模块三特种变压器（课件）- 《电机与变压器》同步教学（人邮版）

项目一 互感器 项目二 自耦变压器 项目三 电焊变压器 模块三 特种变压器 根据变压器的原理制作用于特殊场所的变压器，称为特殊用途变压器。下面介绍几种较为常用的特殊变压器，它们是互感器，自耦变压器和电焊变压器。 项目一互感器 把大电流变成小电流的变压器，是电流互感器；把高电压变成低压的变压器，是电压互感器。电流互感器和电压互感器，统为互感器。在交流电路的测量，以及自动控制和继电保护中，互感器有着广泛的应用。 模块三 特种变压器 项目一互感器 活动一 电流互感器 活动二 电压互感器 模块三 特种变压器 活动一电流互感器 1工作原理 电流互感器结构上与普通双绕组变压器相似，也有铁心和原、副绕组。原绕组通常叫做一次绕组或一次侧，匝到几匝，导线很粗。原绕组串联在一次电路中（在电力第统中，传输、分配、使用电能的电路为一次电路），流过一次电流，一次电流I1的大小由一次电路的负载决定，如图3-1所示。电流互感器的副绕组也叫做二次绕组或二次侧，它的匝数较多，副绕组与电流表或功率表的电流线圈、继电器的线圈等串联成为闭合电路。由于这些线圈的阻抗都很小，二次侧近似于短路状态。所以，电流互感器在工作时，近似于短路运行的升压变压器。由于一次侧绕组的阻抗小，又串降在一次电路中，原绕组的电压几乎为“0”；由于交流铁心线圈电路的产磁通正比于电压，即φm∝U1, 所以φm ≈0 。根据磁势平衡方式，有 I1N1+I2N2=0 如不考虑相位关系，电流互感器的变流比Ki为 Ki=I1/I2 (3-1) 模块三 特种变压器 图3-1 模块三 特种变压器 由上面分析，可以看出电流互感器的工作特点是： 1）互感器原绕组的输入和副绕组的输出出都是电流，而电压几乎为“0”。这与普通变压器有所不同，说明它传递和改变的是电流而不是电压。 2）互感器工作在短路状态，苦副绕组开路，因为原边电流I1很大，磁势平衡被打破，这样就在铁心中产生很强的磁通，这个磁通使铁心损耗增加，使铁心过热，绝缘损坏；很强的磁能使二次侧产生几百伏甚至上千伏的高压，危及仪表和操作人员的安全。因此，电流互感器在运行时，副绕组是绝对不允许开路的。 模块三 特种变压器 2电流互感器的型号和技术参数 电流互感器的型号表示方法如下： 模块三 特种变压器 例如LQz-0.5/0.5-100,表示浇注型线圈式电流互感器，耐压等级为500v，一次侧额定电流为100A。常用的电流互感器如图3-2所示。 模块三 特种变压器 电流互感器的主要技术参数有以下几项 （1）变流比 变流比为电流互感器一次侧定电流与二次侧额定电流之比，用：“□/□”的形式标注，读作□过□。例如，某电流互感器的变流比为200A/5A。读作“100过5”电流互感器一次侧的额定电流在5-25000A之间，根据一次电路的工作电流进行选择；二次侧的额定电流一般为5A或1A。应根据所接的仪表或继电器的工作电流选用。 （2）准确度 当一次侧为额定电流时，二次侧电流与标称值误差的百分数，称作电流互感器的准确度。电流互感器的准确度有0.2，0.5，1.0，3和10五个等级。例如，0.5级表示在一次侧为额电流时，二次侧电流与标称值的误差最大不超过±0.5%.准确度等级数值越大,误差越大. （3）额定阻抗 为保证电流互感器的准确度,电流互感器都规定了二次侧负载的阻抗,这个规定的阻抗称作额定阻抗.所接仪表,继电器线圈的阻抗之和超过额定阻抗,电流互感器的准确度将降低. 模块三 特种变压器 3 电流互感器的选择 在选择电流互感器时,必须注意以下几点. （1）额定参数 电流互感器的额定电压应不低于安装处电路的工作电压,电流互感器一次侧的额定电流应不小于连接线路的工作电流,电流互感器的额定阻抗应不小于二次侧所接仪表,继电器线圈的总阻抗. （2）准确度 互感器的准确度应比所接仪表的准确度高两等级,才能保证测量结果的准确度. （3）与仪表应配套 若电流表接一次侧电流进行刻度,用这样的电流表测量电流时,电流互感器应与电流表配套,按电流表的量程选择互感器一次侧的额定电流.例如,电流表的量程为500A,则应选项择一次侧额定电流为500A,的电流互感器. 在实际使用中,电流互感器的接线要注意;一次侧应串联在一次线路中,二次侧所接的仪表,继电器线圈也应串联,如图3-3所示. 模块三 特种变压器 图3-3 模块三 特种变压器 4 电流互感器的使用 使用电流互感器时,应注意以下几点. 1）电流互感器在运行中副绕组绝对不能开路.运行中的电流互感器开路,副绕组电流的去磁作用消失,原绕组磁势I1N1不变,使铁心中磁通增加很多倍,铁心的涡流损耗急剧增加,电流互感器温度迅速一升而损坏;同时在副绕组中感应出很高的感应电动势,其峰值可达数千伏,造成互感器绝缘击穿,也可能造成人身伤害. 为防止运行中的电流互感器开路,在电流互感器二次侧电路中,绝对不允许装设熔断器;当二次侧不接负载时,要把二次侧短路接若要拆下运行中的电流表,必须先把互感器二次侧短接. 2）电流互感器的铁心和副绕组的一端要同时可靠接地.为避免高压侧绝缘击穿时损坏仪表或造成人身伤亡,电流互感的铁心和副绕组的一端要同时可靠接地. 3）绝缘电阻应符合要求.电流互感器绕组之间,绕组对地,绕组与铁心之间的绝缘电阻若低于10-20MΩ,应对电流互感器进行干燥处理. 接线时注意接线端子的极性.电流互感器的一次绕组的两个端子用”L1”和L2”标示，二次绕组用“K1”和K2标示，其中L1和K1为同名端，用+或*标记。二次侧接功率或电能表的电流线圈时，极性不能接错，否则仪表会反转。 模块三 特种变压器 活动二电压互感器 1工作原理 电压互感器实质是一个降压变压器，其工作原理与普通变压器没有区别，也是由铁心和原绕组（一次侧），副绕组（二次侧）两个主要部分组成。它的主要特点在于；原绕组匝数较多，并联在被测电路中；副绕组匝数较少，与高阻抗的测量仪表或继电器的线圈连接。电压互感器有很准确的电压比，副绕级电流很小近似等于“0“。所以电压互感器正常运行时，接近于空载运行的变压器，接线原理图如图3-4所示。根据变压器原理，它的原绕组与副院长绕组的电压之比等于它们的匝数之比，即 （3-2）式中，KU是电压互感器的变换系数，也称电压线感器的变换倍率。 模块三 特种变压器 图3-4 模块三 特种变压器 2电压互感器的型号和主要参数 电压互感器的型号的表示方法如下； 例如，JDG-0.5型表示单相干式电压互感器,一次侧额定电压为500V. 电压互感器的种类和电流互感器相似,也分干式,浇注绝缘式和油浸式三种,如图3-5 模块三 特种变压器 图3-5 模块三 特种变压器 电压互感器的主要技术参数 电压互感器的主要技术参数有以下几项。 （1）一次侧、二次侧的额定电压 二次侧额定电压一般都规定为100V，原边额定电压为电力系统规定的电压等级。这样做的优点是副绕组所接的仪表、线圈电压额定值都为100V，可同意标准化。和电流互感器一样，电压互感器副绕组所接的仪表刻度实际上已经被放大恶劣K倍，可以直接读出原绕组的被测数值。 （2）准确度 电压互感器的准确度，由变压比误差和相位误差来衡量，准确度可氛围0.1，0.2，0.5，1.0，3.0，五个等级。 （3）额定容量 电压互感器所接负载越多，二次侧电流越大，误差也越大，所以电压互感器规定了额定容量。 模块三 特种变压器 3.电压互感器的选用 在选择电压互感器时。必须注意一下几点。 （1）额定参数电压互感器一侧的额定电压应不低于安装处电路的工作电压，电压互感器的额定容量应不小于二次侧所接仪表、继电器运行的纵容量。 （2）准确度 电压互感器的准确度应比所接仪表的准确度高两个等级,才能保证测量结果的准确度. (3) 与仪表应配套 测量电压时,电压互感器应与电压表配套,按电压表的量程选择互感器一次侧的额定电压.例如,电压表的量程为10kV,则应选择一次侧额定电压为10kV的电压互感器. 模块三 特种变压器 4.电压互感器的使用 在使用电压互感器时,应注意以下几点. （1）电压互感器在运行时,副绕组不可短路 因为副绕组匝数少,阴抗小,如发生短路,短路电流将很大,足以烧坏电压互感器.使用时,电压互感器高,低压两侧电路要设置熔断器作短路保护. （2）电压互感器的铁心和副绕组的一端必须可靠接地 以防止高压绕组绝缘被损坏时,铁心和副绕组带上高压而造成事故. （3）二次侧负载不能超过额定容量 电压互感器的准确度等级与其使用的额定容量有关.例如,JDG-0.5型电压互感器,其最大容量为200VA,输出不超过25VA时准确度等级为0.5级;输出40VA以下为1.0级;输出100VA以下为3.0级.为了保证接仪表的测量准确度等级,电压互感器二次侧所连接的负载,不能超过互感器的额定容量. 接线时注意极性 电压互感器的副绕组接功率表或电能表的电压线圈时,极性不能接错.三相电压互感器和三相变压器一样,要注意接法,接错会造成严重后果.在三相电力互系统中广泛应用的三线圈电压互感器有两个副绕组,一个称为基本绕组,接各种测量仪表和电压继电器;另一个称为辅助绕组,接成开口三角形,进出两个头接电压继电器,组成供电系统的继电保护电路,如图3-6所示. 模块三 特种变压器 图3-6 模块三 特种变压器 项目二 自耦变压器 根据自感现象制成的变压器,称为自感变压器,也称为自耦变压器,其应用范围很广泛. 活动一 自耦变压器的原理 活动二 自耦变压器的使用 模块三 特种变压器 活动一 自耦变压器的原理 自耦变压器的外形与接线原理如图3-7所示。与普通变压器不同的是，自耦变压器只有一个线圈。整个线圈的匝数为N1，并用它做一个绕组；在这个线圈中匝数为N2的地方作一抽头成为另一个绕组；匝数为N2的一部分线圈是原、副绕组的公共部分。 模块三 特种变压器 自耦变压器的原理 当把其中一个绕组接到交流电源上时，在铁心中形成磁通，在匝数N1的整个线圈和匝数为N2的公共部分产生感应电动势E1，E2，若两个绕组的端电压为U1，U2，则 模块三 特种变压器 从磁势平衡方程可知，因为输入电压U1不变，主磁通φｍ也不变，所以空载时的磁势和负载时的磁势是相等的，即有I1N1-I２N２=I０N1。因为空载电流I0很小，可忽略，则有 　　　　　　　　　　　　　　 I1N1-I２N２=０ 由式中可见，两个绕组中的电流I1与I2只是大小不同，相位是一样的。因此，绕组中公共部分的电流为 　　　　　　　　　　　　　I=I2-I1=（K-1）I1 （3-3） 当变压比K接近于1时，绕组中公共部分的电流I就很小，因此绕组中公共部分的导线的截面积可以减少很多，从而减少了变压器的体积和质量。 再看生耦变压器的能量传递。当不计损耗时，传输到负载的视在功率（容量）为 　　　　　S2=U2I2=U2（I+I1）=S′2+S″2 （3-4） 由图3-7（c）可见，它传输的总容量S2中包括S′2和S″2两部分。其中， S′2 =U2I，是IU1，IU2绕组与2U1，2U2绕组之间通过电磁感应传递的能量；而S″2 =U2I1，是能是过电路从原绕组直接传递给负载的。这是自耦变压器能量传递方式上与一般变压器的区别所在，而且这两部分传递能量的比例，完全取决于变压比K，这是因为 模块三 特种变压器 这说明，靠电磁感应传递的能量占总能量(1-1/k) ，而从电路直接输送的能量占由此可见，当K=1时，能量全部靠电路导线传递；当K=2时， S′2和S″2各占一半。变压比K增大，从电路直接传递的能量减少，而靠电磁感应传递的能量增多，公共部分绕组电流增加了，导线也要加粗。由此可见，当变压比K〉2时，自耦变压器的优点就不明显了，所以自耦变压器通常工作在变压比K=1.2~2之间。 模块三 特种变压器 活动二 自耦变压器的使用 实验室里常用的自耦变压器，把二次侧输出端改成活动触点，可以接触绕组中任意位置，而使输出电压任意改变，如图3-7所示。 三相自耦调压器一般接成星形，如图3-8所示。 模块三 特种变压器 自耦变压器常用的几种接线形式 自耦变压器常用的几种接线形式如图3-9所示。可接成固定升压形式，如图3-9（a）所示；可接成固定降压形式，如图3-9（b）所示；可接成升、可接成可升、可降一般调压形式，如图3-9（C）所示。需要特别说明的是，变压调压和串联调压。 模块三 特种变压器 1.变相调压 将单相自耦变压器的输入、输出公共担焊载中心110V抽头处，如图3-9（d）所示。动触点调到输入,输出公共端的上段或下段,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电动机的控制电压调节,非常方便.调压器动触点由中心点向上调节时,伺服电动机正转;动触点由中心点向下调节时,伺服电动机反转.不用倒向开关或变换控制绕组接头,伺服电动权就可以正,反转 。 模块三 特种变压器 2.串联调压 串联调压接线如图3-9(e)所示.这里将负载与调压器线圈串联,把调压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,只需要两根导线就可以进行调压.在使用逢耦变压器时,应注意以下几点. （1）不能用作安全电压的变压器 　　因为它的原,副绕组是相通的,高压侧(电源)发生电气故障时会波及低压侧，如高压绕组绝缘破坏，高电压可直接进入低压侧，这是很不安全的． （２）输入，输出的公共端必须接电源的零线 　　　使用时，要求输入，输出的公共端接零线；如果错接为相线，人体接触输出端时，接触电压较高，如图３－１０所示． 　　　　　　另外，三相自耦变压器的中性点也必须可靠接地；自耦变连接电源之前和使用完毕之后，一定要把手柄转到输出电压为“０”的位置上． 模块三 特种变压器 项目三　　电焊变压器 交流电弧焊机在电弧焊中应用很广泛，主要是结构简单，成本较低，制造容易，维修方便，经久耐用．交流电弧焊机的主要部分是一台特殊的降压变压器，即电焊变压器． 活动一 电弧焊对电焊变压器的要求 活动二 磁分路动铁式电焊变压器 活动三 动圈式电焊变压器 活动四 带可调电抗器的电焊变压器 模块三 特种变压器 活动一 电弧焊对电焊变压器的要求 为了保证焊接质量和电弧燃烧的稳定性,电焊变压器应满足以下要求： 1）副绕组空载电压为60~75V,以保证容易起弧;同时为了安全,空载电压最高不超过85V。 2）具有陡降的外特征，即当负载电流增大时，副绕组输出电压应急剧下降，通常额定运行时的输出电压U2N为30V左右。 3）短路电流IK不能太大，以免损坏电焊机。 4）为了适应不同的加工材料、工件大小和焊条，焊接电流应能在一定范围内调节。 为了使电焊变压器具有陡降的外特征，常用的方法有以下两个：一个方法是使副绕组工作时为电感性负载，使二次回路具有相当大的电抗以限制短路电流和使输出电压随电流的增加而迅速下降；另一个方法是使电焊变压器具有较大且可以调节的漏磁通，以限制短路电流和保证吐降的外特征。 模块三 特种变压器 活动二 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和工作原理 磁分路动铁式电焊变压器是在铁心的两柱中间又装了一个活动的铁心柱，称为动铁心，如图3—11（a）所示。原绕组绕在左边一铁心柱上，而副绕组分两部分：一部分在左边与原绕组同绕在一个铁心柱上的外层，另一部分在右边一个铁心柱上。由于动铁心可以推进和拉出，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，漏磁通增加，输出电压降低，且随输出电流的增大而下降较快；当动铁心在全部拉出的位置时，漏磁通减少，输出电压升高，且随输出电流的增大而下降较慢。 如图3—11 动铁式电焊变压器 模块三 特种变压器 2.焊接电流的调节 焊接电流的粗调如图3—11（b）所示，改变副边绕组的接法，就改变了副绕组匝数，从而达到改变起始空载电压和焊接电流的目的。粗调有I和II两挡：连接片将端子4，6连在一起，为I挡，副绕组由线圈③和①构成；连接片将端子4，3连接在一起时，为II挡，线圈①，②的全部和线圈③的一部分构成副绕组。 焊接电流的微调，则是调节动铁心的位置。如果把动铁心从铁心的中间逐步往外移动，那么副绕组中的漏磁通减少，焊接电流增加；如果把动铁心从外逐步往铁心的中间移动，那么副绕组中的漏磁通增加，焊接电流减小。 如图3—11 动铁式电焊变压器 模块三 特种变压器 活动三 动圈式电焊变压器 1.动圈式电焊变压器的结构和工作原理 动圈式电焊变压器的铁心是壳式结构，铁心气隙是固定 不可调的，加图书3—12所示。原绕组3固定在铁心下部，副绕组2为可动线圈，置于固定线圈的上面，并且可借助调节机构1上下移动可动线圈2，改变它卢固定线圈3的距离L0。原、副绕组的距离L0越小，则耦合越紧，漏抗越小，输出电压越高，焊接电流越大；原、副绕组的距离L0越大，则耦合越差，漏抗越大，输出电压越低，焊接电流越小。 模块三 特种变压器 2.焊接电流的调节 焊接电流的调节 粗调是改变原绕组或副绕组接线，将原绕组或副绕组的两部分绕组由串联改接成并联或由并联改接成串联，从而改变电焊变压器的变压比。 焊接电流的微调，是通过改变固定线圈与可动线圈之间的距离来实现的。增大它们之间的距离，焊接电流减小；减小它们之间的距离，焊接电流增大。 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。 模块三 特种变压器 活动四 带可调电抗器的电焊变压器 1.带可调电抗器电焊变压器的结构和工作原理 带可调电抗器的电焊变压器有异体式和同体式两种结构形式，如图3-13和图3-14所示。它由两部分组成：一部分是变压器，和普通变压器相同，为了调节输出的空载电压，在原绕组中备有分接头，以改变原绕组的匝数；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副绕组中，使电焊变压器副边的负载为功率因数很低的电感性负载。需要调节焊接电流时，可以改变电抗器气隙的大小。 模块三 特种变压器 图3-13 图3-14 模块三 特种变压器 2. 焊接电流的调节 改变原绕组分接头的位置,即改变原绕组的匝数,进行焊接电流的粗调;改变可变电抗器的感抗,进行焊接电流的微调。转动手柄，使电抗器可动铁心上移，气隙增大，电抗减小，焊接电流增大；转动手柄，使电抗器可动铁心下移，气隙减小，电抗增大，焊接电流减小。 这类电焊变压器因为有电抗器，消耗材料较多，体积和重量均校大。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，这类电焊机不适合用于小电流焊接。 模块三 特种变压器 $$