第三章
特种变压器
由于科学的不断发展,相应地出现了各种用途的特种变压器。本章叙述几种较为常见的变压器:互感器(仪用变压器),自耦变压器,电焊变压器,三绕组变压器与小功率电源变压器,以及小型单相多绕组变压器的设计原则和绕制过程。
第一节 互 感 器
电力系统中,高电压和大电流不便于测量,通常用特种专用的变压器把大电流变成小电流,把高电压变成低电压再进行测量。这种用途的变压器就称为电流互感器和电压互感器,统称为仪用变压器。
利用互感器进行测量有很多优点,其中主要是:
(1)使测量电路与仪表同高压隔离,保证人身和测量仪表的安全。
(3)可以减少测量中的能量损耗。
一、电流互感器
1电流互感器的结构、工作原理(2)便于使测量仪表标准化,可使用不同的互感器来扩大仪表的量程,提高测量的准确度。所以,在交流电路多种测量中,以及各种控制和保护电路中,应用了大量的互感器。电流互感器的结构、工作原理与普通双绕组变压器相似,也是由铁心和一次、二次绕组两个主要部分构成。其主要特点在于,电流互感器一次绕组的匝数很少,一般只有一匝到几匝。使用中,一次绕组串联在被测电路中,流过被测电流,如图3-1所示。二次绕组的匝数很多,用较细的导线绕制。根据测量的目的不同,二次绕组连接电流表或电度表的电流线圈或电流继电器。这些仪表的阻抗极小,所以,二次绕组接近短路状态。与普通变压器的短路情况相似。二次绕组的电动势很小,一般只有几伏,所以铁心内的磁通也很小Φm=
势也很小。根据变压器的变流比公式
I1=
式中 Ki=I1N1=I2N2NI2=KiI21。互感器的励磁磁动2(3-1)N称为电流互感器的额定电流比。1
上式表明,在电流互感器中,二次绕组的电流与电流比的乘积,等于一次绕组的电流值,即被测电流值。例如,电流表读数为3A,电流比为40/5时,则被测电流值
52 第三章 特种变压器
6—一次绕组;7—瓷套管;8—一次绕组换接器;9—放电间隙;10—二次绕组引出端1—瓷外壳;2—变压器油;3—小车;4—扩张器;5—铁心连二次绕组;
图3-1 电流互感器
(a)原理接线图;(b)符号图;(c)LQC-05型;(d)LDZJ1-10型;(e)LCWD2-110型(f)LCW-110型户外装置用支柱绝缘电流互感器
2电流互感器的型号及规格I1=KiI2=×3A=24A为了减少误差,电流互感器的铁心磁感应强度一般设计得很低,约为08～1T(特),而且要求二次绕组所接仪表的总阻抗不得大于规定的阻抗值,电流互感器的准确度为02,05,10,30,100五级。它是根据测量时存在的误差大小确定的。例如,05级的电流互感器表示在额
电流互感器一次绕组额定电流可设计在0～15000A(或25000A)之间,电流互感器的二次绕组额定电流通常采用5A。有的电流互感器具有圆环形铁心,被测线路的导线可在其圆环形铁心上绕几周,以实现不同的变流比。
电流互感器的型号由两部分组成,斜线以上部分包括符号和数字,所用符号含义见表3-1。符号后面的数字表示耐压等级,单位为kV。斜线下面部分,由两组数字组成,第一组数字表示准确度等级,第二组数字表示额定电流。例如,LQG-05/0.5-100,表示改进型线圈式电流互感器,耐压等级为05kV,准确度等级为05级,测量线路额定电流为100A。如表3-1铭牌中符号的含义所示。
在选择电流互感器时,必须按互感器的额定电压、二次绕组额定电流及二次绕组额定负载阻抗值适当选取。一般选取与被测电流额定值相符的电流互感器,若不符合时,应选择稍大于被测电流额定值的电流互感器。定电流时,测量误差最大不超过±05%,准确度数值越小等级越高,测量误差越小,价格也越贵。
第一节 互感器 53
表3-1 电流互感器铭牌中符号的含义穿墙式支持式瓷绝缘改进型
差动保护差动保护加大容量加强型保护级L电流互感器ABCCD
QF贯穿复匝式
装入式线圈式贯穿单匝式瓷箱式GLBKWS塑料外壳绝缘速饱和型户外用电缆电容型(C,B)QJD
M
YR母线式低压式J或Z浇注绝缘L234-(A)
(kV)
电流互感器也可以作为提供控制信号之用,用来监视电路的运行状态。
例3-1 某电力线路,电压为105kV,今采用LQJ-15环氧树脂浇注的电流互感器测量线路电流。已知Ki=40,电流表测得的电流为25A,若不计空载电流和漏阻抗的影响,试问该线
路电流为多大?若采用Ki=75/5的电流互感器,能否测量该线路的电流?
因为Ki=40,I2=2.5A,则该线路的电流为解 由于LQJ-15型电流互感器可允许在15kV线路中进行测量,故在该线路(仅为105kV)是可以使用的。
它所测量电流的最大值为 如采用Ki=75/5=15的电流互感器,
所以,不能将Ki=75/5的电流互感器用于测量线路为100A的电流。
3电流互感器使用规则为了测量的准确和安全,在使用电流互感器时,应注意以下三点:
(1)电流互感器在运行中二次绕组绝对不能开路。若开路,互感器即成为空载运行,流过一I1=KiI2N=15×5A=75AI1≈KiI2=40×2.5A=100A次绕组的线路电流,全部成为互感器的励磁电流。二次绕组此时没有电流通过,二次绕组电流的通的波形为平顶波,在磁通变化过程中,过零时相当快。因而在二次绕组中感应出很高的尖峰电动势,其峰值可达数千伏,会造成互感器绝缘击穿,也可能造成人身伤害,如图3-2所示。去磁作用消失,一次绕组磁动势I1N1不变,使铁心中磁感应强度提高很多倍,磁路严重饱和,磁
54 第三章 特种变压器
另外,由于磁感应强度增大,铁损耗增加,铁心过热,加速绝缘物老化
。在电流互感器二次绕组电路中,绝对不允许接装熔断器;当二次绕组不接电流表
时,要把二次绕组短接,若要拆下运行中的电流表,必须先把
互感器二次绕组短接后,才能把电流表拆下来。
免高压侧绝缘击穿时,损坏仪表或造成人身伤亡。
度等级要比所接仪表的准确度高两级。(2)电流互感器的铁心和二次绕组要同时可靠接地,以(3)二次绕组负载阻抗要小于规定的阻抗,互感器准确
例3-2 有一台三相异步电动机,型号为Y280S-4,额
定电压380V,额定电流140A,额定功率75kW,试选择电流
互感器规格,并计算流过电流表的实际电流。
解 为了测量准确,又考虑到电机允许可能出现的短时
过负荷等因素,应使被测电流大致为满量程的1/2～3/4,因此
选择电流互感器额定电流为200A。变流比为
Ki=
流过电流表的电流I2可由下式计算得到
4便携式电流互感器(钳形电流表)I2=iI==40A=3.5A图3-2 电流互感器二次绕组开路时的磁通和电动势波形(a)磁通波形;(b)电动势波形
利用互感器原理制造的便携式钳形电流表如图3-3所示。它的闭合铁心可以张开,将被测载流导线钳入铁心窗口中,被测导线相当于电流互感器的一次绕组,铁心上绕二次绕组,与测量仪表相连,可直接读出被测电流的数值。其优点是测量线路电流时不必断开电路,
使用方便。
图3-3 钳形电流表
(a)袖珍型;(b)通用型
使用钳形电流表时应注意使被测导线处于窗口中央,否则会增加测量误差;不知电流大小时,应将选挡开关置于大量程上,以防损坏表针;如果被测电流过小,可将被测导线在钳口内多绕
第一节 互感器 55
几圈,然后将读数除以所绕匝数;使用时还要注意安全,保持与带电部分的安全距离,如被测导线的电压较高时,还应戴绝缘手套和使用绝缘垫。
二、电压互感器
1电压互感器的结构、工作原理
感器的外形结构。
电压互感器实质是一个降压变压器,其工作原理和
结构与其它变压器没有区别,也是由铁心和一次、二次
绕组两个主要部分组成。它的主要特点在于:一次绕组
匝数较多,并联在被测电路中,二次绕组匝数较少,接在
高阻抗的测量仪表上,有很准确的变压比,也叫电压比。
根据测量的目的不同,一次绕组接被测量的高电压端,
二次绕组接电压表、功率表或电能表的电压线圈,所接
仪表的阻抗都很大,因此,电压互感器的二次绕组电流
很小,近似等于零。所以电压互感器正常运行时接近于
空载运行,接线原理图如图3-5所示。
UN==Ku22
式中Ku是电压互感器的变换系数,也称电压互感器的变换倍率。
数乘以倍率
Ku就是被测量的高电压U。U1=KuU2图3-4 电压互感器的外形结构(a)JDG-05型;(b)JDZJ-10型电压互感器的结构和工作原理同小型双绕组降压变压器相同。图3-4所示为两种电压互
根据变压器原理,它的一次绕组与二次绕组的电压之比同它们的匝数成正比。即(3-2)上式表明,可将被测的高电压变为低电压,然后用电压表来测量这个低电压,电压表上的读1—储油柜;2—瓷箱;3—上柱线圈;4—隔板;5—铁心;6—下柱线圈;7—支撑层压板;8—底座
图3-5 电压互感器的原理接线图
2电压互感器的型号及规格(a)接线图;(b)符号图;(c)110kV电压互感器剖面图
为了减少误差,要尽量减少空载电流和一次、二次绕组的漏抗,以得到准确的电压比,电压互感
56 第三章 特种变压器
器的铁心大都用性能良好的硅钢片制成,并尽量减小磁路中的气隙,铁心磁感应强度一般设计为06～08T(特),使铁心处于不饱和状态。在绕组绕制上,也应设法尽量减少两个绕组的漏磁通。电压互感器的准确度可分为:02、05、10、30四级。
电压互感器二次绕组的额定电压规定为100V,这样规定的优点在于,与电压互感器二次绕组相连接的各种仪表和继电器,都可以统一制造,以实现标准化。在测量不同等级的高电压时,只要换上不同等级的电压互感器就行了。常用的电压互感器变比有3000V/100V,6000V/100V等。电压互感器有干式、油浸式、浇注绝缘式等,图3-6为一种油浸式电压互感器。电压互感器型号由符号和数字两部分组成。符号的含义见表3-2。数字部分表示高压侧额定电压,单位千伏(kV),如JDJJ1-35即表示35kV,单相油浸式具有保护接地的电压互感器,JDJJ1中的“1”表示第一次改型设计
。电压互感器铭牌参见图3-7。
中华人民共和国××互感器厂制造
型号
额定电压
准确级次
额定容量V·A
最大容量
图3-6 油浸式
电压互感器总重0.550400V·A17kg图3-7 电压互感器铭牌JDZ-66000V/100V1803200序号005819××年×月出品电压互感器标准代号户外装置单相50Hz
在选择电压互感器时,必须注意其额定电压与所测电路额定电压相符;二次绕组负载电流的总和不得超过二次绕组的额定电流。
HJY表3-2 电压互感器铭牌中符号的含义S三相单相J
干式油浸式J五柱三线圈接地保护胶封式电容式互感器仪用互感器DG
RF电容分压式W
1234-(kV)
电压互感器除了用于测量电压之外,二次电压还可以作为控制信号。
例3-3 用变比为6000V/100V的电压互感器和变比为100A/5A的电流互感器扩大量程,若电压表的读数为85V,电流表的读数为35A,则被测电路的电压、电流各为多少?
解 因为Ku=U==602
第二节 自耦变压器 57
所以所以又因为U1=KuU2=60×85V=5100V
I1=KiI2=20×3.5A=70AKi=I=20=2 3电压互感器使用规则在使用电压互感器时,应注意以下三点:
路,短路电流将很大,足以烧坏电压互感器。使用时,低压侧电路要串联熔断器作短路保护。铁心和二次绕组带上高压电而造成事故。(1)电压互感器在运行时,二次绕组不可短路。因为二次绕组匝数少,阻抗小,如果发生短(2)电压互感器的铁心和二次绕组的一端必须可靠接地。以防止高压绕组绝缘被破坏时,
大容量为200V·A,输出不超过25V·A时,准确度等级为05级;输出40V·A以下时为10级;输出100V·A以下时为30级。这是因为输出电流越大,电压比误差越大的缘故。为了保证所接仪表的测量准确度等级,电压互感器的准确度等级比所接仪表的准确度等级要高两级。(3)电压互感器的准确度等级与其使用的额定容量有关,如JDG-05型电压互感器,其最
第二节 自耦变压器
普通变压器一次、二次绕组之间由磁通相互联系起来,依据法拉第电磁感应定律称之为互感现象,也称为互耦合现象。根据法拉第电磁感应定律所讲的自感现象制成的变压器,称为自感变压器,也称自耦变压器,其应用范围很广泛。自耦变压器的特点在于:其一次、二次绕组之间不仅有磁的联系,而且也有电的直接联系。
一、自耦变压器的结构
自耦变压器与普通变压器相似,也是主要由铁心和一次、二次绕组两部分组成。所不同的是,一次、二次绕组共用一个线圈,如图3-8所示。如果绕组中间的抽头做成可滑动接触的,就可构成一个电压可调的自耦变压器。通常将这类可调的自耦变压器称为自耦调压器,如图3-9所示。
这种自耦调压器将铁心做成圆环形
,将绕组均匀绕在上面,滑动接触头一般用碳刷构成。
图3-8 自耦变压器图3-9 自耦调压器(a)外形图;(b)原理电路图
58 第三章 特种变压器
碳刷触头通过组件与手柄相连,可根据需要旋转手柄以改变输出电压。为了搬运和使用安全,还设有电压指示针等其它一些附件。
二、自耦变压器的原理
1自耦变压器的原理接线图自耦变压器可以看作是由一台双绕组变压器改接而成的。设双绕组变压器一次、二次绕组器原理,变比的总匝数为N1,二次绕组匝数为N2,额定电压分别为U1N、U2N,额定电流分别为I1N、I2N,根据变压
K=N2=U2N
若将这台双绕组变压器一次、二次绕组按图3-10所示串联起来,便成为一台自耦变压器。N2既属于一次绕组的一部分,同时也是二次绕组的组成部分,称为公共绕组,N1称为一次绕组。自耦变压器可用于升压,也可用于降压。图3-10为降压自耦变
压器原理接线图。若将电源和负载对调,就成为升压自耦变压器。下
面就以这台降压自耦变压器为例来分析它的工作原理。
2自耦变压器的工作原理如果在自耦变压器一次绕组上加上电压U1,若不考虑绕组的电阻压降和漏抗压降,绕组内有电流通过,铁心内就产生交变的磁通Φm,在一次绕组N1中产生感应电动势E1,这个电动势与外加电压U1相平衡。即
U1=E1=4.44fN1Φm图3-10 自耦变
压器原理
的。即 二次绕组N2中产生的感应电动势E2与其匝数N2也是成正比
E2=4.44fN2Φm 这个二次绕组E2与N2匝线圈空载时的输出电压U20相等。即E2=U20。
··当自耦变压器接上负载,二次绕组有电流I2输出时,铁心中磁通Φm由一次、二次绕组电流
·
·····的合成磁动势产生,根据法拉第电磁感应定律与楞次定律,E1的方向同U1的方向相反。E2的方向与E1的方向相同,E1对于U1来说是反电动势。E2对于U2来说是电源电动势。所以,合成磁动势为
因为空载电流很小,I0可以忽略,即I0≈0,所以上式可变为N1I1+N2I2=0···(N1-N2)I1+N2(I1+I2)=N1I0····I1=-
在数值上,I1=
·1NI2=I2,K为变比。NI21
在相位上,I1和I2方向相反,相位相差180°。·
第二节 自耦变压器 59
在自耦变压器中,一次、二次绕组的公共绕组(即N2绕组)内的电流为一次、二次绕组的电流之差。即
当变比接近于1时,由于I1和I2的数值相差很小,公共绕组的电流很小,因此,这部分绕组可用截面积较小的导线绕制。这样既能满足要求,又能节约导线,进而能减小变压器的体积和重量。
3自耦变压器的容量自耦变压器的容量为
SN=U1N·I1N=U2N·I2NΔI=I2-I1(3-3)
与一般双绕组变压器容量计算式相同。但对于自耦变压器一次、二次绕组不重合部分的容量S1与公共绕组的容量S2。其中S1=U(N1-N2)·I1N==U1N·I1N1-U1N·NNI1N=U1N1-I1N11(3-4)
I=SN1-2NN1=SN1-
SN1- ,两部分绕组的容量都比变压器的额定容量小,且大小相等,只有。变比越接近于1,这个数值就越小。S2=U2N
·ΔI=U2N(I2N-I1N)=U2NI2N1-
自耦变压器的容量由双绕组变压器容量计算式得到
从上式可以看出,自耦变压器的容量由两部分组成,其中S2=U2NΔI是借助电磁感应从一次的直接联系从一次绕组传递到二次绕组的视在功率,称为传导容量。传递这一部分功率不需要增加绕组的容量。这就是自耦变压器绕组容量小于其额定容量,即小于一般双绕组变压器绕组容量的根本原因。这是自耦变压器独有而一般双绕组变压器所没有的特点。
4自耦变压器的简单计算自耦变压器的计算容量Sj是自耦变压器额定容量SN的Kj倍,即
Sj=KjSN绕组传递到二次绕组的视在功率,即为绕组容量,也称为电磁容量。而S2=U2NI1N则是通过电路SN=S2N=U2N·I2N=U2NΔI+U2NI1N=S2+S′2(3-5) 当一次绕组电压U1大于二次绕组电压U2(降压变压器)时
当二次绕组电压U2大于一次绕组电压U1(升压变压器)时
如计算单相50Hz,5kV·A自耦变压器。已知一次绕组进线电压U1=190V,二次绕组出
Kj=U2=≈0.136Kj=U2Kj=U1线负载电压U2=220V,则
60 第三章 特种变压器
自耦变压器的计算容量
由此可以看出,这里5kV·A的自耦变压器的计算容量只相当于一般变压器680V·A的容量,制作时,铁心截面选取参看本章第五节。
150匝处接电源,如果例3-4 在一台容量为15kV·A的自耦变压器中,已知U1=220V,N=200匝,在N1=Sj=KjSN=0.136×5000V·A=680V·A
(1)要使输出电压U2=210V,应该在绕组的什么地方抽出线头?
(3)如果输出电压U2=110V,那么公共绕组内的电流又是多少安?
解 (1)由公式
得
(2)忽略损耗,可以认为
I1N
I2N
公共绕组内的电流ΔI为N2=N1NU=22(2)变压器满载时,I1N和I2N各等于多少安?此时公共绕组内的电流为多少安?(4)如果电源电压下降为180V,要保证输出电压为220V,二次绕组匝数为多少?U=×150匝=143匝1即应在一次、二次绕组公用点开始数143匝处抽头,可以得到210V输出电压。3S==A=68.2A1N3==A=71.4A2N (3)如果输出电压U2=110V
I2NΔI=I2N-I1N=71.4-68.2A=3.2A3S==A=136.4A2N (4)如果输入电压U1=180V,输出电压U2=220V,N1=150匝
N2=UN1=×150=183匝1ΔI=136.4-68.2A=68.
2A 可将输出触头旋至0～183匝附近,再由电压表确定。从这个例子中可以看出,当一次、二次绕组的电压接近时,自耦变压
器公共绕组内流过的电流是很小的。制作自耦变压器时,公共绕组的导
线可以做得细一些,可按ΔI电流大小计算,但制作自耦调压器时公共部
分不可太细,如图3-11所示。当变压比较大时,公共绕组内流过的电
流也较大,但仍是一、二次电流之差。一般自耦变压器的变比在12～
20的范围内,因为绕组容量S2=SN1-,K越接近于1,绕组容量越图3-11 自耦变压器
内电流关系
第二节 自耦变压器 61
小,自耦变压器的优点越明显,当K>2时,优点就不显著了。本例还说明,当电源电压降低时,自耦变压器可作稳压器使用,但要时刻注意电源电压的变化。
三、自耦变压器的类型、用途及使用时注意事项
自耦变压器有降压的,也有升压的,也有既可降压又可升压的,还有具有调相位的调压器。实验室中广泛使用的是单相自耦调压器,输入电压为220V,输出电压可在0～250V之间调整。型号常见的有TDG系列自耦调压器,其规格数据如表3-3所示。
表3-3 TDG系列自耦调压变压器规格数据型 号
额定容量输入电压输出电压最大输出电流最大空载电流 自耦变压器常用的几种接线形式如图3-12所示。自耦变压器可接成固定升压形式,如图3-12(a)所示。可接成固定降压形式,如图3-12(b)所示。可接成可升可降的一般调压形式,如图3-12(c)所示。这几种形式与双绕组变压器没有本质区别。但变相调压和串联调压则不同,特作如下说明。
(1)变相调压 将一台单相自耦变压器的输出公共端切断,将输出端焊在中心110V抽头处作输出端子,如图3-12(d)所示。调压器的功能就发生了变化,动触尖调到中心点的上端或下端,虽然都能进行调压,但电压相位相反,彼此相差180°。用这种调压器作伺服机的控制电压调节,非常方便。调压器动触头由中心点向上调节时,测试电机正转数据;动触头由中心点向下调节时,测试电机反转数据。不用倒向开关或交换控制绕组接头,电机就可以正反转。经过这种变换后,调压器一次绕组输入110V工频电压(也可以高些),二次绕组输出-110～110V工频电压。缺点是输出端有110V或相应更高的对地交流电压。为了保证设备及人身安全,要加强绝缘。
器作为具有可调匝数的降压电感线圈使用。它的作用是,可以稳定负载电压,减少损耗,增大调压器容量。另一个特点是,只需要两根线就可以进行调压。很适合夜间(或电压高峰时)作降压调节用,但缺点是不能升压。(2)串联调压 串联调压接线如图3-12(e)所示。这里将负载与调压器线圈串联,把调压
62 第三章 特种变压器
综上所述,自耦变压器种类很多,应用非常广泛。近年来,电力系统发展很快,要求将不同电压等级的电力系统连接成一个整体,以保证供电的可靠性和电力分配的合理性。在高压输电系统中,如果将一些电压为110、150、220、330kV的高压电力系统连接起来,构成更大规模的统一动力系统时,采用三相自耦变压器可产生巨大的经济效益,自耦变压器可以节省铜和铁的消耗量,减少体积和重量,降低制造成本,且有利于大型变压器的运输和安装。所以三相自耦变压器的应用也非常广泛。它不仅应用于电力系统中,而且还应用于大容量的异步电动机起动系统中,起动补偿器就是三相自耦变压器,对电动机进行降压起动。
实验室中常用具有滑动触点自耦调压器可任意调节交流电压,在电源电压降低时,可以作稳压器使用。自耦变压器的主要缺点在于:一次、二次绕组的电路直接连接在一起,高压侧的电气故障会波及低压侧。所以,接在低压侧的电器设备必须有防止过高压的措施。而且规定,自耦变压器不准用作安全照明的变压器。
使用时,要求接线正确,对于单相自耦变压器,要求把一次、二次绕组的公用端接中性线。如图3-13所示。这样使用较为安全。三相自耦变压器的中性点也必须可靠接地。另外,自耦变压器连接电源之前,
一定要把输出电压手柄转回到零位或所需要的电压挡位上。
图3-12 自耦变压器的几种接线形式
d)变相调压;((a)升压;(b)降压;(c)可升可降;(e)串联调
压
图3-13 自耦变压器的正确接线第三节 电焊变压器
一、电焊变压器概述
1电焊变压器的优越性电焊变压器在生产实际中应用很广泛,主要是以结构简单、成本较低、制造容易、维修方便、经久耐用而著称。交流电弧焊机的主要部分是电焊变压器,它实际上是一台特殊的降压变压器。
2电弧焊所用焊条对电焊变压器的要求电弧焊是靠电弧放电的热量来熔化金属的,电焊条就是用来被熔化的金属。焊接时的起弧电压约为60～75V,起弧后电压降至30～35V左右,当焊条碰在工件上时,即短路,短路电流不
第三节 电焊变压器 63
应过大,也不应过小。为了适应不同的焊接要求,焊接电流应能够在较大的范围内进行调节。
如果使一台变压器的特性符合上述电焊条的要求,它就可以作为一台电焊变压器。为此,对电焊变压器的要求是:
(1)变压器空载时具有足够的引弧电压60～80V,即空载电压。
(4)负载持续率(也称暂载率)符合实际要求。
负载持续率=(3)当焊条与工件短接时,二次绕组电流不应过大。(2)有负载时要求电压急剧下降30～35V,即工作电压。
弧焊电源大多是非连续工作的,一个工作周期是指负载运行持续时间加空载休止时间,因此将负载运行持续时间与工作周期之比值的百分率称为负载持续率。它的大小表示在额定负载持
INs续率情况下使用的额定电流。焊接电流与负载持续率有如下关系Ih=负载运行持续时间×100%负载运行持续时间+空载休止时间
式中 Ih———焊接电流;
FsN———额定负载持续率;
今采用负载持续率为Fs=80%,?
Ih=×120A=104A
×120A=93A例3-5 BX3-120焊接变压器额定负载持续率为FsN=60%,其额定电流为IN=120A,而Fs———实际负载持续率。IN———额定焊接电流; 如需连续焊接,即负载持续率为100,可按 遵守负载持续率的目的是防止变压器过热造成损失。第一条要求是起弧电压必须足够,否则难以起弧。Ih=
第二条要求也就是电焊变压器必须具有陡降的外特
性,如图3-14所示。
为了使电焊变压器具有陡降的外特性,必须使它工作
时具有电感性负载,使二次回路具有相当大的电抗以限制
短路电流和使电弧稳定。也要求电焊变压器具有较大且可
以调节的漏磁通,以限制短路电流和得到使电弧稳定的
电压。
电焊变压器的结构特点是铁心的气隙较大,一次、二次
绕组不是同心地固定套在一起装在一个铁心柱上,而是分
两部分装在两个铁心柱上。再利用磁分路法或串联可变电
抗器法来调节漏抗的大小,以获得不同的外特性。图3-14 电焊变压器具有陡降的外特性
二、磁分路动铁式电焊变压器
1磁分路动铁式电焊变压器的结构及原理图3-15(a)是磁分路动铁式电焊变压器的原理图,BX1-330型(BS-330型)是这类交流弧焊机的典型结构。这类变压器有三只铁心柱,两边是主铁心,中间是动铁心。变压器的一次绕组绕在一个铁心柱上,二次绕组分为两部分,一部分绕在一次绕组的外层,另一部分绕在另一铁心柱上。由于动铁心上下有两个空气隙,并且可以推进和拉出,这样就可以方便地改变变压器的漏磁通。当动铁心在全部推进位置时,漏磁通增多,输出电压随输出电流的减小而下降较快;当动铁心在全部拉出位置时,漏磁通减少,输出电压随输出电流的增大而下降较慢。调节动铁心的位置可以获得较满意的外特性曲线。
2焊接电流的调节焊接电流可以粗调,也可以细调。一般情况下是先粗调,后细调。
电流粗调靠改变二次绕组匝数(在二次绕组粗调接线板上改变接线片)来实现
。二次绕组
1—一次绕组;2、3、4—二次绕组;5—动铁心;6—动铁心螺杆;7—连接片倒板;8—静铁心2、3、4—粗调接线柱;5
—工件接线柱(b、c)接线柱:1—焊接钳接线柱;
4—(3-4)接法铁心在最外位置;3—(3-4)接法铁心在最内位置;2—(2-3)接法铁心在最外位置;1—(2-3)接法铁心在最内位置;
图3-15 BX1-330型动铁式交流弧焊机结构及特性曲线(a)铁心及绕组图;(b)粗调接线板;(c)接线电路图;(d)BX1-330型交流弧焊机的输出特性曲线
输出端接线板上有五个接线柱,如图3-15(b)所示。1、5接线柱分别接焊接钳和工件;2、3、4接线柱用铜板作不同连接来实现电流的粗调节。2-3连接时,电流小;3-4连接时,输出电流大。判断的原则是总有效匝数减少时电流小,总有效匝数增多时电流大。外特性曲线如图3-15(d)所示。
电流的细调节,是靠移动动铁心以改变电焊变压器的漏磁通来实现的。向外移动动铁心,磁阻增大,漏磁通减少,则电流增大。反之,向内移动动铁心,磁阻减少,漏磁通增加,则输出电流减少。细调是通过手柄移动动铁心的位置来调节漏抗,
从而使电流得到均匀调节。
这类电焊机的优点是不用单独的电抗器,所以它体积
较小,重量较轻。它的活动铁心有上下两个气隙,焊接时,
在动铁心的上下两个气隙处都产生对活动铁心的吸力,因
此,它受电磁力的作用得以平衡,振动较小。小电流焊接
时,振动也较轻微,而且电流波动小,电弧较稳定。
近年来,不少电焊机使用部门和维修电工,从实践中
不断总结经验,设计出多种磁分路动铁式电焊机。与老结
构相比,它们重量轻、材料省、电流调节范围广、而且二次
绕组没有抽头,大幅度调节电流也不用换铜板。有的工厂
已投入批量生产,制造这种电焊机。其结构如图3-16所1—一次绕组;2—二次绕组;3—动铁心图3-16 二次绕组无倒板动铁式电焊变压器
示。只调节动铁心,即可使电流由50A调到300A。具体制造请参见有关资料。
三、动圈式电焊变压器
BX3-300(BK-300)型属动圈漏磁式交流弧焊机。动圈式电焊变压器的结构如图3-17所示。这种弧焊机的特点是
:一次绕组和二次绕组是上下分别地叠放在铁心柱上。它磁耦合很不紧密,漏磁较大,借旋
转手柄1的转动来上下移动一次绕组2,改变它与二次绕组3的距
流的目的。如果转动手柄1,使L0增大时,漏磁通增加,漏抗也增通过改变一次、二次绕组磁耦合紧密程度来达到调节焊接电离L0,
电流则增大。加;焊接电流减少;反之,如果转动手柄1,使L0减小,二次绕组输出
动圈式电焊变压器同磁分路动铁式变压器一样,都是属于改变1—螺旋手柄;2—一次绕组;3—二次绕组;4—铁心;L0—一、二次绕组间距漏磁类的电焊变压器,但二者改变漏磁的方法却不同。后者用活动
铁心增加漏磁通,动圈式则是通过改变一次、二次绕组的相对位置
的靠近(或远离)来减少(或增大)漏磁的,从而改变了一次、二次绕图3-17 BX3-300交流弧焊机线路结构图
组的耦合程度。它的一次绕组是可动的,二次绕组是固定的,两绕组之间距离不同,漏磁通不同。绕组间的距离最大时,空间漏磁通达到最大值,漏抗最大,这时空载输出电压最低,焊接电流最小;当两绕组接近时,漏磁通减少,漏抗减小,空载输出电压就升高,这时焊接电流就增大。
这种电焊变压器的优点是没有动铁心,磁路中无空气隙。因此,避免了焊接时动铁心的振动产生的噪音和由此而带来的电流不够稳定的弊端。
四、带电抗的电焊变压器
1同体组合带电抗的电焊变压器
变压器和电抗器两部分组合而成。变压器的铁心是日形。上部分为电抗器,其作用是获得下降的外特性,下部分为变压器,它将电网220V或380V的电压降到60～80V左右。铁心上部装有活动铁心,中部有一个公共磁轭,是电抗器和变压器的公用磁路。变压器的一次、二次绕组分绕在两侧铁心柱上,其结构线路图如图3-18所示。电抗线圈3在铁心上部,与二次绕组2是顺
向串联或反向串联的。BC-500)型属于同体组合电抗式交流弧焊机。它的结构特点是:整个弧焊机由BX2-500(
1—一次绕组;2—二次绕组;3—电抗线圈;4—动铁心;5—螺旋手柄
2异体组合带电抗器的电焊变压器图3-18 BX2-500型电焊机线路结构图
异体组合带电抗的电焊变压器原理图如图3-19所示。它由两部分组成,一部分是变压器,它和普通变压器相同,为了调节输出的空载电压,在一次绕组中备有分接头,以改变一次绕组的匝数;另一部分是可变电抗器,它是由具有可调气隙的电感线圈组成的,调节电感线圈铁心气隙的大小,以改变电抗值。电抗器的绕组串联在变压器的二次绕组中。应用时,起弧电压由一次绕组的分接头位置决定,短路电流的大小由电抗器决定。当需要小电流时,将电抗器的空气隙调小,其电抗将增加,二次绕组的电抗虽然不变,但由于电抗器的作用,总电抗增大了,电流也就随之减小了;当需要增大电流时,使电抗器的空气隙增大,其电抗将减小,焊接电流就增大了。
焊接时,由于电感线圈的电压降使焊机获得陡降的外特性。电流调节靠转动手柄,改变电抗器动铁心与定铁心的相对位置来实现。动铁心上移,间隙增大,电抗减小,则电流增大;动铁心下移,间隙减小,电抗增大,则电流减小。其外特性曲线如图3-20所示。
这类电焊机因为有电抗器,消耗材料较多,体积和重量均较大。同时由于活动铁心的存在,焊接时有振动。小电流焊接时,动、静铁心间隙小,磁力大,振动更厉害,容易使电流波动,电弧不稳。因此这类电焊机不适合作小电流焊接。
一一介绍了。它们的基本原理是相同的,遇到时,读者可自行分析。另外还有BX6-120型手提抽头式,BP-3X500型多站式等型式的交流弧焊机。在此就不
第四节 三绕组变压器与小功率电源变压器 67图3-19
异体带电抗器的电焊变压器原理图图3-20 BX2-500型电焊机外特性曲线
第四节 三绕组变压器与小功率电源变压器
在发电厂或变电站中,有三种电压等级时,常用到三绕组变压器。例如,发电厂发电机的电压为18kV,要将电能同时送到110kV和220kV系统,就可以利用三绕组变压器。在一定情况下(如通过变压器功率最小的那一侧绕组能达到变压器容量的15%以上时),采用一台三绕组变压器较采用两台双绕组变压器经济,且维修也方便一些,因此,这种变压器得到了广泛的应用。
另外,当二次绕组需要两种以上不同电压时,为经济起见,避免使用多台双绕组变压器,而采用三绕组或多绕组变压器。如各种电子仪器、电视机和收音机的电源变压器,以及自动控制系统中的控制变压器,常常采用多绕组的各种小功率电源变压器。
一、三绕组变压器
三绕组变压器,每相有高、中、低三个绕组,一般铁心为心式结构,三个绕组同心地套在一个铁心柱上。如图3-21所示。为绝缘方便起见,高压绕组1放在最外边,至于中、低压绕组,根据相互间传递功率较多的两个绕组应靠得近些的原则
,用在不同场合的变压器有不同的安排。
图3-21 三绕组变压器绕组布置图
(a)升压变压器;(b)降压变压器
三绕组变压器的任何两绕组间按电磁感应规律传递能量,这一点和双绕组变压器没有区别。下面介绍三绕组变压器的容量、短路电压、变比,基本方程式和计算式等有关概念。
三绕组变压器三个绕组的容量,可以根据实际需要,不等设计。变压器铭牌上的额定容量是(一)三绕组变压器的容量和短路电压
68 第三章 特种变压器
指其中最大的一个绕组的容量。如果额定容量作为100,则按国家标准,我国现在制造的三绕组变压器,三个绕组容量的搭配有如表3-4所示的几种。
表3-4 三绕组容量高压绕组
100中压绕组
100
50低压绕组100
100100
同时按比例传递功率。 注意三个绕组容量仅代表每个绕组通过功率的能力,并不说明三绕组变压器在具体运行时
三绕组变压器铭牌上的短路电压有三个,以高压侧为110V的变压器为例,按图3-21(a)105%;UK13=17%;UK23=6%。从这里可以看出,绕组的排列情况会影响短路电压的大小。这放在高、中压绕组之间,使两者都与低压绕组靠近一些,以降低短路电压是有道理的。的方案排列时,UK12=17%;UK13=105%;UK23=6%。按图3-21(b)方案排列时,则UK12=是因为两个绕组相距越远,漏磁通越多,短路电压就越大。运行中,对于升压变压器,把低压绕组
三相三绕组变压器的标准联结组别有YN,yn0,d11,YN,d11,yn0两种。单相三绕组变压器的标准联结组别为III0。
1变比(二)三绕组变压器的有关参数
三绕组变压器有三个变比,即K12=
K13=
K23=2N=2(3-6)UNU=33NU=33
式中 K12、K13、K23———变比;
2基本方程式 N1、N2、N3,U1、U2、U3———绕组1、2、3的匝数和额定相电压。
磁动势平衡方程式可按与双绕组变压器类似的方法推出
···绕组2、绕组3连接负载Z2、Z3。以图3-21(b)所示的降压变压器为例,绕组1外加电压U1、N1I1+N2I2+N3I3=N1I0·
式中 I1、I2、I3———绕组1、2、3的负载电流。将I2、I3分别折算到绕组1侧时,则
··(3-7)II·I′= I′=231213·
于是式(3-7)可写成
第四节 三绕组变压器与小功率电源变压器 69
·
忽略励磁电流I0,可得I1+I′=I02+I′3
····
上式说明,每个二次绕组的电流折算到一次绕组后,一次绕组总电流是这些折算后电流的相量和。若忽略励磁电流I0时,一次绕组电流的相量和等于0。
在推导三绕组变压器的电压平衡方程式时,要注意下述特点,由于高、中、低三绕组在磁路方面互相耦合,在建立电压方程式时,不能像双绕组变压器那样简单地用主磁通和漏磁通的概念,必须用每一绕组的自感系数和绕组间的互感系数作为基本参数。
3三绕组变压器的电压变化率ΔU
···I1+I′2+I′3=0··电压U′那么,该负载下的电压变化率可用下式决定2及U′3,
ΔU12=
ΔU13=根据三绕组变压器的端电压U1、U2′、U3′,就可以计算出对应于某一负载电流I2′及I3′时的端U×100%1U×100%1(3-8) 4三绕组变压器的效率η三绕组变压器的效率η的计算式,可参照双绕组变压器效率计算式直接写出
η=1
-
=1-×100%2
3(3-9)
×100%
式中
pCu1、pCu2、pCu3———分别为三个绕组的铜损耗,按实际负载时的各绕组电流值计算,单位kW。
二、小功率电源变压器
小功率电源变压器是专门用作某些小功率负载的供电电源。按工作频率不同可分为工频、中频和高频电源变压器;按铁心结构型式不同可分为口形及E形、C形、R形、O形(环形)变压器;按工作原理分还有磁饱和变压器。下面分别作简单介绍。
1工频电源变压器(一)按工作频率分 pFe———三绕组变压器的铁损耗,可由空载试验(绕组2、3开路)求得,单位kW;P2、P3———绕组2和3输出的有功功率,单位kW;p23FeCu1Cu2Cu3
工频电源变压器是指工作在50～60Hz频率下的电源变压器。常用的有控制用变压器、行灯变压器、灯丝变压器、各种专用仪器及设备的电源变压器等。主要由铁心及绕组两部分组成,铁心用035mm或05mm冷轧或热轧硅钢片构成,绕组套在铁心上。
2中频电源变压器中频电源变压器是指工作在400～1000Hz频率下的电源变压器。由于工作频率的上升,
70 第三章 特种变压器
为减小涡流损耗,铁心用02mm冷轧硅钢片构成,且铁心中的磁感应强度B一般取得较低。它既可工作在正弦波电压下,有时也可能工作在方波(或矩形波)电压下。其它结构与工频电源变压器相同。
3高频电源变压器高频电源变压器是指工作在10～20kHz频率下的电源变压器。它主要用于开关稳压电源的变换器中,它的结构特点是:
(1)不能用普通硅钢片制作铁心,一般用铁氧体磁心。它的电阻率高,涡流损耗小。
线的有效面积,引起发热,通常使用过多股高频铜导线或薄铜箔绕制绕组。
1E形及口形变压器
2C形变压器(二)按铁心结构分(2)由于绕组中通过的是高频电流,集肤效应使导线中心部分电流密度变小,从而减小了导该形铁心结构如图1-4所示,制成的心式变压器及壳式变压器外形如图1-2所示。
C形铁心是采用035mm晶粒取向冷轧硅钢片裁成一定规格的硅钢带后卷制固定,再分割成两个“U”形,用其制成的变压器通常称为C形变压器。如图1-4(f)所示。由于该类型变压器制作工艺简单,正在小容量的单相变压器中逐渐普及。随着制造技术的不断成熟,用卷制铁心的三相电力变压器(500kV·A以下)将逐步代替传统的叠片式变压器,其主要优点是重量轻、空载损耗小、生产效率高、质量稳定。
XCD型。C形壳式变压器即是将两个铁心组合在一起而成,其型号为XED型。3R型变压器C形变压器的结构有心式及壳式两种,图1-4(f)为心式结构,称为C形变压器,国产型号R型变压器是在C形变压器的基础上形成的,外形如图1-4(e)所示。其主要结构特点是铁心为整体结构,即铁心由一根在下料机上切割而成的由窄到宽,再由宽到窄连续均匀过渡的晶粒取向冷轧硅钢带卷绕而成。铁心卷绕好后绑扎紧并浸漆处理成型。由于铁心不切割,因此磁路无空气隙,磁组小,使变压器的空载损耗小,温升低。另外,由于变压器铁心截面为圆形(Round),故称R型。因而绕组也是圆形,减少了用铜量,变压器体积小、重量轻、噪声低、常采用卧式结构,特别适合于高密度安装的设备中。
4O形变压器O形变压器又称环形变压器,外形如图1-4(g)所示。工作在工频电源下的O形变压器其铁心用晶粒取向冷轧硅钢带或合金钢带绕制而成,再经过扎紧及绝缘处理等过程,形成O形铁心。因此O形变压器也具有R型变压器的优点,且铁心制作简单。其主要不足之处是由于铁心截面呈矩形,因此线圈绕制困难,一般需用专门的绕线机绕制。随着电子技术的飞速发展,高频变压器、脉冲变压器、开关电源及逆变器等大多采用环形铁心结构,其铁心材料为非晶态合金或铁氧体,其工作频率可达数十万赫。
变压器可分为线性变压器和非线性变压器,前面所讲的都是线性变压器,铁心磁通工作在非饱和状态。即铁心磁化曲线的直线段,一、二次绕组的电压与其匝数成正比关系。如果铁心磁通工作在饱和段,这种变压器称为磁饱和变压器。稳压变压器就是这种磁饱和铁磁谐振式交流稳(三)按工作原理分
第五节 小型变压器的设计 71
压器。它的铁心结构如图3-22所示。铁心柱截面与一般变压器不同,一次绕组放在截面积较N2匝数比决定;当输入电压升高至某一数值时,使二次绕组的铁心中磁通达到饱和状U2由N1、
大的铁心柱上,二次绕组放在截面积小的铁心柱上。当输入电压U1比额定电压低时,输出电压
态,若再升高电压,二次绕组铁心中磁通不再增加,二次绕组的感应电动势不再按匝数比上升,使输出电压近似稳定。其原理是利用铁心材料磁饱和特性来实现稳定输出电压,如图3-23所示。其稳压范围:在电源电压变化±10%时,输出电压不超过额定电压±15%,甚至更好。实用中,以并联铁磁谐振稳压器应用最广,它是由一个带磁分路的磁饱和变压器和一个电容并联组成,如
图3-24所示。国产有WCD和WED系列产品,WCD形是在C形铁心窗口中加入磁分路,使整个铁心成为日字形,如图3-25所示。WED形,使用两副CD形铁心并在一起使用,如图3-26所示。稳压变压器应用于对电压稳定性要求较高的设备中,在结构上无转动部分,工作可靠,使用简单,过载能力强,短路时能自动保护,功率因数高。
多用于输出功率
1000W以下场合。
图
3-22 磁饱和稳压器铁心结构图3
-23 稳压变压器原理图
图3-24 有补偿绕组的稳压器
图3-25 WCD形稳压器铁心结构
图3-26 WED形稳压器铁心结构
第五节 小型变压器的设计
在实际工作中,常需要特定电压与容量的小型变压器,作为电源及控制用。这类变压器一般可自行设计和绕制。自制变压器设计内容主要是变压器容量、铁心截面的选择、绕组匝数以及导线的直径选择等,这里叙述一种简易设计方法。
一、变压器的额定容量
如图3-27所示,当变压器设计成有几组二次绕组时,总容量为
72 第三章 特种变压器
定电流。些,因此
式中 U2、U′2、U″2、…,I2、I′2、I″2、…分别是各组二次绕组的额定电压和额
考虑变压器本身存在损耗,一次绕组的容量要比二次绕组的容量大
S聄
S2=U2I2+U′2I′2+U″2I″2+…(
3-10)
S1=(3-11)
图3-27 变压器总容量计算
式中聄是经验系数,其大小与变压器容量有关,可参照表3-5选用。
由于一次、二次绕组的容量不等,因此,变压器的容量由一次、二次绕组的平均容量决定,即
S1=
次级容量
聄
10～30V·A
0.7
表3-5 经验系数胇与二次绕组容量的关系
30～80V·A
0.8
80～200V·A200～400V·A
0.85
0.9
>400V·A0.95
S(3-12)
二、计算铁心截面
单相小容量变压器一般采用壳式铁心,三相则采用心式铁心,分别如图3-28、3-29所示。
有关小型变压器铁心柱截面的计算大都采用下面的经验公式,即
A=K
式中 K为系数,它与容量S有关。
A为铁心柱截面积,由A即可决定铁心柱的宽度a和叠片的厚度b,原则上a×b=A即可。但一般壳式取b/a=1.2～2.2,参看表3-6。
(3-13)
图3-28 壳式铁心
图3-29 心式铁心
表3-6 小型变压器设计参考数据
变压器容量/(V·A)
10～5050～100100～500磁通密度B0.70.80.9～0.8～0.9～1.0电流密度/(A/mm2.5～2.22.2～2.02.0～1.52～1.51.5～1.31.3～1.25
第五节 小型变压器的设计 73
三、计算绕组匝数
由感应电动势有效值的基本公式
E=4.44fNΦm
可以导出下面具体计算公式
式中 Bm———铁心磁感应强度(磁密),单位是特;1T(特)=10Gs(高斯)。这里Bm取高斯作
4
E=4.44KFeBmANf×10(V)
-8(3-14)
单位,根据铁心材料选取。
硅钢片取092,05mm硅钢片取095,若涂漆时取093,不涂漆时取095。
变压器采用电源频率为50Hz,电源电压U≈E则有
N=
mFe5
KFe———考虑到铁心叠片叠压时有间隙而引入的叠压系数,一般为092～095。035mm
A———铁心截面积,单位是米(m);这里A取厘米(cm)作单位。
2
2
2
2
上式求出电压为U时的总匝数,也可以求出电压为1V时的匝数
有了每一伏的匝数,即可求出一次、二次绕组的总匝数,所以一次绕组的匝数为
N1=N0U1N0=
mFe
5
=
mFe
(3-15)(3-16)(3-17)
小型变压器计算二次绕组时,要考虑各种损耗,需要适当增加一些匝数,使二次绕组电压在额定负载时保持额定值,一般可取
根据上式即可求出各二次绕组的匝数。
四、绕组导线截面的确定
绕组导线截面,根据绕组的电流及电流密度来确定。一次、二次绕组的电流分别为
I1=I2=
(A)1
A(A)2
N2=(1.05～1.10)N0U2
(3-18)
(3-19)
考虑一次绕组电流还含有空载励磁分量,I1值修正如下 导线截面Aj与其直径d的关系为
AI1=(1.1～1.2(A)
1
Aj=
肐2
(3-20)
74 第三章 特种变压器
导线截面Aj与其通过的电流密度的关系为所以绕组导线直径为
Aj=
(3-21)
×=1.132
式中 j为绕组导线的电流密度,取值可参看表3-5,一般j取25A/mm。
d=
所以,一次、二次绕组导线的直径可用下式计算
d1=0.715d2=0.715
12
(3-22)
些的,散热条件不好的,导线应选截面大一些的。一般一次、二次绕组电流密度取相同值。
五、铁心窗口的估算
一次、二次绕组导线截面的选择,、散热条件好的,导线可选截面小一
由于铁心窗口的大小是固定的,而所有导线匝数必须穿过窗口,并有良好的绝缘,所以在实际绕制前,对窗口能否容纳下所有匝数要进行估算,如不合适,可根据估算的结果作相应的改变,以取得最佳效果。
一般估算步骤如下:
首先根据变压器容量,选择合适的窗口面积,可根据下列经验公式进行选择
A0=
(3-23)
式中 A0———铁心窗口面积;
SN———变压器额定容量。A———铁心截面积;
选择时参考。
表3-7给出了小型变压器常用铁心叠片尺寸,铁心叠片尺寸的比例,如图3-30所示,可供
窗口高度h的关系铁心窗口面积A0与窗口宽度c、
A0=hc
(3-24)
第五节 小型变压器的设计 75
度h为准,根据绕组的线径算出在窗口高度h中每层可绕的匝数,然后再根据各绕组总匝数算出
对于已选定铁心窗口高度h和宽度c的变压器叠片,两者可先以一个为基础,如先以窗口高
各绕组的层数,再根据每层厚度及层数以及层间绝缘纸的厚度计算出变压器绕组的总厚度c′。如果总厚度c′小于窗口宽度c,则绕组能放下;如果c′大于c,则表示窗口无法容纳全部绕组,应重新设计。一种办法是增加铁心厚度即增大铁心截面积,以减少绕组匝数;另一种办法是选窗口大一些的铁心重新计算,直到合适为止。
例3-6 某可控硅整流系统触发电路采用单相变压器,二次绕组有两个,电压均为50V,电流均为01A,原一次绕组电压为200V,绕制这样一台变压器,试计算有关数据。
解 (1)二次绕组容量 (2)一次绕组容量
S2=2U2I2=2×50×0.1V·A=10V·A
S1=
S=V·A=12.5V·A聄 (3)变压器设计容量
S=
(4)一次绕组电流
S1+S2)=(12.5+10)V·A=11.25V·AI1=1.1×
S=1.1×A=0.0625A1mm=5.37mm
22
2
(5)铁心截面积确定
(6)计算铁心叠片规格
取b/a=1.2
A=K=1.6
A=ab=1.2a
a=
选用壳式变压器。
=2
cm=2
cm=2.12cm
根据表3-7取a接近于212的叠片a=2cm,则b=A/a=5.37/2cm=2685cm,近似取(7)铁心窗口面积
b=2.6cm,则实际A=ab=2×26cm=5.2cm。
A0=
22=cm=3.46cm取则
(8)一次绕组计算
c=
查表3-7,a=2,h=3,c=1中的h与346接近。
5
h=A0/c=3.46/1cm=3.46cm
5
a=×2cm=1cmN0==匝=12.4匝
mFe
76 第三章 特种变压器
这里选Bm=7500Gs=0.75T,KFe=0.93(0.5mm硅钢片涂漆)。
一次绕组匝数
N1=N0U1=12.4×220匝=2728匝
2
一次绕组导线直径 j=2.5A/ (9)二次绕组计算次绕组匝数为
二次绕组导线直径 =2.5A/mm2
d1=0.7151=0.715×mm=0.18mm
考虑变压器内部漏阻抗压降影响,使满载时二次绕组为额定电压,故将匝数增加5%,则二
N2=N0U2×1.05=12.4×50×1.05匝=651匝d2=0.715
2=0.715×
mm=0.23mm
(10)铁心窗口估算
一次、二次绕组骨架采用厚05mm的绝缘板制作。层间绝缘纸厚002mm,一次、二次绕组
之间加两层厚为012mm的绝缘纸,绕组最外层包两层厚为005mm的牛皮纸。已知:a=20、h=30、c=10,单位:mm。
①计算一次绕组层数a一次绕组每层匝数
一次绕组每层匝数=
窗口高h-骨架上下厚
一次绕组导线直径=
一次绕组匝数取130匝。b一次绕组层数
一次绕组层数=
一次绕组层数取21层。
a.二次绕组每层匝数②计算二次绕组层数(同上)
二次绕组每层匝数=
二次绕组每层匝数取102匝。
b二次绕组层数
匝=103.6匝
层=6.38层匝=131.8匝
这里导线直径022mm,是018mm直径外加漆皮所得。
一次绕组总匝数=层=20.98层
一次绕组每层匝数二次绕组层数=
因有两个二次绕组 6.38×2=12.76层
二次绕组层数取13层。③计算总厚度c′
总厚度c′=骨架厚度+一次绕组厚度+一次绕组层间绝缘厚度+一次、二次绕组间绝缘厚度+二次绕组厚度+二次绕组层间绝缘厚度+外层牛皮纸厚度
所以,c′=(0.5+21×0.22+20×0.02+2×0.12+13×0.28+12×0.02+2×0.05)mm因为974
绕制成后,还要进行空载试验和短路试验,测定有关数据,看是否符合设计要求,否则要另行设计,
重新绕制。
=9.74mm
本章小结
本章在前两章的基础上,具体叙述了几类特种变压器的结构、原理、用途及使用过程中的注意事项。这一章的重点内容如下:
一、在交流电路的多种测量中,以及各种控制和保护电路中,应用着大量的互感器。电流互感器,同变压器一样是应用电磁感应原理,将大电流变成小电流,特点是电流互感器是在近似短路状态下工作的,用以提供测量仪表及各种继电器保护的信号。电流互感器的额定电流比K=中二次绕组绝对不能开路,互感器准确度要比所接仪表高两级。
N2/N1,是比较准确的。电流互感器在不同等级的测量中,应注意它的级别。电流互感器在运行
电压互感器,也是应用电磁感应原理,将高电压变为低电压,供测量仪表等使用。电压互感器的主要特点是它的二次绕组近似在断路的状态下工作,二次绕组电流很小,所以它的变压比很准确。公式
Ku=
UN=22
表的准确度要高两级。
在使用电压互感器时应切记,二次绕组不可短路,使用中电压互感器的准确度等级比所接仪
二、自耦变压器的一次、二次绕组,具有公共使用的绕组。一次、二次绕组两边既有磁的联
U1=KuU2
系,又有电的直接联系,正是由于这种电的直接联系,使得它的绕组容量小于变压器的容量。其优越性是,结构简单、操作方便、节省材料、提高变压器容量。电力自耦变压器在电力系统中得到了广泛应用。在变比K接近于1时,优越性最显著。
调压器是电压连续可调的自耦变压器,在实验室中应用较广,但要注意安全,对单相自耦变压器来说,一次、二次绕组的公共部分要接零线,并注意铁心接地。
三、电焊变压器的最大特点是具有陡降的外特性,以满足电弧焊接的要求。电焊变压器大体可分为两大类,一类是磁分路类,另一类是外加电抗类。其基本原理仍是电磁感应原理。两类调节电流的方式不同,前一类是调节漏磁通,以便调节输出电流;后一类是改变焊接回路电抗来改变输出电流。其实质都是改变加在电焊条电弧间的电压。
四、三绕组变压器可分为三相三绕组变压器和单相三绕组变压器。其特点是每相有高、中、低压三个绕组。三相一般为心式结构,单相一般为壳式结构。三绕组变压器任何两绕组间按电磁感应定律传递能量。三绕组变压器有三个变比,即
三绕组变压器的效率可与双绕组变压器效率类比。
K12=
UNUNUN=K13== K23==223333
小功率电源变压器是作小功率负载供电电源。按工作频率不同可分为工频、中频、高频电源五、小型变压器的设计,主要内容是变压器容量、铁心截面的大小、绕组的匝数、导线的直径
变压器;按铁心叠片结构不同可分为口、E、C、O形等变压器;按工作原理还有磁饱和变压器。以及铁心窗口的估算等。绕制后,还要进行空载试验和短路试验,测定有关数据,看是否合乎设计要求,否则要另行设计,
重新绕制。
习题
一、填空题的
1电压互感器的正常运行状态相当于变压器的
状态。
2自耦变压器的一、二次绕组有
。
状态,电流互感器的正常运行状态相当于变压器
故该
电流值ΔI=有
,流过其共同部分的电流为一次电流与二次电流
,有负载时,电压应
和
3对电焊变压器的基本要求是:空载时,电压为
;短路电流
。
4为了使电焊变压器获得急剧下降的
电焊工作电流
左右,工作电流应
等办法。
5对电焊变压器内电抗器中的气隙进行调节,可以获得不同的焊接电流。当气隙增大时,电抗器的电抗
当气隙减小时,电抗器的电抗
;电焊工作电流
。
常采用增加变压器本身的
二、判断题(对的画○,错的画)
1电压互感器的电压误差和电流互感器的电流误差都与其变比有关。( )2自耦变压器虽然其输出电压可调,但使用不够安全。( )
少。( )
3自耦变压器与双绕组变压器比较,在所用硅钢片和电磁线相等的条件下,自耦变压器所能传递的能量较
三、选择题
5三绕组变压器中高、中、低压绕组排列顺序应以一次绕组与二次绕组较近为原则。( )
4具有电抗器的电焊变压器,若减少电抗器的铁心气隙,则漏抗增加,焊接电流增大。( )
流表连接线拆开。
a.断开;
1当必须从使用着的电流互感器上拆下电流表时,应首先将互感器的二次侧可靠地( ),然后才能把电
b.短路;
c.接地
2电压互感器在运行中,其二次绕组( );电流互感器在运行中,其二次绕组( )。3电焊变压器的短路阻抗( )。a.很小;a.不允许开路;
b.不允许短路;
c.不允许接地
4电焊变压器的最大特点就是具有( ),以满足电弧焊接的要求。5三绕组变压器中高、中、低压绕组的排列顺序是( )a.对于降压变压器,把中压绕组放在中间;a.陡降的外特性;
b.较硬的外特性;
b.不变;c.很大
c.上升的外特性
b.对于升压变压器,把中压绕组放在中间;
c.对于中压为一次的三绕组变压器,把中压绕组放在中间
四、改错题(指出题中错误并予以改正)
2动圈式电焊变压器在焊接中,当一、二次绕组间距离增大时,变压器漏抗减小,焊接电流减小。3自耦变压器在使用中只要注意一次、二次绕组公共端接地就可以了。4自制变压器时,变压器的容量由一次、二次绕组的平均容量决定。5自耦变压器的绕组容量与双绕组变压器绕组容量相同。1电流互感器运行时,为什么二次绕组禁止开路?
1电流互感器在运行中若需换接电流表,应先将电流表接线断开拆下,然后接上新表。
五、问答题与计算题
2电压互感器运行时,为什么二次绕组禁止短路?
3什么是电流互感器的额定电流比?怎样求被测电流?
4什么是电压互感器的额定电压比?怎样求被测电压?
96V,电流表读数为35A。求被测电路的电压、电流各为多少?
7自耦变压器有哪些缺点?使用时应注意哪些问题?
5用电压互感器,其变比为6000V/100V,电流互感器,其变比为100A/5A,扩大量程,其电压表读数为6自耦变压器有哪些特点?为什么变比越接近1,一次、二次绕组的公共部分流过的电流越小?8一台单相自耦变压器数据如下:U1=220V,U2=180V,cosφ=1,I2=400A,求:(2)借助于电磁感应从一次绕组传递到二次绕组的视在功率是多少?(1)流过自耦变压器一次、二次绕组及公共部分的电流各为多少?
10磁分路动铁式电焊变压器在结构上有什么特点?12简述小型变压器设计的程序。
11电弧焊对变压器的电性能有什么要求?
9电焊变压器的外特性与普通变压器有什么不同?
六、作图题
13根据需要自己设计一台小型变压器(如收音机外接电源整流变压器)。1画出电流互感器的原理接线图。
2画出电压互感器的原理接线图。
4画出BX1-330型电焊机接线图。
3画出自耦变压器的几种接线形式(有无创造性发挥,超出教材给出的)。
第三章
特种变压器
由于科学的不断发展,相应地出现了各种用途的特种变压器。本章叙述几种较为常见的变压器:互感器(仪用变压器),自耦变压器,电焊变压器,三绕组变压器与小功率电源变压器,以及小型单相多绕组变压器的设计原则和绕制过程。
第一节 互 感 器
电力系统中,高电压和大电流不便于测量,通常用特种专用的变压器把大电流变成小电流,把高电压变成低电压再进行测量。这种用途的变压器就称为电流互感器和电压互感器,统称为仪用变压器。
利用互感器进行测量有很多优点,其中主要是:
(1)使测量电路与仪表同高压隔离,保证人身和测量仪表的安全。
(3)可以减少测量中的能量损耗。
一、电流互感器
1电流互感器的结构、工作原理(2)便于使测量仪表标准化,可使用不同的互感器来扩大仪表的量程,提高测量的准确度。所以,在交流电路多种测量中,以及各种控制和保护电路中,应用了大量的互感器。电流互感器的结构、工作原理与普通双绕组变压器相似,也是由铁心和一次、二次绕组两个主要部分构成。其主要特点在于,电流互感器一次绕组的匝数很少,一般只有一匝到几匝。使用中,一次绕组串联在被测电路中,流过被测电流,如图3-1所示。二次绕组的匝数很多,用较细的导线绕制。根据测量的目的不同,二次绕组连接电流表或电度表的电流线圈或电流继电器。这些仪表的阻抗极小,所以,二次绕组接近短路状态。与普通变压器的短路情况相似。二次绕组的电动势很小,一般只有几伏,所以铁心内的磁通也很小Φm=
势也很小。根据变压器的变流比公式
I1=
式中 Ki=I1N1=I2N2NI2=KiI21。互感器的励磁磁动2(3-1)N称为电流互感器的额定电流比。1
上式表明,在电流互感器中,二次绕组的电流与电流比的乘积,等于一次绕组的电流值,即被测电流值。例如,电流表读数为3A,电流比为40/5时,则被测电流值
52 第三章 特种变压器
6—一次绕组;7—瓷套管;8—一次绕组换接器;9—放电间隙;10—二次绕组引出端1—瓷外壳;2—变压器油;3—小车;4—扩张器;5—铁心连二次绕组;
图3-1 电流互感器
(a)原理接线图;(b)符号图;(c)LQC-05型;(d)LDZJ1-10型;(e)LCWD2-110型(f)LCW-110型户外装置用支柱绝缘电流互感器
2电流互感器的型号及规格I1=KiI2=×3A=24A为了减少误差,电流互感器的铁心磁感应强度一般设计得很低,约为08～1T(特),而且要求二次绕组所接仪表的总阻抗不得大于规定的阻抗值,电流互感器的准确度为02,05,10,30,100五级。它是根据测量时存在的误差大小确定的。例如,05级的电流互感器表示在额
电流互感器一次绕组额定电流可设计在0～15000A(或25000A)之间,电流互感器的二次绕组额定电流通常采用5A。有的电流互感器具有圆环形铁心,被测线路的导线可在其圆环形铁心上绕几周,以实现不同的变流比。
电流互感器的型号由两部分组成,斜线以上部分包括符号和数字,所用符号含义见表3-1。符号后面的数字表示耐压等级,单位为kV。斜线下面部分,由两组数字组成,第一组数字表示准确度等级,第二组数字表示额定电流。例如,LQG-05/0.5-100,表示改进型线圈式电流互感器,耐压等级为05kV,准确度等级为05级,测量线路额定电流为100A。如表3-1铭牌中符号的含义所示。
在选择电流互感器时,必须按互感器的额定电压、二次绕组额定电流及二次绕组额定负载阻抗值适当选取。一般选取与被测电流额定值相符的电流互感器,若不符合时,应选择稍大于被测电流额定值的电流互感器。定电流时,测量误差最大不超过±05%,准确度数值越小等级越高,测量误差越小,价格也越贵。
第一节 互感器 53
表3-1 电流互感器铭牌中符号的含义穿墙式支持式瓷绝缘改进型
差动保护差动保护加大容量加强型保护级L电流互感器ABCCD
QF贯穿复匝式
装入式线圈式贯穿单匝式瓷箱式GLBKWS塑料外壳绝缘速饱和型户外用电缆电容型(C,B)QJD
M
YR母线式低压式J或Z浇注绝缘L234-(A)
(kV)
电流互感器也可以作为提供控制信号之用,用来监视电路的运行状态。
例3-1 某电力线路,电压为105kV,今采用LQJ-15环氧树脂浇注的电流互感器测量线路电流。已知Ki=40,电流表测得的电流为25A,若不计空载电流和漏阻抗的影响,试问该线
路电流为多大?若采用Ki=75/5的电流互感器,能否测量该线路的电流?
因为Ki=40,I2=2.5A,则该线路的电流为解 由于LQJ-15型电流互感器可允许在15kV线路中进行测量,故在该线路(仅为105kV)是可以使用的。
它所测量电流的最大值为 如采用Ki=75/5=15的电流互感器,
所以,不能将Ki=75/5的电流互感器用于测量线路为100A的电流。
3电流互感器使用规则为了测量的准确和安全,在使用电流互感器时,应注意以下三点:
(1)电流互感器在运行中二次绕组绝对不能开路。若开路,互感器即成为空载运行,流过一I1=KiI2N=15×5A=75AI1≈KiI2=40×2.5A=100A次绕组的线路电流,全部成为互感器的励磁电流。二次绕组此时没有电流通过,二次绕组电流的通的波形为平顶波,在磁通变化过程中,过零时相当快。因而在二次绕组中感应出很高的尖峰电动势,其峰值可达数千伏,会造成互感器绝缘击穿,也可能造成人身伤害,如图3-2所示。去磁作用消失,一次绕组磁动势I1N1不变,使铁心中磁感应强度提高很多倍,磁路严重饱和,磁
54 第三章 特种变压器
另外,由于磁感应强度增大,铁损耗增加,铁心过热,加速绝缘物老化
。在电流互感器二次绕组电路中,绝对不允许接装熔断器;当二次绕组不接电流表
时,要把二次绕组短接,若要拆下运行中的电流表,必须先把
互感器二次绕组短接后,才能把电流表拆下来。
免高压侧绝缘击穿时,损坏仪表或造成人身伤亡。
度等级要比所接仪表的准确度高两级。(2)电流互感器的铁心和二次绕组要同时可靠接地,以(3)二次绕组负载阻抗要小于规定的阻抗,互感器准确
例3-2 有一台三相异步电动机,型号为Y280S-4,额
定电压380V,额定电流140A,额定功率75kW,试选择电流
互感器规格,并计算流过电流表的实际电流。
解 为了测量准确,又考虑到电机允许可能出现的短时
过负荷等因素,应使被测电流大致为满量程的1/2～3/4,因此
选择电流互感器额定电流为200A。变流比为
Ki=
流过电流表的电流I2可由下式计算得到
4便携式电流互感器(钳形电流表)I2=iI==40A=3.5A图3-2 电流互感器二次绕组开路时的磁通和电动势波形(a)磁通波形;(b)电动势波形
利用互感器原理制造的便携式钳形电流表如图3-3所示。它的闭合铁心可以张开,将被测载流导线钳入铁心窗口中,被测导线相当于电流互感器的一次绕组,铁心上绕二次绕组,与测量仪表相连,可直接读出被测电流的数值。其优点是测量线路电流时不必断开电路,
使用方便。
图3-3 钳形电流表
(a)袖珍型;(b)通用型
使用钳形电流表时应注意使被测导线处于窗口中央,否则会增加测量误差;不知电流大小时,应将选挡开关置于大量程上,以防损坏表针;如果被测电流过小,可将被测导线在钳口内多绕
第一节 互感器 55
几圈,然后将读数除以所绕匝数;使用时还要注意安全,保持与带电部分的安全距离,如被测导线的电压较高时,还应戴绝缘手套和使用绝缘垫。
二、电压互感器
1电压互感器的结构、工作原理
感器的外形结构。
电压互感器实质是一个降压变压器,其工作原理和
结构与其它变压器没有区别,也是由铁心和一次、二次
绕组两个主要部分组成。它的主要特点在于:一次绕组
匝数较多,并联在被测电路中,二次绕组匝数较少,接在
高阻抗的测量仪表上,有很准确的变压比,也叫电压比。
根据测量的目的不同,一次绕组接被测量的高电压端,
二次绕组接电压表、功率表或电能表的电压线圈,所接
仪表的阻抗都很大,因此,电压互感器的二次绕组电流
很小,近似等于零。所以电压互感器正常运行时接近于
空载运行,接线原理图如图3-5所示。
UN==Ku22
式中Ku是电压互感器的变换系数,也称电压互感器的变换倍率。
数乘以倍率
Ku就是被测量的高电压U。U1=KuU2图3-4 电压互感器的外形结构(a)JDG-05型;(b)JDZJ-10型电压互感器的结构和工作原理同小型双绕组降压变压器相同。图3-4所示为两种电压互
根据变压器原理,它的一次绕组与二次绕组的电压之比同它们的匝数成正比。即(3-2)上式表明,可将被测的高电压变为低电压,然后用电压表来测量这个低电压,电压表上的读1—储油柜;2—瓷箱;3—上柱线圈;4—隔板;5—铁心;6—下柱线圈;7—支撑层压板;8—底座
图3-5 电压互感器的原理接线图
2电压互感器的型号及规格(a)接线图;(b)符号图;(c)110kV电压互感器剖面图
为了减少误差,要尽量减少空载电流和一次、二次绕组的漏抗,以得到准确的电压比,电压互感
56 第三章 特种变压器
器的铁心大都用性能良好的硅钢片制成,并尽量减小磁路中的气隙,铁心磁感应强度一般设计为06～08T(特),使铁心处于不饱和状态。在绕组绕制上,也应设法尽量减少两个绕组的漏磁通。电压互感器的准确度可分为:02、05、10、30四级。
电压互感器二次绕组的额定电压规定为100V,这样规定的优点在于,与电压互感器二次绕组相连接的各种仪表和继电器,都可以统一制造,以实现标准化。在测量不同等级的高电压时,只要换上不同等级的电压互感器就行了。常用的电压互感器变比有3000V/100V,6000V/100V等。电压互感器有干式、油浸式、浇注绝缘式等,图3-6为一种油浸式电压互感器。电压互感器型号由符号和数字两部分组成。符号的含义见表3-2。数字部分表示高压侧额定电压,单位千伏(kV),如JDJJ1-35即表示35kV,单相油浸式具有保护接地的电压互感器,JDJJ1中的“1”表示第一次改型设计
。电压互感器铭牌参见图3-7。
中华人民共和国××互感器厂制造
型号
额定电压
准确级次
额定容量V·A
最大容量
图3-6 油浸式
电压互感器总重0.550400V·A17kg图3-7 电压互感器铭牌JDZ-66000V/100V1803200序号005819××年×月出品电压互感器标准代号户外装置单相50Hz
在选择电压互感器时,必须注意其额定电压与所测电路额定电压相符;二次绕组负载电流的总和不得超过二次绕组的额定电流。
HJY表3-2 电压互感器铭牌中符号的含义S三相单相J
干式油浸式J五柱三线圈接地保护胶封式电容式互感器仪用互感器DG
RF电容分压式W
1234-(kV)
电压互感器除了用于测量电压之外,二次电压还可以作为控制信号。
例3-3 用变比为6000V/100V的电压互感器和变比为100A/5A的电流互感器扩大量程,若电压表的读数为85V,电流表的读数为35A,则被测电路的电压、电流各为多少?
解 因为Ku=U==602
第二节 自耦变压器 57
所以所以又因为U1=KuU2=60×85V=5100V
I1=KiI2=20×3.5A=70AKi=I=20=2 3电压互感器使用规则在使用电压互感器时,应注意以下三点:
路,短路电流将很大,足以烧坏电压互感器。使用时,低压侧电路要串联熔断器作短路保护。铁心和二次绕组带上高压电而造成事故。(1)电压互感器在运行时,二次绕组不可短路。因为二次绕组匝数少,阻抗小,如果发生短(2)电压互感器的铁心和二次绕组的一端必须可靠接地。以防止高压绕组绝缘被破坏时,
大容量为200V·A,输出不超过25V·A时,准确度等级为05级;输出40V·A以下时为10级;输出100V·A以下时为30级。这是因为输出电流越大,电压比误差越大的缘故。为了保证所接仪表的测量准确度等级,电压互感器的准确度等级比所接仪表的准确度等级要高两级。(3)电压互感器的准确度等级与其使用的额定容量有关,如JDG-05型电压互感器,其最
第二节 自耦变压器
普通变压器一次、二次绕组之间由磁通相互联系起来,依据法拉第电磁感应定律称之为互感现象,也称为互耦合现象。根据法拉第电磁感应定律所讲的自感现象制成的变压器,称为自感变压器,也称自耦变压器,其应用范围很广泛。自耦变压器的特点在于:其一次、二次绕组之间不仅有磁的联系,而且也有电的直接联系。
一、自耦变压器的结构
自耦变压器与普通变压器相似,也是主要由铁心和一次、二次绕组两部分组成。所不同的是,一次、二次绕组共用一个线圈,如图3-8所示。如果绕组中间的抽头做成可滑动接触的,就可构成一个电压可调的自耦变压器。通常将这类可调的自耦变压器称为自耦调压器,如图3-9所示。
这种自耦调压器将铁心做成圆环形
,将绕组均匀绕在上面,滑动接触头一般用碳刷构成。
图3-8 自耦变压器图3-9 自耦调压器(a)外形图;(b)原理电路图
58 第三章 特种变压器
碳刷触头通过组件与手柄相连,可根据需要旋转手柄以改变输出电压。为了搬运和使用安全,还设有电压指示针等其它一些附件。
二、自耦变压器的原理
1自耦变压器的原理接线图自耦变压器可以看作是由一台双绕组变压器改接而成的。设双绕组变压器一次、二次绕组器原理,变比的总匝数为N1,二次绕组匝数为N2,额定电压分别为U1N、U2N,额定电流分别为I1N、I2N,根据变压
K=N2=U2N
若将这台双绕组变压器一次、二次绕组按图3-10所示串联起来,便成为一台自耦变压器。N2既属于一次绕组的一部分,同时也是二次绕组的组成部分,称为公共绕组,N1称为一次绕组。自耦变压器可用于升压,也可用于降压。图3-10为降压自耦变
压器原理接线图。若将电源和负载对调,就成为升压自耦变压器。下
面就以这台降压自耦变压器为例来分析它的工作原理。
2自耦变压器的工作原理如果在自耦变压器一次绕组上加上电压U1,若不考虑绕组的电阻压降和漏抗压降,绕组内有电流通过,铁心内就产生交变的磁通Φm,在一次绕组N1中产生感应电动势E1,这个电动势与外加电压U1相平衡。即
U1=E1=4.44fN1Φm图3-10 自耦变
压器原理
的。即 二次绕组N2中产生的感应电动势E2与其匝数N2也是成正比
E2=4.44fN2Φm 这个二次绕组E2与N2匝线圈空载时的输出电压U20相等。即E2=U20。
··当自耦变压器接上负载,二次绕组有电流I2输出时,铁心中磁通Φm由一次、二次绕组电流
·
·····的合成磁动势产生,根据法拉第电磁感应定律与楞次定律,E1的方向同U1的方向相反。E2的方向与E1的方向相同,E1对于U1来说是反电动势。E2对于U2来说是电源电动势。所以,合成磁动势为
因为空载电流很小,I0可以忽略,即I0≈0,所以上式可变为N1I1+N2I2=0···(N1-N2)I1+N2(I1+I2)=N1I0····I1=-
在数值上,I1=
·1NI2=I2,K为变比。NI21
在相位上,I1和I2方向相反,相位相差180°。·
第二节 自耦变压器 59
在自耦变压器中,一次、二次绕组的公共绕组(即N2绕组)内的电流为一次、二次绕组的电流之差。即
当变比接近于1时,由于I1和I2的数值相差很小,公共绕组的电流很小,因此,这部分绕组可用截面积较小的导线绕制。这样既能满足要求,又能节约导线,进而能减小变压器的体积和重量。
3自耦变压器的容量自耦变压器的容量为
SN=U1N·I1N=U2N·I2NΔI=I2-I1(3-3)
与一般双绕组变压器容量计算式相同。但对于自耦变压器一次、二次绕组不重合部分的容量S1与公共绕组的容量S2。其中S1=U(N1-N2)·I1N==U1N·I1N1-U1N·NNI1N=U1N1-I1N11(3-4)
I=SN1-2NN1=SN1-
SN1- ,两部分绕组的容量都比变压器的额定容量小,且大小相等,只有。变比越接近于1,这个数值就越小。S2=U2N
·ΔI=U2N(I2N-I1N)=U2NI2N1-
自耦变压器的容量由双绕组变压器容量计算式得到
从上式可以看出,自耦变压器的容量由两部分组成,其中S2=U2NΔI是借助电磁感应从一次的直接联系从一次绕组传递到二次绕组的视在功率,称为传导容量。传递这一部分功率不需要增加绕组的容量。这就是自耦变压器绕组容量小于其额定容量,即小于一般双绕组变压器绕组容量的根本原因。这是自耦变压器独有而一般双绕组变压器所没有的特点。
4自耦变压器的简单计算自耦变压器的计算容量Sj是自耦变压器额定容量SN的Kj倍,即
Sj=KjSN绕组传递到二次绕组的视在功率,即为绕组容量,也称为电磁容量。而S2=U2NI1N则是通过电路SN=S2N=U2N·I2N=U2NΔI+U2NI1N=S2+S′2(3-5) 当一次绕组电压U1大于二次绕组电压U2(降压变压器)时
当二次绕组电压U2大于一次绕组电压U1(升压变压器)时
如计算单相50Hz,5kV·A自耦变压器。已知一次绕组进线电压U1=190V,二次绕组出
Kj=U2=≈0.136Kj=U2Kj=U1线负载电压U2=220V,则
60 第三章 特种变压器
自耦变压器的计算容量
由此可以看出,这里5kV·A的自耦变压器的计算容量只相当于一般变压器680V·A的容量,制作时,铁心截面选取参看本章第五节。
150匝处接电源,如果例3-4 在一台容量为15kV·A的自耦变压器中,已知U1=220V,N=200匝,在N1=Sj=KjSN=0.136×5000V·A=680V·A
(1)要使输出电压U2=210V,应该在绕组的什么地方抽出线头?
(3)如果输出电压U2=110V,那么公共绕组内的电流又是多少安?
解 (1)由公式
得
(2)忽略损耗,可以认为
I1N
I2N
公共绕组内的电流ΔI为N2=N1NU=22(2)变压器满载时,I1N和I2N各等于多少安?此时公共绕组内的电流为多少安?(4)如果电源电压下降为180V,要保证输出电压为220V,二次绕组匝数为多少?U=×150匝=143匝1即应在一次、二次绕组公用点开始数143匝处抽头,可以得到210V输出电压。3S==A=68.2A1N3==A=71.4A2N (3)如果输出电压U2=110V
I2NΔI=I2N-I1N=71.4-68.2A=3.2A3S==A=136.4A2N (4)如果输入电压U1=180V,输出电压U2=220V,N1=150匝
N2=UN1=×150=183匝1ΔI=136.4-68.2A=68.
2A 可将输出触头旋至0～183匝附近,再由电压表确定。从这个例子中可以看出,当一次、二次绕组的电压接近时,自耦变压
器公共绕组内流过的电流是很小的。制作自耦变压器时,公共绕组的导
线可以做得细一些,可按ΔI电流大小计算,但制作自耦调压器时公共部
分不可太细,如图3-11所示。当变压比较大时,公共绕组内流过的电
流也较大,但仍是一、二次电流之差。一般自耦变压器的变比在12～
20的范围内,因为绕组容量S2=SN1-,K越接近于1,绕组容量越图3-11 自耦变压器
内电流关系
第二节 自耦变压器 61
小,自耦变压器的优点越明显,当K>2时,优点就不显著了。本例还说明,当电源电压降低时,自耦变压器可作稳压器使用,但要时刻注意电源电压的变化。
三、自耦变压器的类型、用途及使用时注意事项
自耦变压器有降压的,也有升压的,也有既可降压又可升压的,还有具有调相位的调压器。实验室中广泛使用的是单相自耦调压器,输入电压为220V,输出电压可在0～250V之间调整。型号常见的有TDG系列自耦调压器,其规格数据如表3-3所示。
表3-3 TDG系列自耦调压变压器规格数据型 号
额定容量输入电压输出电压最大输出电流最大空载电流 自耦变压器常用的几种接线形式如图3-12所示。自耦变压器可接成固定升压形式,如图3-12(a)所示。可接成固定降压形式,如图3-12(b)所示。可接成可升可降的一般调压形式,如图3-12(c)所示。这几种形式与双绕组变压器没有本质区别。但变相调压和串联调压则不同,特作如下说明。
(1)变相调压 将一台单相自耦变压器的输出公共端切断,将输出端焊在中心110V抽头处作输出端子,如图3-12(d)所示。调压器的功能就发生了变化,动触尖调到中心点的上端或下端,虽然都能进行调压,但电压相位相反,彼此相差180°。用这种调压器作伺服机的控制电压调节,非常方便。调压器动触头由中心点向上调节时,测试电机正转数据;动触头由中心点向下调节时,测试电机反转数据。不用倒向开关或交换控制绕组接头,电机就可以正反转。经过这种变换后,调压器一次绕组输入110V工频电压(也可以高些),二次绕组输出-110～110V工频电压。缺点是输出端有110V或相应更高的对地交流电压。为了保证设备及人身安全,要加强绝缘。
器作为具有可调匝数的降压电感线圈使用。它的作用是,可以稳定负载电压,减少损耗,增大调压器容量。另一个特点是,只需要两根线就可以进行调压。很适合夜间(或电压高峰时)作降压调节用,但缺点是不能升压。(2)串联调压 串联调压接线如图3-12(e)所示。这里将负载与调压器线圈串联,把调压
62 第三章 特种变压器
综上所述,自耦变压器种类很多,应用非常广泛。近年来,电力系统发展很快,要求将不同电压等级的电力系统连接成一个整体,以保证供电的可靠性和电力分配的合理性。在高压输电系统中,如果将一些电压为110、150、220、330kV的高压电力系统连接起来,构成更大规模的统一动力系统时,采用三相自耦变压器可产生巨大的经济效益,自耦变压器可以节省铜和铁的消耗量,减少体积和重量,降低制造成本,且有利于大型变压器的运输和安装。所以三相自耦变压器的应用也非常广泛。它不仅应用于电力系统中,而且还应用于大容量的异步电动机起动系统中,起动补偿器就是三相自耦变压器,对电动机进行降压起动。
实验室中常用具有滑动触点自耦调压器可任意调节交流电压,在电源电压降低时,可以作稳压器使用。自耦变压器的主要缺点在于:一次、二次绕组的电路直接连接在一起,高压侧的电气故障会波及低压侧。所以,接在低压侧的电器设备必须有防止过高压的措施。而且规定,自耦变压器不准用作安全照明的变压器。
使用时,要求接线正确,对于单相自耦变压器,要求把一次、二次绕组的公用端接中性线。如图3-13所示。这样使用较为安全。三相自耦变压器的中性点也必须可靠接地。另外,自耦变压器连接电源之前,
一定要把输出电压手柄转回到零位或所需要的电压挡位上。
图3-12 自耦变压器的几种接线形式
d)变相调压;((a)升压;(b)降压;(c)可升可降;(e)串联调
压
图3-13 自耦变压器的正确接线第三节 电焊变压器
一、电焊变压器概述
1电焊变压器的优越性电焊变压器在生产实际中应用很广泛,主要是以结构简单、成本较低、制造容易、维修方便、经久耐用而著称。交流电弧焊机的主要部分是电焊变压器,它实际上是一台特殊的降压变压器。
2电弧焊所用焊条对电焊变压器的要求电弧焊是靠电弧放电的热量来熔化金属的,电焊条就是用来被熔化的金属。焊接时的起弧电压约为60～75V,起弧后电压降至30～35V左右,当焊条碰在工件上时,即短路,短路电流不
第三节 电焊变压器 63
应过大,也不应过小。为了适应不同的焊接要求,焊接电流应能够在较大的范围内进行调节。
如果使一台变压器的特性符合上述电焊条的要求,它就可以作为一台电焊变压器。为此,对电焊变压器的要求是:
(1)变压器空载时具有足够的引弧电压60～80V,即空载电压。
(4)负载持续率(也称暂载率)符合实际要求。
负载持续率=(3)当焊条与工件短接时,二次绕组电流不应过大。(2)有负载时要求电压急剧下降30～35V,即工作电压。
弧焊电源大多是非连续工作的,一个工作周期是指负载运行持续时间加空载休止时间,因此将负载运行持续时间与工作周期之比值的百分率称为负载持续率。它的大小表示在额定负载持
INs续率情况下使用的额定电流。焊接电流与负载持续率有如下关系Ih=负载运行持续时间×100%负载运行持续时间+空载休止时间
式中 Ih———焊接电流;
FsN———额定负载持续率;
今采用负载持续率为Fs=80%,?
Ih=×120A=104A
×120A=93A例3-5 BX3-120焊接变压器额定负载持续率为FsN=60%,其额定电流为IN=120A,而Fs———实际负载持续率。IN———额定焊接电流; 如需连续焊接,即负载持续率为100,可按 遵守负载持续率的目的是防止变压器过热造成损失。第一条要求是起弧电压必须足够,否则难以起弧。Ih=
第二条要求也就是电焊变压器必须具有陡降的外特
性,如图3-14所示。
为了使电焊变压器具有陡降的外特性,必须使它工作
时具有电感性负载,使二次回路具有相当大的电抗以限制
短路电流和使电弧稳定。也要求电焊变压器具有较大且可
以调节的漏磁通,以限制短路电流和得到使电弧稳定的
电压。
电焊变压器的结构特点是铁心的气隙较大,一次、二次
绕组不是同心地固定套在一起装在一个铁心柱上,而是分
两部分装在两个铁心柱上。再利用磁分路法或串联可变电
抗器法来调节漏抗的大小,以获得不同的外特性。图3-14 电焊变压器具有陡降的外特性
二、磁分路动铁式电焊变压器
1磁分路动铁式电焊变压器的结构及原理图3-15(a)是磁分路动铁式电焊变压器的原理图,BX1-330型(BS-330型)是这类交流弧焊机的典型结构。这类变压器有三只铁心柱,两边是主铁心,中间是动铁心。变压器的一次绕组绕在一个铁心柱上,二次绕组分为两部分,一部分绕在一次绕组的外层,另一部分绕在另一铁心柱上。由于动铁心上下有两个空气隙,并且可以推进和拉出,这样就可以方便地改变变压器的漏磁通。当动铁心在全部推进位置时,漏磁通增多,输出电压随输出电流的减小而下降较快;当动铁心在全部拉出位置时,漏磁通减少,输出电压随输出电流的增大而下降较慢。调节动铁心的位置可以获得较满意的外特性曲线。
2焊接电流的调节焊接电流可以粗调,也可以细调。一般情况下是先粗调,后细调。
电流粗调靠改变二次绕组匝数(在二次绕组粗调接线板上改变接线片)来实现
。二次绕组
1—一次绕组;2、3、4—二次绕组;5—动铁心;6—动铁心螺杆;7—连接片倒板;8—静铁心2、3、4—粗调接线柱;5
—工件接线柱(b、c)接线柱:1—焊接钳接线柱;
4—(3-4)接法铁心在最外位置;3—(3-4)接法铁心在最内位置;2—(2-3)接法铁心在最外位置;1—(2-3)接法铁心在最内位置;
图3-15 BX1-330型动铁式交流弧焊机结构及特性曲线(a)铁心及绕组图;(b)粗调接线板;(c)接线电路图;(d)BX1-330型交流弧焊机的输出特性曲线
输出端接线板上有五个接线柱,如图3-15(b)所示。1、5接线柱分别接焊接钳和工件;2、3、4接线柱用铜板作不同连接来实现电流的粗调节。2-3连接时,电流小;3-4连接时,输出电流大。判断的原则是总有效匝数减少时电流小,总有效匝数增多时电流大。外特性曲线如图3-15(d)所示。
电流的细调节,是靠移动动铁心以改变电焊变压器的漏磁通来实现的。向外移动动铁心,磁阻增大,漏磁通减少,则电流增大。反之,向内移动动铁心,磁阻减少,漏磁通增加,则输出电流减少。细调是通过手柄移动动铁心的位置来调节漏抗,
从而使电流得到均匀调节。
这类电焊机的优点是不用单独的电抗器,所以它体积
较小,重量较轻。它的活动铁心有上下两个气隙,焊接时,
在动铁心的上下两个气隙处都产生对活动铁心的吸力,因
此,它受电磁力的作用得以平衡,振动较小。小电流焊接
时,振动也较轻微,而且电流波动小,电弧较稳定。
近年来,不少电焊机使用部门和维修电工,从实践中
不断总结经验,设计出多种磁分路动铁式电焊机。与老结
构相比,它们重量轻、材料省、电流调节范围广、而且二次
绕组没有抽头,大幅度调节电流也不用换铜板。有的工厂
已投入批量生产,制造这种电焊机。其结构如图3-16所1—一次绕组;2—二次绕组;3—动铁心图3-16 二次绕组无倒板动铁式电焊变压器
示。只调节动铁心,即可使电流由50A调到300A。具体制造请参见有关资料。
三、动圈式电焊变压器
BX3-300(BK-300)型属动圈漏磁式交流弧焊机。动圈式电焊变压器的结构如图3-17所示。这种弧焊机的特点是
:一次绕组和二次绕组是上下分别地叠放在铁心柱上。它磁耦合很不紧密,漏磁较大,借旋
转手柄1的转动来上下移动一次绕组2,改变它与二次绕组3的距
流的目的。如果转动手柄1,使L0增大时,漏磁通增加,漏抗也增通过改变一次、二次绕组磁耦合紧密程度来达到调节焊接电离L0,
电流则增大。加;焊接电流减少;反之,如果转动手柄1,使L0减小,二次绕组输出
动圈式电焊变压器同磁分路动铁式变压器一样,都是属于改变1—螺旋手柄;2—一次绕组;3—二次绕组;4—铁心;L0—一、二次绕组间距漏磁类的电焊变压器,但二者改变漏磁的方法却不同。后者用活动
铁心增加漏磁通,动圈式则是通过改变一次、二次绕组的相对位置
的靠近(或远离)来减少(或增大)漏磁的,从而改变了一次、二次绕图3-17 BX3-300交流弧焊机线路结构图
组的耦合程度。它的一次绕组是可动的,二次绕组是固定的,两绕组之间距离不同,漏磁通不同。绕组间的距离最大时,空间漏磁通达到最大值,漏抗最大,这时空载输出电压最低,焊接电流最小;当两绕组接近时,漏磁通减少,漏抗减小,空载输出电压就升高,这时焊接电流就增大。
这种电焊变压器的优点是没有动铁心,磁路中无空气隙。因此,避免了焊接时动铁心的振动产生的噪音和由此而带来的电流不够稳定的弊端。
四、带电抗的电焊变压器
1同体组合带电抗的电焊变压器
变压器和电抗器两部分组合而成。变压器的铁心是日形。上部分为电抗器,其作用是获得下降的外特性,下部分为变压器,它将电网220V或380V的电压降到60～80V左右。铁心上部装有活动铁心,中部有一个公共磁轭,是电抗器和变压器的公用磁路。变压器的一次、二次绕组分绕在两侧铁心柱上,其结构线路图如图3-18所示。电抗线圈3在铁心上部,与二次绕组2是顺
向串联或反向串联的。BC-500)型属于同体组合电抗式交流弧焊机。它的结构特点是:整个弧焊机由BX2-500(
1—一次绕组;2—二次绕组;3—电抗线圈;4—动铁心;5—螺旋手柄
2异体组合带电抗器的电焊变压器图3-18 BX2-500型电焊机线路结构图
异体组合带电抗的电焊变压器原理图如图3-19所示。它由两部分组成,一部分是变压器,它和普通变压器相同,为了调节输出的空载电压,在一次绕组中备有分接头,以改变一次绕组的匝数;另一部分是可变电抗器,它是由具有可调气隙的电感线圈组成的,调节电感线圈铁心气隙的大小,以改变电抗值。电抗器的绕组串联在变压器的二次绕组中。应用时,起弧电压由一次绕组的分接头位置决定,短路电流的大小由电抗器决定。当需要小电流时,将电抗器的空气隙调小,其电抗将增加,二次绕组的电抗虽然不变,但由于电抗器的作用,总电抗增大了,电流也就随之减小了;当需要增大电流时,使电抗器的空气隙增大,其电抗将减小,焊接电流就增大了。
焊接时,由于电感线圈的电压降使焊机获得陡降的外特性。电流调节靠转动手柄,改变电抗器动铁心与定铁心的相对位置来实现。动铁心上移,间隙增大,电抗减小,则电流增大;动铁心下移,间隙减小,电抗增大,则电流减小。其外特性曲线如图3-20所示。
这类电焊机因为有电抗器,消耗材料较多,体积和重量均较大。同时由于活动铁心的存在,焊接时有振动。小电流焊接时,动、静铁心间隙小,磁力大,振动更厉害,容易使电流波动,电弧不稳。因此这类电焊机不适合作小电流焊接。
一一介绍了。它们的基本原理是相同的,遇到时,读者可自行分析。另外还有BX6-120型手提抽头式,BP-3X500型多站式等型式的交流弧焊机。在此就不
第四节 三绕组变压器与小功率电源变压器 67图3-19
异体带电抗器的电焊变压器原理图图3-20 BX2-500型电焊机外特性曲线
第四节 三绕组变压器与小功率电源变压器
在发电厂或变电站中,有三种电压等级时,常用到三绕组变压器。例如,发电厂发电机的电压为18kV,要将电能同时送到110kV和220kV系统,就可以利用三绕组变压器。在一定情况下(如通过变压器功率最小的那一侧绕组能达到变压器容量的15%以上时),采用一台三绕组变压器较采用两台双绕组变压器经济,且维修也方便一些,因此,这种变压器得到了广泛的应用。
另外,当二次绕组需要两种以上不同电压时,为经济起见,避免使用多台双绕组变压器,而采用三绕组或多绕组变压器。如各种电子仪器、电视机和收音机的电源变压器,以及自动控制系统中的控制变压器,常常采用多绕组的各种小功率电源变压器。
一、三绕组变压器
三绕组变压器,每相有高、中、低三个绕组,一般铁心为心式结构,三个绕组同心地套在一个铁心柱上。如图3-21所示。为绝缘方便起见,高压绕组1放在最外边,至于中、低压绕组,根据相互间传递功率较多的两个绕组应靠得近些的原则
,用在不同场合的变压器有不同的安排。
图3-21 三绕组变压器绕组布置图
(a)升压变压器;(b)降压变压器
三绕组变压器的任何两绕组间按电磁感应规律传递能量,这一点和双绕组变压器没有区别。下面介绍三绕组变压器的容量、短路电压、变比,基本方程式和计算式等有关概念。
三绕组变压器三个绕组的容量,可以根据实际需要,不等设计。变压器铭牌上的额定容量是(一)三绕组变压器的容量和短路电压
68 第三章 特种变压器
指其中最大的一个绕组的容量。如果额定容量作为100,则按国家标准,我国现在制造的三绕组变压器,三个绕组容量的搭配有如表3-4所示的几种。
表3-4 三绕组容量高压绕组
100中压绕组
100
50低压绕组100
100100
同时按比例传递功率。 注意三个绕组容量仅代表每个绕组通过功率的能力,并不说明三绕组变压器在具体运行时
三绕组变压器铭牌上的短路电压有三个,以高压侧为110V的变压器为例,按图3-21(a)105%;UK13=17%;UK23=6%。从这里可以看出,绕组的排列情况会影响短路电压的大小。这放在高、中压绕组之间,使两者都与低压绕组靠近一些,以降低短路电压是有道理的。的方案排列时,UK12=17%;UK13=105%;UK23=6%。按图3-21(b)方案排列时,则UK12=是因为两个绕组相距越远,漏磁通越多,短路电压就越大。运行中,对于升压变压器,把低压绕组
三相三绕组变压器的标准联结组别有YN,yn0,d11,YN,d11,yn0两种。单相三绕组变压器的标准联结组别为III0。
1变比(二)三绕组变压器的有关参数
三绕组变压器有三个变比,即K12=
K13=
K23=2N=2(3-6)UNU=33NU=33
式中 K12、K13、K23———变比;
2基本方程式 N1、N2、N3,U1、U2、U3———绕组1、2、3的匝数和额定相电压。
磁动势平衡方程式可按与双绕组变压器类似的方法推出
···绕组2、绕组3连接负载Z2、Z3。以图3-21(b)所示的降压变压器为例,绕组1外加电压U1、N1I1+N2I2+N3I3=N1I0·
式中 I1、I2、I3———绕组1、2、3的负载电流。将I2、I3分别折算到绕组1侧时,则
··(3-7)II·I′= I′=231213·
于是式(3-7)可写成
第四节 三绕组变压器与小功率电源变压器 69
·
忽略励磁电流I0,可得I1+I′=I02+I′3
····
上式说明,每个二次绕组的电流折算到一次绕组后,一次绕组总电流是这些折算后电流的相量和。若忽略励磁电流I0时,一次绕组电流的相量和等于0。
在推导三绕组变压器的电压平衡方程式时,要注意下述特点,由于高、中、低三绕组在磁路方面互相耦合,在建立电压方程式时,不能像双绕组变压器那样简单地用主磁通和漏磁通的概念,必须用每一绕组的自感系数和绕组间的互感系数作为基本参数。
3三绕组变压器的电压变化率ΔU
···I1+I′2+I′3=0··电压U′那么,该负载下的电压变化率可用下式决定2及U′3,
ΔU12=
ΔU13=根据三绕组变压器的端电压U1、U2′、U3′,就可以计算出对应于某一负载电流I2′及I3′时的端U×100%1U×100%1(3-8) 4三绕组变压器的效率η三绕组变压器的效率η的计算式,可参照双绕组变压器效率计算式直接写出
η=1
-
=1-×100%2
3(3-9)
×100%
式中
pCu1、pCu2、pCu3———分别为三个绕组的铜损耗,按实际负载时的各绕组电流值计算,单位kW。
二、小功率电源变压器
小功率电源变压器是专门用作某些小功率负载的供电电源。按工作频率不同可分为工频、中频和高频电源变压器;按铁心结构型式不同可分为口形及E形、C形、R形、O形(环形)变压器;按工作原理分还有磁饱和变压器。下面分别作简单介绍。
1工频电源变压器(一)按工作频率分 pFe———三绕组变压器的铁损耗,可由空载试验(绕组2、3开路)求得,单位kW;P2、P3———绕组2和3输出的有功功率,单位kW;p23FeCu1Cu2Cu3
工频电源变压器是指工作在50～60Hz频率下的电源变压器。常用的有控制用变压器、行灯变压器、灯丝变压器、各种专用仪器及设备的电源变压器等。主要由铁心及绕组两部分组成,铁心用035mm或05mm冷轧或热轧硅钢片构成,绕组套在铁心上。
2中频电源变压器中频电源变压器是指工作在400～1000Hz频率下的电源变压器。由于工作频率的上升,
70 第三章 特种变压器
为减小涡流损耗,铁心用02mm冷轧硅钢片构成,且铁心中的磁感应强度B一般取得较低。它既可工作在正弦波电压下,有时也可能工作在方波(或矩形波)电压下。其它结构与工频电源变压器相同。
3高频电源变压器高频电源变压器是指工作在10～20kHz频率下的电源变压器。它主要用于开关稳压电源的变换器中,它的结构特点是:
(1)不能用普通硅钢片制作铁心,一般用铁氧体磁心。它的电阻率高,涡流损耗小。
线的有效面积,引起发热,通常使用过多股高频铜导线或薄铜箔绕制绕组。
1E形及口形变压器
2C形变压器(二)按铁心结构分(2)由于绕组中通过的是高频电流,集肤效应使导线中心部分电流密度变小,从而减小了导该形铁心结构如图1-4所示,制成的心式变压器及壳式变压器外形如图1-2所示。
C形铁心是采用035mm晶粒取向冷轧硅钢片裁成一定规格的硅钢带后卷制固定,再分割成两个“U”形,用其制成的变压器通常称为C形变压器。如图1-4(f)所示。由于该类型变压器制作工艺简单,正在小容量的单相变压器中逐渐普及。随着制造技术的不断成熟,用卷制铁心的三相电力变压器(500kV·A以下)将逐步代替传统的叠片式变压器,其主要优点是重量轻、空载损耗小、生产效率高、质量稳定。
XCD型。C形壳式变压器即是将两个铁心组合在一起而成,其型号为XED型。3R型变压器C形变压器的结构有心式及壳式两种,图1-4(f)为心式结构,称为C形变压器,国产型号R型变压器是在C形变压器的基础上形成的,外形如图1-4(e)所示。其主要结构特点是铁心为整体结构,即铁心由一根在下料机上切割而成的由窄到宽,再由宽到窄连续均匀过渡的晶粒取向冷轧硅钢带卷绕而成。铁心卷绕好后绑扎紧并浸漆处理成型。由于铁心不切割,因此磁路无空气隙,磁组小,使变压器的空载损耗小,温升低。另外,由于变压器铁心截面为圆形(Round),故称R型。因而绕组也是圆形,减少了用铜量,变压器体积小、重量轻、噪声低、常采用卧式结构,特别适合于高密度安装的设备中。
4O形变压器O形变压器又称环形变压器,外形如图1-4(g)所示。工作在工频电源下的O形变压器其铁心用晶粒取向冷轧硅钢带或合金钢带绕制而成,再经过扎紧及绝缘处理等过程,形成O形铁心。因此O形变压器也具有R型变压器的优点,且铁心制作简单。其主要不足之处是由于铁心截面呈矩形,因此线圈绕制困难,一般需用专门的绕线机绕制。随着电子技术的飞速发展,高频变压器、脉冲变压器、开关电源及逆变器等大多采用环形铁心结构,其铁心材料为非晶态合金或铁氧体,其工作频率可达数十万赫。
变压器可分为线性变压器和非线性变压器,前面所讲的都是线性变压器,铁心磁通工作在非饱和状态。即铁心磁化曲线的直线段,一、二次绕组的电压与其匝数成正比关系。如果铁心磁通工作在饱和段,这种变压器称为磁饱和变压器。稳压变压器就是这种磁饱和铁磁谐振式交流稳(三)按工作原理分
第五节 小型变压器的设计 71
压器。它的铁心结构如图3-22所示。铁心柱截面与一般变压器不同,一次绕组放在截面积较N2匝数比决定;当输入电压升高至某一数值时,使二次绕组的铁心中磁通达到饱和状U2由N1、
大的铁心柱上,二次绕组放在截面积小的铁心柱上。当输入电压U1比额定电压低时,输出电压
态,若再升高电压,二次绕组铁心中磁通不再增加,二次绕组的感应电动势不再按匝数比上升,使输出电压近似稳定。其原理是利用铁心材料磁饱和特性来实现稳定输出电压,如图3-23所示。其稳压范围:在电源电压变化±10%时,输出电压不超过额定电压±15%,甚至更好。实用中,以并联铁磁谐振稳压器应用最广,它是由一个带磁分路的磁饱和变压器和一个电容并联组成,如
图3-24所示。国产有WCD和WED系列产品,WCD形是在C形铁心窗口中加入磁分路,使整个铁心成为日字形,如图3-25所示。WED形,使用两副CD形铁心并在一起使用,如图3-26所示。稳压变压器应用于对电压稳定性要求较高的设备中,在结构上无转动部分,工作可靠,使用简单,过载能力强,短路时能自动保护,功率因数高。
多用于输出功率
1000W以下场合。
图
3-22 磁饱和稳压器铁心结构图3
-23 稳压变压器原理图
图3-24 有补偿绕组的稳压器
图3-25 WCD形稳压器铁心结构
图3-26 WED形稳压器铁心结构
第五节 小型变压器的设计
在实际工作中,常需要特定电压与容量的小型变压器,作为电源及控制用。这类变压器一般可自行设计和绕制。自制变压器设计内容主要是变压器容量、铁心截面的选择、绕组匝数以及导线的直径选择等,这里叙述一种简易设计方法。
一、变压器的额定容量
如图3-27所示,当变压器设计成有几组二次绕组时,总容量为
72 第三章 特种变压器
定电流。些,因此
式中 U2、U′2、U″2、…,I2、I′2、I″2、…分别是各组二次绕组的额定电压和额
考虑变压器本身存在损耗,一次绕组的容量要比二次绕组的容量大
S聄
S2=U2I2+U′2I′2+U″2I″2+…(
3-10)
S1=(3-11)
图3-27 变压器总容量计算
式中聄是经验系数,其大小与变压器容量有关,可参照表3-5选用。
由于一次、二次绕组的容量不等,因此,变压器的容量由一次、二次绕组的平均容量决定,即
S1=
次级容量
聄
10～30V·A
0.7
表3-5 经验系数胇与二次绕组容量的关系
30～80V·A
0.8
80～200V·A200～400V·A
0.85
0.9
>400V·A0.95
S(3-12)
二、计算铁心截面
单相小容量变压器一般采用壳式铁心,三相则采用心式铁心,分别如图3-28、3-29所示。
有关小型变压器铁心柱截面的计算大都采用下面的经验公式,即
A=K
式中 K为系数,它与容量S有关。
A为铁心柱截面积,由A即可决定铁心柱的宽度a和叠片的厚度b,原则上a×b=A即可。但一般壳式取b/a=1.2～2.2,参看表3-6。
(3-13)
图3-28 壳式铁心
图3-29 心式铁心
表3-6 小型变压器设计参考数据
变压器容量/(V·A)
10～5050～100100～500磁通密度B0.70.80.9～0.8～0.9～1.0电流密度/(A/mm2.5～2.22.2～2.02.0～1.52～1.51.5～1.31.3～1.25
第五节 小型变压器的设计 73
三、计算绕组匝数
由感应电动势有效值的基本公式
E=4.44fNΦm
可以导出下面具体计算公式
式中 Bm———铁心磁感应强度(磁密),单位是特;1T(特)=10Gs(高斯)。这里Bm取高斯作
4
E=4.44KFeBmANf×10(V)
-8(3-14)
单位,根据铁心材料选取。
硅钢片取092,05mm硅钢片取095,若涂漆时取093,不涂漆时取095。
变压器采用电源频率为50Hz,电源电压U≈E则有
N=
mFe5
KFe———考虑到铁心叠片叠压时有间隙而引入的叠压系数,一般为092～095。035mm
A———铁心截面积,单位是米(m);这里A取厘米(cm)作单位。
2
2
2
2
上式求出电压为U时的总匝数,也可以求出电压为1V时的匝数
有了每一伏的匝数,即可求出一次、二次绕组的总匝数,所以一次绕组的匝数为
N1=N0U1N0=
mFe
5
=
mFe
(3-15)(3-16)(3-17)
小型变压器计算二次绕组时,要考虑各种损耗,需要适当增加一些匝数,使二次绕组电压在额定负载时保持额定值,一般可取
根据上式即可求出各二次绕组的匝数。
四、绕组导线截面的确定
绕组导线截面,根据绕组的电流及电流密度来确定。一次、二次绕组的电流分别为
I1=I2=
(A)1
A(A)2
N2=(1.05～1.10)N0U2
(3-18)
(3-19)
考虑一次绕组电流还含有空载励磁分量,I1值修正如下 导线截面Aj与其直径d的关系为
AI1=(1.1～1.2(A)
1
Aj=
肐2
(3-20)
74 第三章 特种变压器
导线截面Aj与其通过的电流密度的关系为所以绕组导线直径为
Aj=
(3-21)
×=1.132
式中 j为绕组导线的电流密度,取值可参看表3-5,一般j取25A/mm。
d=
所以,一次、二次绕组导线的直径可用下式计算
d1=0.715d2=0.715
12
(3-22)
些的,散热条件不好的,导线应选截面大一些的。一般一次、二次绕组电流密度取相同值。
五、铁心窗口的估算
一次、二次绕组导线截面的选择,、散热条件好的,导线可选截面小一
由于铁心窗口的大小是固定的,而所有导线匝数必须穿过窗口,并有良好的绝缘,所以在实际绕制前,对窗口能否容纳下所有匝数要进行估算,如不合适,可根据估算的结果作相应的改变,以取得最佳效果。
一般估算步骤如下:
首先根据变压器容量,选择合适的窗口面积,可根据下列经验公式进行选择
A0=
(3-23)
式中 A0———铁心窗口面积;
SN———变压器额定容量。A———铁心截面积;
选择时参考。
表3-7给出了小型变压器常用铁心叠片尺寸,铁心叠片尺寸的比例,如图3-30所示,可供
窗口高度h的关系铁心窗口面积A0与窗口宽度c、
A0=hc
(3-24)
第五节 小型变压器的设计 75
度h为准,根据绕组的线径算出在窗口高度h中每层可绕的匝数,然后再根据各绕组总匝数算出
对于已选定铁心窗口高度h和宽度c的变压器叠片,两者可先以一个为基础,如先以窗口高
各绕组的层数,再根据每层厚度及层数以及层间绝缘纸的厚度计算出变压器绕组的总厚度c′。如果总厚度c′小于窗口宽度c,则绕组能放下;如果c′大于c,则表示窗口无法容纳全部绕组,应重新设计。一种办法是增加铁心厚度即增大铁心截面积,以减少绕组匝数;另一种办法是选窗口大一些的铁心重新计算,直到合适为止。
例3-6 某可控硅整流系统触发电路采用单相变压器,二次绕组有两个,电压均为50V,电流均为01A,原一次绕组电压为200V,绕制这样一台变压器,试计算有关数据。
解 (1)二次绕组容量 (2)一次绕组容量
S2=2U2I2=2×50×0.1V·A=10V·A
S1=
S=V·A=12.5V·A聄 (3)变压器设计容量
S=
(4)一次绕组电流
S1+S2)=(12.5+10)V·A=11.25V·AI1=1.1×
S=1.1×A=0.0625A1mm=5.37mm
22
2
(5)铁心截面积确定
(6)计算铁心叠片规格
取b/a=1.2
A=K=1.6
A=ab=1.2a
a=
选用壳式变压器。
=2
cm=2
cm=2.12cm
根据表3-7取a接近于212的叠片a=2cm,则b=A/a=5.37/2cm=2685cm,近似取(7)铁心窗口面积
b=2.6cm,则实际A=ab=2×26cm=5.2cm。
A0=
22=cm=3.46cm取则
(8)一次绕组计算
c=
查表3-7,a=2,h=3,c=1中的h与346接近。
5
h=A0/c=3.46/1cm=3.46cm
5
a=×2cm=1cmN0==匝=12.4匝
mFe
76 第三章 特种变压器
这里选Bm=7500Gs=0.75T,KFe=0.93(0.5mm硅钢片涂漆)。
一次绕组匝数
N1=N0U1=12.4×220匝=2728匝
2
一次绕组导线直径 j=2.5A/ (9)二次绕组计算次绕组匝数为
二次绕组导线直径 =2.5A/mm2
d1=0.7151=0.715×mm=0.18mm
考虑变压器内部漏阻抗压降影响,使满载时二次绕组为额定电压,故将匝数增加5%,则二
N2=N0U2×1.05=12.4×50×1.05匝=651匝d2=0.715
2=0.715×
mm=0.23mm
(10)铁心窗口估算
一次、二次绕组骨架采用厚05mm的绝缘板制作。层间绝缘纸厚002mm,一次、二次绕组
之间加两层厚为012mm的绝缘纸,绕组最外层包两层厚为005mm的牛皮纸。已知:a=20、h=30、c=10,单位:mm。
①计算一次绕组层数a一次绕组每层匝数
一次绕组每层匝数=
窗口高h-骨架上下厚
一次绕组导线直径=
一次绕组匝数取130匝。b一次绕组层数
一次绕组层数=
一次绕组层数取21层。
a.二次绕组每层匝数②计算二次绕组层数(同上)
二次绕组每层匝数=
二次绕组每层匝数取102匝。
b二次绕组层数
匝=103.6匝
层=6.38层匝=131.8匝
这里导线直径022mm,是018mm直径外加漆皮所得。
一次绕组总匝数=层=20.98层
一次绕组每层匝数二次绕组层数=
因有两个二次绕组 6.38×2=12.76层
二次绕组层数取13层。③计算总厚度c′
总厚度c′=骨架厚度+一次绕组厚度+一次绕组层间绝缘厚度+一次、二次绕组间绝缘厚度+二次绕组厚度+二次绕组层间绝缘厚度+外层牛皮纸厚度
所以,c′=(0.5+21×0.22+20×0.02+2×0.12+13×0.28+12×0.02+2×0.05)mm因为974
绕制成后,还要进行空载试验和短路试验,测定有关数据,看是否符合设计要求,否则要另行设计,
重新绕制。
=9.74mm
本章小结
本章在前两章的基础上,具体叙述了几类特种变压器的结构、原理、用途及使用过程中的注意事项。这一章的重点内容如下:
一、在交流电路的多种测量中,以及各种控制和保护电路中,应用着大量的互感器。电流互感器,同变压器一样是应用电磁感应原理,将大电流变成小电流,特点是电流互感器是在近似短路状态下工作的,用以提供测量仪表及各种继电器保护的信号。电流互感器的额定电流比K=中二次绕组绝对不能开路,互感器准确度要比所接仪表高两级。
N2/N1,是比较准确的。电流互感器在不同等级的测量中,应注意它的级别。电流互感器在运行
电压互感器,也是应用电磁感应原理,将高电压变为低电压,供测量仪表等使用。电压互感器的主要特点是它的二次绕组近似在断路的状态下工作,二次绕组电流很小,所以它的变压比很准确。公式
Ku=
UN=22
表的准确度要高两级。
在使用电压互感器时应切记,二次绕组不可短路,使用中电压互感器的准确度等级比所接仪
二、自耦变压器的一次、二次绕组,具有公共使用的绕组。一次、二次绕组两边既有磁的联
U1=KuU2
系,又有电的直接联系,正是由于这种电的直接联系,使得它的绕组容量小于变压器的容量。其优越性是,结构简单、操作方便、节省材料、提高变压器容量。电力自耦变压器在电力系统中得到了广泛应用。在变比K接近于1时,优越性最显著。
调压器是电压连续可调的自耦变压器,在实验室中应用较广,但要注意安全,对单相自耦变压器来说,一次、二次绕组的公共部分要接零线,并注意铁心接地。
三、电焊变压器的最大特点是具有陡降的外特性,以满足电弧焊接的要求。电焊变压器大体可分为两大类,一类是磁分路类,另一类是外加电抗类。其基本原理仍是电磁感应原理。两类调节电流的方式不同,前一类是调节漏磁通,以便调节输出电流;后一类是改变焊接回路电抗来改变输出电流。其实质都是改变加在电焊条电弧间的电压。
四、三绕组变压器可分为三相三绕组变压器和单相三绕组变压器。其特点是每相有高、中、低压三个绕组。三相一般为心式结构,单相一般为壳式结构。三绕组变压器任何两绕组间按电磁感应定律传递能量。三绕组变压器有三个变比,即
三绕组变压器的效率可与双绕组变压器效率类比。
K12=
UNUNUN=K13== K23==223333
小功率电源变压器是作小功率负载供电电源。按工作频率不同可分为工频、中频、高频电源五、小型变压器的设计,主要内容是变压器容量、铁心截面的大小、绕组的匝数、导线的直径
变压器;按铁心叠片结构不同可分为口、E、C、O形等变压器;按工作原理还有磁饱和变压器。以及铁心窗口的估算等。绕制后,还要进行空载试验和短路试验,测定有关数据,看是否合乎设计要求,否则要另行设计,
重新绕制。
习题
一、填空题的
1电压互感器的正常运行状态相当于变压器的
状态。
2自耦变压器的一、二次绕组有
。
状态,电流互感器的正常运行状态相当于变压器
故该
电流值ΔI=有
,流过其共同部分的电流为一次电流与二次电流
,有负载时,电压应
和
3对电焊变压器的基本要求是:空载时,电压为
;短路电流
。
4为了使电焊变压器获得急剧下降的
电焊工作电流
左右,工作电流应
等办法。
5对电焊变压器内电抗器中的气隙进行调节,可以获得不同的焊接电流。当气隙增大时,电抗器的电抗
当气隙减小时,电抗器的电抗
;电焊工作电流
。
常采用增加变压器本身的
二、判断题(对的画○,错的画)
1电压互感器的电压误差和电流互感器的电流误差都与其变比有关。( )2自耦变压器虽然其输出电压可调,但使用不够安全。( )
少。( )
3自耦变压器与双绕组变压器比较,在所用硅钢片和电磁线相等的条件下,自耦变压器所能传递的能量较
三、选择题
5三绕组变压器中高、中、低压绕组排列顺序应以一次绕组与二次绕组较近为原则。( )
4具有电抗器的电焊变压器,若减少电抗器的铁心气隙,则漏抗增加,焊接电流增大。( )
流表连接线拆开。
a.断开;
1当必须从使用着的电流互感器上拆下电流表时,应首先将互感器的二次侧可靠地( ),然后才能把电
b.短路;
c.接地
2电压互感器在运行中,其二次绕组( );电流互感器在运行中,其二次绕组( )。3电焊变压器的短路阻抗( )。a.很小;a.不允许开路;
b.不允许短路;
c.不允许接地
4电焊变压器的最大特点就是具有( ),以满足电弧焊接的要求。5三绕组变压器中高、中、低压绕组的排列顺序是( )a.对于降压变压器,把中压绕组放在中间;a.陡降的外特性;
b.较硬的外特性;
b.不变;c.很大
c.上升的外特性
b.对于升压变压器,把中压绕组放在中间;
c.对于中压为一次的三绕组变压器,把中压绕组放在中间
四、改错题(指出题中错误并予以改正)
2动圈式电焊变压器在焊接中,当一、二次绕组间距离增大时,变压器漏抗减小,焊接电流减小。3自耦变压器在使用中只要注意一次、二次绕组公共端接地就可以了。4自制变压器时,变压器的容量由一次、二次绕组的平均容量决定。5自耦变压器的绕组容量与双绕组变压器绕组容量相同。1电流互感器运行时,为什么二次绕组禁止开路?
1电流互感器在运行中若需换接电流表,应先将电流表接线断开拆下,然后接上新表。
五、问答题与计算题
2电压互感器运行时,为什么二次绕组禁止短路?
3什么是电流互感器的额定电流比?怎样求被测电流?
4什么是电压互感器的额定电压比?怎样求被测电压?
96V,电流表读数为35A。求被测电路的电压、电流各为多少?
7自耦变压器有哪些缺点?使用时应注意哪些问题?
5用电压互感器,其变比为6000V/100V,电流互感器,其变比为100A/5A,扩大量程,其电压表读数为6自耦变压器有哪些特点?为什么变比越接近1,一次、二次绕组的公共部分流过的电流越小?8一台单相自耦变压器数据如下:U1=220V,U2=180V,cosφ=1,I2=400A,求:(2)借助于电磁感应从一次绕组传递到二次绕组的视在功率是多少?(1)流过自耦变压器一次、二次绕组及公共部分的电流各为多少?
10磁分路动铁式电焊变压器在结构上有什么特点?12简述小型变压器设计的程序。
11电弧焊对变压器的电性能有什么要求?
9电焊变压器的外特性与普通变压器有什么不同?
六、作图题
13根据需要自己设计一台小型变压器(如收音机外接电源整流变压器)。1画出电流互感器的原理接线图。
2画出电压互感器的原理接线图。
4画出BX1-330型电焊机接线图。
3画出自耦变压器的几种接线形式(有无创造性发挥,超出教材给出的)。