電機與電氣控制技術(shù) 課件全套 王亞亞 第1-6章 磁路與變壓器-典型電氣控制環(huán)節(jié)

電機與電氣控制技術(shù)DIANJI

YU

DIANQI

KONGZHI

JISHI本書根據(jù)高職高專突出應(yīng)用能力和實踐能力的教育特點，結(jié)合高職高專教學(xué)改革和課程改革要求編寫而成。本書主要內(nèi)容包括變壓器、直流電機、三相交流異步電動機、常用控制電機、低壓電器、典型電氣控制環(huán)節(jié)及實驗部分，共7個模塊。本書以三相異步電動機拖動和控制為重點，以電氣控制基本環(huán)節(jié)為主線，以常用典型設(shè)備電氣控制為實例，闡述了電力拖動基本知識及常用設(shè)備的電氣控制和電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的基本知識。本書在編寫過程中以技能培養(yǎng)和工程應(yīng)用能力培養(yǎng)為出發(fā)點，堅持教育服務(wù)的持續(xù)發(fā)展，突出生產(chǎn)實際應(yīng)用，著力培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決生產(chǎn)實際問題的能力，提高學(xué)生專業(yè)技能。本書可作為高職高專院校自動化專業(yè)、機電一體化專業(yè)的理論教學(xué)和實訓(xùn)教學(xué)用書，也可作為中等職業(yè)教育的教學(xué)用書及專業(yè)技術(shù)人員的培訓(xùn)和自學(xué)用書。本書由西安交通工程學(xué)院電氣控制教研組老師共同完成。其中王亞亞編寫第1章，王娟娟編寫第6章和實驗篇，鄭凱編寫第2、5章，王亞楠編寫第3、4章。前言第一章磁路與變壓器目錄CONTENTS磁路及其分析方法變壓器鐵心線圈電路三相變壓器的應(yīng)用01020304其他用途變壓器05本章小結(jié)06變壓器通過電磁感應(yīng)原理，或利用互感作用，將一種等級（電壓、電流、相數(shù)）的交流電，變換為同頻率的另一種等級的交流電。其主要用途是變換電壓，故被稱為變壓器。將大功率的電能從發(fā)電廠（站）輸送到遠距離的用電區(qū)，需要升壓變壓器把發(fā)電機發(fā)出的電壓升高，再經(jīng)過高壓線路進行傳輸，以降低線路損耗；然后再用降壓變壓器逐步將輸電電壓降到配電電壓，供用戶使用。本章主要介紹磁路的基本知識，以一般用途的電力變壓器為主要研究對象，著重分析單相變壓器的工作原理、基本結(jié)構(gòu)和運行情況，對其他用途的變壓器做簡單介紹。通過學(xué)習(xí)本章內(nèi)容，掌握變壓器變電壓、變電流、變阻抗的原理；掌握三相變壓器的連接組別和并聯(lián)運行條件；理解變壓器銘牌數(shù)據(jù)的含義；學(xué)會正確使用各種變壓器。導(dǎo)入磁路及其分析方法01在電機、變壓器及各種鐵磁元件中常用磁性材料做成一定形狀的鐵心。鐵心的磁導(dǎo)率比周圍空氣或其他物質(zhì)的磁導(dǎo)率高得多，磁通的絕大部分經(jīng)過鐵心形成閉合通路，磁通的閉合路徑稱為磁路。（a）、（b）中的虛線分別為直流電機和交流接觸器的磁路。1.1磁路及其分析方法（a）直流電機的磁路（b）交流接觸器的磁路（一）磁感應(yīng)強度磁感應(yīng)強度B：表示磁場內(nèi)某點磁場強弱和方向的物理量。磁感應(yīng)強度B的方向：與電流的方向之間符合右手螺旋定則。磁感應(yīng)強度B的大?。築

F

。磁感應(yīng)強度B的單位：特斯拉(T)，1T=1Wb/m2。lI均勻磁場：各點磁感應(yīng)強度大小相等、方向相同的磁場，也稱勻強磁場。（二）磁

通磁通

：穿過垂直于B方向的面積S中的磁力線總數(shù)。在均勻磁場中

=BS或B=

/S。說明：如果不是均勻磁場，則取B的平均值來計算。磁感應(yīng)強度B在數(shù)值上可以看成為與磁場方向垂直的單位面積所通過的磁通，故又稱磁通密度。磁通

的單位：韋[伯](Wb)，1Wb=1V·s

。1.1.1磁場的基本物理量磁場強度H：介質(zhì)中某點的磁感應(yīng)強度B與介質(zhì)磁導(dǎo)率

之比，即磁場強度H的單位：安培/米（A/m）。（三）磁場強度（四）磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率

：表示磁場媒質(zhì)磁性的物理量，衡量物質(zhì)的導(dǎo)磁能力。磁導(dǎo)率

的單位：亨/米（H/m）。71.1.1磁場的基本物理量真空的磁導(dǎo)率為常數(shù)，用

表示，0 0相對磁導(dǎo)率

r：任一種物質(zhì)的磁導(dǎo)率

和真空的磁導(dǎo)率

0的比值，即

4π

10

H/mr

H

B

0

0

H

B0

H

B

（一）高導(dǎo)磁性磁性材料的磁導(dǎo)率通常都很高，即

r

1（如坡莫合金，其

r可達2

105）。磁性材料能被強烈地磁化，具有很高的導(dǎo)磁性能。磁性物質(zhì)的高導(dǎo)磁性被廣泛地應(yīng)用于電工設(shè)備中，如電機、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放有鐵心。在這種具有鐵心的線圈中通入不太大的勵磁電流，便可以產(chǎn)生較大的磁通和磁感應(yīng)強度。1.1.2磁性材料的磁性能磁性材料主要指鐵、鎳、鈷及其合金等。（二）磁飽和性磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場不會隨著外磁場的增強而無限地增強。當外磁場增大到一定程度時，磁性物質(zhì)的全部磁疇的磁場方向都轉(zhuǎn)向與外部磁場方向一致，磁化磁場的磁感應(yīng)強度將趨向某一定值。1.1.2磁性材料的磁性能磁性材料主要指鐵、鎳、鈷及其合金等。磁滯性：磁性材料中磁感應(yīng)強度B的變化總是滯后于外磁場變化的性質(zhì)。磁性材料在交變磁場中反復(fù)磁化，其B-H關(guān)系曲線是一條回形閉合曲線，稱為磁滯回線。剩磁感應(yīng)強度Br(剩磁)：當線圈中電流減小到零(H＝0)時鐵心中的磁感應(yīng)強度。矯頑磁力Hc：使B=0所需的H值。磁性物質(zhì)不同，其磁化曲線和磁滯回線也不同，分別如圖1-2、1-3所示。，磁性材料主要指鐵、鎳、鈷及其合金等。（三）磁滯性1.1.2磁性材料的磁性能圖1-2磁化曲線圖1-3磁滯回線1.1.2磁性材料的磁性能軟磁材料具有較小的矯頑磁力，磁滯回線較窄，一般用來制造電機、電器及變壓器等的鐵心。常用的有鑄鐵、硅鋼、坡莫合金即鐵氧體等。軟磁材料永磁材料具有較大的矯頑磁力，磁滯回線較寬。一般用來制造永久磁鐵。常用的有碳鋼及鐵鎳鋁鈷合金等。永磁材料矩磁材料具有較小的矯頑磁力和較大的剩磁，磁滯回線接近矩形，穩(wěn)定性良好，在計算機和控制系統(tǒng)中用作記憶元件、開關(guān)元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體等。矩磁材料磁性材料1.1.3磁路的分析方法（一）磁

路由于磁性物質(zhì)具有高導(dǎo)磁性，可用來構(gòu)成磁力線的集中通路，稱為磁路。（二）磁路的歐姆定律若某磁路的磁通為

，磁通勢為F，磁阻為Rm，則

F

，此即磁路的歐姆定律。Rm（三）磁路與電路的比較磁路與電路的比較如表1-1所示。表1-1磁路與電路的比較磁路電路磁通勢F電動勢E磁通

電流I磁感應(yīng)強度B電流密度J磁阻

R

1 m

S電阻

R

1

S

F

NI Rm 1/

SI

E

E R 1/

S1.1.3磁路的分析方法（四）磁路的計算對圖1-4所示分段均勻磁路有

H1l1

H2l2

H0

IN或

Hl

IN

，稱為基爾霍夫第二定律。將

B

，代入，有式中，

不是常數(shù)，因此公式并不能用于計算磁路，只可作定性分析用。SB

H

l1l2

S2

2

S2

IN

0

SRm1

Rm

2

Rm0

INm

Rm

R

FF

圖1-4

分段均勻磁路1.1.3磁路的分析方法（五）磁路的分析磁路的分析分為兩類。第一類是指已知磁通

，求所需磁通勢IN；第二類是指已知磁通勢IN，求所能產(chǎn)生的磁通量

。由于磁路是非線性的（B-H曲線非線性），“第二類分析”只能借助“第一類分析”用猜試法進行?！暗谝活惙治觥辈襟E可簡述如下：已知

，

①

由

B1 S

（查B-H曲線）得出

H1

H1l1

；③

由查B-H曲線②

由

B

（查B-H曲線）得出

H2

H2l2

H

2

H

2l2；B

H

B0

H

；④對交流磁路則可按幅值進行分析，即已知

m

mC，KC為疊片系數(shù)。12S20 00S0

S1

0Hl

IN

m

m

CC

B

S

K

S

H

l

I

N

I

Im

Km

m m2

H（一）非磁性物質(zhì)非磁性物質(zhì)分子電流的磁場方向雜亂無章，幾乎不受外磁場的影響而互相抵消，不具有磁化特性。非磁性材料的磁導(dǎo)率都是常數(shù)，有

≈

0，

r≈1，當磁場媒質(zhì)是非磁性材料時，有B＝

0H，即B與H成正比，呈線性關(guān)系。由于

B

，H

，所以磁通

與產(chǎn)生此磁通的電流I成正比，呈線性關(guān)系。1.1.4物質(zhì)的磁性

SNIl磁性物質(zhì)內(nèi)部形成許多小區(qū)域，其分子間存在的一種特殊的作用力使每一區(qū)域內(nèi)的分子磁場排列整齊，顯示磁性，稱這些小區(qū)域為磁疇。在沒有外磁場作用的普通磁性物質(zhì)中，各個磁疇排列雜亂無章，磁場互相抵消，整體對外不顯磁性。在外磁場作用下，磁疇方向發(fā)生變化，使之與外磁場方向趨于一致，物質(zhì)整體顯示出磁性來，稱為磁化，即磁性物質(zhì)能被磁化。圖1-5為幾種常見磁性物質(zhì)的磁化曲線。（二）磁性物質(zhì)1.1.4物質(zhì)的磁性a—鑄鐵；b—鑄鋼；c—硅鋼片圖1-5幾種常見磁性物質(zhì)的磁化曲線1.1.4物質(zhì)的磁性例題

1-1有一環(huán)形鐵心線圈，其內(nèi)徑為10cm，外徑為5cm，鐵心材料為鑄鋼。磁路中含有一空氣隙，其長度等于0.2

cm。設(shè)線圈中通有1A的電流，如要得到0.9T的磁感應(yīng)強度，試求線圈匝數(shù)。解：空氣隙的磁場強度

H0鑄鋼鐵心的磁場強度，查鑄鋼的磁化曲線，B＝0.9T時，磁場強度H1＝500（A/m）磁路的平均總長度

l

10

15

π

39.2（cm）

；鐵心的平均長度

l

l

39.2

0.2

39（cm）對各段有

H

7.2

105

0.2

102

1440（A） H

l

500

39

102

195（A）0 1

1總磁通勢

NI

H0

H1l1

1440

195

1635（A）線圈匝數(shù)

B0

0.9

7.2

1050

4π

10721N

NI

1635

1635I 1鐵心線圈電路02繞有線圈的閉合鐵心，分為直流鐵心線圈電路和交流鐵心線圈電路。直流電流

I

作用下在線圈中產(chǎn)生磁通，由于電流不變，故磁通恒定。外加電壓與線圈中的電流關(guān)系為

I=U/R。圖1-6為鐵心線圈電磁關(guān)系。1.2鐵心線圈電路圖1-6鐵心線圈電磁關(guān)系主磁通

：通過鐵心閉合的磁通。

與

i不是線性關(guān)系。漏磁通

：經(jīng)過空氣或其他非導(dǎo)磁媒質(zhì)閉合的磁通。分析圖1-6得鐵心線圈的漏磁電感

L

N

常數(shù)根據(jù)KVL（基爾霍夫電壓定律），式中，R是線圈導(dǎo)線的電阻，L

是漏磁電感。1.2.1電壓電流關(guān)系圖1-6鐵心線圈電磁關(guān)系

e

N

d

dt

u

i(Ni)

e

N

d

Ldidt

dt

i

u

Ri

e

e

Ri

L

di

(e)

dt

當u是正弦電壓時，其他各電壓、電流、電動勢可視作正弦量，則電壓、電流關(guān)系的相量式為U

RI

(E

σ)

(E

)

RI

jX

σ

I

(E

)設(shè)主磁通 ，則有效值由于線圈電阻R和感抗X

（或漏磁通

）較小，其電壓降也較小，與主磁電動勢E相比可忽略，故有U

E

則U

E

4.44

fN

m

4.44

fNBm

S（V）式中，Bm是鐵心中磁感應(yīng)強度的最大值，單位T；S是鐵心截面積，單位m2。1.2.1電壓電流關(guān)系

m

sin

tm m

2πfN

m

sin(

t90

)

Em

sin(

t90

)e

N

d

N

d

(

sin

t)

N

cos

tdt dtE

m

m

4.44

fN

mE 2πfN

2 2銅損（

Pcu

）鐵損（

PFe

）在交流鐵心線圈中，線圈電阻R上的功率損耗稱銅損，用

Pcu表示。即

Pcu＝RI2式中，R

是線圈的電阻；I

是線圈中電流的有效值。在交流鐵心線圈中，處于交變磁通下的鐵心內(nèi)的功率損耗稱鐵損，用

PFe表示。鐵損由磁滯和渦流產(chǎn)生。銅損（

Pcu）鐵損（

PFe）1.2.2功率損耗交流鐵心線圈的功率損耗主要有銅損和鐵損兩種。磁滯損耗（

Ph）磁滯損耗的大小單位體積內(nèi)的磁滯損耗正比與磁滯回線的面積和磁場交變的頻率f。磁滯損耗轉(zhuǎn)化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。渦流損耗（

Pe）渦流交變磁通在鐵心內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電流，稱為渦流。渦流在垂直于磁通的平面內(nèi)環(huán)流。減少磁滯損耗的措施選用磁滯回線狹小的磁性材料制作鐵心。變壓器和電機中使用的硅鋼等材料的磁滯損耗較低。設(shè)計時應(yīng)選擇適當值以減小鐵心飽和程度。減少渦流損耗措施提高鐵心的電阻率。鐵心用彼此絕緣的鋼片疊成，把渦流限制在較小的截面內(nèi)。1.2.2功率損耗由磁滯所產(chǎn)生的能量損耗稱為磁滯損耗（

Ph）。由渦流所產(chǎn)生的功率損耗。渦流損耗轉(zhuǎn)化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。鐵損（

PFe）用一個不含鐵心的交流電路來等效替代鐵心線圈交流電路。等效條件：在同樣電壓作用下，功率、電流及各量之間的相位關(guān)系保持不變。先將實際鐵心線圈的線圈電阻R、漏磁感抗X

分出，得到用理想鐵心線圈表示的電路；理想鐵心線圈有能量的損耗和儲放，可用R0－X0串聯(lián)的電路等效。其中：電阻R0是和鐵心能量損耗（鐵損）相應(yīng)的等效電阻，感抗X0是和鐵心能量儲放相應(yīng)的等效感抗。1.2.3等效電路圖1-7理想鐵心線圈的等效電路

P

Fe0I

2R

QFeI

20XR2

X

2

U

U00 0|

Z

|

I I例題

1-2有一交流鐵心線圈，電源電壓U＝220V電路中，電流I＝4A，功率表讀數(shù)P＝100W，頻率f＝50Hz，漏磁通和線圈電阻上的電壓降可忽略不計試求：（1）鐵心線圈的功率因數(shù)；（2）鐵心線圈的等效電阻和感抗。解：(1)(2)鐵心線圈的等效阻抗模

|

Z

|

U

220

55（

）等效電阻等效感抗1.2.3等效電路cos

P

100

0.114UI

200

4I 40 0I

2

42R

R

R

P

100

6.25

(

)

RX

X

X

|

Z

|2

R

2

552

6.252

54.6

(

)

X

0 0變壓器031.3變壓器變壓器是一種常見的靜止電氣設(shè)備，它利用電磁感應(yīng)原理，將某一數(shù)值的交變電壓變換為同頻率的另一數(shù)值的交變電壓。變壓器最主要的用途是在輸配電系統(tǒng)，而且還廣泛應(yīng)用于電氣控制領(lǐng)域、電子技術(shù)領(lǐng)域，測試技術(shù)領(lǐng)域以及焊接技術(shù)領(lǐng)域等等。根據(jù)統(tǒng)計資料顯示，在輸配電系統(tǒng)，1kW的發(fā)電設(shè)備需8～8.5

kV·A變壓器容量與之配套，由此可見，在電力系統(tǒng)中變壓器是容量最多最大的電氣設(shè)備。我們知道電能在傳輸過程中會有能量的損耗，主要是輸電線路的損耗及變壓器的損耗，它占整個供電容量的5%～9%，這是一個相當可觀的數(shù)字。例如我國2000年發(fā)電設(shè)備的總裝機容量約為3.16億千瓦，則輸電線路及變壓器損耗的部分約為1600～2

800萬千瓦，它相當于目前我國10到20個裝機容量最大的火力發(fā)電廠的總和。在這個能量損耗中，變壓器的損耗最大，約占60%，因此，變壓器效率的高低成為輸、配電系統(tǒng)中一個突出的問題。我國從20世紀70年代末期開始研制高效節(jié)能變壓器，其換代過程為SJ→S5→S7→S9→SCB→SHll。目前大批量生產(chǎn)的是S9低損耗節(jié)能變壓器，并要求逐步淘汰正在使用中的舊型號變壓器，據(jù)初步估算采用低損耗變壓器所需的投資費用可在4～5年時間內(nèi)從節(jié)約的電費中收回。變壓器除用于改變電壓外，還可用來改變電流、變換阻抗以及產(chǎn)生脈沖等。變壓器的種類很多，可以按用途、結(jié)構(gòu)、相數(shù)、冷卻方式等進行分類。變壓器最主要的組成部分是鐵心和繞組，稱之為器身，以及放置器身且盛滿變壓器油的油箱。此外，還有一些為確保變壓器運行安全的輔助器件。常見的變壓器一般有兩個線圈，為了加強耦合，常將兩個線圈繞在一個共同鐵心上，如圖1-8所示。1.3.1變壓器的結(jié)構(gòu)、分類及銘牌參數(shù)圖1-8

單相變壓器及其符號（一）鐵心鐵心是變壓器的磁路部分。為了減少鐵心內(nèi)部的損耗，鐵心一般用0.35

mm厚的冷軋硅鋼片疊成。鐵心也是變壓器的骨架，它由鐵心柱、鐵軛和夾緊裝置組成。套裝繞組的部分叫鐵心柱；連接鐵心柱形成閉合磁路的部分叫鐵軛。變壓器的鐵心有心式和殼式兩類，其結(jié)構(gòu)如圖1-9所示。繞組包圍著鐵心的變壓器叫心式變壓器，鐵心包圍著繞組的變壓器叫殼式變壓器。1.3.1變壓器的結(jié)構(gòu)、分類及銘牌參數(shù)（a）殼式變壓器（b）心式變壓器1—鐵心柱；2—鐵軛；3，4—繞組。圖1-9變壓器鐵心結(jié)構(gòu)圖絕緣和散熱性能好在電力變壓器中得到廣泛采用同心式繞組同心式是將高、低壓繞組套在同一鐵心柱的內(nèi)外層結(jié)構(gòu)簡單引線比較方便機械強度好易構(gòu)成多條并聯(lián)支路常用于大電流變壓器中交疊式繞組交疊式繞組的高、低壓繞組是沿軸向交疊放置的1.3.1變壓器的結(jié)構(gòu)、分類及銘牌參數(shù)變壓器與電源連接的繞組叫一次繞組、原繞組、原邊或初級繞組，與負載相連的繞組叫二次繞組、副繞組、副邊或次級繞組。（二）繞

組繞組是變壓器的電路部分。它由漆包線或絕緣的扁銅線繞制而成，有同心式和交疊式兩種。油浸式變壓器的外殼就是油箱，它起著機械支撐、冷卻散熱和保護的作用。油箱12014變壓器運行時，為了使輸出電壓控制在允許的變化范圍內(nèi)，通過分接開關(guān)改變一次繞組匝數(shù)，從而達到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。分接開關(guān)3儲油柜也稱油枕，它是安裝在油箱上面的圓筒形容器，通過連通管與油箱相連，柜內(nèi)油面高度隨油箱內(nèi)變壓器器身的熱脹冷縮而變動，保證器身始終浸在變壓器油中。儲油柜22014變壓器引出線從郵箱內(nèi)穿過郵箱蓋時，通過瓷質(zhì)絕緣套管，以使帶電的引出線與接地的油箱絕緣。絕緣套管41.3.1變壓器的結(jié)構(gòu)、分類及銘牌參數(shù)（三）分接開關(guān)干式變壓器油浸自冷變壓器油浸風(fēng)冷變壓器強迫油循環(huán)變壓器充氣式變壓器單相變壓器三相變壓器多相變壓器疊片式鐵心卷制式鐵心非晶合金鐵心雙繞組變壓器三繞組變壓器多繞組變壓器自耦變壓器①

電力變壓器②

特種變壓器③

儀用互感器④

控制變壓器⑤

其他變壓器用途繞組構(gòu)成鐵心結(jié)構(gòu)相數(shù)冷卻方式1.3.1變壓器的結(jié)構(gòu)、分類及銘牌參數(shù)（四）分

類變壓器種類很多，通?？砂雌溆猛?、繞組數(shù)目、鐵心結(jié)構(gòu)、相數(shù)和冷卻方式等進行分類。額定容量SN在銘牌上所規(guī)定的額定狀態(tài)下變壓器輸出能力（視在功率）的保證值，稱為變壓器的額定容量，單位以V·A、kV·A或MV·A表示。對三相變壓器，額定容量是指三相容量之和。額定電壓U1N和U2N高壓側(cè)（一次繞組）額定電壓U1N是指加在一次繞組上的正常工作電壓值。它是根據(jù)變壓器的絕緣強度和允許發(fā)熱等條件規(guī)定的。高壓側(cè)標出的三個電壓值，可以根據(jù)高壓側(cè)供電電壓的實際情況，在額定值的±5%范圍內(nèi)加以選擇，當供電電壓偏高時可調(diào)至10500V，偏低時則調(diào)至9500V，以保證低壓側(cè)的額定電壓為400V左右。

指線電壓。低壓側(cè)（二次繞組）額定電壓U2N是指變壓器在空載時，高壓側(cè)加上額定電壓后，二次繞組兩端的電壓值。變壓器接上負載后，二次繞組的輸出電壓U2將隨負載電流的增加而下降，為保證在額定負載時能輸出380

V的電壓，考慮到電壓調(diào)整率為5%，故該變壓器空載時二次繞組的額定電壓U2N為400

V。在三相變壓器中，額定電壓均額定電流IN根據(jù)額定容量和額定電壓計算出的線電流稱為額定電流，單位為A。（五）銘牌數(shù)據(jù)為了使變壓器安全、經(jīng)濟、合理地運行，同時讓用戶對變壓器的性能有所了解，制造廠家對每一臺變壓器都安裝了一塊銘牌，上面標明了變壓器型號及各種額定數(shù)據(jù)，只有理解銘牌上各種數(shù)據(jù)的含義，才能正確地使用變壓器。1.3.1變壓器的結(jié)構(gòu)、分類及銘牌參數(shù)單相變壓器是指接在單相交流電源上用來改變單相交流電壓的變壓器，其容量一般都比較小，主要用作控制及照明。它是利用電磁感應(yīng)原理，將能量從一個繞組傳輸?shù)搅硪粋€繞組而進行工作的。變壓器的原邊繞組、副邊繞組互不相連，能量的傳遞靠磁耦合。1.3.2變壓器的工作原理1.空載運行變壓器的原邊繞組接在電網(wǎng)上，副邊繞組開路時的運行狀態(tài)，稱為空載運行。此時，i2＝0?？蛰d時，鐵心中主磁通是由一次繞組磁通勢產(chǎn)生的。圖1-10為變壓器空載運行原理示意圖。圖1-10

變壓器空載運行原理示意圖1.3.2變壓器的工作原理由圖1-10分析得以下關(guān)系：

u1

1.3.2變壓器的工作原理

e1

N1

dt

i0

(i0

N1

)

2 2di0

1

1

1

dtd

d

dte

N

e

L

由于變壓器接在交流電源上工作，因此通過變壓器中的電壓、電流、磁通及電動勢的大小及方向均隨時間在不斷地變化，為了正確地表示它們之間的相位關(guān)系，必須首先規(guī)定它們的參考方向。原則上可以任意規(guī)定參考方向，但是如果規(guī)定的方法不同，則同一電磁過程所列出的方程式，其正、負號也將不同。為了統(tǒng)一起見，習(xí)慣上都按照“電工慣例”來規(guī)定參考方向：（1）電壓的參考方向：在同一支路中，電壓的參考方向與電流的參考方向一致。（2）磁通的參考方向：磁通的參考方向與電流的參考方向之間符合右手螺旋定則。（3）感應(yīng)電動勢的參考方向：由交變磁通Ф產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e，其參考方向與產(chǎn)生該磁通的電流參考方向一致（即感應(yīng)電動勢e與產(chǎn)生它的磁通Ф之間符合右手螺旋定則）。1.3.2變壓器的工作原理變壓器空載運行時，空載電流I0一方面用來產(chǎn)生主磁通，另一方面用來補償變壓器空載時的損耗。為此，將I0分解成兩部分，一部分為無功分量Iq，用來建立磁場，起勵磁作用，與主磁通同相位；另一部分為有功分量Id，用來供給變壓器鐵心損耗，相位超前主磁通90

，即I

I

I

0 q d空載電流一般只占額定電流的2%～10%，而Id<10%I0，因此I0≈Iq，所以空載電流I0主要用來建立主磁通。故近似稱作勵磁電流。變壓器空載時沒有輸出功率，它從電源獲取的全部功率都消耗在其內(nèi)部，稱為空載損耗?？蛰d損耗絕大部分是鐵心損耗P0，即磁滯損耗與渦流損耗，只有極少部分是一次繞組電阻上的銅損耗I0

R，，它只占空載損耗的2%，故可認為變壓器的空載損耗就是變壓器的鐵心損耗。2圖1-11

變壓器負載運行原理示意圖2.

負載運行原邊繞組接通額定電壓，副邊繞組接上負載ZL時，稱為變壓器的負載運行。有載時，鐵心中主磁通是由一次、二次繞組磁通勢共同產(chǎn)生的合成磁通。其工作原理圖如圖1-11所示。由圖1-11分析可得以下關(guān)系：1.3.2變壓器的工作原理

e1

N1

i1

(i1

N1

)

u1

e

N

2

2di1

1

1

1

dt

d

dtd

dt

e

L

3.

電壓變換（設(shè)加正弦交流電壓）（1）一次、二次側(cè)主磁通感應(yīng)電動勢。主磁通按正弦規(guī)律變化，設(shè)為，則有效值，即同理1.3.2變壓器的工作原理

m

sin

t1 11

dtm 1 m 1me

N

d

N

d

(

sin

t)

N

cos

t

Esin(

t

90

)dt1m1

m1E 2πfN

22E

U1

E1

4.44

f

m

N1U2

E1

4.44

f

m

N2（2）一次、二次側(cè)電壓。變壓器一次側(cè)等效電路如圖1-12所示。根據(jù)KVL：式中，R1為一次側(cè)繞組的電阻；X1＝

L

1為一次側(cè)繞組的漏磁感抗。由于電阻R1和感抗X1（或漏磁通）較小，其兩端的電壓也較小，與主磁電動勢E1比較可忽略不計，則對二次側(cè)，根據(jù)KVL：1.3.2變壓器的工作原理圖1-12變壓器一次側(cè)等效電路1 1

1

σ1

1

1

1

1

1

1E

R

I

jX

I

EU

R

I

E

1 1 1 1 m 1U

E

U

E

4.44

f

N

E2

R2

I2

Eσ

2

U2

R2

I2

jX

2

I2

U2

式中，

R2為二次繞組的電阻；X2＝

L

2為二次繞組的感抗；U

2

為二次繞組的端電壓。變壓器空載時：

I2

0

，

U2

U20

E2

4.44

f

m

N2式中，U20為變壓器空載電壓。故有式中，K為變比。

1

1

1

KU2

E2

N2U E N4.

電流變換（一次、二次側(cè)電流關(guān)系）不論空載還是有載，原繞組上的阻抗壓降均可忽略，故有U1

E1

4.44

f

m

N1若U1、f不變，則

m基本不變，近于常數(shù)?？梢?，鐵心中主磁通的最大值

m在變壓器空載和有載時近似保持不變。即有空載：i0

N1

m磁勢平衡式：；有載：i1

N1

i2

N2

mi1

N1

i2

N2

i0

N1一般情況下：I0

（2～3）%I1N

很小可忽略，所以得出或 I

N

I

N1

1

2

2即一次、二次側(cè)電流與匝數(shù)成反比。1.3.2變壓器的工作原理i1

N1

i2

N2I1

N2

1I2

N1

K注意：（1）升壓變壓器的一次側(cè)為低壓繞組，二次側(cè)為高壓繞組；降壓變壓器的一次側(cè)為高壓繞組，二次側(cè)為低壓繞組。（2）高壓繞組匝數(shù)多，電流?。坏蛪豪@組匝數(shù)少，電流大。（3）二次側(cè)電流由負載決定，一次側(cè)電流由二次側(cè)電流決定。（4）變壓器不能變換直流電壓。如誤接，因此時電源電壓全部加在一次側(cè)繞組上，可能燒壞繞組。5.

阻抗變換結(jié)合電壓和電流變換，得出變壓器一次側(cè)的等效阻抗模，為二次側(cè)所帶負載的阻抗模的K2倍。即在電子電路中，為了獲得較大的功率輸出，往往對輸出電路的輸出阻抗與所接的負載阻抗之間有一定的要求。例如對音響設(shè)備來講，為了能在揚聲器中獲得最好的音響效果（獲得最大的功率輸出），要求音響設(shè)備輸出的阻抗與揚聲器的阻抗盡量相等。但在實際上揚聲器的阻抗往往只有幾歐到十幾歐，而音響設(shè)備等信號的輸出阻抗恰恰很大，在幾百歐、幾千歐以上，為此通常在兩者之間加接一個變壓器（稱為輸出變壓器、線間變壓器）來達到阻抗匹配的目的。1.3.2變壓器的工作原理|

Z

|

U1

KU2

K

2

U2

K

2

|

Z

|12I1

I2

/

K

I26.

變壓器的額定值（1）額定電壓U1N、U2N。變壓器副邊開路（空載）時，原、副邊繞組允許的電壓值。單相：U1N為原邊電壓，U2N為副邊空載時的電壓；三相：U1N、U2N分別為原、副邊的線電壓。（2）額定電流I1N、I2N。變壓器滿載運行時，原邊、副邊繞組允許的電流值。單相：原邊、副邊繞組允許的電流值；三相：原邊、副邊繞組線電流。（3）額定容量SN。傳送功率的最大能力。單相：SN

U2N

I2

N

U1N

I1N

；三相：SN

注意：變壓器幾個功率的關(guān)系（單相）。3U1N

I1N

。容量輸出功率一次側(cè)輸入功率1.3.2變壓器的工作原理3U2

N

I2

N

SN

U1N

I1N

P2

U2

I2

cos

P21P

7.

變壓器的外特性和電壓調(diào)整率在實際應(yīng)用中要正確、合理地使用變壓器，需了解其運行時的工作特性及性能指標。（1）外特性：電源電壓和負載的功率因數(shù)為常數(shù)時，二次側(cè)端電壓隨負載電流變化的規(guī)律，即

U2

f

(I2

)

。變壓器的外特性曲線如圖1-13所示。（2）效率特性：電源電壓和負載的功率因數(shù)為常數(shù)時，變壓器的效率隨負載電源變化的規(guī)律，即

f

(I2

)

。1.3.2變壓器的工作原理圖1-13變壓器的外特性變壓器負載運行時，由于變壓器內(nèi)部存在電阻和漏抗，故當二次繞組中流過負載電流時，變壓器的二次繞組將產(chǎn)生阻抗壓降，使二次側(cè)端電壓隨負載電流的變化而變化。另一方面，由于一次繞組電流隨二次繞組電流的變化而變化，故使一次繞組漏阻抗上的壓降也相應(yīng)改變，一次繞組電動勢和二次繞組電動勢也會有所改變，這也會影響二次繞組輸出電壓的大小。變壓器的負載一般多為感性負載，因此當負載增大時，變壓器的二次繞組電壓總是下降的，其下降的程度常用電壓調(diào)整率來描述。所謂電壓調(diào)整率是指：當變壓器的一次側(cè)接在額定頻率額定電壓的電網(wǎng)上，負載的功率因數(shù)為常數(shù)時，變壓器空載與負載時二次側(cè)端電壓變化的相對值，用

U

來表示。即1.3.2變壓器的工作原理U

2

N

U

2U

2

N

U

100%8.

變壓器的損耗與效率變壓器在能量傳遞過程中會產(chǎn)生損耗。變壓器的損耗主要有兩大部分，即變壓器鐵損和變壓器銅損。變壓器鐵損主要是指變壓的空載損耗，空載損耗是不變損耗，它主要決定于電壓的變化，當變壓器電壓和頻率不變時，變壓器的空載損耗基本維持不變。變壓器的銅損，是變壓器的短路損耗，是變壓器繞組有電流流過時發(fā)熱損耗的功率。變壓器銅損是可變損耗，它與變壓器的負載率有關(guān)，隨著負載的增大，銅質(zhì)也隨之增大。變壓器的銅、鐵損可通過查閱手冊或根據(jù)變壓器的試驗資料得出。變壓器損耗最少的經(jīng)濟運行點，是在負載率為0.5～0.6時，也就是變壓器鐵損與銅損相等時?？梢愿鶕?jù)變壓器的經(jīng)濟運行點，決定是否將變壓器并列運行。一般變壓器的功率損耗可按下式計算：

P＝

P0+（Scp/SN）*

Psc式中

P0——變壓器的空載損耗；

Psc

——變壓器的短路損耗；

P

——變壓器的總損耗；Scp——變壓器的平均容量；SN

——變壓器的額定容量。1.3.2變壓器的工作原理變壓器的效率是指變壓器的輸出功率P2與輸入功率P1之比：降低變壓器本身的損耗、提高其效率是供電系統(tǒng)中一個極為重要的課題，世界各國都在大力研究高效節(jié)能變壓器，其主要途徑：一是采用低損耗的冷軋硅鋼片來制作鐵心。例如，容量相同的兩臺電力變壓器，用熱軋硅鋼片制作鐵心的SJl-1000/10變壓器鐵損耗約為4440

W。用冷軋硅鋼片制作鐵心的S7-1000/10變壓器鐵損耗僅為1700

W。后者比前者每小時可減少2.7kW·h的損耗，僅此一項每年可節(jié)電23652

kW·h。二是減小銅損耗。如果能用超導(dǎo)材料來制作變壓器繞組，則可使其電阻為零，銅損耗也就不存在了。世界上許多國家正在致力于該項研究，目前已有330kV單相超導(dǎo)變壓器問世，其體積比普通變壓器要小70%左右，損耗可降低50%。1.3.2變壓器的工作原理P2

P1

100%

P1

P2

P損耗

100%例題

1-3如圖1-14所示，交流信號源的電動勢E＝120

V，內(nèi)阻R0＝800

，負載為揚聲器，其等效電阻為RL＝8

。試求：（1）當RL折算到原邊的等效電阻

時，求變壓器的匝數(shù)比和信號源輸出的功率；（2）當將負載直接與信號源連接時，信號源輸出的功率。解：

（1）變壓器的匝數(shù)比為（2）將負載直接接到信號源上時，輸出功率為信號源的輸出功率為2

800

4.5（W）

8

0.176（W）1.3.2變壓器的工作原理圖1-14例1-3圖1LRLN2K

N

R

800

108

2RL

R0

RL

E

120

800

8

P

22L

R0

RL

120

800

8

E

P

R

例題

1-4一臺單相變壓器，額定容量為2kV·A，額定電壓為380/110V，空載時原繞組輸入功率P0＝20W，I1＝0.5A。設(shè)副繞組接額定負載，且

，U2＝105

V，原繞組電阻R1＝0.6

Ω，副繞組電阻R2＝0.05Ω。試求：（1）原、副繞組的額定電流；（2）電壓變化率；（3）鐵損、銅損和效率。解：（1）副繞組額定電流為

18.18（A）所以，原繞組電流為（A）（2）電壓變化率為1.3.2變壓器的工作原理

S

2

102NI2N

U 1102N

I2N

18.18

18.18

5.271N3801103.45IK

U

%

U20

U2

100%

110

105

100%

4.54%U20110（3）空載電流很小，可視空載損耗近似鐵損，即（W）原、副繞組的銅損為（W）所以，變壓器的效率為結(jié)論：接入變壓器以后，輸出功率大大提高。電子線路中，常利用阻抗匹配實現(xiàn)最大輸出功率。Fe

0

P

P

202 2 2 2

PCu

R1

I1N

R2

I2

N

0.6

5.27

0.05

18.18

33.19U2

I2

cos

22

22 Cu Fe105

18.18

1

100%U

I

cos

P

P100%

99.29%105

18.18

1

33.196

20

三相變壓器的應(yīng)用04現(xiàn)代電力系統(tǒng)都采用三相制，所以三相變壓器使用得最為廣泛。三相變壓器在對稱負載下運行時，各相電壓、電流大小相等，相位彼此相差120°，各相參數(shù)也相等。1.4三相變壓器的應(yīng)用1.三相組式變壓器的磁路系統(tǒng)三相組式變壓器：由三臺相同的單相變壓器組合而成，如圖1-15所示。磁路特點：（1）三相磁路彼此獨立，互不關(guān)聯(lián)，即各相主磁通都有自己獨立的磁路。（2）三相磁路幾何尺寸完全相同，即各相磁路的磁阻相等。（3）外加三相對稱電壓時，三相主磁通對稱，三相空載電流對稱。1.4.1三相變壓器的磁路系統(tǒng)——鐵心的結(jié)構(gòu)特點圖1-15

三相組式變壓器組的磁路系統(tǒng)2.

三相心式變壓器的磁路系統(tǒng)與三相組式不同，三相心式變壓器的磁路相互關(guān)聯(lián)，它是通過鐵軛把三個鐵心柱連在一起的，如圖1-16所示。這種鐵心結(jié)構(gòu)是從單相變壓器演變過來的，把三個單相變壓器鐵心柱的一邊組合到一起，而將每項繞組纏繞在未組合的鐵心柱上。由于在對稱的情況下，組合在一起的鐵心柱中不會有磁通存在，故可以省去。和同容量的三相組式變壓器相比，三相心式變壓器所用的材料較少、質(zhì)量小。它的缺點是供電時，任何一相發(fā)生故障，整個變壓器都要進行更換。如果采用三相組式變壓器，只要更換出現(xiàn)故障的一相即可。三相心式變壓器的備用容量為組式變壓器的三倍；對于大型變壓器來說，如果采用心式結(jié)構(gòu)，體積較大，運輸不便?；谝陨峡紤]，為節(jié)省材料，多數(shù)三相變壓器采用心式結(jié)構(gòu)。但對于大型變壓器而言，為減少備用容量以及確保運輸方便，一般都是三相組式變壓器。圖1-16三相心式變壓器的磁路系統(tǒng)1.4.1三相變壓器的磁路系統(tǒng)——鐵心的結(jié)構(gòu)特點三相變壓器原、副繞組不同的連接組別，導(dǎo)致了原、副繞組相應(yīng)的電動勢（線電壓）的相位差也就不同，它是三相變壓器并聯(lián)運行必不可少的條件之一。而單相變壓器的連接組別是三相變壓器連接組的基礎(chǔ)。1.4.2三相變壓器電路系統(tǒng)——連接組1.變壓器原邊、副邊繞組首末端標記及連接方法單相變壓器原邊繞組的首、末端被標記為U、X；把副邊繞組的首、末端標記為u、x。對三相變壓器而言，為研究方便，也對其首、末端加以標記，如表1-2所示。表1-2三相變壓器首末端標記理論上來說，三相變壓器的原邊、副邊繞組都可以根據(jù)需要接成星形(Y)或三角形(△)。一旦按規(guī)定的接法連接完成，其表示方法便隨之確定。為方便起見，用Y/y表示原、副邊的星形接法；用D/d來表示原、副邊的三角形接法。原邊繞組在接成星形時，如果有中線引出，則用YN表示；副邊繞組在接成星形時，如果有中線引出，則用yn表示。連接組是變壓器運行中的一個重要概念。下面，首先來研究單相變壓器的連接組，在此基礎(chǔ)上引入三相變壓器的連接組。1.4.2三相變壓器電路系統(tǒng)——連接組繞組名稱首端末端中點原邊繞組U、V、WX、Y、ZO副邊繞組U、v、wX、y、zO2.單相變壓器的連接組單相變壓器的原邊、副邊繞組纏繞在同一根鐵心柱上，并被同一主磁通交鏈，任何時刻兩個繞組的感應(yīng)電動勢都會在某一端呈現(xiàn)高電位的同時，在另外一端呈現(xiàn)出低電位。借用電路理論的知識，把原邊、副邊繞組中同時呈現(xiàn)高電位（低電位）的端點稱為同名端，并在該端點旁加“.”來表示。按照慣例，統(tǒng)一規(guī)定原邊、副邊繞組感應(yīng)電動勢的方向均從首端指向末端。一旦兩個繞組的首、末端定義完之后，同名端便由繞組的繞向決定。當同名端同時為原邊、副邊繞組的首端(末端)時，

和

E

同相位，用連接組I/I-12表示，如圖1-17所示。否則，E

UX

和E

ux

相位相差180

，用連接組I/I-6表示，如圖1-18所示。由此可見，單相變壓器原邊、副邊感應(yīng)電動勢的方向存在兩種可能：同為電動勢升（降）；一個為電動勢升，另一個為電動勢降。圖1-17I/I-12連接組 圖1-18I/I-6連接組1.4.2三相變壓器電路系統(tǒng)——連接組UXEux3.三相變壓器的連接組三相變壓器的連接組由兩部分組成，一部分表示三線變壓器的連接方法，另一部分為連接組的標號。下面詳細介紹確定連接組的方法。連接組標號是由原邊、副邊線電動勢的相位差決定的。三相變壓器的三個鐵心柱上都有分別屬于原邊繞組和副邊繞組的一組，它們的相位關(guān)系與單相變壓器原邊、副邊繞組感應(yīng)電動勢的關(guān)系完全一樣。根據(jù)電路理論可知，當三相繞組星形連接時，線電動勢的大小為相電動勢的

倍，相位則超前相應(yīng)相電動勢30 ；當三相繞組三角形連接時，線電動勢與相電動勢相等。所以在原邊、副邊相電動勢的相位關(guān)系知道后，線電動勢的關(guān)系也隨之確定，便可根據(jù)線電動勢的相位關(guān)系來確定連接組標號。連接組標號有兩層含義：一方面原邊、副邊電動勢相位差都是30 的倍數(shù)，該倍數(shù)即為連接組標號；另一方面代表著時鐘的整點數(shù)。如果規(guī)定原邊線電動勢作為分針始終指向12點不動，副邊繞組的線電動勢作為時針，按順時針轉(zhuǎn)動，指向幾點，則連接組標號就是幾，這就是所謂的鐘表法。1.4.2三相變壓器電路系統(tǒng)——連接組（1）由三相變壓器的接線圖確定連接組。在已知三相變壓器接線圖的情況下，可以按如下步驟來確定其連接組。首先畫出原邊繞組相電動勢的相量圖，并根據(jù)其連接方式求出線電動勢；然后把U點當作u點，根據(jù)同名端，確定副邊繞組相電動勢與原邊相電動勢的相位關(guān)系，畫出副邊相電動勢的相量圖，再由其連接方式求出副邊的線電動勢；最后根據(jù)相量圖所示的原邊、副邊線電動勢相位差，得到連接組標號。如圖1-19所示為Y，y0連接組。圖1-19

Y，y0連接組1.4.2三相變壓器電路系統(tǒng)——連接組（2）由三線變壓器的連接組確定連線圖。這可以看成是上一過程的逆過程，其步驟如下：首先根據(jù)連接組所示的連接方法，初步畫出原邊、副邊繞組的連線方式，并且按照常規(guī)，定義原邊繞組的出線端標志及相電動勢、線電動勢，在此基礎(chǔ)上，畫出原邊繞組相量圖；然后把U點當作u點，根據(jù)連接組標號，在相量圖中畫出副邊繞組的線電動勢、相電動勢；最后根據(jù)原邊、副邊線電動勢的相位關(guān)系，確定副邊繞組的出線端標志、同名端。由此可見，當原邊、副邊繞組采用相同的連接方式時，連接組標號均為偶數(shù)，并且原邊、副邊繞組感應(yīng)電動勢的相序一致，標號的改變并不會影響相序。當原邊、副邊繞組采用不同的連接方式時，連接組標號均為奇數(shù)。1.4.2三相變壓器電路系統(tǒng)——連接組三相變壓器并聯(lián)運行，就是將兩臺或以上變壓器的一次繞組并聯(lián)在同一電壓的母線上，二次繞組并聯(lián)在另一電壓的母線上運行。其意義是：當一臺變壓器發(fā)生故障時，并聯(lián)運行的其他變壓器仍可以繼續(xù)運行，以保證重要用戶的用電；或當變壓器需要檢修時，可以先并聯(lián)上備用變壓器，再將要檢修的變壓器停電檢修，既能保證變壓器的計劃檢修，又能保證不中斷供電，提高供電的可靠性。又由于用電負荷季節(jié)性很強，在負荷輕的季節(jié)可以將部分變壓器退出運行，這樣既可以減少變壓器的空載損耗，提高效率，又可以減少無功勵磁電流，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。圖1-20為并聯(lián)運行接線圖。圖1-20變壓器并聯(lián)運行接線圖變壓器并聯(lián)運行最理想的運行情況是：當變壓器已經(jīng)并聯(lián)起來，但還沒有帶負荷時，各臺變壓器之間應(yīng)沒有循環(huán)勵磁電流；同時帶上負荷后各臺變壓器能合理地分配負荷，即應(yīng)該按照它們各自的容量比

例來分擔負荷。因此，為了達到理想的運行情況，變壓器并聯(lián)運行時，必須滿足下面一些條件。1.4.3三相變壓器并聯(lián)運行（1）電壓比相等。兩臺電壓比不相等的變壓器并聯(lián)時，將在這兩臺變壓器回路內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，環(huán)流的大小決定了兩臺變壓器電壓比差異的大小。因兩臺變壓器的一次繞組接到同一電源，即原邊電壓相等，如果電壓比不同，二次繞組空載電壓就不相等，并聯(lián)運行后，兩臺變壓器二次繞組就產(chǎn)生均壓電流，根據(jù)磁勢平衡關(guān)系，兩臺變壓器的一次繞組也同時產(chǎn)生環(huán)流。環(huán)流的大小為兩臺變壓器原邊電壓差ΔV除以兩臺變壓器在容量、阻抗都相等的情況下，空載運行電流可達額定電流的11%左右。（2）連接組別必須相同。當連接組不同的變壓器并聯(lián)時，變壓器的副邊電壓相位就不同，至少相差30 ，因此會產(chǎn)生很大的電壓差，在這個電壓差的作用下將出現(xiàn)很大的環(huán)流。假如一個Y，yn0組和y，d11組其他條件相同的兩臺變壓器并聯(lián)，環(huán)流是額定電流的5倍，而Y，yn0和Y，yn6并聯(lián)時環(huán)流是額定電流的20倍。所以，連接組別不同的兩臺變壓器絕對不能并聯(lián)。1.4.3三相變壓器并聯(lián)運行（3）短路阻抗相同。短路阻抗不同的變壓器并聯(lián)運行，各變壓器之間雖然沒有循環(huán)電流，但會使兩臺變壓器的負載分配不同，其負載分配和額定容量成正比，和阻抗電壓成反比，也就是說，短路阻抗小的變壓器分擔的負載偏高，阻抗大的變壓器分擔的負載偏低。所以兩臺變壓器并聯(lián)運行時，短路阻抗偏差不得超過±10%。（4）容量比要求在0.5～2.0。1.4.3三相變壓器并聯(lián)運行其他用途變壓器05隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，除了前面介紹的普通雙繞組電力變壓器外，相應(yīng)地出現(xiàn)了適用于各種用途的特殊變壓器，雖然種類和規(guī)格很多，但是其基本原理與普通雙繞組變壓器相同或相似，不再作一一討論。本節(jié)主要介紹較常用的自耦變壓器、儀用互感器、弧焊變壓器的工作原理及特點。1.5其他用途變壓器1.結(jié)構(gòu)特點及用途前面敘述的變壓器，其一、二次繞組是分開繞制的，它們雖裝在同一鐵心上，但相互之間是絕緣的，即一、二次繞組之間只有磁的耦合，而沒有電的直接聯(lián)系。這種變壓器稱為雙繞組變壓器。如果把一、二次繞組合二為一，使二次繞組成為一次繞組的一部分，這種只有一個繞組的變壓器稱為自耦變壓器，其工作原理如圖1-21所示。1.5.1自耦變壓器圖1-21自耦變壓器工作原理圖可見自耦變壓器的一、二次繞組之間除了有磁的耦合外，還有電的直接聯(lián)系。自耦變壓器可節(jié)省銅和鐵的消耗量，從而減小變壓器的體積、重量，降低制造成本，且有利于大型變壓器的運輸和安裝。在高壓輸電系統(tǒng)中，自耦變壓器主要用來連接兩個電壓等級相近的電力網(wǎng)，作聯(lián)絡(luò)變壓器之用。在實驗室，常用具有滑動觸點的自耦調(diào)壓器獲得可任意調(diào)節(jié)的交流電壓。此外，自耦變壓器還常用作異步電動機的起動補償器，對電動機進行降壓起動。2.電壓、電流及容量關(guān)系自耦變壓器也是利用電磁感應(yīng)原理工作的，當一次繞組U1、U2兩端加交變電壓U1時，鐵心中產(chǎn)生交變的磁通，并分別在一次繞組及二次繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E1及E2，它們也有下述關(guān)系：U1≈E1＝4.44fN1ФmU2＝E2＝4.44fN2Фm故自耦變壓器的變比K為當自耦變壓器二次繞組加上負載后，由于外加電源電壓不變，故主磁通近似不變，因此總的勵磁磁通勢仍等于空載磁通勢，即若忽略空載磁通勢，則N1

I1

N2

I2

0

，上式說明，自耦變壓器一、二次繞組中的電流大小與匝數(shù)成反比，在相位上互差180

。1.5.1自耦變壓器

1

1

1

KU2

E2

N2uU E N

KN1

I1

N2

I2

N1

I0

N2

I2K1I

I2

N1

可見流經(jīng)公共繞組中的電流總是小于輸出電流I2

。當變比K接近于1時，則I1與I2的數(shù)值相差不大，即公共繞組中的電流I很小，因而這部分繞組可用截面積較小的導(dǎo)線繞制，以節(jié)約用銅量，并減小自耦變壓器的體積與重量。自耦變壓器輸出的視在功率為S2＝U2I2＝U2（I＋I1）＝U2I＋U2I1從上式可看出，自耦變壓器的輸出功率由兩部分組成，其中U2I部分是依據(jù)電磁感應(yīng)原理從一次繞組傳遞到二次繞組的