《電機(jī)原理與維修》課件第5章

第5章其他變壓器5.1三繞組變壓器5.2自耦變壓器5.3電焊變壓器習(xí)題5.1三繞組變壓器5.1.1結(jié)構(gòu)與原理三繞組變壓器每相有三個繞組，高壓繞組1，中壓繞組2，低壓繞組3。它們同心地套裝在同一鐵芯柱上，其中一個繞組接電源，另兩個繞組輸出兩個等級的電壓，其結(jié)構(gòu)和原理如圖5-1(a)、(b)所示。圖5-1三繞組變壓器(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)原理示意圖三個繞組在鐵芯柱外層的排列布置，既要考慮絕緣處理的方便，又要考慮功率傳遞的方向。從絕緣角度考慮，高壓繞組不宜靠近鐵芯，應(yīng)排列在外層。對變電所中的降壓變壓器，功率由高壓側(cè)向中、低壓側(cè)傳遞，則選用低壓繞組排放在最里層，中壓繞組排放在中間層的排列布置方式，如圖5-2(a)所示。而發(fā)電廠中的升壓變壓器，功率由低壓側(cè)向高、中壓側(cè)傳遞，一般采用中壓繞組2排放在最里層，低壓繞組3排放在中間層的排列布置方式，如圖5-2(b)所示。圖5-2三繞組變壓器的繞組布置圖(a)降壓變壓器；(b)升壓變壓器5.1.2容量與連接組別根據(jù)供電的實際需要，三個繞組的容量可以設(shè)計為相同的，也可以設(shè)計為不同的。通常，三繞組變壓器銘牌上標(biāo)注的額定容量是指三個繞組中其中最大的一個繞組的容量，而另外兩個繞組的容量，可以是額定容量，也可以小于額定容量。若額定容量為100，則按國家標(biāo)準(zhǔn)，三個繞組的容量搭配關(guān)系如表5-1所示。注意，上述三繞組容量搭配關(guān)系僅代表各繞組傳遞功率的能力，并不是實際功率傳遞時的分配比例。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，三相三繞組變壓器的標(biāo)準(zhǔn)連接組別有YN,yn0，d11和YN,yn0，y0兩種。5.1.3變比、磁動勢方程式和等值電路

1.變比三繞組變壓器負(fù)載運行示意圖如圖5-3所示，設(shè)三個繞組1、2、3的匝數(shù)分別為N1、N2、N3，則三個變比為

(5-1)式中：U1N、U2N、U3N分別為各繞組的額定相電壓。圖5-3三繞組變壓器負(fù)載運行示意圖

2.磁動勢方程式從圖5-3可以看出，三繞組變壓器負(fù)載運行時，主磁通與三個繞組交鏈，參照雙繞組變壓器磁動勢平衡方程可類似推出，三繞組變壓器負(fù)載運行時的磁動勢平衡方程式為

(5-2)由于勵磁電流很小，可忽略不計，則得

(5-3)把繞組2與繞組3分別折算到繞組1，即，則有,(5-4)

3.等值電路用與雙繞組變壓器類似的方法，可得折算到原邊繞組側(cè)的三繞組變壓器的簡化等值電路如圖5-4所示。圖中的x1、是由各繞組的自感漏電抗及繞組間的互感漏電抗合成的等值電抗，由于與自感漏電抗和互感漏電抗相對應(yīng)的自漏磁通和互漏磁通主要通過空氣閉合，因此等值電抗值為常數(shù)。圖5-4三繞組變壓器簡化等值電路5.2自耦變壓器5.2.1結(jié)構(gòu)特點原邊繞組和副邊繞組共用一個繞組的變壓器稱為自耦變壓器。單相自耦變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖和原理接線圖如圖5-5所示。從結(jié)構(gòu)上看，自耦變壓器的每相鐵芯柱上套有兩個同心繞組。其中AX為高壓繞組，匝數(shù)為N1，ax為低壓繞組，匝數(shù)為N2。ax繞組是AX繞組的一部分，既是副邊繞組，又是原邊繞組的一部分，稱為公共繞組。Aa繞組匝數(shù)為N1－N2，稱為串聯(lián)繞組?？梢娮择钭儔浩髟⒏边吚@組之間不僅有磁的耦合，還有電的直接聯(lián)系，這是自耦變壓器與雙繞組變壓器的主要區(qū)別。圖5-5自耦變壓器(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)原理接線圖5.2.2基本電磁關(guān)系自耦變壓器也是利用電磁感應(yīng)原理工作的，這里以單相自耦變壓器為例分析它的基本電磁關(guān)系。

1.電壓關(guān)系當(dāng)原邊繞組AX端施加電壓時，鐵芯中產(chǎn)生交變主磁通，并分別在原、副邊繞組中感應(yīng)出電動勢和，若忽略漏阻抗壓降，則有

(5-5)

故自耦變壓器的變比k為

(5-6)則

(5-7)

2.電流關(guān)系當(dāng)自耦變壓器負(fù)載運行時，由于外加電源電壓不變，主磁通近似不變，總的勵磁磁動勢仍與空載磁動勢相等，即

(5-8)忽略空載電流，得

(5-9)則

(5-10)式(5-10)說明,自耦變壓器原、副邊繞組中的電流大小與匝數(shù)成反比，且相位上互差180°。因此公共繞組中的電流為

(5-11)由此可見，公共繞組中的電流與同相位，但I(xiàn)在數(shù)值上總是小于輸出電流I2。三者有效值的關(guān)系為I=I2-I1

I=I2-I1(5-12)當(dāng)變比k接近于1時，I1與I2數(shù)值上相差很小，即公共繞組中的電流I很小，因此公共繞組部分可用截面積較小的導(dǎo)線繞制，以節(jié)約用銅量。

3.容量關(guān)系在雙繞組變壓器中，變壓器的容量等于繞組容量。所謂繞組容量,是指繞組兩端的電壓與通過繞組電流的乘積。但在自耦變壓器中兩者是不相等的。自耦變壓器的容量(銘牌容量)是指輸入容量，它與輸出容量相等。其額定負(fù)載運行時額定容量為SN=U1NI1N=U2NI2N(5-13)但串聯(lián)繞組(Aa繞組)的繞組容量為

(5-14)公共繞組(ax繞組)的繞組容量為

(5-15)式(5-14)、(5-15)說明，串聯(lián)繞組和公共繞組的容量相等，均小于自耦變壓器的額定容量，數(shù)值上是額定容量的倍。變比k越接近于1，繞組容量就越小，省材、尺寸小、效率高的優(yōu)點越顯著。所以，自耦變壓器主要適用于k<2的場所。自耦變壓器在正常運行時，其輸出容量S2=U2I2=U2(I+I1)=U2I+U2I1(5-16)從式(5-16)可以看出，自耦變壓器的輸出功率由兩部分組成，其中U2I部分是依據(jù)電磁感應(yīng)原理從原邊繞組傳遞到副邊繞組(即負(fù)載)的功率，與雙繞組變壓器傳遞方式相同。U2I1則是通過電路的直接聯(lián)系從原邊繞組直接傳遞到副邊繞組的功率。由于I1只在串聯(lián)繞組中通過，因此產(chǎn)生的銅損耗較小，所以，自耦變壓器效率較高。

【例5-1】在一臺容量為15kV·A的自耦變壓器中，已知U1=220V，N1=150匝。(1)如果要使輸出電壓U2=210V，應(yīng)該在繞組的何處有抽頭？滿載時I1和I2各是多少？此時公共繞組中的電流是多少？(2)如果輸出電壓U2=110V，那么公共繞組中的電流又是多少？解

(1)根據(jù)公式可知副邊繞組的匝數(shù)N2，即抽頭處的匝數(shù)為由于自耦變壓器的效率很高，可以認(rèn)為U1I1=U2I2=SN=15×103V·A因此滿載時的電流為則公共繞組中的電流為I=I2-I1=71.4A-68.2A=3.2A

(2)如果輸出電壓U2=110V，則此時，公共繞組中的電流為I=I2-I1=136.4A-68.2A=68.2A5.2.3自耦變壓器的主要優(yōu)、缺點

1.主要優(yōu)點

(1)自耦變壓器的繞組容量小于額定容量，所以在額定容量相同的情況下,自耦變壓器體積小,重量輕,節(jié)省材料,成本較低。

(2)由于節(jié)省有效材料(硅鋼片和銅線等)，使得銅損耗和鐵損耗都相應(yīng)減少，效率較高。

(3)便于運輸和安裝，占地面積小。2.主要缺點

(1)自耦變壓器高、低壓側(cè)有電的直接聯(lián)系，在高壓側(cè)發(fā)生故障會殃及到低壓側(cè)，為此，自耦變壓器的運行方式、繼電保護(hù)及過電壓保護(hù)裝置等都比雙繞組變壓器復(fù)雜。

(2)自耦變壓器的短路阻抗比同容量雙繞組變壓器小，所以短路電流較大，需采用相應(yīng)的限制和保護(hù)措施。5.3電焊變壓器在生產(chǎn)實際中，交流電焊機(jī)被廣泛應(yīng)用。而交流電焊機(jī)的主要組成部分是電焊變壓器，它實質(zhì)上是一臺特殊的降壓變壓器。為了保證焊接質(zhì)量和電弧的穩(wěn)定燃燒，對電焊變壓器有以下幾點要求：

(1)電焊變壓器應(yīng)具有60~75V的空載電壓，以保證起弧容量。為了保證操作人員的安全，空載起弧電壓一般不超過85V。

(2)在負(fù)載時，電壓應(yīng)隨負(fù)載的增大而急劇下降，即應(yīng)有陡降的外特性，如圖5-6所示，以滿足電弧特性的要求。

(3)在短路時，短路電流ISC不應(yīng)過大，以免損壞電焊機(jī)。

(4)為了適應(yīng)焊接不同工件和不同焊條的需要，要求電焊變壓器的輸出電流在一定范圍內(nèi)均勻可調(diào)。圖5-6電焊變壓器外特性為了滿足上述要求，從普通變壓器原理可知，電焊變壓器必須具有較大的漏抗，而且可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。電焊變壓器的原、副邊繞組一般分裝在不同的鐵芯柱上，以使繞組的漏抗比較大。改善漏抗的方法很多，但常用的有磁分路法和串聯(lián)可變電抗法兩種。磁分路動鐵芯式電焊機(jī)是具有代表性的一類交流電焊機(jī)，其原理示意圖如圖5-7所示。它的鐵芯由固定鐵芯和活動鐵芯兩部分組成。固定鐵芯為“口”字形，兩側(cè)芯柱上繞有原邊繞組和副邊繞組。在固定鐵芯中間的螺桿上加裝一個活動鐵芯，提供一個磁分路。移動活動鐵芯，可以改變固定鐵芯中的磁通，調(diào)節(jié)焊接電流。這樣，通過調(diào)節(jié)磁分路的磁阻，即可調(diào)節(jié)漏抗大小和焊接電流的大小，以滿足工件和焊條的不同要求。在副邊繞組中常備有分接頭，以便調(diào)節(jié)空載時的起弧電壓大小。圖5-7磁分路動鐵芯式電焊機(jī)原理示意圖(a)鐵芯及繞組圖；(b)電路圖串聯(lián)電抗器的電焊變壓器如圖5-8所示。它是在副邊繞組回路中串接一個可調(diào)電抗器，調(diào)節(jié)電抗器中的螺桿，即可調(diào)節(jié)電抗器的氣隙。當(dāng)氣隙增大時，電抗器的電抗減小，焊接電流增大。反之，當(dāng)氣隙減小時，電抗增大，焊接電流減小。另外，在原邊繞組中還備有分接頭，以便調(diào)節(jié)起弧電壓的大小。除以上兩種類型的交流電焊機(jī)