电机变压器原理与维修（第二版）：小型变压器的使用与维修教学课件

小型变压器的使用与维修项目一1任务1小型变压器的认知任务2小型变压器的拆装和重绕任务3小型变压器的检测与维护2任务1

小型变压器的认知3学习目标1.了解小型变压器的基本结构、分类和用途。2.掌握小型变压器的工作原理。3.熟悉小型变压器的铭牌数据。4.能正确完成变压器的空载运行、负载运行和阻抗变换试验，实现小型变压器的变压、变流及阻抗变换。4任务引入机床控制电路中的小型变压器可以输出几组不同的交流电压值，以满足不同电气设备的需要。对于需要使用直流电压的家用电器，应先通过变压器将220V的单相交流电降为6~36V的交流电，再经整流获得直流电压；各种电子产品的电源适配器中大多包含小型变压器；直流充电器也主要由小型变压器构成。因此，认识小型变压器对于电气技术人员来说是非常重要的。认识小型变压器可以从小型变压器的基本结构、分类及用途入手，进而掌握其工作原理，熟悉其铭牌数据。本任务以一台小型控制变压器为例，对小型变压器进行初步认知。5一、小型变压器的基本结构小型变压器一般都是单相变压器，由铁芯和绕组两个最基本的部分组成。1.铁芯铁芯是变压器的磁路部分，也作为变压器的机械骨架。为了提高导磁性能，减少铁芯内部的磁滞损耗和涡流损耗，铁芯一般由0.35mm厚的冷轧硅钢片叠成，硅钢片表面涂有绝缘漆。铁芯由铁芯柱和铁轭两部分构成，套装绕组的部分称为铁芯柱，连接铁芯柱形成闭合磁路的部分称为铁轭。6相关知识铁芯结构的基本形式有芯式和壳式两种，其结构示意图、特点及应用见下表。7芯式和壳式变压器的结构示意图、特点和应用

铁芯叠片的形式根据变压器容量的大小而有所不同，小型变压器为了简化工艺和减小气隙，其铁芯常采用E字形、F字形或C字形硅钢片交替叠压而成，如图所示。8小型变压器铁芯的硅钢片a）E字形b）F字形c）C字形2.绕组绕组是变压器的电路部分，常用绝缘铜线或铝线绕制而成。接电源的绕组称为一次绕组或初级绕组，简称原边，与负载相接的绕组称为二次绕组或次级绕组，简称副边。对于小型芯式变压器，一次绕组和二次绕组分别套装在两个不同的铁芯柱上，如图所示。9小型芯式变压器的绕组结构对于小型壳式变压器，一次绕组和二次绕组套装在中间的同一根铁芯柱上，绕组结构形式有三种，见下表。10

小型壳式变压器的绕组结构形式二、变压器的分类和主要用途变压器的作用是在交流电路中改变电压、改变电流、改变阻抗、改变相位和实现电气隔离。变压器的种类繁多，分类的方法也多种多样，具体的分类和主要用途见下表。11变压器的分类和主要用途12变压器的分类和主要用途13变压器的分类和主要用途14变压器的分类和主要用途15变压器的分类和主要用途16变压器的分类和主要用途三、小型变压器的工作原理变压器一次绕组的匝数用

N1

表示，二次绕组的匝数用

N2

表示。根据二次绕组是否连接负载，变压器的运行方式可分为空载运行和负载运行。为了便于分析，把忽略绕组直流电阻、铁芯损耗、漏磁通、磁饱和影响的变压器称为理想变压器。171.理想变压器空载运行理想变压器空载运行是指变压器一次绕组加额定电压、二次绕组开路的工作状态。当一次绕组接交流电源

u1

时，一次绕组中会有电流

i0

流过，铁芯中会产生主磁通

Φm，从而在一次绕组、二次绕组中分别产生感应电动势

e1和

e2，如图所示。u1

与i0

的参考方向一致，i0

、e1、e2

的参考方向与

Φm

的参考方向之间符合右手螺旋法则。18理想变压器空载运行原理（1）空载电流

i0变压器空载运行时流过一次绕组的电流称为空载电流，理想变压器的空载电流主要产生铁芯中的磁通，所以空载电流也称为空载励磁电流。（2）电压和感应电动势的关系因为理想变压器不考虑绕组的直流电阻、铁芯的损耗等，所以一次绕组的电压平衡方程式为：（1-1-1）式（1-1-1）说明一次绕组中的感应电动势与电源电压大小相等，即

U1=E1，在相位上，与

反相位，也称为反电动势。19二次绕组的电压为

U20，由于二次绕组开路时无电流输出，所以二次绕组的电压平衡方程式为：（1-1-2）式（1-1-2）说明二次绕组输出电压与感应电动势大小相等，即

U20=E2，并且

与

同相位。20（3）感应电动势的大小根据电磁感应定律

E=-N

可推导出变压器一次绕组中感应电动势

E1

、二次绕组中感应电动势

E2

大小分别为：E1=4.44fN1

Φm（1-1-3）E2=4.44fN2

Φm（1-1-4）式中E1，E2———感应电动势有效值，V；

f———交流电源的频率，Hz；

Φm———主磁通幅值，Wb。21（4）变压比

K

变压比的定义是变压器一次绕组的相电动势

E1

与二次绕组的相电动势

E2

之比，因为U1=E1=4.44fN1

Φm，U2=E20=4.44fN2

Φm，所以：（1-1-5）式（1-1-5）说明绕组的电压与匝数成正比，在一次绕组匝数不变的情况下，只要改变二次绕组的匝数就能改变输出电压的大小，因此变压器具有改变电压的作用。当

N1>N2，即

K>1时，变压器起降压作用；当

N1=N2，即

K=1时，变压器起隔离作用；当

N1<N2，即

K<1时，变压器起升压作用。222.理想变压器负载运行理想变压器负载运行是指变压器一次绕组加额定电压、二次绕组接负载的工作状态，如图所示，二次绕组的电流

i2

流过负载，此时一次绕组的电流从空载电流

i0

增加到

i1

。23理想变压器负载运行原理（1）变压器的电流变换对于理想变压器，一次绕组与二次绕组的视在功率相等，即：（1-1-6）式（1-1-6）说明变压器也具有改变电流的作用，其一次绕组与二次绕组电流有效值之比等于变压比的倒数，且一次侧电流随着二次侧电流的变化而变化。当功率一定时，绕组电流与绕组电压成反比，即高压绕组电流小，低压绕组电流大。24（2）变压器的阻抗变换一次绕组接在交流电源上，对电源而言变压器相当于一个负载，其输入阻抗可通过输入电压、输入电流计算，即变压器的输入阻抗为Z1=U1/I1，而变压器的二次侧输出端又接了负载，变压器的输出电压、输出电流与负载之间存在

Z2=U2/I2=ZL

的关系。变压器的阻抗变换如图所示，可以看出经过变压器把

Z2

接到电源上和不经变压器直接把

Z2

接到电源上，两者是完全不同的，这里变压器起到改变阻抗的作用，把Z2

等效变为

Z1

可以在

u1的电压下工作。2526变压器的阻抗变换四、小型变压器的铭牌数据1.额定电压U1N/U2NU1N

是变压器一次绕组的额定电压；U2N

是当一次绕组加额定电压时，二次绕组的开路电压，即U20，单位为V。使用变压器时，电源电压不得超过额定电压

U1N

。2.额定电流I1N/I2NI1N/

I2N

是变压器一次绕组、二次绕组连续运行时所允许通过的电流，即在规定的环境温度和冷却条件下允许的满载电流值，单位为A。273.额定容量SNSN

是变压器的视在功率，表示变压器在额定状态下的最大输出功率，其大小与变压器的额定电压和额定电流有关，也受到环境温度、冷却条件的影响。4.额定频率fNfN是变压器的电源频率，我国规定额定频率为50Hz。28任务2

小型变压器的拆装和重绕29学习目标1.掌握小型变压器的设计制作方法。2.掌握小型变压器的重绕修理方法。3.能正确完成小型变压器的拆卸、重绕、测试和绝缘处理。30任务引入小型单相变压器的绕制分为设计制作和重绕修理，它们的绕制工艺相同。设计制作是将使用者的要求作为依据，以满足要求为目标进行设计、计算后再绕制；而重绕修理是以原物参数为依据进行恢复性的绕制。本任务要求在给定设备和相关材料的基础之上，完成变压器的拆装和重绕工作。31一、小型单相变压器的设计制作小型单相变压器的设计制作思路是：由负载的大小确定变压器的容量；由负载侧所需电压计算出变压器各绕组的匝数；根据用户的使用要求及环境决定变压器的材质和尺寸。1.计算变压器的输出容量S2变压器输出容量的大小等于二次侧各电压等级负载的视在功率之和，二次侧绕组的数量需要与负载的电压等级数量相同，则

S2

为

S2=U2

I2

+U3

I3+…+UnIn（1-2-1）式中U2

、U3

、…、Un———变压器二次侧各绕组电压有效值，V；

I2

、I3

、…、In———变压器二次侧各绕组电流有效值，A。32相关知识2.估算变压器输入容量S1和输入电流I1对于小型变压器，考虑负载运行时的功率损耗（铜耗及铁耗）后，其输入容量

S1

的估算公式为：（1-2-2）式中，η为变压器的效率，总是小于1，小型变压器的

η

一般为0.8~0.9。输入电流为：（1-2-3）式中U1———变压器一次侧绕组电压（即外加电压）的有效值，V；1.1~1.2———考虑变压器空载励磁电流的经验系数。333.变压器铁芯截面积的计算及硅钢片尺寸的确定（1）铁芯截面积的计算小型单相变压器的铁芯结构多采用壳式，铁芯柱上放置绕组。铁芯尺寸如图所示。它的铁芯柱截面积

AFe与变压器输出容量

S2

的关系为：（1-2-4）式中，k

为经验系数，大小与

S2

有关，可参考下表。34经验系数k

参考值由下图可知，铁芯柱截面积为：

AFe=ab（1-2-5）式中a———铁芯柱宽，cm；b———铁芯净叠厚，cm。35变压器铁芯尺寸（2）硅钢片尺寸的确定下表列出了目前通用的小型变压器硅钢片的规格，可供查询。36小型变压器通用硅钢片尺寸mm（3）硅钢片材料的选用小型变压器通常采用0.35mm厚的硅钢片作为铁芯材料，硅钢片规格型号的选取不仅受材料磁感应强度

Bm

的制约，还与铁芯的结构形状有关。若变压器采用

E字形铁芯结构，硅钢片材料可选用：冷轧硅钢片

D310，Bm

取1.2~1.4T；热轧硅钢片（D41

、D42）、Bm

取1.0~1.2T；热轧硅钢片

D43，Bm

取1.1~1.2T。若变压器采用C字形铁芯或拼条式铁芯结构，则只能选用有趋向的冷轧硅钢片。374.计算每个绕组的匝数

N由变压器感应电动势

E

的计算公式（1-2-7）可得感应产生1V电动势的匝数计算公式，见式（1-2-8）。（1-2-7）（1-2-8）38根据使用的硅钢片材料选取

Bm

值，一般在

Bm

合理范围内取下限值。再确定铁芯柱截面积

AFe

及

N0，最后根据式（1-2-9）和（1-2-10）求各个绕组的匝数。一次绕组的匝数为：N1=U1N0（1-2-9）二次绕组的匝数为：N2

=1.05U2

N0N3=1.05U3N0（1-2-10）Nn=1.05UnN0395.计算每个绕组的导线直径并选择导线导线截面积As为：（1-2-11）式中，j为电流密度，一般取2~3A/mm2；当变压器短时工作时，电流密度可取4~5A/mm2。再以计算出的

As

为依据，查下表选取相同或相近截面积的导线，确定导线直径ϕ

和导线带漆膜后的外径

ϕ′。4041

常用圆铜漆包线规格42

常用圆铜漆包线规格43

常用圆铜漆包线规格6.核算铁芯窗口的面积（1）根据铁芯窗高

h

计算每层匝数

Ni

为：（1-2-12）式中，系数0.9为考虑绕组框架两端各空出5%不绕导线而进行的调整，而（2~4）为考虑绕组框架厚度而留出的空间。（2）每个绕组需绕制的层数

mi

为：（1-2-13）（3）计算层间绝缘及每个绕组的厚度。44二、小型变压器的重绕修理1.变压器的拆卸变压器拆卸前及拆卸过程中，必须记录铭牌数据和绕组数据，作为制作木质芯子及骨架、选用导线、绕制绕组和装配铁芯等的依据。记录铭牌数据主要是记录变压器的型号，容量，一、二次电压和绝缘等级等原始数据。记录绕组数据主要是记录变压器绕组导线的规格、匝数、绕组尺寸、绕组引出线规格和长度、绕组的质量等原始数据。45单相变压器的拆卸步骤见下表

。46单相变压器的拆卸47单相变压器的拆卸48单相变压器的拆卸2.重绕匝数的核算（1）测量原铁芯截面。先测量原铁芯净叠厚及铁芯柱宽，再考虑硅钢片绝缘层和片间隙的叠压系数，小型变压器一般取0.9。（2）获取原铁芯的磁感应强度

Bm

。（3）进行重绕匝数的核算。493.变压器的重绕（1）绕组的制作制作绕组的具体步骤见下表。50绕组的制作51绕组的制作52绕组的制作53绕组的制作54绕组的制作55绕组的制作56绕组的制作57绕组的制作（2）硅钢片的安装硅钢片的安装步骤见下表。58

硅钢片的安装59

硅钢片的安装4.变压器的测试变压器测试的目的是检验制作的变压器的电气性能是否达到了要求，具体的测试步骤见下表。60变压器的测试61变压器的测试62变压器的测试5.变压器的绝缘处理制作的变压器经测试合格后，需要对其进行绝缘处理，具体步骤见下表。63变压器的绝缘处理64变压器的绝缘处理任务3小型变压器的检测与维护65学习目标1.掌握变压器同名端、异名端的概念以及极性的判别方法。2.了解变压器的外特性。3.了解变压器的损耗类型，理解变压器的效率特性。4.熟悉小型变压器的常见故障及原因。5.能正确完成变压器同名端的判别、变压器空载试验和短路试验。66任务引入无论是新制作的，还是经过维修的变压器，为保证它的性能指标符合使用条件，必须按照相应的标准对其进行检测，检测合格后方可使用。检测的内容主要有：铁芯材料、装配工艺质量是否达标；绕组的匝数是否正确、匝间有无短路；铁损耗、铜损耗是否符合设计要求；变压器运行性能是否良好等。本任务以单相变压器为例，通过试验的形式测定变压器的运行性能和相关参数，并对其进行维护。67一、变压器绕组的极性变压器绕组的极性是指变压器一次、二次绕组在同一磁通作用下所产生的感应电动势之间的相位关系，通常用同名端来标记。如图所示，铁芯上绕制的所有线圈中都穿过同一个交变的主磁通，在任意某个瞬间，电动势都处于相同极性（如正极性）的线圈端称为同名端；而不是相同极性的两端称为异名端。68相关知识绕组的极性二、变压器同名端的判别方法1.直流法（电池—毫安表法）用直流法测定变压器绕组极性的原理图如图所示，具体的方法步骤如下：69直流法测定变压器绕组极性原理图（1）设定线端。假定一次绕组1U1、1U2端与二次绕组2U1、2U2端，并做好标记，如图所示。70设定线端（2）连接线路。按照图所示的原理图，将电池的“-”

极接至一次侧1U2，而“+”

极与开关SA串联后接到一次侧的1U1，在二次绕组间接入一个直流毫安表（或万用表选至直流毫安挡），毫安表的“+”

端子（或红表笔）与变压器二次侧绕组2U1相接，表的“-”

端子（或黑表笔）与变压器二次侧绕组2U2相接，接线实物图如图所示。71直流法测定变压器绕组极性接线实物图直流法测定变压器绕组极性原理图（3）测定判断。合上开关SA的瞬间，变压器铁芯充磁，根据电磁感应定律，变压器两绕组中有感应电动势产生，若直流毫安表（或万用表）的指针向零刻度的正方向（右方）偏转，则被测变压器1U1与2U1、1U2与2U2是同名端。若指针向零刻度的负方向（左方）偏转，则被测变压器1U1与2U2、1U2与2U1是同名端。722.交流法用交流法测量变压器绕组的极性时，一般将变压器的一次绕组尾端1U2和二次绕组尾端2U2用导线连接起来，然后在变压器一次绕组首、尾端