變壓器是利用電磁感應(yīng)原理傳輸電能、信號的器件。

它具有變壓、變流、變阻抗、隔離的作用，種類繁多應(yīng)用廣泛。

例如：

1.電力系統(tǒng)中，升壓遠(yuǎn)距離輸電（如：10KV輸電線路），用戶端降壓供電（如：220V市電）；

2.實(shí)驗(yàn)室利用自耦變壓器改變電源電壓；

3.測量上利用變壓器擴(kuò)大對交流電壓、電流的測量范圍；

4.電子設(shè)備和儀器中利用變壓器提供多種電壓和傳遞信號并隔離電路上的聯(lián)系。

變壓器雖然大小懸殊，用途各異，但基本結(jié)構(gòu)和工作原理是相同的。

變壓器的結(jié)構(gòu)

變壓器由鐵芯和繞組兩個(gè)基本部分組成，如下圖所示，是它的示意圖和符號。

變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖與符號

這是一個(gè)簡單的雙繞組變壓器，在一個(gè)閉合的鐵芯上套有兩個(gè)繞組，繞組與繞組之間以及繞組與鐵芯之間都是絕緣的。

繞組通常用絕緣的銅線或鋁線繞成，其中一個(gè)繞組與電源相連，稱為一次繞組，另一個(gè)繞組與負(fù)載相連，稱為二次繞組。

為了減少鐵芯中的磁滯損耗和渦流損耗，變壓器的鐵芯大多用0.35～0.5 mm厚的硅鋼片疊成，為了降低磁路的磁阻，一般采用交錯(cuò)疊裝方式，即將每層硅鋼片的接縫錯(cuò)開。如下圖所示為幾種常見的鐵芯形狀。

幾種常見的鐵芯形狀

變壓器按鐵芯和繞組的組合方式，可分為心式和殼式兩種，如下圖所示。

變壓器的結(jié)構(gòu)形式

心式變壓器的鐵芯被繞組所包圍，它的用鐵量比較少，多用于大容量的變壓器，如電力變壓器。

殼式變壓器的繞組被鐵芯鎖包圍，它的用鐵量比較多，但不需要專門的變壓器外殼，常用于小容量的變壓器，如各種電子設(shè)備和儀器中的變壓器。

變壓器的工作原理

變壓器的工作原理，我們將從空載運(yùn)行、負(fù)載運(yùn)行、阻抗變換，三種情況進(jìn)行講述。

1.空載運(yùn)行

如下圖所示，變壓器的空載運(yùn)行示意圖。

變壓器的空載運(yùn)行

變壓器的一次繞組接上交流電壓【u1】，二次側(cè)開路，這種運(yùn)行狀態(tài)稱為空載運(yùn)行。這時(shí)二次繞組中的電流i2=0，電壓為開路電壓【u20】，一次繞組通過的電流為空載電流【i10】，各量的方向按習(xí)慣參考方向選取。上圖中【N1】為一次繞組的匝數(shù)，【N2】為二次繞組的匝數(shù)。

由于二次側(cè)開路，這時(shí)變壓器的。一次側(cè)電路相當(dāng)于一個(gè)交流鐵心線圈電路，通過的空載電流【i10】就是勵(lì)磁電流。

磁通勢【N1i10】在鐵心中產(chǎn)生的主磁通【Φ】通過閉合鐵心，既穿過一次繞組，也穿過二次繞組，于是在一、二次繞組中分別感應(yīng)出電動(dòng)勢【e1】【e2】當(dāng)e1、e2與Φ的參考方向之間符合右手螺旋定則時(shí)，由法拉第電磁感應(yīng)定律可得

e1、e2的有效值分別為

式中【f】為交流電源的頻率，【Φm】為主磁通的最大值。

若略去漏磁通的影響，不考慮繞組上電阻的壓降，則可認(rèn)為一、二次繞組上電動(dòng)勢的有效值近似等于一、二次繞組上電壓的有效值，即

從上式可見，變壓器空載運(yùn)行時(shí)，一、二次繞組上電壓的比值等于兩者的匝數(shù)比，這個(gè)比值【K】稱為變壓器的變壓比或變比。

當(dāng)一、二次繞組匝數(shù)不同時(shí)，變壓器就可以把某一數(shù)值的交流電壓變換為同頻率的另一數(shù)值的電壓，這就是變壓器的電壓變換作用。

當(dāng)一次繞組匝數(shù)N1比二次繞組匝數(shù)N2多時(shí)，K>1，這種變壓器稱為降壓變壓器；

當(dāng)一次繞組匝數(shù)N1比二次繞組匝數(shù)N2少時(shí)，K<1，這種變壓器稱為升壓變壓器；

2.負(fù)載運(yùn)行

如下圖所示，變壓器的負(fù)載運(yùn)行示意圖。

變壓器的負(fù)載運(yùn)行

如果變壓器的二次繞組接上負(fù)載，則在二次繞組感應(yīng)電動(dòng)勢【e2】的作用下，將產(chǎn)生二次繞組電流【i2】。

這時(shí)，一次繞組的電流由【i10】增大為【i1】，二次側(cè)的電流【i2】越大，一次側(cè)的電流也越大。

因?yàn)槎卫@組有了電流【i2】，所以二次側(cè)的磁通勢【N2i2】也要在鐵心中產(chǎn)生磁通，這時(shí)變壓器鐵心中的主磁通系由一、二次繞組的磁通勢共同產(chǎn)生。

顯然，二次側(cè)的磁通勢【N2i2】的出現(xiàn)，將有改變鐵心中原有主磁通的趨勢。

但是，在一次繞組的外加電壓(電源電壓)不變的情況下，主磁通基本保持不變，因而一次繞組的電流將由【i10】增大為【i1】使得一次繞組的磁通勢由【N1i10】變成【N1i1】，用于抵消二次側(cè)磁通勢【N2i2】的作用。

也就是說，變壓器負(fù)載時(shí)的總磁通勢應(yīng)與空載時(shí)的磁通勢基本相等，用公式表示，即

上式便是變壓器的磁通勢平衡方程式。

這就是為什么，變壓器的輸入電流會(huì)隨負(fù)載電流增大而增大，起到能量傳遞的作用。

3.阻抗變換

如下圖所示，變壓器的阻抗變換示意圖。

變壓器的阻抗變換

變壓器除了可以變壓和變流，還可以變換阻抗。

上圖所示，變壓器原邊接電源【u1】，副邊接負(fù)載阻抗【l ZL I】，對于電源來說，圖中點(diǎn)劃線框內(nèi)的電路可用另一個(gè)阻抗【l Z'LI】來等效代替。

所謂等效，就是它們從電源吸取的電流和功率相等。

因?yàn)楫?dāng)電源端擁有高電壓低電流時(shí)，是很難驅(qū)動(dòng)低阻負(fù)載的，這時(shí)需要變換為低電壓大電流，達(dá)到等功率傳遞的目的。

早期的電子管功放就是如此。

電子管功放存在輸入輸出變壓器用于阻抗變換

電子管工作在高電壓低電流的環(huán)境，無法直接驅(qū)動(dòng)電阻只有8Ω的動(dòng)圈喇叭，因此需要變壓器做阻抗變換，將功率傳遞成低壓大電流的方式驅(qū)動(dòng)喇叭。

P（功率）= U（電壓） / I（電流）

因?yàn)椋?dāng)功率恒定的情況下，電壓越高，電流越小，反之，電壓越低，電流越大