《电机原理与维修》课件第5章

第5章其他变压器5.1三绕组变压器5.2自耦变压器5.3电焊变压器习题5.1三绕组变压器5.1.1结构与原理三绕组变压器每相有三个绕组，高压绕组1，中压绕组2，低压绕组3。它们同心地套装在同一铁芯柱上，其中一个绕组接电源，另两个绕组输出两个等级的电压，其结构和原理如图5-1(a)、(b)所示。图5-1三绕组变压器(a)结构示意图；(b)原理示意图三个绕组在铁芯柱外层的排列布置，既要考虑绝缘处理的方便，又要考虑功率传递的方向。从绝缘角度考虑，高压绕组不宜靠近铁芯，应排列在外层。对变电所中的降压变压器，功率由高压侧向中、低压侧传递，则选用低压绕组排放在最里层，中压绕组排放在中间层的排列布置方式，如图5-2(a)所示。而发电厂中的升压变压器，功率由低压侧向高、中压侧传递，一般采用中压绕组2排放在最里层，低压绕组3排放在中间层的排列布置方式，如图5-2(b)所示。图5-2三绕组变压器的绕组布置图(a)降压变压器；(b)升压变压器5.1.2容量与连接组别根据供电的实际需要，三个绕组的容量可以设计为相同的，也可以设计为不同的。通常，三绕组变压器铭牌上标注的额定容量是指三个绕组中其中最大的一个绕组的容量，而另外两个绕组的容量，可以是额定容量，也可以小于额定容量。若额定容量为100，则按国家标准，三个绕组的容量搭配关系如表5-1所示。注意，上述三绕组容量搭配关系仅代表各绕组传递功率的能力，并不是实际功率传递时的分配比例。根据国家标准规定，三相三绕组变压器的标准连接组别有YN,yn0，d11和YN,yn0，y0两种。5.1.3变比、磁动势方程式和等值电路

1.变比三绕组变压器负载运行示意图如图5-3所示，设三个绕组1、2、3的匝数分别为N1、N2、N3，则三个变比为

(5-1)式中：U1N、U2N、U3N分别为各绕组的额定相电压。图5-3三绕组变压器负载运行示意图

2.磁动势方程式从图5-3可以看出，三绕组变压器负载运行时，主磁通与三个绕组交链，参照双绕组变压器磁动势平衡方程可类似推出，三绕组变压器负载运行时的磁动势平衡方程式为

(5-2)由于励磁电流很小，可忽略不计，则得

(5-3)把绕组2与绕组3分别折算到绕组1，即，则有,(5-4)

3.等值电路用与双绕组变压器类似的方法，可得折算到原边绕组侧的三绕组变压器的简化等值电路如图5-4所示。图中的x1、是由各绕组的自感漏电抗及绕组间的互感漏电抗合成的等值电抗，由于与自感漏电抗和互感漏电抗相对应的自漏磁通和互漏磁通主要通过空气闭合，因此等值电抗值为常数。图5-4三绕组变压器简化等值电路5.2自耦变压器5.2.1结构特点原边绕组和副边绕组共用一个绕组的变压器称为自耦变压器。单相自耦变压器的结构示意图和原理接线图如图5-5所示。从结构上看，自耦变压器的每相铁芯柱上套有两个同心绕组。其中AX为高压绕组，匝数为N1，ax为低压绕组，匝数为N2。ax绕组是AX绕组的一部分，既是副边绕组，又是原边绕组的一部分，称为公共绕组。Aa绕组匝数为N1－N2，称为串联绕组。可见自耦变压器原、副边绕组之间不仅有磁的耦合，还有电的直接联系，这是自耦变压器与双绕组变压器的主要区别。图5-5自耦变压器(a)结构示意图；(b)原理接线图5.2.2基本电磁关系自耦变压器也是利用电磁感应原理工作的，这里以单相自耦变压器为例分析它的基本电磁关系。

1.电压关系当原边绕组AX端施加电压时，铁芯中产生交变主磁通，并分别在原、副边绕组中感应出电动势和，若忽略漏阻抗压降，则有

(5-5)

故自耦变压器的变比k为

(5-6)则

(5-7)

2.电流关系当自耦变压器负载运行时，由于外加电源电压不变，主磁通近似不变，总的励磁磁动势仍与空载磁动势相等，即

(5-8)忽略空载电流，得

(5-9)则

(5-10)式(5-10)说明,自耦变压器原、副边绕组中的电流大小与匝数成反比，且相位上互差180°。因此公共绕组中的电流为

(5-11)由此可见，公共绕组中的电流与同相位，但I在数值上总是小于输出电流I2。三者有效值的关系为I=I2-I1

I=I2-I1(5-12)当变比k接近于1时，I1与I2数值上相差很小，即公共绕组中的电流I很小，因此公共绕组部分可用截面积较小的导线绕制，以节约用铜量。

3.容量关系在双绕组变压器中，变压器的容量等于绕组容量。所谓绕组容量,是指绕组两端的电压与通过绕组电流的乘积。但在自耦变压器中两者是不相等的。自耦变压器的容量(铭牌容量)是指输入容量，它与输出容量相等。其额定负载运行时额定容量为SN=U1NI1N=U2NI2N(5-13)但串联绕组(Aa绕组)的绕组容量为

(5-14)公共绕组(ax绕组)的绕组容量为

(5-15)式(5-14)、(5-15)说明，串联绕组和公共绕组的容量相等，均小于自耦变压器的额定容量，数值上是额定容量的倍。变比k越接近于1，绕组容量就越小，省材、尺寸小、效率高的优点越显著。所以，自耦变压器主要适用于k<2的场所。自耦变压器在正常运行时，其输出容量S2=U2I2=U2(I+I1)=U2I+U2I1(5-16)从式(5-16)可以看出，自耦变压器的输出功率由两部分组成，其中U2I部分是依据电磁感应原理从原边绕组传递到副边绕组(即负载)的功率，与双绕组变压器传递方式相同。U2I1则是通过电路的直接联系从原边绕组直接传递到副边绕组的功率。由于I1只在串联绕组中通过，因此产生的铜损耗较小，所以，自耦变压器效率较高。

【例5-1】在一台容量为15kV·A的自耦变压器中，已知U1=220V，N1=150匝。(1)如果要使输出电压U2=210V，应该在绕组的何处有抽头？满载时I1和I2各是多少？此时公共绕组中的电流是多少？(2)如果输出电压U2=110V，那么公共绕组中的电流又是多少？解

(1)根据公式可知副边绕组的匝数N2，即抽头处的匝数为由于自耦变压器的效率很高，可以认为U1I1=U2I2=SN=15×103V·A因此满载时的电流为则公共绕组中的电流为I=I2-I1=71.4A-68.2A=3.2A

(2)如果输出电压U2=110V，则此时，公共绕组中的电流为I=I2-I1=136.4A-68.2A=68.2A5.2.3自耦变压器的主要优、缺点

1.主要优点

(1)自耦变压器的绕组容量小于额定容量，所以在额定容量相同的情况下,自耦变压器体积小,重量轻,节省材料,成本较低。

(2)由于节省有效材料(硅钢片和铜线等)，使得铜损耗和铁损耗都相应减少，效率较高。

(3)便于运输和安装，占地面积小。2.主要缺点

(1)自耦变压器高、低压侧有电的直接联系，在高压侧发生故障会殃及到低压侧，为此，自耦变压器的运行方式、继电保护及过电压保护装置等都比双绕组变压器复杂。

(2)自耦变压器的短路阻抗比同容量双绕组变压器小，所以短路电流较大，需采用相应的限制和保护措施。5.3电焊变压器在生产实际中，交流电焊机被广泛应用。而交流电焊机的主要组成部分是电焊变压器，它实质上是一台特殊的降压变压器。为了保证焊接质量和电弧的稳定燃烧，对电焊变压器有以下几点要求：

(1)电焊变压器应具有60~75V的空载电压，以保证起弧容量。为了保证操作人员的安全，空载起弧电压一般不超过85V。

(2)在负载时，电压应随负载的增大而急剧下降，即应有陡降的外特性，如图5-6所示，以满足电弧特性的要求。

(3)在短路时，短路电流ISC不应过大，以免损坏电焊机。

(4)为了适应焊接不同工件和不同焊条的需要，要求电焊变压器的输出电流在一定范围内均匀可调。图5-6电焊变压器外特性为了满足上述要求，从普通变压器原理可知，电焊变压器必须具有较大的漏抗，而且可以进行调节。电焊变压器的原、副边绕组一般分装在不同的铁芯柱上，以使绕组的漏抗比较大。改善漏抗的方法很多，但常用的有磁分路法和串联可变电抗法两种。磁分路动铁芯式电焊机是具有代表性的一类交流电焊机，其原理示意图如图5-7所示。它的铁芯由固定铁芯和活动铁芯两部分组成。固定铁芯为“口”字形，两侧芯柱上绕有原边绕组和副边绕组。在固定铁芯中间的螺杆上加装一个活动铁芯，提供一个磁分路。移动活动铁芯，可以改变固定铁芯中的磁通，调节焊接电流。这样，通过调节磁分路的磁阻，即可调节漏抗大小和焊接电流的大小，以满足工件和焊条的不同要求。在副边绕组中常备有分接头，以便调节空载时的起弧电压大小。图5-7磁分路动铁芯式电焊机原理示意图(a)铁芯及绕组图；(b)电路图串联电抗器的电焊变压器如图5-8所示。它是在副边绕组回路中串接一个可调电抗器，调节电抗器中的螺杆，即可调节电抗器的气隙。当气隙增大时，电抗器的电抗减小，焊接电流增大。反之，当气隙减小时，电抗增大，焊接电流减小。另外，在原边绕组中还备有分接头，以便调节起弧电压的大小。除以上两种类型的交流电焊机