第六章变压器基础

第六章变压器基础知识

变压器是用来升高或降低交流电压又能够供持其频率不变的静止的电气设备。在现实生产、生括中，需要高低不同的多种电压；电力系统为减少输电过程中的电能损失，必须用升压变压器将输电电压升高。输电电压越高，输送距离越远，输送功率越大，当电能输送到用电地区，又需要用降压变压器将输电线路上的高电压降低到配电系统的电压，然后再经过配电变压器将电压降低到用电器的电压以供使用。工厂中常用的三相异步电动机的额定电压为380V或220V，一些大型电力负荷则为3000V或6000V。照明电路电压220V，而机床照明、临时照明的电压一般为36V、24V、12V。在电子电路中更是需要多种电压供电。这样多等级不同的电压不可能使用那么多数值不同电压级别的发电机供电，这就需要各种不同电压、不同规格、不同型号的变压器。第一节变压器的工作原理

变压器的工作原理是建立在电磁感应原理上的。变压器空载运行时的情况如图6-1所示。在原绕组N1两端接入交流电压Ul，绕组中便流过交流电流I0，铁心中便会产生交变磁通Φ。设此磁通全通过铁心（即忽略漏磁通），则在原绕组N1和副绕组N2中分别产生感应电动势E1、E2。若铁心中的磁通按正弦规律变化，则原、副绕组中感应电动势的有效值分别为：

E1=4.44ƒlN1Φm

E2=4.44ƒ2N2Φm

式中，Φm为铁心中磁通最大值；N1

，N2分别为原、副绕组匝数。原、副绕组感应电动势的比值为:

第一节变压器的工作原理变压器的空载损耗很小，若忽略空载耗损则U1≈E1U2≈E2所以可见，变压器原、副绕组中电压的比值等于原、副绕组的匝数比。原绕组输入电压与副绕组输出电压的比值称作变压器的变比，用K表示。变压器空载时原绕组中的电流I0称为空载电流，此电流只为额定电流的5%左右。空载电流I0在铁心中建立的磁势称为空载磁势，空载磁势I1N1产生的磁通Φ1称为空载磁通（即励磁磁通）。当副绕组接人负载，绕组中流过电流I2，I2建立二次磁势I2N2，并在铁心中产生磁通Φ2，此磁通与一次磁势I1N1产生的磁通方向相反，因而使得一次磁通减少，一次磁通的减少使原绕组中的感应电动势E1减小。由于电源电压U1不变，E1的减少使一次电流I1增加，一次磁势I1N1随之增加，其结果是一次电势E1增并与电源

第一节变压器的工作原理达到新的平衡。可见负载时，铁心里的磁势是一次磁势和二次磁势共同作用的结果。负载电流增加，二次磁势I2N2也增加，则一次电流随之增加，一次磁势I1N1增加，以抵消二次磁势，保持铁心中的空载磁势

I1N1

–I2N2

=I0N0由于I0很小，则I1N1

=I2N2所以上式说明，变压器负载运行时，原、副绕组中的电流与它们的电压成反比。变压器负载运行时的情况如图6-2。

第二节变压器的结构

变压器种类繁多，用途不同，因此结构形式多样。但无论何种变压器，其最基本的结构都是由铁心和绕组组成。变压器的铁心和绕组配置有心式和壳式两种基本结构形式。图6-3至图6-6为几种不同结构形式的变压器。在我国，心式变压器应用较多，壳式变压器多用于小容量单相变压器。变压器的铁心由0.35～0.5mm厚的高导磁率的硅钢片叠装而成。硅钢片两面涂有绝缘漆，以减少铁心的磁滞损耗和涡流损耗。为减小磁路损耗、硅钢片在叠装时片间接缝每叠装一层交叉一次，使接缝错开，详见图6-7。第二节变压器的结构第二节变压器的结构变压器的绕组是由带有绝缘的圆形或矩形的铜（或铝）导线绕制成一定形状的线圈套在铁心上。变压器的线圈有圆筒式的、螺旋式的、连续式的等。圆筒式线圈如图6-8所示第二节变压器的结构按高、低压绕组之间的排放位置及在铁心柱上的排放方法，变压器的绕组可分为同心式和交叠式，见图6-9。同心式绕组用于心式变压器时，一般低压绕组在内靠近铁心柱，高压绕组在外面。高、低压绕组之间以及低压绕组与铁心之间都必须有一定的绝缘间隙，并以绝缘纸筒分隔开。交叠式绕组的高压线圈和低压线圈按交替次序安放在铁心柱上。这种绕组高低压之间间隙大、绝缘比较复杂，用于低电压、大电流的变压器如电焊变压器、电炉变压器等。电力系统中常用的电力变压器多为油浸式，其外形如图6-10所示。

第二节变压器的结构第三节特殊变压器

一、自耦变压器前面讲到的变压器的原绕组与副绕组是两个独立的绕组，它们之间只有磁的耦合、没有电的联系。而自耦变压器只有一个绕组，用原绕组（或副绕组）的一部分作为副绕组（或原绕组），两者之间既有磁的耦合又有电的联系。如图6-11所示。自耦变压器的工作原理与普通两绕组的变压器工作原理相同：当原绕阻接人交流电压U1，即有电流，I1流过，并在铁心中产生磁通。此磁通在原、副绕组中分别产生感应电动势，且感应电动势亦与匝数成正比，因而可得与普通变压器相同的等式：

第三节特殊变压器若忽略空载电流，则:式中，负号表示I1与I2方向相反。三相自耦变压器通常接成星形，常被用作为三相异步电动机的启动设备（见图6-12）。若将副绕组的匝数通过滑动触头随意改变从而改变副边的电压，则这种自耦变压器就成了实验室中经常使用的自耦调压器。自耦变压器的特点是损耗小，可节省材料，但由于原、副绕组之间有电的联系，有可能产生高电压窜入低电压的危险，所以严禁用自耦变压器代替低压照明用的行灯变压器。低压手持式电动工具也严禁使用自耦变压器供电。第三节特殊变压器二、电焊变压器电焊是依靠电弧放电的热量来熔化金属。焊接时起弧电压约为70V，起弧后要维持电弧燃烧，电弧压降约为35V左右，二次侧短路时（例如焊条搭在焊件上）电流不能过大。焊接电流应能在100～500A范围内调节，以适应不同的焊件和焊条。电焊变压器（也称交流弧焊机）就是能满足上述工艺要求的变压器。电焊变压器的工作原理与普通变压器的工作原理相同，为了保证焊接时电弧稳定并限制短路电流，焊接回路必须有相当大的电抗，以使电焊变压器具有很陡的外特性（即随着电焊电流的增加，输出电压迅速下降）。图6-13是电焊变压器的外特性与普通变压器的外特性曲线。第三节特殊变压器由图可以看出电焊变压器输出端短路，输出电压降为零时，短路电流也不会非常大。常见的电焊变压器有电抗器式（见图6-14）和磁分路动铁式（见图6-15）。前者是通过改变电抗器两铁心间的气隙大小改变电抗器的电抗，从而调节电焊电流。后者是通过改变动铁柱的位置来调节漏磁，从而使电焊电流得到调节。第三节特殊变压器三、电流互感器互感器是电工测量与自动保护装置中使用的特种双绕组变压器。使用互感器可以使仪表测量器回路或继电保护回路与高压电路隔开，保证工作安全，另外还可以扩大仪表量程。互感器可分为电压互感器和电流互感器，本书仅介绍电流互感器。电流互感器的工作原理及接线如图6-16所示。电流互感器原绕组的匝数很少（通常仅一、二匝），并与被测电路串联。副绕组匝数较多与仪表或继电器的电流线圈串联。由于仪表或继电器的电流线圈阻抗很小，所以运行中的电流互感器相当于变压器短路运行时的情况，这是电流互感器与变压器的重要区别之一。电流互感器的一次绕组与被测电路串联、流过一次绕组电流的大小由负载的大小决定，而与串联在二次绕组回路的负载阻抗无关。这是电流互感器区别于变压器的又一个重要特点。第三节特殊变压器电流互感器运行时，铁心中的磁通是一次磁势和二次磁势共同作用的结果，忽略励磁电流，依据磁势平衡式I1N1=-I2N2可得式中，K为电流互感器的变比。一次电流等于二次电流乘以变比。可见利用原、副绕组匝数不同，可将线路上的大电流变成小电流来测量。电流互感器的误差可分为变比误差和相角误差，主要由励磁电流、漏抗和二次负载阻抗引起的。为减小误差，电流互感器的铁心磁通密度设计得很低，为0.08～O.1T并且还严格规定二次负载的阻抗值，以保证测量的准确性。第三节特殊变压器

根据电流互感器的误差，其准确度级次可分为：0.2级、0.5级、1.0级、3.0级、10.0级。作为计量应选用0.5级，作为继电保护用，可选用3.0级或10.0级。电流互感器二次额定电流一般为5A，低压电流互感器一次电流为5～25000A。电流互感器可分为干式、油浸式、浇注式，低压电流互感器多为干式的。正常运行的电流互感