理想变压器与实际变压器

理想变压器与实际变压器
摘要：变压器是利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器是电能传递或作为信号传输的重要元件。

理想变压器，是指没有损耗的变压器，就是一二次线圈的电阻可以忽略，其漏电感可以忽略，铁心损耗可以忽略，这就相当于是一个电压可变但是内阻为零的电源，它没有内阻压降。

但理想变压器与实际变压器存在一定的差距，在某些条件下，这种差距还相当大，以致个别公式并不适用。

关键词：理想变压器，实际变压器，电磁感应，电流互感器。

0引言
近几年，为适应国家在城乡电网改造的需求，发展了一批新型、优质的配电变压器，使配电网络的变压器装备更趋先进，供电更可靠，农村用电更趋低价。

近年发展的配电变压器的损耗值在不断下降，尤其空载损耗值下降更多，这主要归功于磁性材料导磁性能的改进，其次是导磁结构铁心型式的多样化。

如较薄高导磁硅钢片或非晶合金的应用，阶梯接缝全斜结构铁心、卷铁心(平面型、立体型)、退火工艺的应用等。

在降低损耗的同时也注意噪声水平的降低。

在干式配电变压器方面又将局部放电试验列为例行试验，用户又对局部放电量有要求，作为干式配电变压器运行可靠性的一项考核指标，这比国际电工委员会规定的现行要求要严格。

因此，在现有基础上预测我国各类配电变压器的发展趋势，推动配电变压器进一步发展应是一件比较重要工作。

1分析理想变压器
1.1 理想变压器的定义
理想变压器，是指没有损耗的变压器，就是一二次线圈的电阻可以忽略，其漏电感可以忽略，铁心损耗可以忽略，这就相当于是一个电压可变但是内阻为零的电源，它没有内阻压降。

1.2理想变压器的四个理想化条件
①无漏磁通，即Φs1=Φs2=0,耦合系数K=1,为全耦合，故有Φ11=Φ21,Φ22=Φ12。

②不消耗能量(即无损失),也不贮存能量。

③初次级线圈的电感均为无穷大，即L1→∞，L2→∞，但为有限值。

证明如下：即
在全耦合(K=1)时，两线圈的电感之比，是等于其匝数平方之比，亦即每个线
圈的电感都是与自己线圈匝数的平方成正比。

④因有K=1,L1→∞，L2→∞，故有→∞。

1.3描述理想变压器的电动势平衡方程式
e1(t) = -N1 d φ/dt e2(t) = -N2 d φ/dt
若一次、二次绕组的电压、电动势的瞬时值均按正弦规律变化，则有
不计铁心损失，由此得出一次、二次绕组电压和电流有效值的关系。

含理想变压器电路的分析计算含理想变压器电路的分析计算，一般仍是应用回路法(网孔法)和节点法等方法，只是在列方程时必须充分考虑它的伏安关系和阻抗变换特性即可解决问题。

2分析实际变压器
2.1 初步了解实际变压器
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）;自耦变压器；高压变压器（干式和油浸式）等，变压器常用的铁芯形状一般有E型和C型铁芯，XED型，ED型CD型。

变压器按用途可以分为：配电变压器、电力变压器、全密封变压器、组合式变压器、干式变压器、单相变压器、电炉变压器、整流变压器、电抗器、抗干扰变压器、防雷变压器、箱式变电器试验变压器转角变压器大电流变压器励磁变压器。

变压器的最基本型式，包括两组绕有导线之线圈，并且彼此以电感方式称合一起。

当一交流电流(具有某一已知频率)流于其中之一组线圈时，于另一组线圈中将感应出具有相同频率之交流电压，而感应的电压大小取决于两线圈耦合及磁交链之程度。

一般指连接交流电源的线圈称之为「一次线圈」(Primary coil);而跨于此线圈的电压称之为「一次电压.」。

在二次线圈的感应电压可能大于或小于一次电压，是由一次线圈与二次线圈间的「匝数比」所决定的。

因此，变压器区分为升压与降压变压器两种。

大部分的变压器均有固定的铁芯，其上绕有一次与二次的线圈。

基于铁材的高导磁性，大部分磁通量局限在铁芯里，因此，两组线圈藉此可以获得相当高程度之磁耦合。

在一些变压器中，线圈与铁芯二者间紧密地结合，其一次与二次电压的比值几乎与二者之线圈匝数比相同。

因此，变压器之匝数比，一般可作为变压器升压或降压的参考指标。

由于此项升压与降压的功能，使得变压器已成为现代化电力系统之一重要附属物，提升输电电压使得长途输送电力更为经济，至于降压变压器，它使得电力运用方面更加多元化，可以这样说，没有变压器，现代工业实无法达到目前发展的现况。

电子变压器除了体积较小外，在电力变压器与电子变压器二者之间，并没有明确的分界线。

一般提供50Hz电力网络之电源均非常庞大，它可能是涵盖有半个洲地区那般大的容量。

电子装置的电力限制，通常受限于整流、放大，与系统其它组件的能力，其中有些部分属放大电力者，但如与电力系统发电能力相比较，它仍然归属于小电力之范围。

各种电子装备常用到变压器，理由是：提供各种电压阶层确保系统正
常操作;提供系统中以不同电位操作部分得以电气隔离;对交流电流提供高阻抗，但对直流则提供低的阻抗;在不同的电位下，维持或修饰波形与频率响应。

「阻抗」其中之一项重要概念，亦即电子学特性之一，其乃预设一种设备，即当电路组件阻抗系从一阶层改变到另外的一个阶层时，其间即使用到一种设备-变压器。

变压器又有其做试验而用的，是试验变压器，分别可以分为充气式，油浸式，干式等试验变压器，是发电厂、供电局及科研单位等广大用户的用来做交流耐压试验的基本试验设备，通过了国家质量监督局的标准,用于对各种电气产品、电器元件、绝缘材料等进行规定电压下的绝缘强度试验。

变压器---利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器是电能传递或作为信号传输的重要元件。

2.2 变压器---- 静止的电磁装置
变压器可将一种电压的交流电能变换为同频率的另一种电压的交流电能
电压器的主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组。

变压器利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器输送的电能的多少由用电器的功率决定。

①制作原理：
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。

②工作原理
当1次绕组接交流电压后，电流i0,该电流在铁心中产生一个交变的主磁通Φ。

Ф在两个绕组中分别产生感应电势e1和e2
e1=－N1dФ/dt e2=－N2dФ/dt。

如果略去绕组电阻和漏抗压降，则
u1/u2≈(-e1)/(-e2)=N1/N2；
u1/u2≈(-e1)/(-e2)=N1/N2=k, k定义为变压器的变比。

变压器原理
③分类：
按冷却方式分类：干式（自冷）变压器、油浸（自冷）变压器、
氟化物（蒸发冷却）变压器。

按防潮方式分类：开放式变压器、灌封式变压器、密封式变压器。

按铁芯或线圈结构分类：芯式变压器（插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯）、壳式变压器（插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯）、环型变压器、金属箔变压器。

按电源相数分类：单相变压器、三相变压器、多相变压器。

按用途分类：电源变压器、调压变压器、音频变压器、中频变压器、高频变压器、脉冲变压器。

3 变压器的结构与材料简析
3.1变压器的主要主城部分
变压器的主要部件有：
①器身：包括铁心、绕组、绝缘部件及引线。

②调压装置：即分接开关，分为无励磁调压和有载调压。

③油箱及冷却装置。

④保护装置：包括储油柜、安全气道、吸湿器、气体继电器、净油器和测温装置等。

⑤绝缘套管。

3.2 变压器的结构
①铁心：
铁心是变压器中主要的磁路部分。

通常由含硅量较高，厚度分别为0.35 mm\0.3mm\0.27 mm 。

表面涂有绝缘漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成;
铁心分为铁心柱和横片俩部分，铁心柱套有绕组；横片是闭合磁路之用；
铁心结构的基本形式有心式和壳式两种。

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。

变压器的基本原理是电磁感应原理，现以单相双绕组变压器为例说明其基本工作原理（如上图）：当一次侧绕组上加上电压Ú1时，流过电流Í1，在铁芯中就产生交变磁通Ø1，这些磁通称为主磁通，在它作用下，两侧绕组分别感应电势É1，É2，感应电势公式为：E=4.44fNØm。

式中：E--感应电势有效值
f--频率
N--匝数
Øm--主磁通最大值
由于二次绕组与一次绕组匝数不同，感应电势E1和E2大小也不同，当略去内阻抗压降后，电压Ú1和Ú2大小也就不同。

当变压器二次侧空载时，一次侧仅流过主磁通的电流（Í0），这个电流称为激磁电流。

当二次侧加负载流过负载电流Í2时，也在铁芯中产生磁通，力图改变主磁通，但一次电压不变时，主磁通是不变的，一次侧就要流过两部分电流，一部分为激磁电流Í0，一部分为用来平衡Í2，所以这部分电流随着Í2变化而变化。

当电流乘以匝数时，就是磁势。

上述的平衡作用实质上是磁势平衡作用，变压器就是通过磁势平衡作用实现了一、二次侧的能量传递。

3.3 变压器的材料
①铁芯材料
变压器使用的铁芯材料是铁片中加入硅能降低钢片的导电性，增加电阻率，它可减少涡流，使其损耗减少。

我们通常称为加了硅的钢片为硅钢片，变压器的质量所用的硅钢片的质量有很大的关系，硅钢片的质量通常用磁通密度B来表示，一般黑铁片的B值为6000-8000、低硅片为9000-11000，高硅片为12000-16000。

②绕制变压器通常用的材料
漆包线，纱包线，丝包线纸包线，最常用的漆包线。

对于导线的要求，是导电性能好，绝缘漆层有足够耐热性能，并且要有一定的耐腐蚀能力。

一般情况下最好用QZ型号的高强度的聚脂漆包线。

③绝缘材料
在绕制变压器中，线圈框架层间的隔离、绕阻间的隔离，均要使用绝缘材料，一般的变压器框架材料可用酚醛纸板制作，环氧板，或纸板。

层间可用聚脂薄膜，电话纸，6520复合纸等作隔离，绕阻间可用黄腊布，或亚胺膜作隔离。

④浸渍材料
变压器绕制好后，还要过最后一道工序，就是浸渍绝缘漆，它能增强变压器的机械强度、提高绝缘性能、延长使用寿命，一般情况下，可采用甲酚清漆作为浸渍材料或1032绝缘漆，树脂漆。

4补充变压器的工作原理
4.1电压比：
变压器两组线圈圈数分别为N1和N2，N1为初级，N2为次级.在初级线圈上加一交流电压，在次级线圈两端就会产生感应电动势.当N2>N1时，其感应电动势要比初级所加的电压还要高，这种变压器称为升压变压器：当N2<N1时，其感应电动势低于初级电压，这种变压器称为降变压器.初级次级电压和线圈圈数间具有下列关系：
U1/U2=N1/N2
式中n称为电压比(圈数比).当n<1时，则N1>N2，U1>U2，该变压器为降压变压器.反之则为升压变压器。

另有电流之比I1/I2=N2/N1
电功率P1=P2
注意上面的式子只在理想变压器只有一个副线圈时成立。

当有两个副线圈时P1=P2+P3,U1/N1=U2/N2=U3/N3,电流则须利用电功率的关系式去求,有多个时依此推类。

4.2 变压器的效率：
在额定功率时，变压器的输出功率和输入功率的比值，叫做变压器的效率，即
η=(P2÷P1)x100% 。

式中η为变压器的效率;P1为输入功率，P2为输出功率。

当变压器的输出功率P2等于输入功率P1时，效率η等于100%，变压器将不产生任何损耗.但实际上这种变压器是没有的.变压器传输电能时总要产生损耗，这种损耗主要有铜损
和铁损.。

铜损是指变压器线圈电阻所引起的损耗.当电流通过线圈电阻发热时，一部分电能就转变为热能而损耗.由于线圈一般都由带绝缘的铜线缠绕而成，因此称为铜损。

变压器的铁损包括两个方面.一是磁滞损耗，当交流电流通过变压器时，通过变压器硅钢片的磁力线其方向和大小随之变化，使得硅钢片内部分子相互摩擦，放出热能，从而损耗了一部分电能，这便是磁滞损耗.另一是涡流损耗，当变压器工作时.铁芯中有磁力线穿过，在与磁力线垂直的平面上就会产生感应电流，由于此电流自成闭合回路形成环流，且成旋涡状，故称为涡流.涡流的存在使铁芯发热，消耗能量，这种损耗称为涡流损耗。

变压器的效率与变压器的功率等级有密切关系，通常功率越大，损耗与输出功率就越小，效率也就越高.反之，功率越小，效率也就越低。

4.3 变压器的功率：
变压器铁心磁通和施加的电压有关。

在电流中励磁电流不会随着负载的增加而增加。

虽然负载增加铁心不会饱和，将使线圈的电阻损耗增加，超过额定容量由于线圈产生的热量不能及时的散出，线圈会损坏，假如你用的线圈是由超导材料组成，电流增大不会引起发热，但变压器内部还有漏磁引起的阻抗，但电流增大，输出电压会下降，电流越大，输出电压越低，所以变压器输出功率不可能是无限的。

假如你又说了，变压器没有阻抗，那么当变压器流过电流时会产生特别大电动力，很容易使变压器线圈损坏，虽然你有了一台功率无限的变压器但不能用。

只能这样说，随着超导材料和铁心材料的发展，相同体积或重量的变压器输出功率会增大，但不是无限大（图2-26）。

5 变压器的损耗
当变压器的初级绕组通电后，线圈所产生的磁通在铁芯流动，因为铁芯本身也是导体，在垂直于磁力线的平面上就会感应电势，这个电势在铁芯的断面上形成闭合回路并产生电流，好像p一个旋涡所以称为“涡流”。

这个“涡流”使变压器的损耗增加，并且使变压器的铁芯发热变压器的温升增加。

由“涡流”所产生的损耗我们称为“铁损”。

另外要绕制变压器需要用大量的铜线，这些铜导线存在着电阻，电流流过时这电阻会消耗一定的功率，这部分损耗往往变成热量而消耗，我们称这种损耗为“铜损”。

所以变压器的温升主要由铁损和铜损产生的。

由于变压器存在着铁损与铜损，所以它的输出功率永远小于输入功率，为此我们引入了一个效率的参数来对此进行描述。

η=输出功率/输入功率
6 简单介绍变压器的应用
整流变压器:整流变压器是整流设备的电源变压器。

整流设备的特点是原方输入交流，而副方通过整流原件后输出直流。

变流是整流、逆流和变频三种工作方式的总称，整流是其中应用最广泛的一种。

作为整流装置电源用的变压器称为整流变压器。

工业用的整流直流电源大部分都是由交流电网通过整流变压器与整流设备而得到的。

用于照明、机床电器、机械电子设备、医疗设备、整流装置等。

产品性能均能满足用户各种特殊要求。

非晶和金变压器：发展前景非晶合金变压器若能完全替代新S9系列配变，如10kV 级配电变压器年需求量按5000万kVA计算时，那么，一年便可节电100亿kW•h以上。

同时，还可带来少建电厂的良好的环保效益，少向大气排放温室气体，这样会大大地减轻对环境的直接污染，使其成为新一代名副其实的绿色环保产品。

总之，国家在城乡电力网系统发展与改造中，若能大量推广采用三相非晶铁心配电变压器产品，其最终会获得节能与环保两方面的效益。

7 结论
理想变压器，是指没有损耗的变压器。

但实际变压器是有损耗的，当变压器的初级绕组通电后，线圈所产生的磁通在铁芯流动。

变压器输入和输出功率并不是完全相等的，变压器本身在工作的时候要消耗一部分功率。

变压器效率=变压器输出功率/输入功率x100%
实际上我们生活和工业等方面使用的各种变压器，但这些变压器是以它的效率接近理想变压器而设计的。

在使用变压器时我们得考虑它的效率，一方面有利于省能源、环保等。

[参考文献]
【1】陈希有主编。

电路理论基础，3版，北京，搞定教育出版社，2004
【2】特种变压器理论与设计，崔立军主编，科学技术文献出版社，1996年出版。