變壓器結(jié)構(gòu)提供磁路，通常稱(chēng)為“變壓器鐵芯”，旨在為磁場(chǎng)提供流動(dòng)路徑。該磁路對(duì)于兩個(gè)輸入和輸出繞組之間感應(yīng)電壓必不可少。

然而，這種變壓器結(jié)構(gòu)（兩個(gè)繞組纏繞在不同的支路上）效率不高，因?yàn)槌跫?jí)繞組和次級(jí)繞組彼此分離得很好。這導(dǎo)致兩個(gè)繞組之間的磁耦合較低，并且變壓器本身會(huì)產(chǎn)生大量磁通泄漏。但除了這種“O”形結(jié)構(gòu)外，還有不同類(lèi)型的“變壓器結(jié)構(gòu)”和設(shè)計(jì)可用來(lái)克服這些低效率，從而產(chǎn)生更小、更緊湊的變壓器。

變壓器結(jié)構(gòu)

通過(guò)將兩個(gè)繞組緊密接觸，從而改善磁耦合，可以提高簡(jiǎn)單變壓器結(jié)構(gòu)的效率。增加和集中線(xiàn)圈周?chē)拇怕房梢愿纳苾蓚€(gè)繞組之間的磁耦合，但也會(huì)增加變壓器鐵芯的磁損耗。

除了為磁場(chǎng)提供低磁阻路徑外，鐵芯還設(shè)計(jì)用于防止鐵芯內(nèi)部產(chǎn)生循環(huán)電流。循環(huán)電流稱(chēng)為“渦流”，會(huì)導(dǎo)致鐵芯發(fā)熱和能量損失，從而降低變壓器的效率。

這些損耗主要是由于鐵電路中感應(yīng)的電壓造成的，鐵電路不斷受到外部正弦電源電壓產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)的影響。減少這些不必要的功率損耗的一種方法是用薄鋼片構(gòu)成變壓器鐵芯。

在大多數(shù)類(lèi)型的變壓器結(jié)構(gòu)中，中心鐵芯由高磁導(dǎo)率材料制成，通常由薄硅鋼片制成。這些薄片組裝在一起，以提供所需的磁路，同時(shí)將磁損耗降至。鋼板本身的電阻率很高，因此通過(guò)使片層非常薄，可以減少任何渦流損耗。

這些鋼變壓器層壓板的厚度從 0.25 毫米到 0.5 毫米不等，并且由于鋼是導(dǎo)體，因此層壓板和任何固定螺柱、鉚釘或螺栓都通過(guò)一層非常薄的絕緣清漆涂層或通過(guò)在表面使用氧化層彼此電絕緣。

變壓器鐵芯結(jié)構(gòu)

通常，變壓器結(jié)構(gòu)的名稱(chēng)取決于初級(jí)和次級(jí)繞組如何纏繞在中央層壓鋼芯上。兩種常見(jiàn)和基本的變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是閉芯變壓器和殼芯變壓器。

在“閉芯”型（鐵芯形式）變壓器中，初級(jí)和次級(jí)繞組繞在鐵芯環(huán)外部并環(huán)繞鐵芯環(huán)。在“殼型”（殼形式）變壓器中，初級(jí)和次級(jí)繞組穿過(guò)鋼磁路（鐵芯）內(nèi)部，鐵磁路在繞組周?chē)纬梢粋€(gè)殼，如下圖所示。

變壓器鐵芯結(jié)構(gòu)

在這兩種類(lèi)型的變壓器磁芯設(shè)計(jì)中，連接初級(jí)和次級(jí)繞組的磁通量完全在磁芯內(nèi)傳播，不會(huì)通過(guò)空氣損失磁通量。在磁芯型變壓器結(jié)構(gòu)中，一半繞組纏繞在變壓器磁路的每個(gè)支腿（或肢）上，如上圖所示。

線(xiàn)圈的排列方式并非是初級(jí)繞組在一個(gè)支路、次級(jí)繞組在另一個(gè)支路，而是將初級(jí)繞組的一半和次級(jí)繞組的一半同心地疊放在每個(gè)支路中，以增加磁耦合，從而使幾乎所有的磁力線(xiàn)同時(shí)穿過(guò)初級(jí)和次級(jí)繞組。然而，在這種類(lèi)型的變壓器結(jié)構(gòu)中，一小部分磁力線(xiàn)會(huì)流出鐵芯，這被稱(chēng)為“漏磁通”。

殼式變壓器鐵芯克服了這種漏磁通問(wèn)題，因?yàn)槌跫?jí)和次級(jí)繞組都纏繞在同一個(gè)中心腿或肢上，該中心腿或肢的橫截面積是兩個(gè)外肢的兩倍。這樣做的好處是，磁通有兩個(gè)閉合磁路，在左右兩側(cè)線(xiàn)圈外部流動(dòng)，然后再返回到中心線(xiàn)圈。

這意味著，這種變壓器結(jié)構(gòu)外柱周?chē)拇磐康扔?Phi;/2。由于磁通量在線(xiàn)圈周?chē)幸粭l閉合路徑，因此具有降低鐵芯損耗和提高整體效率的優(yōu)勢(shì)。

變壓器鐵芯

但是您可能想知道，對(duì)于這種類(lèi)型的變壓器結(jié)構(gòu)，初級(jí)和次級(jí)繞組是如何繞在這些疊層鐵或鋼芯上的。首先將線(xiàn)圈繞制在具有圓柱形、矩形或橢圓形橫截面的成型器上，以適應(yīng)疊層鐵芯的結(jié)構(gòu)。在殼式和芯式變壓器結(jié)構(gòu)中，為了安裝線(xiàn)圈繞組，從較大的鋼板上沖壓或沖壓出各個(gè)疊片，并將其形成類(lèi)似于字母“E”、“L”、“U”和“I”的薄鋼條，如下所示。

變壓器鐵芯類(lèi)型

這些疊片沖壓件連接在一起時(shí)形成所需的鐵芯形狀。例如，兩個(gè)“E”沖壓件加上兩個(gè)端部閉合的“I”沖壓件形成EI鐵芯，形成標(biāo)準(zhǔn)殼式變壓器鐵芯的一個(gè)元件。這些單獨(dú)的疊片在構(gòu)造過(guò)程中緊密對(duì)接在一起，以減少接頭處氣隙的磁阻，從而產(chǎn)生高度飽和的磁通密度。

變壓器鐵芯疊片通常交替堆疊以形成重疊接頭，并添加更多疊片對(duì)以構(gòu)成正確的鐵芯厚度。疊片的這種交替堆疊還使變壓器具有減少磁通泄漏和鐵損的優(yōu)勢(shì)。EI 鐵芯疊片變壓器結(jié)構(gòu)主要用于隔離變壓器、升壓變壓器和降壓變壓器以及自耦變壓器。

變壓器繞組布置

變壓器繞組是變壓器結(jié)構(gòu)的另一個(gè)重要部分，因?yàn)樗鼈兪抢@在鐵芯層壓部分周?chē)闹饕d流導(dǎo)體。在單相雙繞組變壓器中，將存在兩個(gè)繞組，如圖所示。連接到電壓源并產(chǎn)生磁通量的繞組稱(chēng)為初級(jí)繞組，第二個(gè)繞組稱(chēng)為次級(jí)繞組，其中由于互感而產(chǎn)生電壓。

如果次級(jí)輸出電壓小于初級(jí)輸入電壓，則變壓器稱(chēng)為“降壓變壓器”。如果次級(jí)輸出電壓大于初級(jí)輸入電壓，則變壓器稱(chēng)為“升壓變壓器”。

類(lèi)型

式結(jié)構(gòu)

變壓器繞組中用作主要載流導(dǎo)體的電線(xiàn)類(lèi)型是銅或鋁。雖然鋁線(xiàn)比銅線(xiàn)更輕且通常更便宜，但必須使用更大的導(dǎo)體橫截面積來(lái)承載與銅線(xiàn)相同的電流量，因此它主要用于大型電力變壓器應(yīng)用。

低壓電氣和電子電路中使用的小型千伏安電力和電壓變壓器往往使用銅導(dǎo)體，因?yàn)殂~導(dǎo)體的機(jī)械強(qiáng)度比同等的鋁導(dǎo)體高，導(dǎo)體尺寸也更小。缺點(diǎn)是，如果加上鐵芯，這些變壓器會(huì)重得多。

變壓器繞組和線(xiàn)圈大致可分為同心線(xiàn)圈和夾層線(xiàn)圈。在鐵心式變壓器結(jié)構(gòu)中，繞組通常以同心方式圍繞鐵心柱排列（如上圖所示），電壓較高的繞組纏繞在電壓較低的二次繞組上。

夾層線(xiàn)圈或“薄餅”線(xiàn)圈由扁平導(dǎo)體以螺旋形式纏繞而成，因?qū)w排列成圓盤(pán)而得名。交替的圓盤(pán)以交錯(cuò)排列的方式從外向內(nèi)螺旋纏繞，各個(gè)線(xiàn)圈堆疊在一起，并由絕緣材料（如紙或塑料片）隔開(kāi)。夾層線(xiàn)圈和繞組更常見(jiàn)于殼型鐵芯結(jié)構(gòu)。

螺旋繞組也稱(chēng)為螺旋繞組，是另一種非常常見(jiàn)的圓柱形線(xiàn)圈布置，用于低壓大電流變壓器應(yīng)用。繞組由大橫截面積的矩形導(dǎo)體組成，這些導(dǎo)體在其側(cè)面纏繞，絕緣線(xiàn)股沿著圓柱體的長(zhǎng)度連續(xù)平行纏繞，相鄰的匝或盤(pán)之間插入合適的墊片，以限度地減少平行線(xiàn)股之間的循環(huán)電流。線(xiàn)圈以類(lèi)似于螺旋鉆的螺旋形式向外延伸。

磁芯

變壓器鐵芯

變壓器中用于防止導(dǎo)線(xiàn)短路的絕緣層通常是空氣冷卻變壓器中的一層薄薄的清漆或瓷漆。這種薄薄的清漆或瓷漆在繞在鐵芯上之前涂在電線(xiàn)上。

在較大的電力和配電型變壓器中，導(dǎo)體之間使用油浸紙或布進(jìn)行絕緣。整個(gè)鐵芯和繞組浸入并密封在裝有變壓器油的保護(hù)罐中。變壓器油既是絕緣體，也是冷卻劑。

變壓器點(diǎn)方向

我們不能簡(jiǎn)單地取一個(gè)疊層鐵芯，然后將其中一個(gè)線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)纏繞在其上。我們可以這樣做，但可能會(huì)發(fā)現(xiàn)次級(jí)電壓和電流可能與初級(jí)電壓和電流不同相。兩個(gè)線(xiàn)圈繞組相對(duì)于另一個(gè)繞組確實(shí)具有不同的方向。任一線(xiàn)圈都可以順時(shí)針或逆時(shí)針纏繞在鐵芯上，因此為了跟蹤它們的相對(duì)方向，使用“點(diǎn)”來(lái)標(biāo)識(shí)每個(gè)繞組的特定端。

這種識(shí)別變壓器方向或繞線(xiàn)方向的方法稱(chēng)為“點(diǎn)約定”。然后，變壓器繞組的繞制方式應(yīng)使繞組電壓之間存在正確的相位關(guān)系，變壓器的極性定義為次級(jí)電壓相對(duì)于初級(jí)電壓的相對(duì)極性，如下所示。

使用點(diǎn)方向的變壓器構(gòu)造

采用點(diǎn)方向構(gòu)造

個(gè)變壓器在兩個(gè)繞組上并排顯示兩個(gè)“點(diǎn)”。流出次級(jí)點(diǎn)的電流與進(jìn)入初級(jí)側(cè)點(diǎn)的電流“同相”。因此，點(diǎn)端電壓的極性也是同相的，因此當(dāng)初級(jí)線(xiàn)圈點(diǎn)端電壓為正時(shí)，次級(jí)線(xiàn)圈點(diǎn)端兩端的電壓也為正。

第二臺(tái)變壓器的繞組兩端有兩個(gè)點(diǎn)，這意味著變壓器的初級(jí)線(xiàn)圈和次級(jí)線(xiàn)圈繞組以相反的方向繞制。結(jié)果是流出次級(jí)點(diǎn)的電流與流入初級(jí)點(diǎn)的電流“相位差”180 度。因此，點(diǎn)端電壓的極性也是相位差，因此當(dāng)初級(jí)線(xiàn)圈點(diǎn)端電壓為正時(shí)，相應(yīng)次級(jí)線(xiàn)圈兩端的電壓將為負(fù)。

然后，變壓器的結(jié)構(gòu)可以是這樣的，即次級(jí)電壓相對(duì)于初級(jí)電壓可以是“同相”或“異相”。變壓器具有多個(gè)不同的次級(jí)繞組，這些繞組彼此電氣隔離，因此了解每個(gè)次級(jí)繞組的點(diǎn)極性很重要，這樣它們就可以以串聯(lián)輔助（次級(jí)電壓相加）或串聯(lián)反向（次級(jí)電壓相差）配置連接在一起。

調(diào)整變壓器匝數(shù)比的能力通常是理想的，以補(bǔ)償電源電壓變化、變壓器調(diào)節(jié)或變化負(fù)載條件的影響。變壓器的電壓控制通常是通過(guò)改變?cè)褦?shù)比來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此電壓比也會(huì)改變，這樣高壓側(cè)的繞組的一部分就會(huì)被抽出，以便于調(diào)整。高壓側(cè)的抽頭是，因?yàn)槊吭央妷旱陀诘蛪捍渭?jí)側(cè)。

變壓器初級(jí)抽頭變化

分接變換

在這個(gè)簡(jiǎn)單的例子中，初級(jí)抽頭變化是根據(jù)電源電壓變化±5%計(jì)算的，但可以選擇任何值。一些變壓器可能有兩個(gè)或多個(gè)初級(jí)繞組或兩個(gè)或多個(gè)次級(jí)繞組，用于不同的應(yīng)用，從單個(gè)磁芯提供不同的電壓。

變壓器結(jié)構(gòu) – 鐵芯損耗

鐵或鋼承載磁通量的能力比在空氣中大得多，這種允許磁通量流動(dòng)的能力稱(chēng)為磁導(dǎo)率。大多數(shù)變壓器鐵芯由低碳鋼制成，其磁導(dǎo)率約為 1500，而空氣的磁導(dǎo)率僅為 1.0。

這意味著鋼疊片鐵芯承載的磁通量比空氣高 1500 倍。然而，當(dāng)磁通量在變壓器鋼芯中流動(dòng)時(shí)，鋼芯中會(huì)發(fā)生兩種損耗。一種稱(chēng)為“渦流損耗”，另一種稱(chēng)為“磁滯損耗”。

磁滯損耗

變壓器磁滯損耗是由于分子與磁化鐵芯所需的磁力線(xiàn)流動(dòng)之間的摩擦引起的，由于正弦電源電壓的影響，磁力線(xiàn)的值和方向不斷變化，首先朝一個(gè)方向，然后朝另一個(gè)方向。

這種分子摩擦?xí)a(chǎn)生熱量，這代表變壓器的能量損失。過(guò)多的熱量損失會(huì)隨著時(shí)間的推移縮短用于制造繞組和結(jié)構(gòu)的絕緣材料的壽命。因此，變壓器的冷卻非常重要。

此外，變壓器的設(shè)計(jì)工作頻率是特定的。降低電源頻率將導(dǎo)致磁滯增加和鐵芯溫度升高。因此，將電源頻率從 60 赫茲降低到 50 赫茲將增加磁滯量，降低變壓器的 VA 容量。

渦流損耗

另一方面，變壓器渦流損耗是由磁通量圍繞鐵芯流動(dòng)引起的鋼中感應(yīng)出的循環(huán)電流引起的。產(chǎn)生這些循環(huán)電流是因?yàn)殍F芯對(duì)磁通量的作用就像一個(gè)線(xiàn)圈。由于鐵芯是良好的導(dǎo)體，因此實(shí)心鐵芯感應(yīng)出的渦流會(huì)很大。

渦流對(duì)變壓器的實(shí)用性沒(méi)有任何貢獻(xiàn)，相反，它通過(guò)充當(dāng)負(fù)力來(lái)阻止感應(yīng)電流的流動(dòng)，從而在鐵芯內(nèi)產(chǎn)生電阻加熱和功率損耗。

疊層鐵芯

疊片鐵芯

變壓器鐵芯內(nèi)的渦流損耗無(wú)法完全消除，但可以通過(guò)減小鋼芯厚度來(lái)大大減少和控制。變壓器或線(xiàn)圈的磁芯材料不再采用一個(gè)大的實(shí)心鐵芯，而是將磁路分成許多薄的壓制鋼片，稱(chēng)為“疊片”。

變壓器結(jié)構(gòu)中使用的疊片是連接在一起的非常薄的絕緣金屬條，以形成堅(jiān)固但疊片的鐵芯，如我們上面所見(jiàn)。這些疊片通過(guò)一層清漆或紙相互絕緣，以增加鐵芯的有效電阻率，從而增加總電阻以限制渦流的流動(dòng)。

所有這些絕緣措施的結(jié)果是，鐵芯中不必要的感應(yīng)渦流功率損耗大大降低，因此所有變壓器和其他電磁機(jī)器的磁鐵電路都是層壓的。在變壓器結(jié)構(gòu)中使用層壓板可減少渦流損耗。

變壓器結(jié)構(gòu) – 銅損

能量損失表現(xiàn)為熱量，這是由于磁滯和磁路中的渦流造成的，通常稱(chēng)為“變壓器鐵芯損耗”。由于這些損耗是交變磁場(chǎng)的結(jié)果，所有磁性材料都會(huì)發(fā)生這種損耗。只要初級(jí)繞組通電，變壓器中就會(huì)始終存在變壓器鐵芯損耗，即使次級(jí)繞組沒(méi)有連接負(fù)載。此外，磁滯和渦流損耗的組合通常稱(chēng)為“變壓器鐵損”，因?yàn)樵斐蛇@些損耗的磁通量在所有負(fù)載下都是恒定的。

銅損

但變壓器還存在另一種能量損失，稱(chēng)為“銅損”。變壓器銅損主要由初級(jí)和次級(jí)繞組的電阻引起。大多數(shù)變壓器線(xiàn)圈都使用電阻值為歐姆 ( Ω ) 的銅線(xiàn)纏繞，根據(jù)歐姆定律，銅線(xiàn)的電阻會(huì)阻礙流過(guò)它的任何磁化電流。

當(dāng)電氣負(fù)載連接到變壓器的次級(jí)繞組時(shí)，大電流開(kāi)始在初級(jí)和次級(jí)繞組中流動(dòng)，電能和功率 ( I 2 R ) 會(huì)以熱量的形式損耗。通常，銅損會(huì)隨負(fù)載電流而變化，空載時(shí)幾乎為零，滿(mǎn)載時(shí)電流時(shí)銅損。

可以通過(guò)更好的設(shè)計(jì)和構(gòu)造來(lái)提高變壓器的伏安 (VA) 額定值，以減少這些鐵芯和銅損耗。具有高電壓和電流額定值的變壓器需要大橫截面積的導(dǎo)體來(lái)幫助限度地減少銅損耗。通過(guò)強(qiáng)制空氣或油來(lái)提高散熱率（更好的冷卻），或通過(guò)改善其絕緣性使其能夠承受更高的溫度，從而提高變壓器的 VA 額定值。

然后我們可以定義一個(gè)理想的變壓器具有：

無(wú)磁滯回線(xiàn)或磁滯損耗 → 0

磁芯材料的電阻率無(wú)限大，導(dǎo)致渦流損耗為零 → 0繞組電阻為零，導(dǎo)致I 2 *R銅損為零 → 0