山東大學(xué)《現(xiàn)代焊接電源及其計算機(jī)控制》課件-變壓器基礎(chǔ)知識

1、 變壓器是一種靜止的電氣設(shè)備， 根據(jù)電磁感應(yīng)原理，將一種形態(tài)（電壓、電流、相數(shù)）的交流電能， 轉(zhuǎn)換成另一種形態(tài)的交流電能。 電力變壓器（升壓、降壓、配電）特種變壓器（電爐、整流、焊接 ）儀用互感器（電壓、電流互感器、脈沖變壓器，阻抗匹配變壓器）實(shí)驗(yàn)用變壓器（高壓、調(diào)壓）按用途變壓器基礎(chǔ)知識變壓器實(shí)例電源變壓器電力變壓器環(huán)形變壓器接觸調(diào)壓器控制變壓器三相干式變壓器工廠車間變電所調(diào)試以及負(fù)載實(shí)驗(yàn)控制箱中三相整流電源主變焊機(jī)控制電路有時應(yīng)用焊機(jī)控制電路有時應(yīng)用一、變壓器的基本結(jié)構(gòu)變壓器的主要結(jié)構(gòu)：鐵心和繞組。鐵心是變壓器的磁路部分；繞組是變壓器的電路部分。 鐵心的作用是形成磁路。鐵心通常用0.35m

2、m或者0. 5mm厚的硅鋼片沖裁成一定的形狀然后疊裝而成。 為減小渦流損耗，在硅鋼片表面涂有絕緣漆或者經(jīng)氧化處理形成絕緣層。 鐵心的結(jié)構(gòu)單相殼式變壓器心式變壓器迭片奇數(shù)層偶數(shù)層心式冷軋硅鋼片迭片繞組的結(jié)構(gòu) 繞組是變壓器的電路部分，一般用圓銅線或扁銅線在繞線模上繞制而成。密繞時導(dǎo)線需要絕緣處理 繞組（線圈）的作用是構(gòu)成電流通路，接電源一邊的繞組稱為一次繞組，接負(fù)載一邊的稱為二次繞組。一次繞組的電流含有激磁電流分量，建立磁場，負(fù)載狀態(tài)下的磁場是一次繞組和二次繞組磁動勢向量合成的結(jié)果。單相和三相芯式變壓器二、基本物理量1、磁感應(yīng)強(qiáng)度B 又稱為磁通密度或磁密，磁感應(yīng)強(qiáng)度B是表示磁場內(nèi)某點(diǎn)磁場強(qiáng)度的大小

3、和方向的物理量。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位：1特斯拉（T）=104高斯（Gs）2、磁通量 在均勻磁場中，磁通量是磁感應(yīng)強(qiáng)度B與垂直于磁場方向的面積S的乘積。磁通量 的單位：1韋伯=108麥克斯威3、磁導(dǎo)率（導(dǎo)磁系數(shù)） 磁導(dǎo)率表示物質(zhì)導(dǎo)磁性能的物理量，不同物質(zhì)磁導(dǎo)率不同，真空磁導(dǎo)率0是常數(shù)， 0 =410-7H/mB=H相對磁導(dǎo)率r：某種物質(zhì)的磁導(dǎo)率與真空中磁導(dǎo)率的比值常用鐵磁材料的相對磁導(dǎo)率4、磁場強(qiáng)度H 磁場強(qiáng)度H等于該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與介質(zhì)磁導(dǎo)率的比值，方向與該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向一致。三、鐵磁材料的磁性能 1、具有高導(dǎo)磁率 鐵磁材料中有均布的磁疇存在，磁疇是在磁性材料中包含的一些環(huán)形電流單元 ，每

4、個單元形成一定方向的小磁體，軟磁材料磁疇方向是無序分布的，有外界磁場的作用下，磁疇按照磁場方向統(tǒng)一取向，并使得磁場強(qiáng)度加強(qiáng)，即磁性材料產(chǎn)生了磁化，而且稱為具有高的導(dǎo)磁率。2、具有磁飽和性能磁（1）oa段 B和H近似為線性關(guān)系；（2）ab段 隨著H的增加，B值增加緩慢；（3）b點(diǎn)以后 H增加時B幾乎不增加，達(dá)到了磁飽和狀態(tài)。磁化曲線測試裝置磁化曲線 、磁導(dǎo)率及磁飽和現(xiàn)象磁導(dǎo)率化曲線幾種常用鐵磁材料的磁化曲線3、磁滯現(xiàn)象磁 滯 回 線圖中Br :剩磁Hc :矯頑磁力 磁場強(qiáng)度H變化（即激磁電流變化）時，磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化滯后于磁場強(qiáng)度H變化的現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。鐵磁材料的分類：1）軟磁材料 磁滯回線窄

5、，其剩磁和矯頑力都很?。挥糜谥谱鹘涣麟娖髟O(shè)備的鐵心2）硬磁材料 磁滯回線寬，剩磁和矯頑力都較大；用于制作永久磁鐵abb 四、鐵磁材料中的能量損耗1、磁滯損耗 鐵心在交變磁場作用下反復(fù)磁化時，磁疇克服摩擦力隨著外部磁場的變化反復(fù)取向，這樣所產(chǎn)生的熱損耗稱為磁滯損耗。2、渦流損耗 當(dāng)線圈中通入交流電流時，交變磁通在鐵心中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在鐵心中形成閉合回路且呈旋渦狀，故稱為渦流。鐵心內(nèi)產(chǎn)生渦流時，使鐵心發(fā)熱，造成能量損耗稱為渦流損耗。渦流的產(chǎn)生簡單的單相變壓器：兩個線圈沒有電的直接聯(lián)系， 只有磁的耦合。原繞組（一次繞組或初級繞組）：兩個線圈中接交流電源的線圈，其匝數(shù)為N1副繞組（

6、二次繞組或次級繞組）： 接到用電設(shè)備上的線圈，其匝數(shù)為N2交變磁通同時與原、副繞組交鏈，在原、副繞組內(nèi)感應(yīng)電動勢。 變壓器原、副邊電勢之比及電壓之比等于原、副邊匝數(shù)之比。五、變壓器的工作原理六、絕緣系統(tǒng)、冷卻方式、允許溫升1、絕緣：主絕緣：不同繞組之間的絕緣、繞組與鐵心的絕緣、繞組對地的絕緣、繞組與介質(zhì)間的絕緣、引線端子間的絕緣等。從絕緣：繞組的匝間絕緣和繞組不同段之間的絕緣。2、冷卻：干式變壓器： 干式澆注（成為一個模塊）、干式自冷、干式風(fēng)冷，焊接變壓器均采用這種類型的結(jié)構(gòu)油浸式變壓器： 自冷、風(fēng)冷、強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷、強(qiáng)迫油循環(huán)水冷等 。變壓器的發(fā)熱和散熱 變壓器運(yùn)行時，鐵損、銅損和附加損耗使

7、得變壓器發(fā)熱 ，環(huán)境介質(zhì)對所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行傳導(dǎo)散失，環(huán)境介質(zhì)為氣態(tài)或液態(tài)，介質(zhì)或處于靜止?fàn)顟B(tài)或處于流動狀態(tài)。 根據(jù)變壓器冷卻介質(zhì)的種類不同，又可以分成以下兩種：3、溫升：繞組允許最高溫度由所使用的絕緣材料，絕緣等級確定。部件/部位溫升限度C 測量方法線 圈自然油循環(huán)65電阻法強(qiáng)迫油循環(huán)鐵心表面75溫度計與變壓器油接觸（非導(dǎo)電部分）的結(jié)構(gòu)件表面80油 面55平特性變壓器的設(shè)計定義：變壓器的初級和次級耦合緊密，沒有漏磁，當(dāng)輸出電流變化時，電壓不變的變壓器。類型：1）熔化極氣體保護(hù)焊機(jī)的主變壓器；2）晶閘管弧焊整流器的主變壓器。設(shè)計內(nèi)容：輸出電壓電流的額定值電磁感應(yīng)基本定律鐵心尺寸繞組尺寸結(jié)構(gòu)參數(shù)性

8、能指標(biāo)一、交流變壓器運(yùn)行的基本規(guī)律作用在交流變壓器上的波形常見的有正弦波、矩形波和三角波，如圖：根據(jù)電磁感應(yīng)定律有：則對變壓器的初級繞組有：（1）（2）由（2）式得：設(shè)e1的平均值為 ，則有f交流電壓頻率（HZ）；N1一次繞組匝數(shù)；m磁通量幅值。電壓半波平均值的求解公式為：電壓有效值的求解公式為：令K 波形系數(shù)。則變壓器初級繞組上電壓有效值U1為：對于正弦交流電壓，波形系數(shù)K=1.11式中： Bm 鐵心磁通密度（T伏.秒/米2） AFe鐵心凈截面積（cm2)二、變壓器容量與基本尺寸的關(guān)系變壓器容量：S=IUS 變壓器尺寸 鐵心柱截面積As鐵心窗口面積Ac1、單相變壓器的容量與尺寸的關(guān)系初級側(cè)容

9、量 S1次級側(cè)容量S2設(shè)次級側(cè)有n個獨(dú)立繞組，則：總?cè)萘縎設(shè)初級繞組和次級繞組中流過的電流密度都為J,則I1=A1J I2i =A2iJJ A/mm2為減少渦流損耗，鐵心一般由單片硅鋼片疊裝而成，實(shí)際鐵心截面積As大于鐵心凈截面積，故有：Afe=kFeAskFe疊片系數(shù)S=2.22kFekcuJBmAsAc設(shè)是變壓器的效率，則：S2= S1有A、B兩組典型數(shù)據(jù)，如下，計算S2與As之間的關(guān)系：參數(shù)名稱ABBm (T)1.01.4J (A/mm2)2.55kFe0.90.93kcu0.30.20.850.85S2 (VA)0.69As21.33As2As (cm2)k=0.81.25k As2、

10、三相變壓器容量與尺寸關(guān)系設(shè)一個鐵心柱上的初次級繞組總?cè)萘坑肧表示，則取則有：N1N1故有：或一般地，c1.45As三、繞組的計算設(shè)f=50HZ, kFe=0.9, 則令N0每伏匝數(shù)（匝/V）Bm 磁通密度（T）As 鐵心柱截面積（cm2)AFe鐵心凈截面積（cm2）對于單相變壓器，取帶入et公式，則Bm磁通密度（T）；S2 單相變壓器輸出容量（V.A)當(dāng)S2單位為kVA時，則（V/匝）（V/匝）式中：S2 單相變壓器輸出容量（kV.A)取Bm=(11.3)T,則有繞組截面計算式中：J電流密度（A/mm2)對于三相變壓器，S2III 表示輸出容量，以kV.A作單位，則有：繞組匝數(shù)計算：（匝）（匝

11、）(V/匝）如果以三相變壓器單柱輸出容量計算，則公式與單相變壓器的相同。四、結(jié)構(gòu)設(shè)計三相平特性變壓器結(jié)構(gòu)簡圖如下：當(dāng)鐵心截面積As確定后，有As=ab一般地：b=(1.22)a式中：As鐵心柱截面積（mm2） a鐵心片寬（mm） b鐵心疊厚（mm）（1）鐵心尺寸三相干式變壓器窗口尺寸有：窗口高 h=(2.53.5)a (mm)繞組高 h=h-(816) (mm)初級繞組每層匝數(shù)：取整為n1初級繞組層數(shù)：取整為m1初級繞組所占窗口的窗寬(mm)（2）繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計次級繞組每層匝數(shù)取整為n2次級繞組層數(shù)：取整為m2次級繞組所占窗口的窗寬窗口總寬度為：鐵心片布置如圖：hc鐵心片剪片規(guī)格如下：1） (m

12、m)2） (mm)3） (mm)鐵心疊片順序：（3）鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計鐵心每層面積：a鐵心疊厚(cm)鐵心體積（4）鐵/銅比計算(cm)3變壓器鐵心質(zhì)量：(cm2)(kg)初、次級繞組線總長：（m）（m）l1、l2初、次級繞組導(dǎo)線的平均匝長。繞組總體積為：或（cm3）（cm3）初、次級繞組的總質(zhì)量為：（kg）一般地，鐵銅比為：五、空載電流的計算空載電流I0Ic由鐵心的磁滯、渦流損耗Pfe引起的有功分量。（W）（A）(A)(W)Bm Fen氣隙數(shù)（A）一般地：六、ZX5-400晶閘管弧焊整流器主變壓器設(shè)計已知條件晶閘管弧焊整流器主電路及變壓器見圖：輸 入 電 壓 ： 380V相 數(shù) ： 3相額定輸出電

13、流：400A空 載 電 壓：63V額定負(fù)載持續(xù)率：60%額定工作電壓：36V效 率：74%功 率 因 素：0.74輸 入 容 量：24kV.A2、參數(shù)計算tiaI2m每個心柱上輸出的二次繞組的長時總?cè)萘繛椋喊矗喝∫淮卫@組匝數(shù)：取 90匝則et實(shí)際值為：二次繞組匝數(shù)為：取 Bm=1.3（T），kFe=0.9鐵心柱截面積為:取 As=94 (cm2)窗口面積：3. 結(jié)構(gòu)設(shè)計（1）鐵心尺寸取片寬： a=5.2 cm疊厚：取 b=18.0(cm)窗高：取 16.0cm窗寬：剪片尺寸：1） mm2） mm3） mm剪片數(shù)量，選硅鋼片厚度為：1) n1=1800.90.35=463 (片)2) n2=46

14、32=926 (片)3) n2=4633=1389 (片)(2) 繞組尺寸次級繞組長時電流I2c次級繞組導(dǎo)線截面積A2,設(shè)有內(nèi)部風(fēng)冷，電流密度 J=5A/mm2,則有：選用1.959.3規(guī)格雙玻璃絲包扁線。初級繞組長時電流I1cA1=28/5=5.6(mm2)選用1.254.7規(guī)格雙玻璃絲包扁線。（3）繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計初級繞組分6盤，次級繞組分2盤。繞組外緣至鐵軛的距離為為：初次級盤形繞組的厚度為：（4）窗口填充系數(shù)每柱繞組凈截面積Acu每窗口繞組凈截面積Acu窗口填充系數(shù)為：（5）鐵銅比計算初級繞組平均匝長：次級繞組平均匝長：三個鐵心柱上初級繞組總長：初級繞組總體積為：三個鐵心柱上次級繞組總長：

15、初級繞組總體積為：總銅重：鐵心每層面積：鐵心體積：鐵重：鐵銅比：(6) 空載電流計算單位鐵損: 由Bm=1.3T, D0.35硅鋼片，查表得：鐵損：空載電流有功分量：單位磁化容量，查表得：鐵心磁化容量：氣隙磁化容量：無功相電流：空載電流：一次繞組額定電流I1N: I1N=36.3(A)上述設(shè)計合理。直流條形濾波電抗器設(shè)計原理1.設(shè)計原始數(shù)據(jù)直流輸出空載電壓：Ud0 (V)電 流 調(diào) 節(jié) 范 圍：Ih (A)額 定 負(fù) 載 持 續(xù)率：FSN(%)主 電 路 結(jié) 構(gòu)：三相橋式全控整流電路或三相雙反星形電路。2.計算濾波電感值1）計算最小工作電壓: Udmin.2）計算比值Udmin/Ud03)根據(jù)

16、比值Udmin/Ud0，查對應(yīng)的晶閘管控制角條形電抗器結(jié)構(gòu)簡圖4) 根據(jù)查得的控制角，由圖查得對應(yīng)比值Unm/Ud0,然后算出最低諧波電壓峰值Unm(V);5) 確定電感值。整流焊機(jī)標(biāo)準(zhǔn)對電流的脈動限制為：諧波電壓主要降在電感L上取3. 條形電抗器結(jié)構(gòu)設(shè)計(1) 基本尺寸計算填充系數(shù)為0.5的條形電抗器的電感值L是相同空心電感器電感值L0的5倍，則式中：一般地：d電感繞組外徑根據(jù)電感的定義，得（a）(b)聯(lián)立(a)、(b)兩式得繞組中徑繞組匝數(shù)式中：Bm磁通密度(T) L電感值（H)（2）電感結(jié)構(gòu)設(shè)計1）繞組導(dǎo)電截面積AL采用風(fēng)冷的焊機(jī)，一般選J=5A/mm2裸銅排截面如圖：2)電感繞組繞制長度l0l0=2.3dm3) 繞組中徑面積Am4) 條形鐵心截面積根據(jù)As求圖示尺寸A、B鐵心長： LFe=l0+1.5 (cm)ZX5-400晶閘管弧焊整流器直流濾波電抗器設(shè)計1.原始數(shù)據(jù)直流輸出空載電壓：Ud0 =63(V)電 流 調(diào) 節(jié) 范 圍：Ih =80500 (A)額 定 負(fù) 載 持 續(xù)率：FSN=60%主 電 路 結(jié) 構(gòu)：雙反星形電 抗 器 鐵 心 材 料：D42/0.5mm磁 通 密 度：Bm=0.83T2.計算濾波電感值1）計算最小工作電壓: Udmin.2）計算比值Udmin