單相變壓器的認(rèn)識與使用

關(guān)于單相變壓器的認(rèn)識與使用第1頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三一、變壓器的結(jié)構(gòu)與分類變電壓：電力系統(tǒng)變阻抗：電子電路中的阻抗匹配(如輸出變壓器)變電流：電流互感器1.變壓器的應(yīng)用任務(wù)1.1單相變壓器的認(rèn)識與使用節(jié)省金屬材料(經(jīng)濟(jì))電能損耗小I→導(dǎo)線截面積S電力工業(yè)中常采用高壓輸電、低壓配電(保證用電安全)。

在能量傳輸過程中，當(dāng)輸送功率P=UIcos及負(fù)載功率因數(shù)cos

一定時第2頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三

電能的輸送示意圖G~發(fā)電機(jī)輸電線降壓變壓器高壓配電線降壓變壓器低壓配電線發(fā)電廠區(qū)域變電所工廠(用戶)發(fā)電廠工廠6.3～10.5kV35～500kV6～10kV380V/220V第3頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三2.變壓器的結(jié)構(gòu)

變壓器的基本結(jié)構(gòu)主要由鐵芯和繞組兩部分組成。(1)鐵芯鐵芯采用厚度為0.35～0.5mm，材料表面涂有絕緣漆的熱軋(或冷軋)硅鋼片，沖壓成型并疊合組裝成一個整體的鐵芯。鐵芯的基本結(jié)構(gòu)形式有心式和殼式兩種，如圖1-1所示。

第4頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三

各種變壓器的鐵芯，先將硅鋼片沖壓成條形，然后將條形硅鋼片交錯地疊合組裝成“囗”字形或“曰”字形，如圖1-2所示。第5頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三

鐵軛的截面有矩形、外T形、內(nèi)T形和多級階梯形，如圖1-3所示。鐵芯柱的截面如圖1-4所示。第6頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三(2)繞組根據(jù)高、低壓繞組在鐵芯柱上排列的方式不同，變壓器的繞組可分為同心式和交疊式兩種，如圖1-5和1-6所示。

第7頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三二、變壓器的運(yùn)行

1.單相變壓器的工作原理單相變壓器的工作原理如圖1-8所示。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，交變的主磁通在原、副繞組中分別感應(yīng)出電動勢e1與e2有

忽略繞組中的漏電抗壓降，不考慮繞組中的電阻壓降，原、副繞組的端電壓可表示為第8頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三

若二次繞組開路，這種運(yùn)行方式稱為變壓器的空載運(yùn)行。若二次繞組接負(fù)載，這種運(yùn)行方式稱為變壓器的負(fù)載運(yùn)行。其中N1和N2分別為一次、二次繞組的匝數(shù)。

2.變壓器的空載運(yùn)行變壓器空載運(yùn)行是指變壓器的一次繞組接在額定頻率、額定電壓的交流電源上，而二次繞組開路時的運(yùn)行狀態(tài)，如圖1-9所示。第9頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三設(shè)主磁能為：＝msint

，則e1與e2的有效值分別為：則于是有第10頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三

3.變壓器負(fù)載運(yùn)行變壓器的負(fù)載運(yùn)行是指原繞組加額定電壓，副繞組與負(fù)載相接通時的運(yùn)行狀態(tài)，如圖1-10所示。這時副邊電路中有了電流i2，它的大小由副繞組電動勢和副邊電路的等效阻抗來決定。磁動勢平衡方程式為：

當(dāng)變壓器接近滿載時，I0N1的遠(yuǎn)小于I1N1，即可認(rèn)為I0N1≈0，于是有第11頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三變壓器除有變壓作用和變流作用之外，還可用來實現(xiàn)阻抗的變換。設(shè)在變壓器的副邊接入阻抗為ZL，由圖1-11可知，從原繞組輸入端看進(jìn)去的輸入阻抗值|ZL|為：第12頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三

4.變壓器的工作特性

(1)變壓器的外特性變壓器的外特性是指電源電壓和負(fù)載的功率因數(shù)為常數(shù)時，二次側(cè)電壓隨負(fù)載電流變化的規(guī)律，即U2＝f(I2)。變壓器的外特性曲線如圖1-12所示。(2)電壓變化率電壓變化率是指變壓器一次繞組加上交流50Hz的額定電壓，二次繞組空載電壓U20和帶負(fù)載后在某一功率因數(shù)下二次繞組電壓U2之差與二次繞組額定電壓U2N的比值，用ΔU表示，即第13頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三(3)變壓器的損耗

變壓器輸入功率與輸出功率之差(P1－P2)是變壓器本身消耗的功率，稱為變壓器的功率損耗，簡稱損耗，它包括以下兩部分：銅損耗PCu，也稱為可變損耗；鐵損耗PFe，又稱之為不變損耗。(4)變壓器的效率和效率特性變壓器的效率是指變壓器的輸出功率與輸入功率之比，用百分?jǐn)?shù)表示，即

一般中、小電力變壓器效率在95%以上，大容量電力變壓器最高效率可達(dá)98%~99%以上。第14頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三

在計算效率時，可采用下列幾個假定。①以額定電壓下的空載損耗P0作為鐵損耗PFe，并認(rèn)為鐵損耗不隨負(fù)載而變化，即P0＝PFe＝常數(shù)。②以額定電流時的短路損耗Pk作為額定電流時的銅損耗PCuN，且認(rèn)為銅損耗與負(fù)載電流的平方成正比，即，③由于變壓器的電壓變化率很小，負(fù)載時U2的變化可不予考慮，即認(rèn)為U2＝U2N。故輸出功率為式中，為負(fù)載系數(shù)，＝I2/I2N，則第15頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三

在功率因數(shù)一定時，變壓器效率與負(fù)載系數(shù)之間的關(guān)系η＝f(β)稱為變壓器的效率特性曲線，如圖1-13所示。

為提高變壓器的運(yùn)行效率，設(shè)計時使鐵損耗相對比較小一些，一般取βm＝0.5～0.6。第16頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三三、其他用途的變壓器

1.自耦變壓器普通雙繞組變壓器原、副繞組之間僅有磁的耦合，并無電的直接聯(lián)系。自耦變壓器只有一個繞組，如圖1-14所示，即原、副繞組公用一部分繞組，所以自耦變壓器原、副繞組之間除有磁的耦合外，又有電的直接聯(lián)系。實質(zhì)上自耦變壓器就是利用一個繞組抽頭的方法來實現(xiàn)改變電壓的一種變壓器。第17頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三自耦變壓器的中間出線端，如果做成能沿著整個線圈滑動的活動觸點，如圖1-15(b)、(c)所示，這種自耦變壓器稱為自耦調(diào)壓器，其副邊電壓U2可在0到稍大于U1的范圍內(nèi)變動。圖1-15(a)所示是單相自耦調(diào)壓器的外形。自耦變壓器的變比不宜過大，通常選擇變比k＜3，而且不能用自耦變壓器作為36V以下安全電壓的供電電源。第18頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三

2.電焊變壓器電焊變壓器是交流弧焊機(jī)的主要組成部分，它是一種雙繞組變壓器，在副繞組電路中串聯(lián)一個可變電抗器。如圖1-16所示。對電焊變壓器的要求是：空載時應(yīng)有足夠的引弧電壓(約為60~75V)，以保證電極間產(chǎn)生電弧。有載時，副繞組電壓應(yīng)迅速下降，當(dāng)焊條與工件間產(chǎn)生電弧并穩(wěn)定燃燒時，約有30V的電壓降，短路時(焊條與工件相碰瞬間)，短路電流不能過大，以免損壞焊機(jī)。另外，為了適應(yīng)不同的焊件和不同規(guī)格的焊條，焊接電流的大小要能夠調(diào)節(jié)。第19頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三

3.儀用互感器儀用互感器有兩種：電壓互感器和電流互感器。電壓互感器的原理圖如圖1-17所示。電壓互感器的主要原理是根據(jù)變壓器的變壓作用而工作的。電流互感器的原理圖如圖1-18所示。電流互感器的主要原理是根據(jù)變壓器的變流作用而工作的。

使用互感器時，必須注意：由于電壓互感器的副繞組電流很大，因此絕不允許短路；電流互感器的原繞組匝數(shù)很少，而副繞組匝數(shù)較多，這將在副繞組中產(chǎn)生很高的感應(yīng)電動勢，因此電流互感器的副繞組絕不允許開路。第20頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三

便攜式鉗形電流表，圖1-19是它的外形圖和原理圖，其副繞組端接有電流表，鐵芯由兩塊U形元件組成，用手柄能將鐵芯張開與閉合。測量電流時，不需斷開待測電路，只需張開鐵芯將待測的載流導(dǎo)線鉗入(即圖1-19(a)中的A、B端)，這根導(dǎo)線就成為互感器的原繞組，于是可從電流表直接讀出待測電流值。第21頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三【任務(wù)實施】

1.任務(wù)實施的內(nèi)容小型變壓器的變壓、變流和阻抗變換作用的測試；變壓器的空載試驗和短路試驗。

2.任務(wù)實施的要求

(1)正確使用測試儀表。

(2)正確測試電壓及電流等相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3.設(shè)備器材小型變壓器(220V/55V)，1臺；交流電流表，1塊；交流電壓表，1塊；萬用表，1塊；燈泡(36V/25W)，3只；交流調(diào)壓器(0~250V)，1臺；電工實驗實訓(xùn)臺，1套。

4.任務(wù)實施的步驟

(1)小型變壓器變換電壓、電流和阻抗試驗按照圖1-20所示電路接好線路，調(diào)節(jié)調(diào)壓器使用單相變壓器空載時的輸出為36V，然后分別在變壓器的副邊接入1只、2只、3只燈泡，測量單相變壓器的輸入電壓和輸出電壓、輸入電流和輸出電流，將測量數(shù)據(jù)填入表1.1中。根據(jù)表中的數(shù)據(jù)計算|ZL|、|ZL|值，分析變壓器的阻抗變換作用。第22頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三第23頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三(2)變壓器的空載試驗①斷開交流電源，將圖1-20中所示的單相變壓器的低壓線圈a、x接電源，高壓線圈A、X開路。②將調(diào)壓器旋鈕向逆時針方向旋轉(zhuǎn)到底，即將其調(diào)到輸出電壓為零的位置。合上交流電源開關(guān)，調(diào)節(jié)調(diào)壓器的旋鈕，使變壓器空載電壓U0＝1.2UN，然后逐次降低電源電壓，在1.2～0.2UN的范圍內(nèi)，測取變壓器的U0、I0、P0。③測取數(shù)據(jù)時，U0＝UN點必須測，并在該點附近測的點較密，共測取數(shù)據(jù)7~8組。記錄于表1.2中。④為了計算變壓器的變比，在UN以下測取原邊電壓的同時測出副邊電壓數(shù)據(jù)記錄于表1.2中。第24頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三⑤空載試驗數(shù)據(jù)分析

a.計算變壓比。由空載試驗測變壓器的一、二次側(cè)電壓的數(shù)據(jù)，計算出電壓比，然后取其平均值作為變壓器的變壓比。

b.繪出空載特性曲線U0＝f(I0)，P0＝f(U0)，cos0＝f(U0)。第25頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三(3)變壓器的短路實驗將變壓器的高壓線圈接電源，低壓線圈直接短路。①斷開交流電源，將圖1-20中所示的單相變壓器的高壓線圈A、X接電源，低壓線圈a、x直接短路。②將調(diào)壓器旋鈕逆時針方向旋轉(zhuǎn)到底，即將其調(diào)到輸出電壓為零的位置。合上交流電源開關(guān)，調(diào)節(jié)調(diào)壓器的旋鈕，逐漸緩慢增加輸入電壓，直到短路電流等于1.1IN為止，在(0.2～1.1)IN

的范圍內(nèi)，測取變壓器的Uk、Ik、Pk。③測取數(shù)據(jù)時，Ik＝IN點必須測，共測取數(shù)據(jù)6~7組，記錄于表1.3中。試驗時記