电工项目基础 15

项目6单相变压器的使用与测试主讲：《维修电工考级项目训练教程》（第三版）电机安装维修变压器测试低压电器电力拖动项目六单相变压器的使用与测试01单向变压器的通用测试02单向变压器同名端的判定项目描述在工农业生产、科技领域和日常生活中都要将380V/220V的交流电压降压后使用，如电子仪器、设备中的整流电源，各类充电电池的充电电源，各类设备的控制电源、照明、信号指示电源等。这就必须用单相变压器改变交流电压。变压器是如何改变交流电压的？如何正确使用变压器？变压器的结构怎样？如何进行检修？通过本项目的学习，掌握变压器的基本工作原理与结构，会测量变压器的直流电阻、绝缘电阻，会判定变压器质量的好坏，会正确使用变压器。学习目标1.了解变压器的基本工作原理及分类。2.掌握单相变压器的基本结构。3.理解变压器的运行原理与工作特点。4.具有常用变压器的应用知识。5.学习判断变压器的极性、接线方法及实际应用。6.学习变压器主要技术数据的测定方法。7.学习单相变压器的拆装、检修及试验。实训操作1.单相变压器绕组直流电阻的测定单相变压器一次、二次绕组均由铜导线绕制而成，因此存在一定的直流电阻。测量变压器绕组的直流电阻可以确定哪一组绕组为高压侧，哪一组绕组为低压侧，同时也可初步判定变压器绕组的好坏（有无开路或短路故障）。操作方法：将万用表旋钮置于R×1挡，分别测量变压器一次绕组及二次绕组的直流电阻值R1，及R2，并记录如下：R1=

ΩR2=

Ω一、单向变压器的通用测试2.变压器绕组绝缘电阻的测定变压器绕组绝缘电阻的测定可用来判定变压器的绝缘性能，从而判定变压器质量的好坏。变压器绝缘电阳的测定用兆欧表进行，对电压为380V（或220V）的变压器，用500V兆欧表进行测量，测得的绝缘电阻阻值均不能低于0.5MΩ。操作方法：（1）在测量前首先应检查兆欧表的好坏，办法是先将兆欧表的L端和E端开路，手摇兆欧表手柄，兆欧表指针应逐步指向∞，再将L和E两端短接，用手轻轻摇动兆欧表手柄，指针立即指零，说明该兆欧表良好。一、单向变压器的通用测试（2）将兆欧表L接线柱上的接线接变压器一次绕组的一端，兆欧表E接线柱上的接线接铁心（应清除铁心上的绝缘部分），匀速摇动兆欧表手柄，使转速在120r/min左右，摇动1min后读取变压器一次绕组与铁心间的绝缘电阻值，将数据记录于表4-1中。同样测量变压器二次绕组与铁心间的绝缘电阻值及一次、二次绕组间的绝缘电阻值分别记录于表4-1中。一、单向变压器的通用测试3.变压器电压比的测定——空载运行将单相变压器的低压侧u1、u2作为一次绕组接电源，高压侧U1、U2作为二次绕组，空载，如图4-1所示。（1）按图4-1进行接线，220V交流电压经自藕调压器工加到被试单相变压器低压侧，将调压器手柄置零位。一、单向变压器的通用测试（2）合上电源开关SA，使变压器空载运行，旋动调压器手柄，使加在单相变压器低压侧的电压为额定电压220V，分别测量一次电压U1和对应的U1、U2两端的电压U2（用万用表电压挡测），电流表读数和功率表读数，记录于表4-2中，算出电压比K，空载功率P。一、单向变压器的通用测试4.变压器电流比的测定——负载运行按图4-2接线，合上电源开关SA1，断开开关SA2，使变压器空载运行，旋动调压器手柄，使加在单相变压器低压侧的电压分别为额定电压220V，合上开关SA2，使变压器负载运行，測量U1、U2、I1、I2，记录于表4-3，并求变比K。一、单向变压器的通用测试单相变压器同名端的判定对于一台已经制成的变压器，无法从外部观察其绕组的绕向，因此无法辦认其同名端，此时可用实验的方法进行测定，测定的方法有交流法和直流法两种。1.交流法如图4-3所示，将一次、二次绕组各取一个接线端连接在一起，如图中的2（即U2）和4（即u2），并在一个绕组上（图中为N1绕组）加一个较低的交流电压u12，再用交流电压表分别测量U12、U13、U34各值，若测量结果为U13=U12-U34，则说明N1、N12，绕组为反极性串联，故1和3为同名端。若U13=U12+U34，则1和4为同名端。二、单向变压器同名端的判定2.直流法用1.5V或3V的直流电源，按图4-4所示连接，直流电源接在高压绕组U1、U2两端，而直流亳伏表接在低压绕组两端。当开关S合上的一瞬间，如亳伏表指针向正方向摆动，则接直流电源正极的端子与接直流亳伏表正极的端子为同名端。二、单向变压器同名端的判定2.直流法操作方法：本实训用交流法进行测定，最后可用直流法进行复核。（1）按图4-5连接电路，将自耩调压器的旋转手柄置于“0”位，然后合上电源开关SA，接通电源。二、单向变压器同名端的判定（2）转动调压器手柄，在单相变压器一次绕组上加几十伏的交流电压u12，再用交流电压表分别测量U12、U13、U34各值。如果测量结果为：U13=U12一U34，则说明N1、N2，绕组为反极性串联，故1和3为同名端。如果U13=U12+U34，则1和4为同名端。将电压U12、U13、U34的测量值记录于表4-4中，并据此判定同名端。二、单向变压器同名端的判定变压器是一种常见的静止电气设备，它利用电磁感应原理，将某一数值的交变电压变换为同频率的另一数值的交变电压。变压器不仅用于电力系统中电能的传输、分配，而且广泛用于电气控制、电子技术、测试技术及焊接技术等领域。相关知识变压器的基本工作原理及结构一、变压器的基本工作原理图4-6所示为单相变压器原理图。变压器的主要部件是铁心和绕组。两个互相绝缘且匝数不同的绕组分别套装在铁心上，两绕组间只有磁的耦合而没有电的联系，其中接电源u₁的绕组称为一次绕组（俗称原绕组、初级绕组），用于接负载的绕组称为二次绕组（俗称副绕组、次级绕组）。一次绕组加上交流电压u₁后，绕组中便有电流i₁通过，在铁心中产生与u₁同频率的交变磁通更，根据电磁感应原理，将分别在两个绕组中感应出电动势：式中，负号表示感应电动势总是阻碍磁通的变化。若把负载接在二次绕组上，则在电动势ez的作用下，有电流iz流过负载，实现了电能的传递。由上式可知，一次、二次绕组感应电动势的大小（近似于各自的电压u₁及u₂）与绕组匝数成正比，故只要改变一次、二次绕组的匝数，就可达到改变电压的目的，这就是变压器的基本工作原理。变压器的分类1、按用途分类电力变压器：用作电能的输送与分配。变压器的分类1、按用途分类特种变压器：用于特殊场合的变压器。焊接变压器电炉变压器控制变压器电流互感器电压互感器变压器的分类2、按相数分类按相数可分为：单相变压器、单相变压器三相变压器六相双反星形变压器三相变压器、多相变压器、变压器的分类3、按冷却方式分类按冷却方式可分为：油浸式变压器、油浸式变压器干式变压器干式变压器、变压器的分类4、按铁心分类按铁心形式可分为：壳式与心式变压器心式变压器铁心柱铁心柱铁轭铁轭11112222低压绕组高压绕组心式变压器结构壳式变压器铁铁铁心轭柱轭11224、按铁心分类铁心柱铁心柱铁轭铁轭11112222低压绕组高压绕组心式变压器结构单相变压器的结构铁心构成变压器的磁路，并作为变压器的机械骨架。壳式变压器芯心式变压器铁心单相变压器铁心铁心由铁心柱和铁轭组成。铁心柱铁轭铁心有叠片式和卷制式两种。叠片式卷制式对铁心的要求是导磁性能要好，磁滞损耗及涡流损耗在尽量小。采用0.3～0.35mm硅钢片制成。单相变压器的结构接在单相交流电源上，用来改变单相交流电压的变压器称为单变压器。壳式变压器心式变压器C形变压器单相变压器的结构单相变压器铁心心式变压器的铁芯被绕组所包围，它的用铁量比较少，多用于大容量的变压器，如电力变压器。壳式变压器的绕组被铁芯锁包围，它的用铁量比较多，但不需要专门的变压器外壳，常用于小容量的变压器，如各种电子设备和仪器中的变压器单相变压器的结构单相变压器的结构变压器的线圈也称为绕组，是变压器的电路部分，小变压器一般用圆铜线而成，容量稍大的变压器用扁铜线绕制。单相变压器线圈变压器的运行原理一、变压器的空载运行——电压变换变压器一次绕组接在额定频率和额定电压的电网上，而二次绕组开路，即I₂=0的工作方式称变压器的空载运行，如图4-11（a）所示。变压器的运行原理变压器空载运行Фi0~u1N1N2空载时，在外加交流电压u1作用下，一次绕组中通过的电流称为空载电流i0。在电流i0的作用下，铁心中产生交变磁通Ф（称为主磁通），

e1e2变压器空载运行φi0~u1N1N2通过数学分析可得感应电动势和磁通的关系有：e1e2在相位上，e滞后于φ90º；变压器空载运行φi0~u1N1N2通过数学分析可得感应电动势和磁通的关系有：e1e2在相位上，e滞后于φ90º；在数值上，有效值为

因此，

变压器空载运行φi0~u1N1N2e1e2

空载时，

所以，变电压原理变压器空载运行φi0~u1N1N2e1e2从公式

F=N1i0

变压器负载运行φi1~u1N1N2e1e2变压器一次绕组接额定电压，二次绕组与负载相连的运行状态称为变压器的负载运行。i2u2

变压器负载运行变压器的工作效率高，近似认为，变压器的输入功率与输出功率相等。

变压器一次、二次绕组中的电流与一次、二次绕组的匝数成反比，即变压器具有变换电流的作用，且电流的大小与匝数成反比。变电流原理变压器负载运行i1u1N1N2i2u2

变阻抗原理

变压器负载运行N1N2

变阻抗原理相当于直接接在一次绕组上的等效阻抗

通常把K>1（即U1>U2）的变压器称为降压变压器；K<1（即U1<U2）的变压器称升压变压器。变压器的运行特性变压器的运行特性要正确、合理地使用变压器，必须了解变压器在运行时的性能特性和运行指标其中最主要的是它的外特性和效率，1.变压器的外特性及电压变化率变压器在运行时，其二次电流I2将随负载的变化而不断的发生变化。而从保证供电的质量出发，又希望在输出电流I2变化时，变压器的输出电压U2尽量保持不变。通常用变压器的外特性来描述输出电压U2随负载电流I2的变化而变化的情况。当一次电压U1和负载的功率因数cos

一定时，二次电压U2与负载电流I2的关系，称为变压器的外特性。它可以通过实验求得。功率因数不同时的几条外特性绘于图4-13中，可以看出，当cos

=1时，U2随I2的增加而下降得并不多；当cos

降低时，即在感性负载时，U2随I2增加而下降的程度加大，这是因为滞后的无功电流对三相电力变压器磁路中的主磁通的去磁作用更为显著，而使E1和E2有所下降的缘故；但当cos

>0时，即在容性负载时，超前的无功电流有助磁作用，主磁通会有所增加E1和E2亦相应加大，使得U2会随I2的增加而提高。以上叙述表明，负载的功率因数对变压器外特性的影响是很大的。在图4-13中，纵坐标用U2/U2N之值表示。变压器的运行特性而横坐标用I2/I2N之值表示，这样做是为了适用于不同容量和不同电压的三相电力变压器。一般情况下，变压器的负载大多数是感性负载，因而当负载电流I2增加时，输出电压2总是下降的，其下降的程度常用电压变化率来描述。当变压器从空载到额定负载（I2/=I2N）行时，二次电压的变化值∆U与空载电压（额定电压）U2N之比的百分值称为变压器的电压变化率，用∆U%来表示：式中，U2N为变压器空载时的二次电围（称为额定电压）U2为变用器输出额定电流时的二次电压。电压变化率反映了供电电压的稳定性，是变压器的一个重要性能指标。∆U%越小，说明变压器的二次电压越稳定，因此·变压器的∆U%越小越好，常用的三相电力变压器从全载到满载，电压变化率约为3%～5%。变压器的运行特性例4-3：某台供电电力变压器将U1N=10000V的高压降压后对负载供电，要求该电力变压器在额定负载下的输出电压为U2=380V，该电力变压器的电压变化率∆U%=5%，求该电力变压器二次绕组的额定电压U2、及变比K。解：由式（4-11）可得电力变压器铭牌为什么给额定线电压为380V的负载供电时，要相电力变用器工次绕组的额定电压不是380V，而是400V。变压器的运行特性2.变压器的损耗及效率变压器在传输电能的过程中，不可避免地要产生损耗，变压器从电源输入的有功功率P1，和向负载输出的有功功率P2可分别用下式计算两者之差为变压器的损耗∆P，它包括铜损耗PCU和铁损耗PFe。两部分，即变压器的运行特性铜损耗指电流在一次和二次绕组上的发热损耗，铁损耗指交变磁通在铁心中的磁滞及涡流损耗。变压器的输出功率P2与输入功率P1之比称为变压器的效率

，即由于变压器没有旋转部件，不像电机那样有机械损耗存在，因此变压器的效率一般都比较高。特别是在三相电力变压器帘，我国大力推广高效节能低耗损三相电力变压器，中、小型的效率在95%以上，大型三相电力变压器效率可达99%以上。理论分析及实践均证明，当变器的铜损耗PCU和铁损耗PFe相等时，变压器的效率最高。我国目前大量生产的高效节能低耗损三相电力变压器S9、S11、S13系列最高效率均出现在负载为该衡压器额定负载的309%~50%时·也就是说，该类变压器工作在其额定负载的30%～50%最节能。变压器的运行特性常用变压器简介ー、自耦变压器1.自耦变压器结构特点及用途前面叙述的变压器，其一次、二次绕组是分开绕制的，它们虽装在同一铁心上，但相互之间是绝缘的，即一次、二次绕组之间只有磁的耦合，而没有电的直接联系。这种变压器称为双绕组变压器。如果把一次、二次绕组合二为一，使二次绕组成为一次绕组的一部分，这种只有一个绕组的变压器称为自耦变压器，如图4-14所示。可见，自耦变压器的一次、二次绕组之间除了有磁的耦合外，还有电的直接联系。自耦变压器的变压原理与普通变压器相同，即常用变压器简介由上面的分析可知，自耦变压器可节省铜和铁的消耗量，从而减小变压器的体积、重量，降低制造成本。在高压输电系统中，自耦变压器主要用来连接两个电压等级相近的电力网，作联络变压器之用。实训室常用具有滑动触点的自耦调压器获得可任意调节的交流电压。此外，自耦变压器还常用做异步电动机的启动补偿器，对电动机进行降压启动。自耦变压器的缺点在于：一次、二次绕组的电路直接连在一起，造成高压侧的电气故障会波及低压侧，这是很不安全的。常用变压器简介2.自耦调压器如果把自耦变压器的抽头做成滑动触点，就可构成输出电压可调的自耦变压器。为了使滑动接触可靠，这种自耦变压器的铁心做成圆环形，其上均匀分布绕组，滑动触点由碳刷构成，由于其输出电压可调，因此称为自耦调压器，如图4-15所示。因此，要求自耦变压器在使用时必须正确接线，且外壳必须接地，并规定安全照明变压器不允许采用自耦变压器结构形式。自耦变压器不仅用于降压，也可作为升压变压器。常用变压器简介自耦变压器的一次绕组匝数N1固定不变，并与电源相连，一次绕组的另一端点U2和滑动触点a之间的绕组N2就作为二次绕组。当滑动触点a移动时，输出电压U2随之改变，这种调压器的输出电压U2可低于一次电压U1，也可稍高于一次电压。如实训室中常用的单相调压器，一次电压U1=220V，二次电压U2=0~250V，在使用时要注意：一次、二次绕组的公共端U2或u2接中性线N，U1端接电源相线L（火线），ul端和u2端作为输出。常用变压器简介此外还必须注意自耦调压器在接电源之前，必须把手柄转到零位，使输出电压为零，以后再慢慢顺时针转动手柄，使输出电压逐步上升。以上介绍的是在单相交流电源上使用的单相自耦调压器，如果把三个单相自耦调压器叠合起来，通过一根轴（及手柄）集中控制，就构成可以在三相交流电源上使用、用于调节三相交流电压大小的三相自耦调压器，在实验室内中应用较多，如图4-16所示。常用变压器简介二、仪用互感器电工仪表中的交流电流表一般可直接用来测量20A以下的电流，交流电压表可直接用于测量450V以下的电压。而在实践中有时往往需测量几百安、几千安的大电流及几千伏几万伏的高电压，此时必须加接仪用互感器。仪用互感器是作为测量用的专用设备，分电流互感器和电压互感器两种，它们的工作原理与变压器相同。使用仪用互感器的目的有：一是为了测量人员的安全，使测量回路与高压电网相互隔离；二是扩大测量仪表（电流表及电压表）的测量范围。仪用互感器除用于交流电流及交流电压的测量外，还用于各种继电保护装置的测量系统，因此仪用互感器的应用很广，下面分别介绍。常用变压器简介1.电流互感器在电工测量中用来按比例变换交流电流的仪器称为电流互感器。电流互感器的基本结构形式及工作原理与单相变压器相似，它也有两个绕组：一次绕组串联在被测的交流电路中，流过的是被测电流I1它一般只有一匝或几匝，用粗导线绕制；二次绕组匝数较多与交流电流表或电能表）相接，如图4-17所示。图4-18所示为电流互感器外形图。常用变压器简介由变压器工作原理可得：Ki：称为电流互感器的额定电流比，标在电流互感器的铭牌上，只要读出接在电流互感器二次电流表的读数，则一次电路的待测电流就很容易从式中得到：常用变压器简介一般二次电流表用量程为5A的仪表。只要改变接入的电流互感器的变流比，就可测量大小不同的一次电流。在实际应用中，与电流互感器配套使用的电流表已换算成一次电流，其标度尺即按一次电流分度，这样可以直接读数，不必再进行换算。例如，按5A制造的但与额定电流比600A/5A的电流互感器配套使用的电流表，其标度尺即按600A分度。常用变压器简介使用电流互感器时必须注意以下事项：（1）电流互感器的二次绕组绝对不允许开路。因此在一次电路工作时如需检修或拆换电流表、电能表的电流线圈图，必须先将电流互感器的二次绕组短接（2）电流互感器的铁心及一次绕组一端必须可靠接地，如图4-17所示，以防止绝缘击穿后电力系统的高压危及工作人员及设备的安全。常用变压器简介利用互感器原理制造的便携式钳形电流表有指针式和数字式两种，如图4-19所示。其闭合铁心可以张开，将被测载流导线钳入铁心窗口中，被测导线相当于电流互感器的一次绕组：铁心上绕二次绕组，与测量仪表相连，可直接读出被测电流的数值。其优点是测量线路电流时不必断开电路，使用方便。目前生产的便携式钳形电流表不光有测量交流电流的功能，常常还具有万用表的某些功能，如还可用来测量交直流电压、电阻等，这样使测量更方便。常用变压器简介使用钳形电流表时应注意使被测导线处于窗口中央，否则会增加测量误差；不知电流大小时，应将选挡开美置于大量程上，以防损坏表头；如果被测电流过小，可将被测导线在钳口内多绕几圈，然后将读数除以所绕匝数；使用时还要注意安全，保持与带电部分的安全距离，如被测导线的电