第六節 變壓器的基本構造

一、什么是變壓器

變壓器是根據電磁感應原理制成的一種靜止電器，用它可把某一電壓的交流電變換成同頻率的另一電壓的交流電。

變壓器是遠距離輸送電能所必需的重要設備。輸送一定功率的電能時，電壓越高，則電流越小，因而可以減少輸電線路上的電能損失，并減小導線截面，節約有色金屬。

發電廠的交流發電機發出的電壓不能太高，因為電壓太高，電機絕緣有困難。因此，要用升壓變壓器將發電機發出的電壓升高，然后再輸送出去。在用戶方面，電壓又不宜太高，太高就不安全，所以又需要用降壓變壓器把電壓降低，供給用戶使用。升壓、降壓都需用變壓器。

用電設備所需的電壓數值往往是多種多樣的。例如，機床用的三相交流電動機，一般用300V的電壓；機床上的照明燈，為了安全一般使用36V的電壓；而指示信號燈又常用6.3V的電壓。這就需用變壓器把電網的電壓變換成適合各種設備正常工作的電壓。

變壓器除用來變換電壓外，在各種儀器、設備上還廣泛應用變壓器的工作原理來完成某些特殊任務。例如，冶金用的電爐變壓器；整流裝置用的整流變壓器；輸出電壓可以調節的自耦變壓器、感應調壓器；供測量高電壓和大電流用的電壓互感器、電流互感器等；這些特殊用途的變壓器，結構形狀雖然各有特點，但其工作原理基本上是一樣的。

二、變壓器的構造

構成變壓器的主要部件是鐵心和繞組。

變壓器鐵心用磁滯損耗很小的硅鋼片（其厚度為0.35~0.5mm）疊裝而成，片間相互絕緣，以減少渦流損失。

按繞組與鐵心的安裝位置，變壓器可分為芯式和殼式兩種。芯式變壓器的繞組套在各鐵心柱上，如圖3-16所示；殼式變壓器的繞組則只套在中間的鐵心柱上，繞組兩側被外側鐵心柱包圍，如圖3-17所示。電力變壓器多采用芯式，小型變壓器多采用殼式。

變壓器繞組可分為同心式和交疊式兩類。同心式繞組的高、低壓繞組同心地套在鐵心柱上，為便于絕緣，一般低壓繞組靠近鐵心，如圖3-17所示。同心式繞組結構簡單，制造方便，國產電力變壓器均采用這種結構。交疊式繞組都制成餅形，高、低壓繞組上下交疊放置，主要用于電焊、電爐等變壓器中。

變壓器運行時因有銅損和鐵損而發熱，為了防止變壓器因溫度過高而燒壞，必須采取冷卻散熱措施。按冷卻方式，變壓器可分為自冷式和油冷式兩種。小型變壓器多采用自冷式，即在空氣中自然冷卻；容量較大的變壓器多采用油冷式（見圖3-18），即把變壓器的鐵心和繞組全部浸在油箱中。油箱中的變壓器油（礦物油）除了使變壓器冷卻外，它還是很好的絕緣材料。為了容易散熱，常采用波形壁來增加散熱面。大型電力變壓器常在箱壁上焊有散熱管，這不但增加了散熱面，而且還使油經過散熱管循環流動，加強油的對流作用以促進變壓器的冷卻。

變壓器從電源輸入電能的繞組稱為一次繞組（俗稱原繞組或初級繞組）；向負載輸出電能的繞組稱為二次繞組（俗稱副繞組或次級繞組）。變壓器的電氣符號如圖3-19所示。

三、變壓器的應用

【專業指導】 在汽車上，需要準確監測信號輪的位置、方向或轉速三個參數（或其中兩參數）時，通常采用旋轉變壓器。例如，汽車轉向力矩傳感器、大眾汽車臥式加速踏板位置傳感器、最新型的節氣門位置傳感器、電動汽車的電機轉子位置傳感器等都采用旋轉變壓器原理。

基本原理是控制器首先向變壓器的一次線圈通入一個高頻（通常5kHz、10kHz、12kHz、20kHz之一）正弦交流電（通常幅值為12V，也可低于12V），產生交變磁動勢，在一次和二次線圈間放置轉子的信號輪，信號輪為硅鋼片輪，輪上通過加工出不同的桃尖代表不同轉子位置，在轉子轉動時，改變一次和二次線圈之間的磁阻，這樣在一個或兩個二次線圈中產生同頻交流。

典型案例：在電動汽車的永磁同步直流無刷電機上，變頻器內部的電機控制器要知道每次起動車時的電機轉子的位置在哪，通常要先通電對轉子進行定位，然后，按變速桿確定的D位或R位來實現正轉或反轉。電動汽車的永磁同步直流無刷電機轉子上通常次級采用一個正弦線圈和余弦線圈，正弦線圈產生和初級線圈同相位正弦信號，而余弦線圈產生和初級線圈同相位的余弦信號，兩路電壓信號經兩通道高速數-模轉換器轉換，再經處理后直接輸出位置、方向和轉速信號。

【專業指導】 在汽車上，點火系統是發動機上一個最重要的系統，其中的點火線圈（也稱升壓變壓器）就是采用了變壓器的原理，只不過初級線圈通過脈沖直流電，次級線圈升壓為脈沖直流高壓電。