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文檔簡介
第5章其他變壓器5.1三繞組變壓器5.2自耦變壓器5.3電焊變壓器習(xí)題5.1三繞組變壓器5.1.1結(jié)構(gòu)與原理三繞組變壓器每相有三個繞組,高壓繞組1,中壓繞組2,低壓繞組3。它們同心地套裝在同一鐵芯柱上,其中一個繞組接電源,另兩個繞組輸出兩個等級的電壓,其結(jié)構(gòu)和原理如圖5-1(a)、(b)所示。圖5-1三繞組變壓器(a)結(jié)構(gòu)示意圖;(b)原理示意圖三個繞組在鐵芯柱外層的排列布置,既要考慮絕緣處理的方便,又要考慮功率傳遞的方向。從絕緣角度考慮,高壓繞組不宜靠近鐵芯,應(yīng)排列在外層。對變電所中的降壓變壓器,功率由高壓側(cè)向中、低壓側(cè)傳遞,則選用低壓繞組排放在最里層,中壓繞組排放在中間層的排列布置方式,如圖5-2(a)所示。而發(fā)電廠中的升壓變壓器,功率由低壓側(cè)向高、中壓側(cè)傳遞,一般采用中壓繞組2排放在最里層,低壓繞組3排放在中間層的排列布置方式,如圖5-2(b)所示。圖5-2三繞組變壓器的繞組布置圖(a)降壓變壓器;(b)升壓變壓器5.1.2容量與連接組別根據(jù)供電的實際需要,三個繞組的容量可以設(shè)計為相同的,也可以設(shè)計為不同的。通常,三繞組變壓器銘牌上標(biāo)注的額定容量是指三個繞組中其中最大的一個繞組的容量,而另外兩個繞組的容量,可以是額定容量,也可以小于額定容量。若額定容量為100,則按國家標(biāo)準(zhǔn),三個繞組的容量搭配關(guān)系如表5-1所示。注意,上述三繞組容量搭配關(guān)系僅代表各繞組傳遞功率的能力,并不是實際功率傳遞時的分配比例。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,三相三繞組變壓器的標(biāo)準(zhǔn)連接組別有YN,yn0,d11和YN,yn0,y0兩種。5.1.3變比、磁動勢方程式和等值電路
1.變比三繞組變壓器負(fù)載運行示意圖如圖5-3所示,設(shè)三個繞組1、2、3的匝數(shù)分別為N1、N2、N3,則三個變比為
(5-1)式中:U1N、U2N、U3N分別為各繞組的額定相電壓。圖5-3三繞組變壓器負(fù)載運行示意圖
2.磁動勢方程式從圖5-3可以看出,三繞組變壓器負(fù)載運行時,主磁通與三個繞組交鏈,參照雙繞組變壓器磁動勢平衡方程可類似推出,三繞組變壓器負(fù)載運行時的磁動勢平衡方程式為
(5-2)由于勵磁電流很小,可忽略不計,則得
(5-3)把繞組2與繞組3分別折算到繞組1,即,則有,(5-4)
3.等值電路用與雙繞組變壓器類似的方法,可得折算到原邊繞組側(cè)的三繞組變壓器的簡化等值電路如圖5-4所示。圖中的x1、是由各繞組的自感漏電抗及繞組間的互感漏電抗合成的等值電抗,由于與自感漏電抗和互感漏電抗相對應(yīng)的自漏磁通和互漏磁通主要通過空氣閉合,因此等值電抗值為常數(shù)。圖5-4三繞組變壓器簡化等值電路5.2自耦變壓器5.2.1結(jié)構(gòu)特點原邊繞組和副邊繞組共用一個繞組的變壓器稱為自耦變壓器。單相自耦變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖和原理接線圖如圖5-5所示。從結(jié)構(gòu)上看,自耦變壓器的每相鐵芯柱上套有兩個同心繞組。其中AX為高壓繞組,匝數(shù)為N1,ax為低壓繞組,匝數(shù)為N2。ax繞組是AX繞組的一部分,既是副邊繞組,又是原邊繞組的一部分,稱為公共繞組。Aa繞組匝數(shù)為N1-N2,稱為串聯(lián)繞組??梢娮择钭儔浩髟?、副邊繞組之間不僅有磁的耦合,還有電的直接聯(lián)系,這是自耦變壓器與雙繞組變壓器的主要區(qū)別。圖5-5自耦變壓器(a)結(jié)構(gòu)示意圖;(b)原理接線圖5.2.2基本電磁關(guān)系自耦變壓器也是利用電磁感應(yīng)原理工作的,這里以單相自耦變壓器為例分析它的基本電磁關(guān)系。
1.電壓關(guān)系當(dāng)原邊繞組AX端施加電壓時,鐵芯中產(chǎn)生交變主磁通,并分別在原、副邊繞組中感應(yīng)出電動勢和,若忽略漏阻抗壓降,則有
(5-5)
故自耦變壓器的變比k為
(5-6)則
(5-7)
2.電流關(guān)系當(dāng)自耦變壓器負(fù)載運行時,由于外加電源電壓不變,主磁通近似不變,總的勵磁磁動勢仍與空載磁動勢相等,即
(5-8)忽略空載電流,得
(5-9)則
(5-10)式(5-10)說明,自耦變壓器原、副邊繞組中的電流大小與匝數(shù)成反比,且相位上互差180°。因此公共繞組中的電流為
(5-11)由此可見,公共繞組中的電流與同相位,但I(xiàn)在數(shù)值上總是小于輸出電流I2。三者有效值的關(guān)系為I=I2-I1
I=I2-I1(5-12)當(dāng)變比k接近于1時,I1與I2數(shù)值上相差很小,即公共繞組中的電流I很小,因此公共繞組部分可用截面積較小的導(dǎo)線繞制,以節(jié)約用銅量。
3.容量關(guān)系在雙繞組變壓器中,變壓器的容量等于繞組容量。所謂繞組容量,是指繞組兩端的電壓與通過繞組電流的乘積。但在自耦變壓器中兩者是不相等的。自耦變壓器的容量(銘牌容量)是指輸入容量,它與輸出容量相等。其額定負(fù)載運行時額定容量為SN=U1NI1N=U2NI2N(5-13)但串聯(lián)繞組(Aa繞組)的繞組容量為
(5-14)公共繞組(ax繞組)的繞組容量為
(5-15)式(5-14)、(5-15)說明,串聯(lián)繞組和公共繞組的容量相等,均小于自耦變壓器的額定容量,數(shù)值上是額定容量的倍。變比k越接近于1,繞組容量就越小,省材、尺寸小、效率高的優(yōu)點越顯著。所以,自耦變壓器主要適用于k<2的場所。自耦變壓器在正常運行時,其輸出容量S2=U2I2=U2(I+I1)=U2I+U2I1(5-16)從式(5-16)可以看出,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)原理從原邊繞組傳遞到副邊繞組(即負(fù)載)的功率,與雙繞組變壓器傳遞方式相同。U2I1則是通過電路的直接聯(lián)系從原邊繞組直接傳遞到副邊繞組的功率。由于I1只在串聯(lián)繞組中通過,因此產(chǎn)生的銅損耗較小,所以,自耦變壓器效率較高。
【例5-1】在一臺容量為15kV·A的自耦變壓器中,已知U1=220V,N1=150匝。(1)如果要使輸出電壓U2=210V,應(yīng)該在繞組的何處有抽頭?滿載時I1和I2各是多少?此時公共繞組中的電流是多少?(2)如果輸出電壓U2=110V,那么公共繞組中的電流又是多少?解
(1)根據(jù)公式可知副邊繞組的匝數(shù)N2,即抽頭處的匝數(shù)為由于自耦變壓器的效率很高,可以認(rèn)為U1I1=U2I2=SN=15×103V·A因此滿載時的電流為則公共繞組中的電流為I=I2-I1=71.4A-68.2A=3.2A
(2)如果輸出電壓U2=110V,則此時,公共繞組中的電流為I=I2-I1=136.4A-68.2A=68.2A5.2.3自耦變壓器的主要優(yōu)、缺點
1.主要優(yōu)點
(1)自耦變壓器的繞組容量小于額定容量,所以在額定容量相同的情況下,自耦變壓器體積小,重量輕,節(jié)省材料,成本較低。
(2)由于節(jié)省有效材料(硅鋼片和銅線等),使得銅損耗和鐵損耗都相應(yīng)減少,效率較高。
(3)便于運輸和安裝,占地面積小。2.主要缺點
(1)自耦變壓器高、低壓側(cè)有電的直接聯(lián)系,在高壓側(cè)發(fā)生故障會殃及到低壓側(cè),為此,自耦變壓器的運行方式、繼電保護(hù)及過電壓保護(hù)裝置等都比雙繞組變壓器復(fù)雜。
(2)自耦變壓器的短路阻抗比同容量雙繞組變壓器小,所以短路電流較大,需采用相應(yīng)的限制和保護(hù)措施。5.3電焊變壓器在生產(chǎn)實際中,交流電焊機(jī)被廣泛應(yīng)用。而交流電焊機(jī)的主要組成部分是電焊變壓器,它實質(zhì)上是一臺特殊的降壓變壓器。為了保證焊接質(zhì)量和電弧的穩(wěn)定燃燒,對電焊變壓器有以下幾點要求:
(1)電焊變壓器應(yīng)具有60~75V的空載電壓,以保證起弧容量。為了保證操作人員的安全,空載起弧電壓一般不超過85V。
(2)在負(fù)載時,電壓應(yīng)隨負(fù)載的增大而急劇下降,即應(yīng)有陡降的外特性,如圖5-6所示,以滿足電弧特性的要求。
(3)在短路時,短路電流ISC不應(yīng)過大,以免損壞電焊機(jī)。
(4)為了適應(yīng)焊接不同工件和不同焊條的需要,要求電焊變壓器的輸出電流在一定范圍內(nèi)均勻可調(diào)。圖5-6電焊變壓器外特性為了滿足上述要求,從普通變壓器原理可知,電焊變壓器必須具有較大的漏抗,而且可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。電焊變壓器的原、副邊繞組一般分裝在不同的鐵芯柱上,以使繞組的漏抗比較大。改善漏抗的方法很多,但常用的有磁分路法和串聯(lián)可變電抗法兩種。磁分路動鐵芯式電焊機(jī)是具有代表性的一類交流電焊機(jī),其原理示意圖如圖5-7所示。它的鐵芯由固定鐵芯和活動鐵芯兩部分組成。固定鐵芯為“口”字形,兩側(cè)芯柱上繞有原邊繞組和副邊繞組。在固定鐵芯中間的螺桿上加裝一個活動鐵芯,提供一個磁分路。移動活動鐵芯,可以改變固定鐵芯中的磁通,調(diào)節(jié)焊接電流。這樣,通過調(diào)節(jié)磁分路的磁阻,即可調(diào)節(jié)漏抗大小和焊接電流的大小,以滿足工件和焊條的不同要求。在副邊繞組中常備有分接頭,以便調(diào)節(jié)空載時的起弧電壓大小。圖5-7磁分路動鐵芯式電焊機(jī)原理示意圖(a)鐵芯及繞組圖;(b)電路圖串聯(lián)電抗器的電焊變壓器如圖5-8所示。它是在副邊繞組回路中串接一個可調(diào)電抗器,調(diào)節(jié)電抗器中的螺桿,即可調(diào)節(jié)電抗器的氣隙。當(dāng)氣隙增大時,電抗器的電抗減小,焊接電流增大。反之,當(dāng)氣隙減小時,電抗增大,焊接電流減小。另外,在原邊繞組中還備有分接頭,以便調(diào)節(jié)起弧電壓的大小。除以上兩種類型的交流電焊機(jī)
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