Question

变压器为什么能改变电压？

Answer 1

变压器的种类和功能

我们知道，从发电站送出来的电压高达104～106伏，经过各级变压器后，输送到我们家里用的电压却只有220伏。这中间的电压是如何发生变化的呢？这就是变压器的神奇之处：改变电压的“魔术师”。变压器是根据电磁感应定律将交流电变换为同频率不同电压的交流电的非旋转式电机。

我们的生活中的许多地方都离不开变压器。发电站产生的电，先通过升压变压器把电压升高，然后再送上电网，输送到各个变电站，变电站又利用降压变压器，将电压转换成用户需要的标准电压220伏或者380伏，输送给用户。在我们家里还有各种变压器，它们将220伏的电压转换成4或6伏等不同的低电压的给手机电池或者其他充电电池充电。这都是变压器的电压变化功能，变压器还有许多其他的功能，如阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等。

变压器有多种功能：

（1）高效、经济、方便地升高电压，减小电流，以满足远距离、大功率输电的要求；

（2）方便地降低电压，利于近距离供电，或进一步降低到安全电压（如8伏、12伏、24伏等），以保证人身安全；

（3）变换电流；

（4）变换阻抗；

（5）变换相数；

（6）变换相角；

（7）既不变换电压，也不变换电流和相角，只是以1∶1的变化将其两侧的电路用高强度绝缘予以隔离。

变压器的发明

变压器是随着电磁感应现象的发现而诞生，经过许多科学家不断完善、改进而最终形成。在一大批研究变压器的杰出人士中，最为著名的是法拉第和亨利，他们奠定了电磁学真理的基石，而所有后来者则致力于科学大厦的完成。

1831年，法拉第在研究磁生电的实验中设计了一套实验装置，并成功地发现了磁生电的现象。法拉第通过实验发现了电磁感应现象。法拉第进行这个实验的装置实际上是世界上第一只变压器雏形，以后法拉第又做了数次实验，同年10月28日还制成了第一台圆盘式直流发电机。同年11月24日，法拉第向英国皇家学会报告了他的实验及其发现，从而使法拉第被公认为电磁感应现象的发现者，他也顺理成章地成为变压器的发明人。

随后，经过许多科学家的共同努力，电磁学得到了完善和发展，变压器也随着社会的需要逐渐出现在人们的视野里。

在变压器中，用来传递磁场的是铁芯，使用高性能的铁芯，可以减少变压器因漏磁等原因引起的能量损耗，提高了变压器的工作效率。

法拉第被认为是变压器的发明人，但实际上最早发明变压器的是美国著名科学家亨利。

1830年8月，亨利采用自制的实验装置进行磁生电实验。当他合上开关K，发现检流计P的指针摆动；打开开关K，又发现检流计P的指针向相反方向摆动。实验中，当打开开关K时，亨利还在线圈B的两端间观察到了火花。同时发现可以将大电流变为小电流，也可将小电流变为大电流。实际上，亨利这个实验是电磁感应现象的非常直观的关键性实验，亨利这个实验装置实际上也是一台变压器的雏形。但遗憾的是，他没能及时发表他的成果，他将这件事搁置一旁继续进行研究。直到1832年，亨利才发表了相关论文，与电磁感应现象的发现权和变压器的发明权擦肩而过。特别值得一提的是，亨利实验装置比法拉第感应线圈更接近于现代通用的变压器。

变压器的工作原理

变压器在我们的生活和生产中起到了非常重要的作用，可以说变压器在电力系统中几乎和发电机同样重要。那么它是如何“开展工作”的呢？下面我们一起来揭开变压器的变压之谜。

变压器的基本构造是两个线圈绕在同一铁芯上。输入电能的线圈，也就是接在电源的线圈，叫做原线圈（原绕组），输出电能的线圈，也就是以电能供给受电器的线圈，叫做副线圈（副绕组）。这两个电路之间根本没有导体相连接，电流是不能从一个电路传导到另一电路上的，电能也不能直接地传递，那么电能是怎么实现传递的呢？

根据电磁感应定律，我们知道电和磁是不可分割的，它们始终交织在一起。简单地说，就是电生磁、磁生电。在通电导线周围产生磁场，变化的电流则可以产生变化的磁场；在一个闭合电路中，如果通过的磁场发生变化，那么这个电路中将有电流产生，即当磁铁靠近线圈或远离线圈时都会有电流产生。由于变压器的两线圈绕在同一铁芯上，原线圈中的交流电由于电流大小和方向的交替变化产生磁场，通过铁芯传递到副线圈中，再由交替变化的磁场在副线圈中产生新的交替变化的电动势，在副线圈回路中产生电流，这样就完成了一个电能的传递过程。这种不用导线而能传递电能的现象就是变压器的特性。

变压器的副电路中的电流是一种感应电流，是由于副线圈中的感应电动势所产生的，副线圈中能产生感应电动势的原因则是穿过这线圈的磁通量时刻在变化（电磁感应现象），而产生这种变化的原因又是原线圈中的电流在不断地改变着。由此可知，变压器的副电路中产生电动势的必要条件是原线圈中存在着时刻变化的电流。为了实现这个目的，变压器就应用了交变电流为电源，直流电则不能产生感应电动势，变压器决不能用它为电源。发电厂所发的电通常是交流而非直流的最主要原因，就在于惟有交变电流才能利用变压器来提高电压增加输电效率。

变压器铁芯一般用0.35或0.5毫米厚的两面涂有绝缘层的硅钢片叠成或卷成。变压器铁芯分为芯式和壳式两大类。通常芯式铁芯用于高电压、小容量的变压器；壳式铁芯则用于低电压、大容量的变压器。铁芯中通过交变磁通后将产生磁滞损耗和涡流损耗，也会引起副边电压的波形畸变和对原边电压的相位移。

因此，高频中有用铁氧体材料制作铁芯的。频率更高或精度要求极高时，常用非铁磁材料（其磁性能与空气非常接近）制作芯子，这种变压器称作空心变压器。大型变压器还有冷却系统、保护装置、出线装置和油箱等部分。

原电路中的电流每有一次交变，铁芯中的磁场也有一次交变，因而副电路中的感应电流也有一次交变，也就是说，原电路的交流和副电路的交流有着同一的频率。

为加强磁场、提高效率，通常将两绕组套在铁芯上。磁通的绝大部分通过铁芯，这部分磁通称主磁通，它连接了原、副线圈。变压器绕组由铜或铝的绝缘扁导线或圆导线绕成。原、副线圈匝数不同，电压不同。原、副线圈匝数比近似等于其电压比。

超导变压器

电力系统内部能量损失是一个非常重大的问题，除发电机的损失外，变电和输电系统的损失也占有很大的比例。据估计，我国变压器的总损耗占系统总发电量的10%左右，如损耗每降低1%，每年可节约上百亿度电。因此变压器的节能降耗已是势在必行。可以说，节能型变压器的推广对于解决我国电力供应紧张，建立节约型社会有着重大意义。超导技术的发展为减少变压器等变电设备和输电线路的损失提供了有力的技术支持。

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，好像一个漩涡，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，变压器升温增热。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，这些铜导线存在着较大的电阻，电流流过时，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”。

与传统的变压器相比，高温超导变压器的绕组导线为高温超导材料，可以大大降低这部分损耗。同时采用液氮或传导冷却（制冷剂），冷却效率大大高于传统油浸式变压器，因此可节约可观的电能，也减少了对化石燃料的需求，减少了因化石燃烧而产生的各种污染。同时，由于没有变压器油，不必担心火灾和漏油造成的污染。

高温超导变压器具有体积小、重量轻、效率高、过负荷能力强、无火灾隐患等优点。与传统的变压器相比，高温超导变压器的总损耗是传统变压器的31%，重量是46%，成本是77%。在我国，随着城镇用电负荷日趋增大，必须使用体积更为庞大的大容量变压器来满足用户的需求，许多现有变电站都面临重建的问题，由于在相同容量下超导变压器的体积比常规变压器小40%～60%，超导变压器可直接安装在现有的变电站内，从而节省了大笔建设经费。正是基于这些优点，高温超导变压器具有十分广阔的发展前景。高温超导材料的发现是超导材料发展的一个重要里程碑。目前，高温超导电缆已进入实用阶段，国内外厂家正积极开展高温超导变压器的研发工作。2003年，我国继美国、瑞士、德国、日本等少数几个国家之后成功研究出三相高温超导变压器样机。这为下一步研制实用型高温超导变压器打下了坚实的技术基础。

变压器的种类

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、油浸式变压器、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。