在电力传输、电子设备供电、信号处理等领域，变压器是实现 “电压变换、电流变换、隔离” 的电气设备。它基于电磁感应原理，能在不改变频率的前提下，将交流电能从一个电路传递到另一个电路，同时灵活调整电压与电流的比值。从高压电网的远距离输电，到手机充电器的低压供电，变压器的应用贯穿电力系统与电子设备的全场景。本文将从工作原理、结构、分类及典型应用四个维度，系统讲解变压器的基础知识，帮助理解其在电气系统中的作用。

一、工作原理：电磁感应的 “能量传递” 逻辑

变压器的工作原理是 “电磁感应”，通过 “电生磁、磁生电” 的过程，实现两个或多个线圈之间的能量传递，关键依赖 “互感现象” 与 “匝数比” 的调控。

1. 原理：互感与电磁感应

变压器的基本结构包含 “原边线圈（初级线圈）”“副边线圈（次级线圈）” 与 “铁芯”，工作流程可分为三步：

电生磁：原边线圈接入交流电源后，交变电流通过线圈会产生交变磁场（根据安培定则），磁场线穿过铁芯（铁芯的高导磁特性可集中磁场，减少磁损耗），形成闭合的磁路；

磁生电：交变磁场穿过副边线圈时，会在副边线圈中感应出交变电动势（根据法拉第电磁感应定律：感应电动势大小与线圈匝数、磁通量变化率成正比）；

能量传递：若副边线圈接入负载（如电阻、电机），感应电动势会驱动电流流过负载，实现 “原边电能→磁场能量→副边电能” 的传递，且传递过程中频率保持不变（与原边电源频率一致）。

2. 关键公式：电压、电流与匝数的关系

变压器的电压、电流与线圈匝数严格遵循 “匝数比” 规律，公式如下：

电压比：原边电压（U?）与副边电压（U?）的比值，等于原边匝数（N?）与副边匝数的比值，即 U?/U? = N?/N?。

例：原边匝数 1000 匝、接入 220V 交流电源，若副边匝数 100 匝，则副边输出电压 U? = 220V × (100/1000) = 22V（理想状态下，忽略损耗）。

电流比：原边电流（I?）与副边电流（I?）的比值，等于副边匝数与原边匝数的比值（能量守恒，理想状态下输入功率 = 输出功率，即 U?I? = U?I?），即 I?/I? = N?/N?。

例：上述 22V 副边若接入 2.2Ω 负载，副边电流 I? = 22V/2.2Ω = 10A，则原边电流 I? = 10A × (100/1000) = 1A。

注意：实际变压器存在铜损（线圈电阻发热）、铁损（铁芯磁滞与涡流损耗），因此实际输出电压、电流会略低于理想值，通常用 “效率”（输出功率 / 输入功率）衡量损耗，工业变压器效率多在 95% 以上，高精度变压器可达 99%。

二、结构：四大组件的功能与特性

变压器的结构虽因应用场景（如电力变压器、电子变压器）略有差异，但组件均包含 “铁芯、线圈、绝缘结构、冷却系统”，各组件的设计直接影响变压器的性能与可靠性。

1. 铁芯：磁场的 “传导通道”

铁芯是变压器的 “磁路”，作用是集中磁场、减少磁损耗，其材质与结构设计需满足高导磁、低损耗的要求：

材质：主流采用 “硅钢片”（含硅量 0.5%~4.5% 的铁合金），硅钢片具有高磁导率、低磁滞损耗的特性；为进一步降低涡流损耗（交变磁场在铁芯中产生的感应电流），硅钢片会加工成薄片状（厚度 0.35mm 或 0.5mm），并在表面涂覆绝缘漆，避免片间短路。

结构：常见 “叠片式” 与 “卷铁芯式”：

叠片式：将硅钢片按一定形状（如 E 型、口型）叠压而成，工艺简单，成本低，适用于中低压变压器（如电子设备中的小型变压器）；

卷铁芯式：将硅钢片卷制成环形或矩形，磁路更均匀，损耗更低，适用于高精度、低噪声变压器（如配电变压器）。

2. 线圈（绕组）：电能与磁能的 “转换媒介”

线圈是变压器的 “电路”，分为原边线圈（接输入电源）与副边线圈（接负载），其材质、匝数与绕制方式决定电压变换比与载流能力：

材质：多采用 “铜导线”（导电性能好、损耗低），部分低成本小型变压器采用 “铝导线”（导电性能略差，但成本低）；导线表面会包裹绝缘漆（如聚氨酯漆、聚酯漆），确保匝间绝缘。

匝数与绕制：匝数由电压变换比决定（如 220V 转 5V 的充电器变压器，原边匝数远多于副边）；绕制方式需避免原副边线圈短路，通常采用 “分层绕制”（原边线圈绕在底层，副边绕在顶层，中间加绝缘层）或 “分段绕制”（适用于多绕组变压器，如同时输出 5V、12V 的电源变压器）。

3. 绝缘结构：安全的 “防护屏障”

绝缘结构用于隔离 “线圈与铁芯”“原边线圈与副边线圈”“线圈与外壳”，防止漏电或短路，保障人身与设备安全：

绝缘材料：包括绝缘漆（线圈导线绝缘）、绝缘纸 / 绝缘布（线圈间、线圈与铁芯间的层间绝缘）、绝缘油（中大型电力变压器专用，兼具绝缘与冷却作用，需采用高击穿电压的矿物油或合成绝缘油）；

绝缘等级：根据绝缘材料的耐热温度划分，常见等级有 A 级（105℃）、B 级（130℃）、H 级（180℃），不同应用场景需选择对应等级（如工业高温环境需选 H 级绝缘，家用设备选 B 级即可）。

4. 冷却系统：热量的 “释放通道”

变压器工作时，铜损与铁损会产生热量，若温度过高会加速绝缘材料老化，甚至烧毁线圈，因此需冷却系统控制温度：

小型变压器：采用 “自然冷却”（依靠空气对流散热），无需额外冷却装置，适用于功率≤1kVA 的电子变压器（如手机充电器、小型家电变压器）；

中大型变压器：采用 “强制冷却”，如 “油浸式冷却”（铁芯与线圈浸入绝缘油中，油受热后通过散热器对流散热，适用于电力变压器）、“风冷式冷却”（在散热器上加装风扇，加速空气流动，适用于配电变压器）。

三、变压器的分类：按功能与应用场景划分

根据电压等级、用途、结构等维度，变压器可分为多个类别，不同类别适配不同场景，分类如下：

1. 按电压等级划分：适配电力传输与设备供电

电力变压器：用于高压电网的电能传输与分配，电压等级高（原边电压≥10kV，副边电压 380V/220V），功率大（从几十 kVA 到几十万 MVA），常见于变电站、电厂，如 “110kV/10kV 降压变压器”（将电网 110kV 高压降至 10kV，供工业厂区使用）；

配电变压器：用于低压配电网络，电压等级低（原边电压 10kV，副边电压 380V/220V），功率中等（几十 kVA 到几百 kVA），常见于小区、工厂配电室，为居民用电与工业设备提供低压电源；

电子变压器：用于电子设备内部供电，电压等级低（原边 220V/110V，副边几 V 到几十 V），功率小（几 VA 到几百 VA），体积小巧，如手机充电器中的变压器（220V 转 5V）、电脑电源中的变压器（220V 转 12V/5V）。

2. 按用途划分：满足不同功能需求

降压变压器：将高电压转为低电压，应用广泛，如配电变压器（10kV 转 380V）、电子设备电源变压器（220V 转 5V）；

升压变压器：将低电压转为高电压，主要用于远距离电力传输（高压输电可减少线路电流，降低线路损耗），如电厂的 “发电机出口变压器”（将发电机输出的 10kV 升至 110kV/220kV，接入电网）；

隔离变压器：原副边线圈匝数相等（电压比 1:1），不改变电压，作用是 “电气隔离”（切断原边与副边的直接电连接，防止副边设备漏电时危及人身安全），适用于医疗设备（如电源）、精密电子仪器（如示波器）；

自耦变压器：原副边线圈共用一个绕组（部分匝数重叠），体积小、成本低，但无电气隔离，适用于需要小幅调压的场景，如调压器（可手动调节输出电压）、电机启动器（降低启动电压，保护电机）。

3. 按相数划分：适配单相与三相电路

单相变压器：仅含一组原边线圈与一组副边线圈，适用于单相交流电路，如家用设备（充电器、家电）、小功率照明电路；

三相变压器：含三组原边线圈与三组副边线圈，适用于三相交流电路（工业主流供电方式），如工业电机、变电站电力传输，三相变压器的效率高于同功率的三个单相变压器，且体积更小。

四、典型应用：从电力系统到电子设备的全场景覆盖

变压器的应用贯穿电力生产、传输、分配及电子设备供电的全链条，以下为应用场景：

1. 电力系统：保障电能高效传输

电力系统是变压器的应用场景，从电厂发电到用户用电，需经过多次电压变换：

发电环节：电厂发电机输出电压通常为 10kV（如汽轮发电机），通过 “升压变压器” 升至 110kV、220kV 甚至 1000kV（特高压），接入高压输电网络；

输电环节：高压输电网络通过 “远距离输电” 将电能输送至负荷中心（如城市、工业区），高压可大幅降低线路电流，减少线路损耗（如 1000kV 特高压输电的损耗仅为 500kV 的 1/4）；

配电环节：电能到达负荷中心后，通过 “降压变压器”（如 220kV/10kV）降至中压，再经 “配电变压器”（10kV/380V/220V）降至低压，供工业设备（380V 三相电）与居民用电（220V 单相电）使用。

2. 电子设备：提供稳定低压供电

几乎所有依赖交流电源的电子设备，都需通过内置变压器实现 “高压转低压”，为内部电路供电：

消费电子：手机充电器、笔记本电脑电源适配器、电视机电源板，均通过小型电子变压器将 220V 交流电转为 5V、12V 等低压直流电，为芯片、屏幕等组件供电；

工业电子：PLC（可编程逻辑控制器）、变频器、伺服驱动器，需通过隔离变压器或专用电源变压器，将 380V 工业电转为 24V、5V 等低压，同时实现电气隔离，避免外部电网干扰内部精密电路；

医疗设备：、、监护仪，需使用隔离变压器供电，防止电网漏电导致的触电风险，保障患者与医护人员安全。

3. 特殊场景：满足个性化需求

除常规应用外，变压器还在特殊场景中发挥关键作用：

焊接设备：电焊机使用 “特种降压变压器”，输出低电压（几十 V）、大电流（几百 A），满足电弧焊接的需求；

轨道交通：地铁、高铁的牵引系统，通过 “牵引变压器” 将接触网的高压（如地铁 1500V 直流、高铁 27.5kV 交流）转为低压，为牵引电机供电；

信号处理：在通信、音频设备中，“耦合变压器” 可实现信号的隔离传输，避免不同电路间的干扰，如音频放大器中的输入输出变压器，可优化音质传输。

结语

变压器作为基于电磁感应原理的 “能量转换设备”，是电力系统与电子设备正常运行的基础。其价值在于 “灵活调整电压、隔离电气回路、减少能量损耗”，从高压电网的远距离输电，到手机充电器的低压供电，变压器的应用贯穿生产生活的方方面面。理解变压器的工作原理、结构特性与分类，不仅能掌握电气系统的逻辑，也能为电子设备设计、电力系统运维提供基础认知。随着新能源（如风电、光伏）与智能电网的发展，变压器也在向 “高效化、小型化、智能化” 方向升级，持续为能源高效利用与电气设备创新提供支撑。