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第 6 章 其他用途的变压器 本章重点是各种特殊用途变压器的结构、工作原理，以及在使用中应注意的问题。6.1 自耦变压器 自耦变压器也有单相和多相之分，但与普通双绕组变压器的区别在于：只有一个绕组，副边绕组是原边绕组的一部分，因此，原边、副边绕组之间不但有磁的耦合，还有电的联系。下面就以单相自耦变压器为例来对其进行分析。6.1.1 工作原理 图6.1所示为一台单相降压自耦变压器的工作原理图。副边绕组 N2为原边绕组 N1的一部分，并且与铁心中的磁通m同时交链。与普通变压器一样，根据电磁感应定律可知，绕组的感应电动势与匝数成正比，所以原边、副边绕组的感应电动势分别为 11m4.44EfN=22m4.44EfN=变压器的电压比为1122ENkEN=。在忽略漏阻抗压降时，有111222UENkUEN=。自耦变压器与普通变压器有着相同的磁动势平衡方程式，即 1122m1I NI NI N+=?(6.1)如果忽略影响不大的励磁电流mI?，上式可以变成 11220I NI N+=?(6.2)即 21(1)IIkk=?(6.3)式(6.3)说明1I?与2I?反相，并且I2I1。由于原边、副边绕组为同一绕组，存在电的联系，在副边绕组的抽头处可以看成是电路的一个节点。因此根据基尔霍夫第二定律(KVL)可得 1212III+=?(6.4)其相量图如图6.2所示。从图中可以看出，公共绕组部分的电流12I?与原边、副边电流的大小关系为 1221III=图 6.1 单相自耦变压器工作原理图 图 6.2 单相自耦变压器电流的相量图 第 6 章 其他用途的变压器 107 107 即 2112III=+(6.5)式(6.5)的两边同乘以U2，就可得到自耦变压器的输出功率为 222 12 12U IU IU I=+(6.6)普通变压器是以磁场为媒介，通过电磁感应作用来进行能量传输的。自耦变压器的原边、副边绕组既然有了电的联系，它的能量传输方式也必然有着与普通变压器的不同之处。从式(6.6)可以看出，自耦变压器的输出功率有两部分组成，一部分为U2 I1，由于I1是原边电流，在它流经只属于原边部分的绕组之后，直接流到副边，传输到负载中去，故U2 I1称为传导功率；另一部分为U2 I12，显然要受到负载电流和原边电流的影响，这三者要满足式(6.4)所示的关系，所以I12可以看成是由于电磁感应作用而产生的电流，这一部分功率也相应地称为电磁功率。另外，自耦变压器也通常设计的原边、副边容量相等，即 N1N 1N2N2NSUIUI=(6.7)6.1.2 优缺点(1)通过以上的分析可以看出，在自耦变压器的从原边传递到副边的能量中，一部分是由于电磁感应作用，一部分是由于直接传导作用。而对普通变压器而言，输出功率只有电磁功率。所以，在同样容量的前提下，自耦变压器所用材料要比普通变压器少、体积小、重量轻，效率也要高一些。从而可以降低成本，提高经济效益。但当电压比k较大时，经济效益就不明显，一般自耦变压器电压比k设计为k=1.252。(2)由于副边绕组为原边绕组的一部分，两绕组之间存在着电的联系，低压侧容易受到高压侧过电压的影响。所以绝缘和过电压保护要加强；(3)由于只有一个绕组，漏电抗较普通变压器要小，因此，短路阻抗小，短路电流就大，要加强短路保护。6.2 仪用互感器 仪用互感器是配电系统中供测量和保护用的设备，分为电流互感器和电压互感器两类。它们的工作原理和变压器相似，是把高电压设备和母线的运行电压、大电流即设备和母线的负荷或短路电流按规定比例变成测量仪表、继电保护及控制设备的低电压和小电流。6.2.1 电压互感器 电压互感器又称仪表变压器，也称PT或TV，工作原理、结构和接线方式都与普通变压器相同。其接线图如图6.3所示。电压互感器原边绕组并接于被测量线路。副边接有电压表，相当于一个副边开路的变压器。电压互感器按其绝缘结构形式，可分为干式、浇注式、充气式、油浸式等几种；根据相数可分为单相和三相；根据绕组数可分为双绕组和三绕组。图 6.3 电压互感器接线图 电机与拖动 108 108 电压互感器的特点是：(1)与普通变压器相比，容量较小，类似一台小容量变压器；(2)副边负荷比较恒定，所接测量仪表和继电器的电压线圈阻抗很大，因此，在正常运行时，电压互感器接近于空载状态。电压互感器的原、副边绕组额定电压之比，称为电压互感器的额定电压比。即k=U1N/U2N，其中原边绕组额定电压U1N是电网的额定电压，且已标准化，如10、35、110、220kV等，副边电压U2N，则统一定为100(或1003)V，所以 k也就相应地实现了标准化。为安全起见，副边绕组必须有一点可靠接地，并且副边绕组绝对不能短路。6.2.2 电流互感器 电流互感器也是按电磁感应原理制成的，也称CT或TA。其原边绕组串接于被测线路中，副边绕组与测量仪表或继电器的电流线圈串连，副边绕组的电流按一定的变比反应原边电路的电流。其接线图如图6.4所示。与电压互感器的情况相似，电流互感器的副边绕组也必须有一点接地。由于作为电流互感器负载的电流表或继电器的电流线圈阻抗都很小，所以，电流互感器在正常运行时接近于短路状态。电流互感器的种类很多，根据安装地点可分为户内式和户外式；根据安装方式可分为穿墙式、支持式和套管式；根据绝缘结构可分为干式、浇注式和油浸式；根据原边绕组的结构型式可分为单匝式和多匝式等。电流互感器的特点是：(1)原边绕组串联在被测线路中，并且匝数很少，因此，原边绕组中的电流完全取决于被测电路的负荷电流，而与副边电流无关；(2)电流互感器副边绕组所接电流表或继电器的电流线圈阻抗都很小，所以正常情况下，电流互感器在近于短路状态下运行。电流互感器原边、副边额定电流之比，称为电流互感器的额定互感比：k=I1N/I2N，因为原边绕组额定电流I1N已标准化，副边绕组额定电流I2N统一为5(或1、0.5)A，所以电流互感器额定互感比也标准化了。为安全起见，电流互感器副边绕组在运行中绝对不允许开路，为此，在电流互感器的副边回路中不允许装设熔断器，而且当需要将正在运行中的电流互感器副边回路中仪表设备断开或退出时，必须将电流互感器的副边短接，保证不致断路。6.3 电焊机变压器 电焊机在生产中的应用非常广泛，它是利用变压器的特殊外特性(二次侧可以短时短路如图6.5)的性能而工作的，实际上是一台降压变压器。6.3.1 电焊工艺对变压器的要求 要保证电焊的质量及电弧燃烧的稳定性，电焊机对变压器有以下几点要求：图 6.4 电压互感器接线图 第 6 章 其他用途的变压器 109 109(1)空载时，空载电压20U一般应在60V75V，以保证容易起弧。但考虑到操作者的安全，20U的最高电压不超过85V。(2)负载(即焊接)时，变压器应具有迅速下降的外特性，如图6.5所示，在额定负载时的输出电压2U(焊钳与工件间的电弧)约为30V左右。(3)当短路(焊钳与工件间接触)时，短路电流2kI不应过大，一般2kI2N2I。(4)为了适应不同焊接工件和焊条，要求焊接电流大小在一定范围内要均匀可调。由普通变压器的工作原理可知，引变压器副边(二次侧)电压2U下降的内因，是内阻抗2Z的存在(2222UEI Z=)。而普通变压器2Z却很小，22I Z很小，从空载到额定负载2U变化不大，不能满足电焊要求。因此电焊变压器应具备较较大的电抗，才能使2U迅速下降，并且电抗还要可调。改变电抗的方法不同，可得不同的电焊变压器。6.3.2 磁分路动铁心电焊变压器 1.结构 如图6.6所示，原、副绕组分装于两铁心柱上在两铁心性之间有一磁分路，即动铁，动铁心通过一螺杆可以移动调节，以改变漏磁通的大小，从而达到改变电抗的大小。图 6.5 电焊变压器的外特性 图 6.6 磁分路动电焊变压器 2.工作原理(1)当动铁心移出时，原、副绕组漏磁通减小，磁阻增大，磁导2s减小，漏抗2X减小(222sX2fN=),阻抗压降减小，2U增高，焊接电流2I增大。(2)当动铁心移入时，原、副绕组漏磁通经过动铁心形成闭合回路而增大，磁阻减小，磁导2s增大，漏抗2X增大，阻抗压降增大，2U减小。焊接电流2I减小。(3)根据不同焊件和焊条，灵活地调节动铁心位置来改变电抗的大小，达到输出电流可调的目的。6.3.3 串联可变电抗器的电焊变压器 如图6.7所示，在普通变压器副绕组中串联一可变电抗器，电抗器的气隙通过一螺杆调节其大小，这时焊钳与焊件之间电压为 22222jUEI ZI X=?式中，X为可变电抗器的电抗。电机与拖动 110 110 图 6.7 串联可变电抗器的电焊变压器(1)当电抗器的气隙调小时，磁阻减小，磁导s增大，可变电抗X增大(22sX2fN=)，2U减小，2I减小。(2)当气隙调大时，磁阻增大，磁导s减小，可变电抗X减小，增大2U，2I增大。(3)根据焊件与焊条的不同，可灵活地调节气隙的大小，达到输出电流可调的目的。电焊机原边还备有抽头，可以调节起弧电压的大小。本 章 小 结(1)与普通变压器不同，自耦变压器的原边、副边共用一个绕组，副边绕组为原边绕组的一部分，两个绕组之间不但有磁的联系，也有电的联系。(2)自耦变压器的容量由电磁容量和传导容量两部分组成，而普通变压器的容量只有电磁容量，这也是两种变压器的区别之一。(3)仪用互感器包括电压互感器和电流互感器。为了安全起见，两种互感器的副边绕组都必须可靠接地，并且，电压互感器的二次侧不允许短路，电流互感器的二次侧不允许开路。(4)电焊机变压器具有陡降的外特性，且电焊电流在一定范围内可均匀调节，一般有动铁心磁分路电焊变压器和串联可变电抗器的电焊变压器。思考题与习题 6-1 从容量的观点来看，自耦变压器与普通变压器有什么不同之处？6-2 用相量图来说明自耦变压器原边电流、副边电流以及公共部分电流的大小和相位关系。6-3 简述电流互感器和电压互感器的作用并比较这两者的异同点。6-4 电流互感器回路能否装设熔断器？6-5 简述电流互感器与电压互感器的工作原理。6-6 电流互感器在换接电流表时，二次侧能否断开？6-7 电焊机对变压器有那些要求，用什么方法可以满足？