电阻；从而没有铜损（即忽略绕组导线中的焦耳损耗）；

（3）铁芯中没有铁损（即忽略铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗）；

（4）原、副线圈的感抗趋于∞，从而空载电流趋于0。                                   

满足这些条件的变压器叫做理想变压器，它是实际变压器的抽象，它把实际变压器中的次要条件忽略掉，而仅仅抓住其主要矛盾。因为在变压器中忽略了一切损耗，电能的转换率的100%（电路中的小型变压器的实际转换效率高的约为80%左右）。各种损耗引起的后果，是设计变压器（特别是大型电力变压器）时需要考虑的问题，但对于无线电电路中的小型变压器，从使用的角度来看，理想变压器的原理在很多场合已经够用了。

3.3高压输电

按照“就地取材”的原则，发电站应该尽可能建立在能源丰富的地方，然而发电站的产品—电能却到处需要，这就出现一个远程输电的问题，为了尽量减少输电线上的功率损失，应该在保证输送功率不变的前提下尽量减少输电线上的电流。很据：P=IUcosΨ，要保证P不变而减少I，除了提高负载的功率因数cosΨ之外，还应。铁心变压器是将一、二次绕组绕在一个铁芯（软磁材料）上，利用铁芯的高μ值加强互相耦合，广泛用于电力输配、电工测量、电焊及电子电路中。目前国内远程输电的最高电压为500kV（已经很普遍）。由于绝缘上的困难，一般发电机发出的电压最多不过数万伏，因此在输电距离较长时就要用变压器升压。但是，出于安全上的考虑以及制造上的困难，一般用电设备又只能在低压下工作（例如220V，即使“高压电动机”也不过数千伏）。所以在远程输电线的末端又要用变压器降压。这可称为“高压输电，低压用电”的运行方式。目前电力系统都采用这种方式，因此电力变压器室电力系统中不可缺少的设备之一。

因为输电线越长，电阻越大，又有P=U*I当用户用电量相同，及输送的功率一定，电压越大，电流就会越小。再根据P=I^2*R，P是线路损耗的功率，即是线损。线损的大小和输电线路的电阻及输电线路上的电流成正比；减少线损的办法有两个：1是减小输电线路的电阻；但是输送距离一般是固定的，要降低电阻，在确定材料的情况下，只能增大输电电缆的线径。增大线径同时造价会大幅增加，架设难度也大大增加。2是减小输电线路上的电流；在功率确定的情况下，就只能增大供电线路的电压，并且这种方法比起第一种来说，方便实现，经济效益好。远距离送电通常都采取高压输电的方式来送电，首先在发电厂增加变电站，通过升压变压器，将发出的10.5千伏的电升为35KV或110KV或220KV或500KV来进行长距离输送，到了目的地后首先送达到集中的变电站，根据用户距离，通过降压变压器将电压降到35KV或者10.5KV,再进行短距离的输送，10.5KV通过变电所或者街上的10/0.4变压器变成三相电，供用户使用。

4 变压器的用途

在电力工程和无线电技术中广泛的使用变压器，其主要用途就是变电压、便电流、便电阻、变阻抗以及电路间的耦合。

（1）电力变压器

在输电线中的焦耳损耗正比于电流的平方。远距离输电时，就需要用变压器升高电压以减小电流。发电机的输出电压一般是6—10千伏，通常根据输电距离的远近，用大型电力变压器将电压升高到35千伏、110千伏、220千伏等高压。电流经高压线传送到企业用户时，再用降压变压器把电压降到几百伏，以保证用电的安全。

（2）电源变压器

在各种无线电电子设备中往往需要各种不同的电压：例如供电子管灯丝的电压要用6.3伏，它的极板电压要用300伏。通常都要用电压变压器将220伏的市电变到各种需要的电压。

（3）耦合变压器

无线电电路中常常使用各种耦合变压器来做级间耦合，收音机中的输入变压器、输出变压器、高频变压器、中周变压器，都属于这一类，它们的作用是多方面的，上面介绍的输出变压器在阻抗匹配方面的作用就是一例。

（4）调压变压器（自耦变压器）

    在生产或科研中常常需要在一定范围内连续调节交流电压，这种用途的变压器叫做调压变压器，调压变压器通常做成自耦式的，只有一个绕组，电源加载其中的一端上，负载通过滑动头接在另一端上。改变滑动头的位置，就可得到不同的电压输出。

5 变压器的发展前景

随着电力需求的不断增加，电力供应紧张。随着我国国民经济的发展迅速，对电力的需求也日趋上升，作为输变电系统中的主要设备变压器也得到了长足的发展。为适应和满足市场的需求，许多制造厂家不断地改进产品结构，提高产品性能，从国外引进先进的生产技术和设备，在新工艺新材料的探索方面做了不懈的额努力，一次来不断提高产品的质量和可靠性，已经获得了长足的进步。

另一方面，在全球化的竞争中，虽然我国在小容量变压器方面已经拥有相当的实力，并在国际市场中占有重要的地位，但是在高容量、超高容量变压器方面，我国的技术实力还非常薄弱。这将阻碍我国变压我国变压器行业今后的发展，需要引起高度的关注。

   目前，低压变频器产品的用户多以本土用户为主，分别在我国电梯、重机械、电力、化工等众多行业领域中发挥着重要的促进作用，即使在一些原先变频技术较少的交通领域也开始发展起来。而且低压变频器以其先进的的自动化装备在变压器行业稳定的市场中再次崛起。但是若想现在进军国际市场，还是存在着相当大的压力，由于我国工业化起步较晚，而欧美发达国家变频器市场早已成熟起来，占领了国际市场的主导地位，若想加入到国际变压

器行业的竞争中去，必然是存在着些许阻碍。

而在材料方面也有着极大的潜力，电力的运输，降低能源在运输过程中的损耗可节省

不少的能源。变压器自身消耗的能量也造成了极大的损失，特别是在大容量变压器方面还有

着极大的潜力。

   综上所述，我国的实力相对较弱，无论是在制造技术方面还是工业设计方面，跟国外品

牌确实有着不小差距。因此，如何提高生产技术以及加快设计创新是变压器行业占领本土市场的关键。变压器在我国还有极大的发展前景。

 参考文献

[1]赵凯华 陈熙谋.电磁学 下册.[M]北京：人民教育出版社.1979：251-260.

[2]P.洛兰 D.科逊 原著 潘仲麟 胡芬 译.[M]成都：成都出版社，成都科技大学出版社.1988.9:229-231.

[3]梁灿彬 秦光戎 梁竹健 原著.电磁学 第二版.[M]北京：高等教育出版社.2004.5：352-358.