变压器 on 张同的博客

1.变压器基础知识

Sat, 16 Aug 2025 20:59:00 +0800

Transformer 基础知识

Transformer Basics

变压器是一种电气设备，由两个或多个线圈组成，通过变化的磁场来传递电能。

在本变压器基础教程中，我们将看到变压器内部没有任何运动部件，通常用于需要通过电磁感应将电能从一个电路传递到另一个电路时改变电压的场合。

我们在家庭和工作场所使用交流（AC）电压与电流的主要原因之一，是因为交流电源可以在一个合适的电压下容易地生成，并通过变压（因此得名“变压器”）成更高的电压，然后利用国家电网中的输电塔和导线在很长距离上分配。

2.变压器结构

Sat, 16 Aug 2025 20:58:00 +0800

变压器结构

Transformer Construction

一个简单的双绕组变压器结构由两个分别绕在单独的软铁磁柱或磁芯上的绕组构成，这种结构为磁通提供了必要的磁路。

变压器的结构提供了一个磁路，这个磁路通常被称为变压器铁芯（transformer core），其设计目的是为磁场的流动提供路径。这个磁路是输入绕组与输出绕组之间电压感应所必需的。

3.变压器负载

Sat, 16 Aug 2025 20:57:00 +0800

变压器负载

Transformer Loading

变压器可以在其次级绕组提供电压，但为了在其输入和输出之间传输电能，它们需要连接负载。

在之前的变压器教程中，我们假设变压器是理想的，即变压器的铁芯损耗和绕组的铜损耗都不存在。然而，在现实世界中，变压器在加载时总会有一些损耗，变压器处于“负载状态”时会产生这些损耗。那么，我们所说的变压器负载是什么意思呢？

首先，让我们看看当变压器处于空载no-load状态时会发生什么，即没有电气负载连接到其次级绕组，因此没有次级电流流动。

当变压器的次级绕组开路时，它被认为处于空载状态，换句话说，没有任何负载连接，变压器的负载为零。当一个交流正弦波电源连接到变压器的初级绕组时，由于初级电压的存在，会有一个小电流 I_{OPEN} 流经初级绕组。

由于次级电路开路，未连接负载，反向电动势与初级绕组的电阻共同作用，限制了这个初级电流的流动。显然，这个空载初级电流 I_o 必须足够大，以维持足够的磁场，从而产生所需的反向电动势。如下电路图：

空载条件下的变压器

Transformer “No-load” Condition

上面的电流表将显示即使次级电路开路，仍有少量电流流经初级绕组。这个空载初级电流由以下两个分量组成：

同相电流 I_E，它供应铁芯损耗（涡流损耗和滞后损耗）。
垂直于电压的小电流 I_M，它用来建立磁通。

I_E = I_o \cos \varphi

I_M = I_o \sin \varphi

I_o = \sqrt{I_M^2 + I_E^2}

4.多绕组变压器

Sat, 16 Aug 2025 20:56:00 +0800

多绕组变压器

Multiple Winding Transformers

多绕组变压器可以具有两个或更多的初级或次级绕组，以允许不同电压和电流的组合。

多绕组变压器

多绕组变压器可以具有两个或更多一次绕组primary winding或二次绕组secondary windings，以允许不同电压和电流的组合。

多绕组变压器通常在一次侧设有一个绕组，并在二次侧设有两个或更多绕组。但变压器的魅力在于，它们允许一次侧或二次侧配置不止一个绕组。具有多于一个绕组的变压器通常被称为多绕组变压器。

6.电流互感器

Sat, 16 Aug 2025 20:54:00 +0800

电流互感器

The Current Transformer

电流互感器产生的输出与一次侧绕组中流过的电流成正比，前提是一次侧保持恒定电压。

电流互感器（C.T.）是一种仪用互感器，其设计目的是在二次侧绕组中产生与一次侧被测电流成比例的交流电流。

电流互感器将高电流降至较低值，为使用标准电流表安全监测交流输电线路中的实际电流提供了方便。基本电流互感器的工作原理与普通电压互感器略有不同。

Typical Current Transformer

与前文讨论的电压或功率互感器不同，电流互感器的一次绕组仅由一匝或极少几匝构成。该一次绕组可以是单匝扁平导线、缠绕在铁芯上的重型导线线圈，或如图所示直接穿过中央孔的导体或母线。

由于这种布置，电流互感器常被称为“串联互感器”，因为一次绕组（匝数极少）始终与载流导体串联。

二次绕组则可能绕有大量匝数，缠绕在由低损耗磁性材料叠片而成的铁芯上。

该铁芯具有较大横截面积，以保证产生的磁通密度较低，从而可使用截面积更小的绕组导线，具体取决于需要将电流降多少倍，同时保持输出电流恒定，与所连负载无关。

二次绕组会将电流输出至短路（如电流表）或电阻性负载，直至二次侧感应电压升高到足以使铁芯饱和或因过高电压击穿而损坏为止。

与电压互感器不同，电流互感器的一次电流不依赖于二次侧负载电流，而是由外部负载控制。二次电流通常标定为标准的 1\mathrm{A}，对于一次电流等级较高者则标定为 5\mathrm{A}。

电流互感器有三种基本类型：绕组式、环形和母线式。

绕组式电流互感器（Wound Current Transformer）

其一次绕组与电路中承载被测电流的导体物理串联。二次电流的大小取决于互感器的匝比。
环形电流互感器（Toroidal Current Transformer）

无一次绕组。被测电流导线直接穿过环形互感器的窗口或孔洞。有些电流互感器采用“可分铁芯”设计，可在不停电的情况下打开、安装并闭合，无需断开被测电路。
母线式电流互感器（Bar-type Current Transformer）

以主电路的实际电缆或母线作为一次绕组，相当于单匝。它们与高压系统完全绝缘，通常通过螺栓固定在载流装置上。

电流互感器可以将电流水平从数千安培降至标准的已知比率输出电流，如 5\mathrm{A} 或 1\mathrm{A}，以满足正常运行要求。因此，由于它们与任何高压电力线路完全绝缘，可与体积小且测量精度高的仪表与控制装置配合使用。

电流互感器在多种计量场合中具有应用价值，例如与有功功率表、功率因数表、电度表、保护继电器配合使用，或用作磁力断路器（MCB）中的脱扣线圈。

电流互感器

Current Transformer

通常情况下，电流互感器与电流表配合使用，作为一对配套装置，其电流互感器的设计可使二次侧输出的最大电流正好对应电流表的满刻度偏转。

在大多数电流互感器中，一次侧电流与二次侧电流之间存在近似反比的匝比。这也就是为何电流互感器通常针对特定类型的电流表进行校准。

大多数电流互感器的二次额定电流为标准的 5\mathrm{A}，一次侧和二次侧的电流通常以如 \tfrac{100}{5} 的形式表示。这意味着一次电流是二次电流的 20 倍，因此当一次导体中流过 100\mathrm{A} 电流时，二次绕组中将流过 5\mathrm{A}。

8.变压器电压调节

Sat, 16 Aug 2025 20:52:00 +0800

变压器电压调节

Transformer Voltage Regulation

变压器电压调节是指变压器输出端电压相对于其空载值，因连接负载电流变化而向上或向下波动的比例或百分比值。

什么是变压器调压？

What is Transformer Regulation?

电压调压是衡量变压器在不同负载条件下维持恒定二次电压能力的指标，因为输出二次电压可能并非理想预期值。

当变压器的一次绕组通电时，会按照变压器的匝比（ \mathrm{TR}）在二次侧产生相应的电压和电流。如果某单相变压器的降压匝比为 2:1，并在高压一次绕组上施加 240\\mathrm{V}，理想情况下我们期望在二次绕组的输出端看到 120\\mathrm{VAC}。