电工技术-第六章

第6章变压器67386.6三相变压器6.7自耦变压器和仪用互感器6.8电磁铁返回上一页6.1变压器的分类与基本结构6.1.1变压器的分类变压器有多种分类方法。按用途分,有电力变压器、调压变压器、仪用互感器等。按相数分有单相变压器、三相变压器。按绕组数目分有双绕组变压器、三绕组变压器。按铁心结构分有壳式变压器、心式变压器。其他分类方法可参见别的书籍。图6-1是一台三相油浸式电力变压器的外形。其结构主要分为铁心、绕组、绝缘结构和油箱等几大部分。下一页返回6.1变压器的分类与基本结构6.1.2变压器的基本结构各种变压器,尽管用途不同,但基本结构都相同,其主体都由铁心和绕组两大部分组成。铁心和绕组合称为变压器的器身。(1)铁心铁心是变压器的磁路部分,又作为绕组的支撑骨架。铁心由铁心柱(外面套绕组的部分)和铁轭(连接两个铁心柱的部分)组成。铁心的基本结构有心式和壳式两种,如图6-2所示。上一页下一页返回6.1变压器的分类与基本结构心式结构的特点是绕组包围着铁心,如图6-2a所示。这种结构比较简单,绕组的装配及绝缘也比较容易,适用于容量大而电压高的变压器,国产电力变压器均采用心式结构。壳式结构的特点是铁心包围着绕组,如图6-2b所示。这种结构的机械强度较好,但外层绕组的铜线用量较多,制造工艺又复杂,一般很少使用。为提高铁心的导磁性能,变压器多采用硅钢材料制成;为减小铁心的磁滞损耗,应选用磁滞回线狭小的硅钢材料;为减小铁心的涡流损耗,铁心多采用厚度为0.35mm,表面涂有绝缘漆的硅钢片叠装而成。同时,为了减小叠片接缝处的间隙,铁心的叠装采用交叠式,即把铁心柱和铁轭的硅钢片一层层地交错重叠,如图6-3所示。上一页下一页返回6.1变压器的分类与基本结构(2)绕组(或线圈)绕组是变压器的电路部分,一般用绝缘铜线绕制而成,近年来还有用铝箔绕制而成的,为了使绕组便于制造和在电磁力作用下受力均匀以及机械性能良好,一般电力变压器都把绕组绕制成圆形,套装在同一铁心柱上。高、低压绕组在铁心柱上的排列方式有同心式和交叠式两种类型。同心式绕组是将高、低压绕组套在同一铁心柱上,如图6-4所示。为了便于绕组与铁心之间的绝缘,通常低压绕组套在内层,高压绕组套在外层。在高、低压绕组之间及绕组与铁心之间都加有绝缘。同心式绕组具有结构简单、制造方便的特点,国产电力变压器多采用这种结构。上一页下一页返回6.1变压器的分类与基本结构交叠式绕组又称为饼式绕组,它是将高、低压绕组分成若干个线饼,沿着铁心柱的高度方向交替排列。为了便于绝缘,一般靠近铁轭的最上层和最下层放置低压绕组,如图6-5所示。交叠式绕组的主要优点是机械强度好、引线方便,但绝缘比较复杂。这种绕组只适于壳式大型变压器中,如大型电炉变压器就采用这种结构。另外,除了铁心和绕组,变压器还有绝缘结构和冷却系统等,以保证变压器的安全、稳定运行。上一页返回6.2磁场的基本物理量和磁性材料6.2.1磁场的基本物理量变压器既有磁路问题,又有电路问题。所谓磁路问题,即是局限于一定路径内的磁场问题。表征磁场的基本物理量一般有以下几个。(1)磁感应强度B磁感应强度B是指单位正电荷以单位速度运动时,在磁场中某点所受到的磁场力。它是一个矢量,单位是韦伯/平方米(Wb/m2),通常称特斯拉(T)。电流产生的磁场和该电流之间的方向关系,可用右手螺旋定则判定,如图6-6所示。下一页返回6.2磁场的基本物理量和磁性材料(2)磁通Ф磁感应强度B对面积S的积分即为穿过此面积的磁通量,简称磁通。用公式表示如下:磁通的单位是伏·秒(V·s),通常称为韦[伯](Wb)。若为均匀磁场(即磁场内各点的磁感应强度大小、方向均相同的磁场),则上一页下一页返回6.2磁场的基本物理量和磁性材料所以,磁感应强度B又称磁通密度,所谓磁通密度即是单位面积内垂直通过的磁通量。这是从另一个角度对磁感应强度B进行定义。(3)磁场强度H磁场强度H是表征某点的磁场强弱和方向的物理量,也是矢量,单位是安[培]/米。磁场强度H是由磁感应强度B导出的一个物理量,其方向和B的方向相同,但磁场强度H的大小与其所处的媒质有关。通过磁场强度H,可把磁场和电流之间的关系联系起来,这即是安培环路定律,用公式表示如下:上一页下一页返回6.2磁场的基本物理量和磁性材料上式的意义是:磁场强度H对某闭合环路的积分即是该闭合环路l所围电流的代数和。电流的正、负是由右手螺旋关系来确定的。若电流方向和环路l符合右螺旋关系,则电流为正值,相反则为负值。以图6-7所示的磁路为例,根据安培环路定律,可得出Hl=NI上式中,线圈的匝数与电流的乘积NI称为磁通势(简称磁势),单位为A。磁通就是由磁势产生的,且随磁势的变化而变化。(4)磁导率μ磁导率μ是用来衡量物质的导磁能力的物理量。在各向同性的均匀线性媒质中,有B=μH上一页下一页返回6.2磁场的基本物理量和磁性材料由上式可导出磁导率的单位为欧·秒(Ω·s),通常称亨[利]“/米(H/m)”。由实验可测出真空中的磁导率为为了计算方便,其他物质的磁导率μ则用其和μ0的比值,即相对磁导率μr

来表示。即上一页下一页返回6.2磁场的基本物理量和磁性材料6.2.2磁性材料的磁性能磁性材料主要是指铁、钴、镍及其合金等,它们具有下列磁性能。(1)高导磁性非磁性材料的磁导率很小,和真空磁导率相差不大。而磁性材料的磁导率很高,其相对磁导率μr≫1,可达几百、几千甚至几万。例如,铸铁的μr可达200,而硅钢的μr

则可达8000之多。正是由于高导磁性,在具有铁心的线圈中通入不大的励磁电流,便可产生足够大的磁通和磁感应强度,这就解决了电机当中既要磁通大,又要励磁电流小的矛盾。上一页下一页返回6.2磁场的基本物理量和磁性材料(2)磁饱和性把磁性材料放入磁场中,会受到强烈的磁化。设磁场强度为H,则磁化曲线(B-H曲线)如图6-8所示。起初,B与H接近成正比地增加。但随着H的增加,B的增加缓慢下来,最后趋于磁饱和。(3)磁滞性当套在铁心上的线圈通有交变电流时,铁心将受到交变磁化。在电流交变一周的过程中,磁感应强度B随磁场强度H变化的关系如图6-9所示。由图6-9可见,当磁场强度H减小到零值时,磁感应强度B并未回到零值。我们把B的变化滞后于H的变化的这种性质称为磁性材料的磁滞性。图6-9所示的曲线称为磁滞回线。磁性材料不同,其磁滞回线也不同。上一页返回6.3变压器的基本工作原理本节分析的是单相变压器,但其结论完全适用于三相变压器对称运行时每一相的情况。为便于分析,把高压绕组和低压绕组分别画在铁心的两边,如图6-10所示。与电源相连的一边称为一次绕组,与负载相连的一边称为二次绕组。6.3.1变压器空载运行当变压器的一次绕组加有电压,而二次绕组开路时,称为变压器的空载运行,图6-10是变压器的空载运行示意图。设一某时刻加在一次侧的正弦交流电压u1

的方向如图6-10所示,此时二次侧无负载,即i2=0,则一次侧中的电流i1很小,一般约为额定电流的3%~8%,令i1=i0,称i0为空载电流。下一页返回6.3变压器的基本工作原理由于铁心具有很强的导磁能力,虽然i0

很小,也能产生很强的磁场。而铁心外是非磁性物质,磁阻很大。因此,一次绕组产生的磁通绝大部分通过铁心而闭合,这部分磁通称为主磁通,用Φ来表示。少数磁力线经过一次绕组附近的空气而闭合,这小部分磁通称为漏磁通,用Φδ表示。一、二次绕组之间通过磁场耦合起来。磁通的大小一般用幅值或瞬时值表示,而不用有效值。漏磁通Φδ

的幅值一般为主磁通Φ的0.2%以下。设图6-10中所标的各参数方向为正方向。根据电磁感应定律,Φ和Φδ

变化时,有上一页下一页返回6.3变压器的基本工作原理感应电动势与磁通之间的方向符合右螺旋关系。实际上,一次绕组的电流越大、匝数越多,产生的磁通就越强。一般地,磁通的强弱正比于绕组电流与匝数的乘积。因此,可以认为主磁通Φ与漏磁通Φδ

是由i0N1

产生的,把原绕组电流i0与匝数N1

的乘积i0N1

称为一次绕组的磁势。由以上分析的变压器空载运行时的物理过程,其电磁关系可表示如下:上一页下一页返回6.3变压器的基本工作原理6.3.2变压器有载运行变压器有载运行示意图如图6-11所示。此时i2≠0,变压器向负载输送电能。其电磁关系是:一次电流i1

产生磁势i1N1,二次电流i2

产生磁势i2N2。所以,变压器有载运行时,其主磁通Φ是由磁势i1N1

和i2N2

共同作用产生的。同时,一次绕组和二次绕组都有漏磁通产生,分别为Φδ1和Φδ2。主磁通Φ在一次绕组中感应电动势e1,漏磁通Φδ1在一次绕组中感应电动势eδ1,Φδ2在二次绕组中感应电动势eδ2。电磁关系可用如下示意图表示:上一页下一页返回6.3变压器的基本工作原理6.3.3变压器的额定容量变压器的额定电压与额定电流的乘积称为变压器的额定容量,也称额定视在功率,用SN表示,其单位为VA或kVA。在额定运行(即二次侧带额定负载)情况下,变压器的损耗可忽略不计。则有上一页返回6.4变压器的损耗与效率变压器的损耗可分为铜损和铁损两部分。1.铜损变压器一、二次绕组电阻r上的损耗称为铜损,用ΔPCu表示。其计算式为一般情况下,铜损又称为短路损耗。这是因为在额定电流下短路时,所需外加电压很小,故铁心中主磁通很小,铁损可略去不计,此时损耗主要为铜损。铜损ΔPCu随电流变化而变化。下一页返回6.4变压器的损耗与效率2.铁损铁损是变压器空载时从电网吸取的有功功率,故又称为空载损耗,用ΔPFe表示。铁损主要包含磁滞损耗ΔPh

和涡流损耗ΔPe

两部分。即3.变压器的效率变压器的效率常用下式确定:上一页返回6.5变压器的极性与连接由于变压器铁心内的磁通是有方向性的,那么,对某一瞬间来说,一次绕组和二次绕组是有极性的。所以,在绕制和连接变压器绕组时,应找到其同极性端。所谓同极性端,是指变压器运行过程中同为高电压(或同为低电压)的一端,有些书上又称为同名端。在图中一般用“·”表示同极性端。(1)变压器绕组的极性判别已经制成的变压器或其他有绕组的电气设备,从外观上无法辨认绕组的绕向。针对这种情况,可采用试验的方法进行测定。一般来说,单相变压器采用直流法测定较简便,三相变压器可采用交流法测定。下面先介绍直流测极性法,如图6-15所示。下一页返回6.5变压器的极性与连接图6-15中,1-2是一个绕组,3-4是一个绕组。在开关S闭合瞬间,若毫安表的指针正偏,则1、3为同极性端;若指针反偏,则1、4为同极性端。上面的判别过程的原理是:当开关S闭合瞬间,加电源的绕组中出现电流i1,i1

产生的磁通在两个绕组中产生感应电动势e1

和e2。其中,e1

阻碍电流i1

的增长,其实际方向如图6-15所示。e2

的实际方向可根据电流表的指针偏转方向确定,若指针正偏,说明e2

的实际方向如图6-15所示,从而得出1、3为同极性端的结论。上一页下一页返回6.5变压器的极性与连接(2)变压器绕组的连接绕组的极性确定之后,即可根据实际需要将绕组连接起来。绕组串联可增大电压,绕组并联可增大电流。但应注意,一般只有额定电流相同的绕组才能串联,额定电压相同的绕组才能并联。图6-16a是一台变压器,有两个相同的一次绕组1-2和3-4,其同极性端标于图中。每个绕组的电压均为110V。若两个绕组串联,即图6-16b中2、3连接,则1、4端可接220V的电源;若两个绕组并联,即图6-16c中的1、3并联,2、4并联,则从两并联端可接110V电源。上一页下一页返回6.5变压器的极性与连接若将某一个绕组接反,则两个绕组中产生的磁通将互相抵消,使铁心内的总磁通为零,绕组的感应电动势之和也将为零,而绕组中流过的电流将很大,将把变压器烧毁。另外,绕组的绕向也很重要。同一个绕组,绕向不同,极性将不同。图6-17为某变压器的一次侧,有两个相同的绕组。图6-17a中的绕向使1、3为同极性端,而图6-17b中的绕向与图6-17a相反,使得1、4为同极性端。所以在判别极性时,若知道绕组的绕向,则其极性就不难确定了。上一页返回6.6三相变压器6.6.1三相变压器的磁路系统根据铁心结构,三相变压器可分为两类:三相组式变压器和三相心式变压器。在三相制电力系统中,可采用3台相同的单相变压器组成三相组式变压器,其磁路如图6-18所示。三相组式变压器的各相磁路系统彼此无关。若将3台单相变压器的铁心按图6-19a的方式靠在一起,做成一个整体,就得到一台三相心式变压器。三相心式变压器的各相磁通都以中间那条铁心柱构成回路。下一页返回6.6三相变压器那么,若外加的三相电压对称,则在三相心式变压器铁心中产生的三相主磁通也对称。若A、B、C三相产生的主磁通分别用Φ·A、Φ·B、Φ·C表示,则其和为即中间铁心柱的磁通为零,所以可将该铁心柱去掉。而且,为方便制造,可将三相的三个铁心柱放在同一平面上,这就得到常用的三相心式变压器,如图6-19b所示。三相磁路互为通路。上一页下一页返回6.6三相变压器6.6.2三相变压器的绕组与连接三相变压器的绕组有多种连接方法。我国生产的三相电力变压器常用Y/Y0、Y/△、Y0/△联结。其中,斜线前的符号表示高压绕组的联结法,斜线后的符号表示低压绕组的联结法。Y表示星形联结,Y0表示星形联结且中性点接地,△表示三角形联结。在标准接法中,高压侧一般用Y或Y0

联结,而低压侧Y、Y0、△联结均可用。上一页下一页返回6.6三相变压器6.6.3三相变压器的容量和单相变压器一样,在额定运行情况下,三相变压器的损耗可忽略,其容量用下式计算:在功率因数cosφ≠1的情况下,额定容量与输出功率不同。若用相电压和相电流计算三相变压器的额定容量SN,则上一页返回6.7自耦变压器和仪用互感器6.7.1自耦变压器自耦变压器即为一、二次侧共用一部分绕组的变压器,其电路原理如图6-22所示。自耦变压器也有升压和降压之分。图6-22是一降压自耦变压器,其分析方法同前已述及的单相变压器。那么,利用前面的分析方法,可得自耦变压器的电压、电流变换关系分别如下两式:下一页返回6.7自耦变压器和仪用互感器自耦变压器的功率传递关系,也和单相变压器的分析一样,其损耗可忽略。不同的是,自耦变压器传送到二次侧的功率可以分为两部分,一部分是经过电磁耦合关系传递的,另一部分则是通过直接联系的电路部分传递的。那么,自耦变压器的额定容量与单相或三相变压器不同。自耦变压器的额定容量在此指的是其一次侧输入的能量,而通过电磁感应传递到二次侧的能量则称为计算容量(或绕组容量)。额定容量与绕组容量之差即为通过电路传递的能量。若把自耦变压器做成可调的,即把图6-22中二次侧的抽头做成可滑动的,那么只要滑动此抽头,就可改变二次侧绕组的匝数N2,以此改变电压比k,从而使二次电压U2

可调。有此功能的自耦变压器称为调压器。上一页下一页返回6.7自耦变压器和仪用互感器从以上分析可见,与普通变压器相比,自耦变压器有用料省、造价低、效率高、体积小、重量轻等优点。缺点是一、二次侧之间除了有磁耦合关系外,还有电的联系,这就使得一次侧电源的干扰或波动会直接传到二次侧,影响负载。因此,使用自耦变压器时必须采取措施来防范这种情况。6.7.2互感器互感器实际上就是一台变压器,但在结构上又和电力变压器有所区别。利用互感器可把高电压、大电流变换成小电压、小电流,以方便测量或继电器动作。上一页下一页返回6.7自耦变压器和仪用互感器按使用的系统不同,互感器可分为交流互感器和直流互感器。这里只介绍交流互感器。交流互感器通常称为仪用互感器。按用途可把交流互感器分为交流电流互感器和交流电压