单相变压器的使用与维护

一、 单相变压器的结构

变压器作为一种静止的电气设备， 其基本结构主要是铁芯、 绕组及其他部件。 图1－1所示为变压器的组成结构。

图1－1 变压器的组成结构图

1—油阀；2—绕组； 3—铁芯； 4—油箱；5—分接开关； 6—低压导管； 7—高压导管；8—气体继电器；9—防爆筒；10—油位器； 11—油枕； 12—吸湿器；13—铭牌； 14—温度计； 15—小车

1. 铁芯——变压器的磁路部分

铁芯主要由铁芯柱和铁轭两部分构成， 铁芯柱上套装变压器绕组线圈， 铁轭起连接铁芯柱使磁路闭合的作用。

1） 铁芯材料

对铁芯的要求是导磁性能要好， 因此为了减小磁阻、 减小交变磁通在铁芯内产生的磁滞损耗和涡流损耗， 变压器的铁芯大多采用0.35mm的薄硅钢片叠装而成。 硅钢片分为热轧硅钢片和冷轧硅钢片两类， 冷轧硅钢片的导磁性能较好， 铁耗较小， 是目前制作变压器铁芯的主要材料。

2） 铁芯结构

按照绕组套入铁芯的形式， 变压器的铁芯可以分为心式和壳式两种基本形式。

心式： 绕组分装在两个铁芯柱上。 结构简单、 用铁量较少、 散热条件较好， 适用于容量大、电压高的变压器，如图1－2 （a） 所示。

壳式： 绕组装在同一个铁芯上， 绕组呈上下缠绕或里外缠绕， 机械强度好， 但制造工艺复杂，且外层绕组需用的铜线较多，适用于小型特殊变压器，如图1－2 （b） 所示。

图1－2 变压器铁芯的结构

（a） 心式； （b） 壳式

2. 绕组——变压器的电路部分

绕组是变压器的电路部分， 它主要由绝缘良好的铜或铝的漆包线、 纱包线或丝包线绕制而成的， 对绕组的电气、 耐热、 机械等性能均有严格的要求， 以保证变压器安全运行。

在变压器中， 接到高压侧的绕组称为高压绕组， 接到低压侧的绕组称为低压绕组。 高低压绕组按安放形式的不同可分为同心式绕组和交叠式绕组。

（1） 同芯式绕组： 高、 低压线圈绕在同一铁芯柱上， 同心排列。 一般高压线圈排在外侧， 低压线圈排在内侧， 这样有利于对铁芯的绝缘。 变压器高、 低压绕组与铁芯之间都留有一定的绝缘间隙，并以绝缘筒 （一般采用木纸或钢纸板绝缘圆筒） 隔开， 如图1－3 （a） 所示。 同芯式绕组结构简单， 制造方便， 国产电力变压器均采用这种结构。

（2） 交叠式绕组： 又称为饼式绕组， 是把变压器的高、 低压绕组分别绕成若干个 “饼式” 绕组，高、低压“饼式” 绕组交替地套装在铁芯柱上，如图1－3 （b） 所示。 为便于绝缘， 铁芯柱两端靠近铁轭外总是套装低压绕组。 交叠式绕组因其结构比较牢固， 电气上易构成多条支路并联， 但绝缘较复杂， 主要应用于低电压、 大电流的变压器上， 如电炉变压器、电焊变压器等。

图1－3 变压器绕组的结构

（a） 同芯式； （b） 交叠式

3. 其他部件

（1） 油箱： 由于存在变压器铁芯损耗与绕组损耗， 这些损耗会使铁芯与绕组发热， 影响变压器的安全工作， 因此， 通常将装好的变压器铁芯、 绕组浸入变压器油中进行冷却。 另外变压器油具有良好的绝缘作用。 为了增加散热面积， 容量较大的变压器， 常采用带有钢管散热器的外壳帮助散热， 这称为油浸自冷式； 装有散热风扇协助散热的， 称为油浸风冷式；装设油泵强迫使油在冷却器中循环冷却的， 称为强迫油循环冷却式。

（2） 储油柜： 储油柜也称为油枕， 装置在油箱上方， 通过连通管与油箱连通， 起到保护变压器油的作用。

（3） 气体继电器 （也称为瓦斯继电器）： 气体继电器安装在油箱和储油柜的连接管道中间， 是变压器内部故障的保护装置。 当变压器内部绝缘被击穿或匝间短路时， 变压器油和其他绝缘物分解气体， 气压增大， 冲击气体继电器， 使其接点动作， 通过控制保护回路， 及时发出故障信号或切除电源。

（4） 安全气道 （也称为防爆管）： 安全气道是装置在较大容量变压器油箱顶上的一个钢质长筒， 下筒口与油箱连通， 上筒口以玻璃板封口， 当变压器内部发生故障， 压力达到一定程度时， 就把薄玻璃冲破， 释放变压器内部的压力， 防止变压器爆炸。

（5） 绝缘套管： 绝缘套管装置在变压器油箱盖上面， 以确保变压器的引出线与油箱绝缘。

（6） 分接开关： 分接开关装置在变压器油箱盖上面， 通过调节分接开关来改变原绕组的匝数， 从而使副绕组的输出电压可以调节， 以避免副绕组的输出电压因负载变化而过分偏离额定值， 调节范围为±5％。

4. 变压器的分类

（1） 按照用途分， 主要有电力变压器、 调压变压器、 仪用互感器 （如测量用电流互感器和电压互感器）、 供特殊电源用的变压器 （如整流变压器、 电炉变压器、 电焊变压器、 脉冲变压器）。

（2） 按照绕组数目分， 主要有双绕组变压器、 三绕组变压器、 多绕组变压器、 自耦变压器。

（3） 按照相数分， 主要有单相变压器、 三相变压器、 多相变压器。

（4） 按照冷却方式分， 主要有干式变压器、 充气式变压器、 油浸式变压器 （按照冷却条件， 又可细分为自冷变压器、 风冷变压器、 水冷变压器、 强迫油循环风冷变压器、 强迫油循环水冷变压器）。

（5） 按照调压方式分， 主要有无载调压变压器、 有载调压变压器、 自动调压变压器。

（6） 按容量大小分， 主要有小型变压器、 中型变压器、 大型变压器和特大型变压器。

5. 变压器的铭牌数据

为了保证变压器的正常使用， 在每台变压器的外壳上都附有铭牌， 标志其型号和主要参数。 变压器的铭牌数据主要包括以下内容：

（1） 额定容量SN。

SN是指变压器的视在功率，表示变压器在额定条件下的最大输出功率。对于三相变压器， 额定容量是指三相容量之和。

（2） 额定电压。

额定电压标志铭牌上的各绕组在空载、 额定分接下端电压的保证值， 其单位为V和KV。 三相变压器额定电压为线电压。

（3） 额定电流。

额定电流是根据额定容量和额定电压计算出的电流。

（4） 额定频率。

我国规定变压器的额定频率为50Hz。

二、 单相变压器的工作原理

单相变压器是指接在单相交流电源上， 用来改变单相交流电压的变压器， 其功率一般都比较小， 主要应用于机床设备控制电路、 安全照明电路以及各种家用电器的电源适配器中。

图1－4所示是单相变压器的工作原理， 其中闭合铁芯由绝缘硅钢片叠合而成， 原线圈（初级线圈） 匝数用N1表示、副线圈（次级线圈） 匝数用N2表示、输入／输出电压和电流分别为U1、I1和U2、I2。

图1－4 单相变压器的工作原理

当变压器的一次侧绕组加上交流电压时， 该绕组中就会有交流电流流过， 于是在铁芯磁路中就产生了交变磁通， 根据法拉第电磁感应定律， 一次侧和二次侧绕组中都将产生感应电动势， 其大小分别为：

式中，e1、e2为一次侧和二次侧的感应电动势；Φ为铁芯中产生的磁通。

当把负载接于二次侧绕组上时，在电动势e2的作用下，变压器就向负载输出电能，这就是变压器的基本工作原理。

1. 变压器空载运行——变压器原边接电源， 副边不接负载的状态

根据图1－4，忽略变压器一、二次侧绕组的电阻和漏磁通及铁芯的损耗时， 原、 副线圈的感应电动势与输入、输出电压相等，因此综合式（1－1） 和式（1－2） 可知式中， K为变压器的变比。

这说明变压器一、 二次侧电压比约等于变压器一、 二次侧绕组的匝数比。 当K＞1时，U1＞U2，变压器为降压变压器；当K＜1时，U1＜U2，变压器为升压变压器。变压器通过改变一、 二次侧绕组的匝数比， 就可以很方便地改变输出电压的大小。

2. 变压器负载运行——变压器原边接电源， 副边接负载的状态

图1－5所示为单相变压器负载运行状态示意。 当变压器的原边绕组接上电源， 副边绕组接上负载后，副边绕组中有电流I2流过，变压器工作时，若电源电压不变，铁芯中的主磁通Φ也基本不变。因此，当变压器接入负载后，一次侧绕组的磁动势I1N1和二次侧绕组的磁动势I2N2与变压器空载时的磁动势I0N1基本相等，即

I0N1＝I1N1＋I2N2（1－4）

图1－5 单相变压器负载运行状态示意

因为空载电流很小，当变压器满载或接近满载时，空载励磁磁动势I0N1比一次侧绕组的磁动势I1N1或二次侧绕组的磁动势I2N2小得多，故可以忽略不计。所以式（1－4） 可以简化为：

I1N1＋I2N2＝0 即 I1N1＝－I2N2（1－5）

式中的负号表示变压器负载运行时， 二次侧绕组的磁动势与一次侧绕组的磁动势相位相反，二次侧绕组的磁动势对一次侧绕组的磁动势起退磁作用， 一次侧绕组中的电流和二次侧绕组中的电流在相位上几乎相差180°。

若不考虑式（1－5） 中的符号，则有I1N1＝I2N2，即

这说明变压器是一种把电能转换为高压小电流或低压大电流的电气设备， 起着传递能量的作用。

3. 变压器匹配运行

变压器不仅具有电压变换和电流变换的作用， 还具有阻抗变换的作用。 变压器一次侧绕组和二次侧绕组的阻抗值分别如式 （1－7） 和式 （1－8） 所述：

由此可以看出变压器一次侧、 二次侧绕组的阻抗比为：

在电子电路中， 为了获得较大的功率输出， 往往对输出电路的输出阻抗与所接的负载阻抗有一定的要求。 因此可以通过改变变压器一次侧、 二次侧绕组的匝数比， 改变变压器一、二次侧的阻抗比， 进而获得所需的阻抗匹配。

［例1－1］ 已知某音响设备输出电路的输出阻抗为320Ω，所接的扬声器阻抗为5Ω，现在需要接一输出变压器使两者实现阻抗匹配， 求：

（1） 变压器的变压比。

（2） 若变压器一次侧绕组匝数为480匝， 问二次侧绕组匝数为多少？

解：

（1） 根据已知条件，输出变压器一次侧绕组的阻抗Z1＝320Ω，二次侧绕组的阻抗Z2＝5Ω。由式（1－9） 得变压器的变压比为

（2） 由式（1－3） 可知

N2＝N1K＝4808＝60（匝）