第九节、变压器

在实际应用中，常常需要改变交流电的电压。大型发电机发出的交流电，电压有几万伏，而远距离输电却需要高达儿十万伏的电压，各种用电设备所需的电压也各不相同，电灯、电炉等家用电器需要 220 伏的电压，机床上的照明灯需要 36 伏的安全电压，一般电子管的灯丝只需 6.3 伏的低电压，电视机显象管却需要一万多伏的高电压，交流电便于改变电压，以适应各种不同的需要，变压器就是改变交流电电压的设备。

一、变压器原理

图 3–25 是变压器的示意图。变压器是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成的。一个线圈跟电源连接，叫原线圈（也叫初级线圈）；另一个线圈跟负载连接，叫副线圈（也叫次级线圈），两个线圈都是用绝缘导线绕制成的，铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成。

在原线圈上加交变电压 U₁，原线圈中就有交变电流，它在铁芯中产生交变的磁通量，这个交变磁通量既穿过原线圈，也穿过副线圈，在原、副线圈中都要引起感生电动势，如果副线圈电路是闭合的，在副线圈中就产生交变电流，它也在铁心中产生交变磁通量，这个交变磁通量既穿过副线圈，也穿过原线圈，在原、副线圈中同样要引起感生电动势，在原、副线圈中由于有交变电流而发生的互相感应现象，叫做互感现象，互感现象是变压器工作的基础。

原线圈和副线圈中的电流共同产生的磁通量，绝大部分通过铁芯，只有一小部分漏到铁心之外。在粗略的计算中可以略去漏掉的磁通量，认为穿过这两个线圈的交变磁通量相同，因而这两个线圈的每匝所产生的感生电动势相等，设原线圈的匝数是 n₁，副线圈的匝数是 n₂，穿过铁芯的磁通量是 ϕ，那么原、副线圈中产生的感生电动势分别是

$${ℰ}_1=n_1\frac{\mathrm{\Delta }\varphi }{\mathrm{\Delta }t},{ℰ}_2=n_2\frac{\mathrm{\Delta }\varphi }{\mathrm{\Delta }t}$$

由此可得

$$\begin{array}{}\text{(1)}& \frac{{ℰ}_1}{{ℰ}_2}=\frac{n_1}{n_2}\end{array}$$

在原线圈中，感生电动势 ℰ₁ 起着阻碍电流变化的作用，跟加在原线圈两端的电压 U₁ 的作用相反，是反电动势。原线圈的电阻很小，如果略去不计，则有 U₁ = ℰ₁。副线圈相当于一个电源，感生电动势 ℰ₂ 相当于电源的电动势。副线圈的电阻也很小，如果忽略不计，副线圈就相当于无内阻的电源，因而副线圈的端电压 U₂ 等于感生电动势 ℰ₂，即 U₂ = ℰ₂。因此得到

$$\begin{array}{}\text{(2)}& \frac{U_1}{U_2}=\frac{n_1}{n_2}\end{array}$$

可见，变压器原、副线圈的端电压之比等于这两个线圈的匝数比。如果 n₂ > n₁，U₂ 就大于 U₁，变压器就使电压升高，这种变压器叫做升压变压器，如果 n₁ > n₂，U₁ 就大于 U₂，变压器就使电压降低，这种变压器叫做降压变压器。

变压器原、副线圈的电流之间又有什么关系呢？

变压器工作时，输入的功率主要由副线圈输出，小部分在变压器内部损耗了。变压器的线圈有电阻，电流通过时要生热，损耗一部分能量，这种损耗叫做铜损。铁芯在交变磁场中反复磁化，也要损耗一部分能量使铁芯发热，这种损耗叫做铁损。变压器的能量损耗很小，效率很高，特别是大型变压器，效率可达 97 ~ 99.5%。所以，在实际计算中常常把损耗的能量略去不计，认为变压器的输出功率和输入功率相等。即

$$\begin{array}{}\text{(3)}& U_1{I}_1=U_2{I}_2\end{array}$$

[1]

由（2）式和（3）式可得

$$\begin{array}{}\text{(4)}& \frac{I_1}{I_2}=\frac{n_2}{n_1}\end{array}$$

这就是变压器工作时原、副线圈中电流之间的关系。可见，变压器工作时原线圈和副线圈中的电流强度跟线圈的匝数成反比。变压器的高压线圈匝数多而通过的电流小，可用较细的导线绕制；低压线圈匝数少而通过的电流大，应当用较粗的导线绕制。

二、几种常用的变压器

变压器的种类很多，除常见的电力变压器外，我们再介绍几种常用的变压器。

图 3–26 是自耦变压器的示意图。这种变压器的特点是铁心上只绕一个线，如果把整个线圈作原线圈，只取线圈的一部分作副线圈，就可以降低电压（图 3–26 甲）；如果把线圈的一部分作原线圈，整个线圈作副线圈，就可以升高电压（图 3–26 乙）。

调压变压器就是一种自耦变压器，它的构造如图 3–27 所示。线圈 AB 绕在圆环形的铁心上，AB 之间加上输入电压 U₁。移动滑动触头 P 的位置，就可以调节输出电压 U₂。

互感器也是一种变压器，交流伏特表和安培表都有一定的量度范围，不能直接测量高电压和大电流，高电压对人有危险，为了保证工作人员的安全也不能把电表直接接入高压电路里。用变压器来把高电压变成低电压，或者把大电流变成小电流，这个问题就可以解决了，这种变压器叫做互感器，互感器分电压互感器和电流互感器两种。

电压互感器（图 3–28）用来把高电压变成低电压，它的原线并联在高压电路中，副线圈上接入交流伏特表，根据伏特表测得的电压 U₂ 和铭牌上注明的变压比（U₁/U₂），可以算出高压电路中的电压。为了工作安全，电压互感器的铁壳和副线圈应该接地。

电流互感器（图 3–29）用来把大电流变成小电流。它的原线圈串联在被测电路中，副线圈上接入交流安培表，根据安培表测得的电流 I₂ 和铭牌上注明的变流比（I₁/I₂），可以算出被测电路中的电流。如果被测电路是高压电路，为了工作安全，同样要把电流互感器的外壳和副线圈接地。

练习六

（1）变压器能不能改变直流电的电压？说明理由。

（2）收音机中的变压器，原线圈有 1210 匝，接在 220 伏的交流电源上，要得到 5 伏、6.3 伏和 350 伏三种输出电压，三个副线圈的匝数各是多少？

（3）为了安全，机床上照明电灯用的电压是 36 伏，这个电压是把 220 伏的电压降压后得到的，变压器的原线圈是 1140 匝，副线圈是多少匝？用这台变压器给 40 瓦的电灯供电，原副线圈中的电流强度各是多大？

（4）利用变压器的原理可以测量线圈的匝数；用被测线圈作原线圈，用一个匝数已知的线圈作副线圈，通入交流电，测出两线圈的电压，就可以求出被测线圈的匝数，已知副线圈有 400 匝，把原线圈接到 220 伏的线路中，测得副线圈的电压是 55 伏，求原线圈的匝数。

（5）在图 3–28 所示的电压互感器的电路中，为什么副线圈的匝数比原线圈的少？在图 3–29 所示的电流互感器的电路中，为什么副线圈的匝数比原线圈的多？

[1] 根据交流电功率的公式 P = UIcosϕ，（3）式应该写成 U₁I₁cosϕ₁ = U₂I₂cosϕ₂。式中 cosϕ₁ 是原线圈电路的功率因数，cosϕ₂ 是副线圈电路的功率因数。ϕ₁ 和 ϕ₂ 通常相差很小，在实际计算中可以认为它们相等，因而得到（3）式。

发布时间：2025/3/18 下午8:18:20  阅读次数：357