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變壓器1.1變壓器的基本結(jié)構(gòu)、分類、用途和銘牌數(shù)據(jù)1.2單相變壓器的工作原理和性質(zhì)1.3三相變壓器及其連接1.4其他常用變壓器本章小結(jié)
1.1變壓器的基本結(jié)構(gòu)、分類、用途和銘牌數(shù)據(jù)
1.1.1變壓器的基本結(jié)構(gòu)
變壓器作為一種靜止的電氣設(shè)備,其基本結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成:鐵芯和繞組。對于不同種類的變壓器,還裝有其他附件,結(jié)構(gòu)也各不相同。
1.鐵芯
鐵芯是變壓器的磁路部分,同時作為變壓器的結(jié)構(gòu)骨架。
目前國產(chǎn)硅鋼片有熱軋硅鋼片、冷軋無取向硅鋼片、冷軋晶粒取向硅鋼片等。
根據(jù)鐵芯的結(jié)構(gòu)形式,變壓器可分為殼式變壓器和心式變壓器兩大類。殼式變壓器是鐵軛包圍繞組的頂面、底面和側(cè)面,在中間的鐵芯柱上放置線圈,形成鐵芯包圍繞組的形狀,如圖1-1所示。圖1-1(a)為單相殼式變壓器,圖1-1(b)為三相殼式變壓器。圖1-1殼式變壓器
心式變壓器是在鐵芯的鐵芯柱上放置線圈,形成線圈包圍鐵芯的形狀,而鐵軛只靠著線圈的頂面和底面,如圖12所示。圖1-2(a)為單相心式變壓器,圖1-2(b)為三相心式變壓器。圖1-2心式變壓器
2.繞組
繞組是變壓器的電路部分,它一般是用具有絕緣的漆包圓銅線、扁銅線或扁鋁線繞制而成的。接于高壓電網(wǎng)的繞組稱為高壓繞組;接于低壓電網(wǎng)的繞組稱為低壓繞組。根據(jù)高、低壓繞組的相對位置,繞組可分為同心式和交疊式兩種類型。
同心式繞組的高、低壓繞組同心地套在鐵芯柱上,如圖1-2所示。
交疊式繞組是將高壓繞組及低壓繞組分成若干個線餅,交替地套在鐵芯柱上,為了便于絕緣,靠近上下鐵軛的兩端一般都放置低壓繞組,如圖1-3所示,它又稱1—低壓繞組;2—高壓繞組為餅式繞組。高、低壓繞組之間的間隙較多,絕緣比較復(fù)雜,主要用于特種變壓器中。這種繞組漏抗小,機械強度高,但高、低壓繞組之間的絕緣比較復(fù)雜,一般用于低電壓大電流的變壓器中,如電爐變壓器、電焊變壓器等。圖1-3交疊式繞組
1.1.2變壓器的分類
變壓器種類很多,通??砂雌溆猛?、繞組數(shù)目、鐵芯結(jié)構(gòu)、相數(shù)和冷卻方式等進行分類。
按用途分類,有用于電力系統(tǒng)升、降壓的電力變壓器;還有以大電流和恒流為特征的變壓器,如電焊變壓器、電爐變壓器和整流變壓器等;供傳遞信息和測量用的變壓器,如電磁傳感器、電壓互感器和電流互感器等;在自控系統(tǒng)中還有脈沖變壓器、音頻和高頻變壓器等多種特殊變壓器。
按繞組數(shù)目分類,可分為雙繞組變壓器、三繞組變壓器、多繞組變壓器和自耦變壓器等。
按鐵芯結(jié)構(gòu)分類,可分為心式變壓器和殼式變壓器。
按相數(shù)分類,可分為單相變壓器、三相變壓器和多相變壓器等。
按冷卻方式分類,可分為干式變壓器、油浸自冷變壓器、油浸風(fēng)冷變壓器、充氣式變壓器和強迫油循環(huán)變壓器等。
1.1.3變壓器的用途
在電力系統(tǒng)中,變壓器是一種非常重要的電氣設(shè)備。
變壓器在輸、配電系統(tǒng)中起著非常重要的作用。在其他需要特種電源的工業(yè)企業(yè)中,變壓器的應(yīng)用也很廣泛,如供電給整流設(shè)備、電爐等;此外在試驗設(shè)備、測量設(shè)備和控制設(shè)備中也應(yīng)用著各種類型的變壓器。
1.1.4變壓器的銘牌數(shù)據(jù)
為保證變壓器的正確使用,保證其正常工作,在每臺變壓器的外殼上都附有銘牌,標志其型號和主要參數(shù)。變壓器的銘牌數(shù)據(jù)主要有以下幾種。
1.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。
2.額定電壓UN
標志在銘牌上的各繞組在空載、額定分接下端電壓的保證值,稱為額定電壓,單位以V或kV表示。對三相變壓器,額定電壓是指線電壓。
3.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,單位以A表示。對單相變壓器,一、二次繞組的額定電流分別為
對三相變壓器,一、二次繞組的額定電流分別為
4.額定頻率fN
我國規(guī)定標準工業(yè)用電的額定頻率為50Hz。
此外,額定運行時變壓器的效率、溫升等數(shù)據(jù)均為額定值。除額定值外,銘牌上還標有變壓器的相數(shù)、連接方式與組別、運行方式(長期運行或短時運行)及冷卻方式等。
1.2單相變壓器的工作原理和性質(zhì)
1.2.1單相變壓器的工作原理1.變壓器的空載運行
變壓器的一次繞組接在額定電壓的交流電源上,而二次繞組開路時的運行狀態(tài)稱為變壓器的空載運行。圖1-4是單相變壓器空載運行的示意圖。圖中u1為一次繞組電壓,u02為二次繞組空載電壓,N1和N2分別為一、二次繞組的匝數(shù)。圖1-4單相變壓器空載運行示意圖
1)變壓器空載運行時各物理量的關(guān)系式
當變壓器的一次繞組加上交流電壓u1時,一次繞組內(nèi)便有一個交變電流i0流過。由于二次繞組是開路的,故二次繞組中沒有電流。此時一次繞組中的電流i0稱為空載電流。同時在鐵芯中產(chǎn)生交變磁通Φ,其同時穿過變壓器的一、二次繞組,因此又稱之為交變主磁通。設(shè)
則變壓器一次繞組的感應(yīng)電動勢為
式中,Φm為鐵芯中的磁通,f為頻率,ω為角頻率。
式(12)表明,e1滯后于主磁通p/2電角。式中2pfΦmNl為感應(yīng)電動勢的最大值,用E1m表示。把E1m除以2,則可求出變壓器一次繞組感應(yīng)電動勢的有效值為
2)變壓器的電壓變換
由式(1-3)和式(1-4)可見,由于變壓器一、二次繞組的匝數(shù)N1和N2不相等,因而E1和E2的大小是不相等的,變壓器輸入電壓U1和變壓器二次側(cè)電壓U02的大小也不相等。變壓器一、二次繞組電壓之比為
式中,Ku稱為變壓器的電壓比,也可用K來表示,這是變壓器中最重要的參數(shù)之一。
2.變壓器的負載運行
當變壓器的二次繞組接上負載阻抗ZL時,則變壓器投入負載運行,如圖1-5所示。這時二次繞組中就有電流I2流過,I2隨負載的大小而變化,同時一次電流I1也隨之改變。變壓器負載運行時的工作情況與空載運行時的工作情況明顯不同。圖1-5變壓器負載運行示意圖
1)變壓器負載運行時的磁動勢平衡方程
二次繞組接上負載后,電動勢E2將在二次繞組中產(chǎn)生電流I2,同時一次繞組的電流從空載電流I0相應(yīng)地增大為電流I1。I2越大,I1也越大。
從能量轉(zhuǎn)換角度來看,二次繞組接上負載后,產(chǎn)生電流I2,二次繞組向負載輸出電能。這些電能只能由一次繞組從電源吸取,通過主磁通Φ1傳遞給二次繞組。二次繞組輸出的電能越多,一次繞組吸取的電能也就越多。因此,二次電流變化時,一次電流也會相應(yīng)地變化。
2)變壓器的電流變換
1.2.2單相變壓器的性質(zhì)
1.電壓變換
電壓變換可以描述為
2.電流變換
電流變換可以描述為
此外,變壓器還有阻抗變換的性質(zhì)。
3.阻抗變換
阻抗變換如圖1-6所示。圖1-6變壓器的阻抗變換
由式(1-16)可知:
(1)只要改變變壓器一次、二次繞組的匝數(shù)比,就可以改變變壓器一次、二次繞組的阻抗比,從而獲得所需的阻抗匹配。
(2)接在變壓器二次側(cè)的負載阻抗Z2對變壓器一次側(cè)的影響,可以用一個接在變壓器一次側(cè)的等效阻抗
來代替,代替后變壓器一次電流I1不變。
例1-1已知某音響設(shè)備輸出電路的輸出阻抗為320Ω,所接的揚聲器阻抗為5Ω,現(xiàn)在需要接一輸出變壓器使兩者實現(xiàn)阻抗匹配,試求:
(1)該變壓器的電壓比Ku;
(2)若該變壓器一次繞組匝數(shù)為480匝,二次繞組匝數(shù)為多少?
解(1)根據(jù)已知條件,輸出變壓器一次繞組的阻抗Z1=320Ω,二次繞組的阻抗Z2=5Ω,由式(1-16)得變壓器的電壓比為
(2)由式(1-9)知
則變壓器二次繞組匝數(shù)為
1.3三相變壓器及其連接
1.3.1三相變壓器的組成
三相變壓器按照其磁路系統(tǒng)的不同可以由三臺同容量的單相變壓器組成,稱為三相變壓器組;也可由三個單相變壓器合成一個三鐵芯柱的三相心式變壓器。
1.三相變壓器組
三相變壓器組是指根據(jù)需要,把三個同容量的變壓器的一次、二次繞組分別接成星形或三角形。一般三相變壓器組的一次、二次繞組均采用星形連接,如圖1-7所示。圖1-7三相變壓器組
2.三相心式變壓器
三相心式變壓器是由三相變壓器組演變而來的。把三個單相心式變壓器合并成如圖1-8(a)所示的結(jié)構(gòu),通過中間芯柱的磁通為三相磁通的相量和。
當三相電壓對稱時,三相磁通總和即中間芯柱中無磁通通過,可以省略,如圖1-8(b)所示。為了制造方便和節(jié)省硅鋼片,將三相鐵芯柱布置在同一平面內(nèi),演變成為如圖1-8(c)所示的結(jié)構(gòu),這就是目前廣泛采用的三相心式變壓器的鐵芯。圖1-8三相心式變壓器
3.兩類變壓器的比較
比較上述兩種類型磁路系統(tǒng)的三相變壓器可以看出,在相同的額定容量下,三相心式變壓器較之三相變壓器組具有節(jié)省材料、效率高、價格便宜、維護方便、安裝占地少等優(yōu)點,因而得到廣泛應(yīng)用。但是對于大容量變壓器來說,三相心式變壓器就暴露出它的缺點。因為三相變壓器組是由三個獨立的單相變壓器組成的,所以在起重、運輸、安裝時可以分開處理,困難就大為減小,同時還可以降低備用容量,每組只要一臺單相變壓器作為備用就可以了。所以對一些超高壓、特大容量的三相變壓器,當制造及運輸有困難時,有時就采用三相變壓器組。
1.3.2三相變壓器的繞組連接
三相變壓器高、低壓繞組的首端常用U1、V1、W1和u1、v1、w1標記,而其末端常用U2、V2、W2和u2、v2、w2標記。單相變壓器的高、低壓繞組的首端則用U1、u1標記,其末端則用U2、u2標記,見表1-1。
1.變壓器繞組的極性及其測量
1)變壓器繞組的極性變壓器的一、二次繞組繞在同一個鐵芯上,都被同一主磁通Φ所交鏈,故當磁通Φ交變時,變壓器的一、二次繞組中感應(yīng)出的電動勢之間有一定的極性關(guān)系,即同一瞬間當一次繞組某一端點的電位為正時,二次繞組也必有一個端點的電位為正,這兩個對應(yīng)的端點,我們稱為同極性端或同名端,通常用符號“·”表示。圖1-9變壓器的兩種不同標記法
2)變壓器同名端的判定
對一臺變壓器,由于其繞組已經(jīng)過浸漆處理,并且安裝在封閉的鐵殼內(nèi),因此無法辨認其同名端。變壓器同名端的判定可用實驗的方法進行測定,測定的方法主要有直流法和交流法兩種。
2.三相變壓器繞組的連接方法
在三相電力變壓器中,不論是高壓繞組還是低壓繞組,我國均采用星形連接與三角形連接兩種方法。圖1-10三相繞組連接方法
3.三相變壓器的連接組別
在三相電力變壓器不同的接法中,一次繞組的線電壓與二次繞組的線電壓之間的相位關(guān)系是不同的,這就是所謂的三相變壓器的連接組別。其不僅與繞組的同名端和首末端的標記有關(guān),而且還與三相繞組的連接方式有關(guān)。
1)Yy連接組
如圖1-11(a)所示為三相變壓器Yy連接時的接線圖。圖中變壓器一、二次繞組均采用星形連接,并且一、二次繞組的首端都為同名端,故一、二次側(cè)相互對應(yīng)的相電動勢之間的相位相同,因此一、二次的線電動勢之間的相位也相同,如圖1-11(b)所示。圖1-11Yy0連接組圖1-12Yy6連接組圖1-13Yd11連接組圖1-14Yd1連接組
1.4其他常用變壓器
1.4.1自耦變壓器1.自耦變壓器的工作原理
前面介紹的普通雙繞組變壓器的一、二次繞組之間互相絕緣,各繞組之間只有磁的耦合而沒有電的直接聯(lián)系。
自耦變壓器是將一、二次繞組合成一個繞組,其中一次繞組的一部分兼做二次繞組,它的一、二次繞組之間不僅有磁的耦合,而且還有電的直接聯(lián)系,如圖1-15所示。圖中N1為自耦變壓器一次繞組的匝數(shù),N2為自耦變壓器二次繞組的匝數(shù)。
圖1-15自耦變壓器的工作原理
自耦變壓器與前面介紹的變壓器一樣,也是利用電磁感應(yīng)原理進行工作的。當在自耦變壓器的一次繞組U1、U2兩端加上交變電壓U1后,將會在變壓器的鐵芯中產(chǎn)生交變的磁通,同時在自耦變壓器的一、二次繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E1、E2。
由此可得自耦變壓器的電壓比Ku為
2.自耦變壓器的特點
自耦變壓器具有結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)省用銅量、效率比一般變壓器高等優(yōu)點。其缺點是一次側(cè)、二次側(cè)電路中有電的聯(lián)系,可能發(fā)生把高電壓引入低壓繞組的危險事故,很不安全,因此要求自耦變壓器在使用時必須正確接線,且外殼必須接地,并規(guī)定安全照明變壓器不允許采用自耦變壓器結(jié)構(gòu)形式。
低壓小容量的自耦變壓器,其二次繞組的接頭C常做成沿線圈自由滑動的觸頭,它可以平滑地調(diào)節(jié)自耦變壓器的二次繞組電壓,這種自耦變壓器稱為自耦調(diào)壓器。為了使滑動接觸可靠,這種自耦變壓器的鐵芯做成圓環(huán)形,在鐵芯上繞組均勻分布,其滑動觸頭由炭刷構(gòu)成。調(diào)節(jié)滑動觸頭的位置即可改變輸出電壓的大小。自耦調(diào)壓器的外形圖和電路原理圖如圖1-16所示。圖1-16自耦變壓器
1.4.2電壓互感器
電壓互感器屬于儀器用互感器的范疇,主要用來與儀表和繼電器等低壓電器組成二次回路,對一次回路進行測量、控制、調(diào)節(jié)和保護,在電工測量中主要用來按比例變換交流電壓。電壓互感器的結(jié)構(gòu)形式與工作原理和單相降壓變壓器基本相同,如圖1-17所示。圖1-17電壓互感器
使用電壓互感器時必須注意以下事項:
(1)電壓互感器的二次繞組在使用時絕不允許短路。如二次繞組短路,將產(chǎn)生很大的短路電流,導(dǎo)致電壓互感器燒壞。
(2)為保證操作人員的安全,電壓互感器的鐵芯和二次繞組的一端必須可靠接地。
(3)電壓互感器具有一定的額定容量,在使用時,二次側(cè)不宜接入過多的儀表,否則有可能超過電壓互感器的定額,使電壓互感器內(nèi)部阻抗壓降增大,影響測量的精確度。
1.4.3電流互感器
電流互感器也屬于儀器用互感器的范疇,同樣用來與儀表和繼電器等低壓電器組成二次回路,對一次回路進行測量、控制、調(diào)節(jié)和保護,在電工測量中主要用來按比例變換交流電流。電流互感器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理和單相變壓器相類似,如圖1-18所示。圖1-18電流互感器
使用電流互感器時,需注意以下事項:
(1)電流互感器的二次側(cè)絕不允許開路。因為如果二次側(cè)開路,則電流互感器處于空載運行狀態(tài),這時電流互感器一次繞組通過的電流就成為勵磁電流,使鐵芯中的磁通和鐵耗猛增,導(dǎo)致鐵芯發(fā)熱燒壞繞組;另外電流互感器產(chǎn)生的很大的磁通將在二次繞組中感應(yīng)出很高的電壓,危及人身安全或破壞繞組絕緣。因此在二次繞組中裝卸儀表時,必須先將二次繞組短路。
(2)電流互感器的二次側(cè)必須可靠接地,以保證工作人員及設(shè)備的安全。
1.4.4鉗形電流表
鉗形電流表是變壓器與交流電流表的組合,是電流互感器的另一種形式。它由一只電流表與二次繞組組成的閉合回路和一只鐵芯所構(gòu)成,如圖1-19所示。圖1-19鉗形電流表
例1-2設(shè)與電流表相連接的二次繞組的匝數(shù)為1000,若表頭指出被測電流為5A,一次繞組即被測電流的導(dǎo)線的匝數(shù)算作0.5。試求通過二次繞組的實際電流是多少。
解
1.4.5隔離變壓器
由于變壓器的一次、二次繞組通過磁通交鏈,沒有電的聯(lián)系,這就對一次側(cè)、二次側(cè)電路有著隔離的作用。在某些場合需要將兩個電路加以隔離,但又不想改變其電壓,為此可制成一種特殊的變壓器———隔離變壓器,它的一次、二次繞組的匝數(shù)相等,即N1=N2,它的電壓比Ku=1。
1.4.6脈沖變壓器
脈沖變壓器是用來變換脈沖的幅值的,同時可將各個脈沖電路加以隔離。例如在晶閘管裝置中,觸發(fā)電路的觸發(fā)脈沖通常是通過脈沖變壓器加到晶閘管的控制極上的。脈沖變壓器的結(jié)構(gòu)與一般變壓器相似,但是一般變壓器一次繞組加的是正弦交流電壓,而脈沖變壓器一次繞組加的卻是周期性前沿陡峭的單方向的脈沖電壓。為使傳遞的脈沖信號不失真,就要對變壓器的鐵芯材料與制造工藝有特殊的要求。脈沖變壓器的鐵芯要選用高磁導(dǎo)率的材料,線圈的匝數(shù)也不宜太多。
1.4.7多繞組變壓器
在某些用電設(shè)備中往往需要多種電壓,于是就在變壓器的鐵芯上繞制多個二次繞組,每個二次繞組提供一種電壓,這種變壓器稱為多繞組變壓器。例如電源變壓器(或控制變壓器)就有兩個二次繞組,將380V(或220V)變換為36V(作為照明燈電源)和6.3V(作為指示燈電源)。如圖1-20所示為有兩個二次繞組的多繞組變壓器。圖1-20多繞組變壓器
U1為一次繞組電壓,U2、U3為兩個二次繞組電壓。二次繞組與一次繞組的電壓關(guān)系仍符合電壓比的關(guān)系,即
本章小結(jié)
(1)變壓器作為一種靜止的電氣設(shè)
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