空心变压器
变压器是利用互感原理工作的一种电磁装置。

在电力系统中，变压器常用于将某一数值的交流电压或电流，变换成另一数值的交流电压或电流。

除了可以变换电压电流之外，变压器常用于变换阻抗和改变相位。

变压器的种类很多，有输电和配电使用的电力变压器，实验用的整流变压器，电解用的整流变压器，电子技术中使用的输入和输出变压器等。

尽管不同类型的变压器在结构上各有特点，并具有不同的功能，但它们的基本结构和工作原理是类似的。

1、变压器的结构和工作原理
1）变压器基本组成部分均为闭合铁心和线圈绕组，如图4.13。

图4.13 变压器的结构示意图
（1）铁心
铁心构成变压器的磁路，为了减少铁损，提高磁路的导磁性能，一般由0.35—0.55mm的表面绝缘的硅钢片交错叠压而成。

根据铁心的结构不同，变压器可分为心式（小功率）和壳式（容量较大）两种。

（2）绕组
即线圈，是变压器的电路部分，用绝缘导线绕制而成的，有原绕组、副绕组之分。

与电源相联的称为原绕组（或称初级绕组、一次绕组），与负载相联的称为副绕组（或称次级绕组、二次绕组）。

（3）冷却系统
由于铁心损失而使铁心发热，变压器要有冷却系统。

小容量变压器采用自冷式而中大容量的变压器采用油冷式。

2）单相变压器的工作原理
图4.14 变压器工作原理图
在原绕组上接入交流电压u1时，原绕组中便有电流i1通过。

原绕组的磁动势i1N1产生的磁通绝大部分通过铁心而闭合，从而在副绕组中感应出电动势。

如果副绕组接有负载，那么副绕组中就有电流i2通过。

副绕组的磁动势i2N2也产生
磁通，其绝大部分也通过铁心而闭合。

因此，铁心中的磁通是一个由原、副绕组的磁动势共同产生的合成磁通，它称为主磁通，用Φ表示。

主磁通穿过原绕组和副绕组而在其中感应出的电动势分别为e1、 e2。

此外，原、副绕组的磁动势还分别产生漏磁通Φσ1和Φσ2，从而在各自的绕和组中分别产生漏磁动势eσ1和eσ2，如图4.14（a）所示。

2、变压器的作用
1）变换电压
写出变压器原理图中原绕组电路的基尔霍夫电压定律方程为：
11111u e e i R σ++=
写成相量表示式为
1111111111U I R E E I R j I X E σ∙∙∙∙∙∙∙
=--=+-
由于原绕组的电阻R 1和感抗X 1（或漏磁通Φσ1）较小，因而它们两端的电压降也较小，与主磁电动势E 1比较起来，可以忽略不计，于是 1114.44m U E fN =-=Φ
同理可得副边电路的电压与电动势的有效值为
2224.44m U E fN =-=Φ
变压器空载时，
22020 I U E ==
式中20U 是空载时副绕组的端电压。

以上几式说明，由于原、副绕组的匝数N 1、N 2不相等，故E 1和E 2的大小也不等，因而输入电压U 1（电源电压）和输出电压U 2（负载电压）的大小也是不等的。

原、副绕组的电压之比为：
11112222
4.444.44m m fN U E N K U E fN N φφ==== （4-15） 式中K 称为变压器的变比，亦即原、副绕组的匝数比。

可见，当电源电压U 1一定时，只要改变匝数比，就可得出不同的输出电压U 2。

K ＞1，为降压变压器；
K ＜1， 为升压变压器。

变比在变压器的铭牌上注明，它通常以“6000/400V ”的形式表示原、副绕组的额定电压之比，此例表明这台变压器的原绕组的额定电压U 1N =6000V ， 副绕组的额定电压U 2N =400V 。

所谓副绕组的额定电压是指原绕组加上额定电压时副绕组的空载电压。

由于变压器有内阻抗压降，所以副绕组的空载电压一般应较满载时的电压高5%—10%。

2）、变换电流
由U 1=E 1=4.44fN 1Φm 可见，当电源电压U 1和频率f 不变时，E 1和Φm 也都近于常数。

就是说，铁心中主磁通的最大值在变压器空载或有负载时是差不多恒定的。

因此有负载时产生主磁通的原、副绕组的合成磁动势（i 1N 1+i 2N 2）应该和空载时产生主磁通的原绕组的磁动势i 0N 1差不多相等，即
112201i N i N i N +=
变压器的空载电流i 0是励磁用的。

由于铁心的磁导率高，空载电流是很小的。

它的有
效值I 0在原绕组额定电流I 1N 的10%以内，因此I 0N 1与I 1N 1相比，常可忽略。

于是 1122i N i N =-
其有效值形式为： 1122I N I N =
所 以
12211I I N N k ==
（4-16） 可见，变压器中的电流虽然由负载的大小确定，但是原、副绕组中电流的比值是基本上不变的；因为当负载增加时，I 2和I 2N 2随着增大，而I 1和I 1N 1也必须相应增大，以抵偿副绕组的电流和磁动势对主磁通的影响，从而维持主磁通的最大值近于不变。

变压器的额定电流I 1N 和I 2N 是指变压器在长时连续工作运行时原、副绕组允许通过的最大电流，它们是根据绝缘材料允许的温度确定的。

副绕组的额定电压与额定电流的乘积称为变压器的额定容量，即
22N N N S U I =（单相）
它是视在功率（单位是伏安），与输出功率（单位是瓦）不同。

3）、阻抗变换
变压器不但可以变换电压和电流，还有变换阻抗的作用，以实现“匹配”。

负载阻抗Z 接在变压器副边，所谓等效，就是输入电路的电压、电流和功率不变。

就是说，直接接在电源上的阻抗Z`和接在变压器副边的负载阻抗Z L 是等效的。

Z L `与Z L 的关系推导如下：
12222121222122221
`()N U U N N U U Z K K Z N I N I I I N ===== 所以 2L
L Z k Z '= （4-17） 匝数比不同，负载阻抗Z L 折算到（反映到）原边的等效阻抗Z L `也不同。

我们可以采用不同的匝数比，把负载阻抗变换为所需要的、比较合适的数值。

这种做法通常称为阻抗匹配。