電氣新手必知:變壓器原理(專業電氣學姐帶你學二十八)

2020-04-24 17:15 更新 肖菲 瀏覽:206人次 微信二維碼

談及變壓器,我想沒有哪位電工朋友是沒聽過的,而且大家對它或多或少應該都有一定的了解。變壓器是一種很常見的電氣設備,它的應該非常廣泛,不管是在電力系統或者的在電子電路中,它都是不可或缺的設備。


變壓器是基于電磁感應原理而制成的靜止式電機,它的用途主要是用于電壓變換、電流變換、阻抗變換、隔離、穩壓(磁飽和變壓器)等。在電力系統中有著很多不同的電壓等級,這些電壓等級之間的變換靠的就是電力變壓器,包括升壓變壓器和降壓變壓器。如下圖28-1所示,電力變壓器在電力系統電能的輸送與分配過程中起著中間媒介的作用。


28-1


變壓器電流變換方面的應用,大家較為熟悉的應該是電流互感器了。關于電流互感器,本文接下來也會講到。既然電壓、電流都能變換,根據U=IZ(Z為阻抗符號),顯然,阻抗也是可以變換的,例如電子電路中的阻抗匹配就是通過變壓器實現的。


變壓器的構造基本是大同小異,主要構件都有初級線圈、次級線圈和鐵芯(磁芯)三部分。而隨著電壓等級的升高,變壓器的體積也會隨之增大。下圖28-2為幾種變壓器的實物圖,從圖中我們可以看到,高低壓變壓器的大小差別特別明顯。另外,心式變壓器和殼式變壓器的區別如圖28-2右邊所示。


圖28-2


變壓器的分類除了高低壓上的區別外,還有很多種分類方式。例如按相數分可以分為單相、三相及多相變壓器;按用途分可以分為電力變壓器、儀用變壓器、特種變壓器等;按繞組形式分可以分為雙繞組、三繞組和變壓器等。上文說到,變壓器由鐵芯(或磁芯)和線圈組成,線圈有兩個或兩個以上的繞組,如圖28-3所示,其中接電源的繞組叫初級線圈(或者叫一次繞組等),其余的繞組叫次級線圈(或者叫二次繞組等)。關于變壓器的工作原理,其實就是一次繞組流過勵磁電流,勵磁電流產生的磁通沿鐵芯構成磁路,該磁通穿過二次繞組,然后使得二次繞組產生感應電動勢,若二次回路閉合,則會流過二次電流,通過一、二次繞組的匝數不同達到變壓的目的。而鐵心的作用是加強兩個線圈間的磁耦合。


▲圖28-3


變壓器是基于電磁感應原理的實際應用,如果大家是按《電工基礎》系列文章的順序學習的,那么變壓器的工作原理不用我講大家也已經懂了。


在《電工基礎》中,曹老師還講到了變壓器的空載運行和負載運行,但是沒有講得很詳細,這是理所當然的,《電工基礎》本就是基礎課程,如果大家想深入學習變壓器的知識,還是要看一些其他的專業課程。我再此就按曹老師的課程,給大家簡單講解一下變壓器的空載運行和負載運行。


28-4


變壓器的空載運行,是指變壓器的原邊繞組接入電源,而副邊繞組處于開路的工作狀態。此時,變壓器原邊繞組中流過的電流稱為變壓器的空載電流,空載電流產生空載磁場。如上圖28-4所示,一次繞組外加交流電壓,使得一次繞組流過一次電流(空載電流),此時一、二次繞組都會產生感應電動勢,即一次線圈產生的壓降為U1,二次線圈的端口電壓為U20。根據電磁感應定律e =-NΔφt,兩個繞組處在同一磁路,所穿過的磁通變化率相同,此時有一次線圈的感應電動勢與二次感應電動勢數值之比(或者一次電壓與二次電壓數值之比)等于兩個繞組的匝數之比,如圖28-4所示,即U1/U20=N1/N2=k,其中U20等于變壓器的二次額定電壓;k就是變壓器的變比。簡單來說就是,原副邊電壓之比等于原副邊匝數之比,等于常數k,這就是變壓器的變電壓作用。


變壓器的負載運行,是指變壓器的原邊繞組接入電源,而副邊繞組處于負載運行的工作狀態。理想情況下,此時變壓器一次側的輸入功率等于二次側的輸出功率,即P1=P2。如下圖28-5所示,其中Z1、Z2是原副邊的阻抗。阻抗,簡單來講就是電阻和電抗的矢量和,其中電抗又包括感抗和容抗,在變壓器中的電抗主要是感抗。


圖28-5


28-5中的阻抗Z1、Z2加絕對值符號是代表該阻抗的模。模指的是向量的大小,它和向量的區別在于,向量是有方向的,而模是沒有方向的。更多向量的知識,在這里也不做展開講解。


變壓器負載運行時,原邊線圈流過一次電流產生的磁通在副邊繞組中產生感應電動勢,由于二次回路是閉合帶負載的,此時副邊線圈就會流過負載電流,該負載電流又會產生磁通影響著一次線圈,原副邊線圈產生的磁通相互影響,然后趨于動態平衡狀態。理想情況下,原副邊線圈的電壓、電流和阻抗的關系如圖28-5所示,即變壓器可以進行電壓變換、電流變換以及阻抗變換。


實際工作中,變壓器的負載運行是存在損耗的,這在之前的文章也提到過,所以變壓器的電壓變換或電流變換不可能完全等于常數即變比k,它存在一定的誤差。變壓器二次端電壓隨著二次負載電流的變化而變化,是變壓器外特性的體現。


28-6


如圖28-6所示,一次側外加電壓保持不變,變壓器負載后,由于一、二次側均有電流通過,必然在一次側、二次側內阻抗上產生電壓降,從而使二次電壓隨負載電流的增加而變小。二次電壓與電流的關系曲線為U2=f(I2),稱為變壓器的外特性。


電力系統中,當變壓器過載或重載時,往往會造成二次電壓過低,此時就要采取措施對二次電壓進行調整。這里就要涉及到一個新的概念:變壓器的電壓調整率。


28-7


想要了解一臺設備,就必須要查看它的技術數據,變壓器的技術數據比較多,如下圖28-8所示是變壓器型號的簡單說明。我們主要是學習變壓器的額定值。一般變壓器的額定值在它的銘牌上均有給出。如圖28-7所示為變壓器電壓調整率的表達式,即空載電壓U20與變壓器熱平衡后的滿載電壓U2之差與空載電壓U20的百分比。


28-8


1、額定電壓:指在變壓器的線圈上所允許施加的電壓,這里的額定電壓指的是線電壓(即相與相之間的電壓),變壓器在工作時不得大于規定值。(1)一次額定電壓U1N:指正常時一次繞組所加電壓的有效值;(2)二次額定電壓U1N:指一次電壓為U1N時,變壓器空載時對應二次側的空載電壓有效值,即U20=U2N。


2、額定電流:(1)一次額定電流I1N:一次繞組加額定電壓,正常工作時一次繞組允許長期通過的最大電流有效值;(2)二次額定電流I2N:一次繞組加額定電壓,正常工作時二次繞組允許長期通過的最大電流有效值。無論是I1N或是I2N均是指線電流。


3、額定容量SN:指二次側的輸出額定視在功率,在單相變壓器中,SN=U2NI2N;在三相變壓器中,SN≈1.732U2NI2N,即根號3倍的U2NI2N。變壓器的額定容量代表著變壓器傳輸功率的最大能力。


4、額定頻率fN:變壓器的額定頻率為工頻50Hz。


前文提到過,變壓器在實際的工作中是有損耗的,之前的學習文章中有一章是講述交流鐵芯線圈功率損耗的,其中也有提到過變壓器的損耗,在此,再次展開學習一下。


變壓器的損耗ΔP和交流鐵芯線圈的損耗一樣,也是包括鐵損ΔPFe和銅損ΔPCu兩部分,即ΔP =ΔPFe ΔPCu。


(1)鐵損ΔPFe:變壓器的鐵損又稱為固定損耗,是交變的主磁通在鐵芯中產生磁滯損耗ΔPh和渦流損耗ΔPe之和。磁滯損耗是指磁滯現象引起鐵芯發熱,造成的損耗;渦流損耗是交變磁通在鐵芯中產生的感應電流(渦流)造成的損耗。和之前關于交流鐵芯線圈的損耗文章中已經提到過的一樣,為了減少變壓器的渦流損耗,其鐵芯一般由導磁硅鋼片疊成。


(2)銅損ΔPCu:變壓器的銅損又稱為可變損耗,它是變壓器繞組導線電阻的損耗。變壓器一次側、二次側均有電阻,當有電流通過時,就會有損耗的產生。


有損耗就有效率,變壓器的效率η如下圖28-9所示,為二次側輸出功率與一次側輸入功率的百分比。在這里要提到的一點是,變壓器的容量并不等于它的輸出功率。


28-9


在各種各樣的變壓器中,除了較為常見的普通變壓器外,還有一些特殊的變壓器,例如自耦變壓器、電流互感器和電壓互感器等。


自耦變壓器,所謂自耦,指的的自行耦合。自耦變壓器是指它的原邊繞組和副邊繞組直接串聯,即它的一、二次均在同一繞組上的變壓器。普通的變壓器是通過原副邊線圈電磁耦合來傳遞能量的,原副邊之間沒有直接電的聯系,而自耦變壓器的原副邊有直接電的聯系,它的低壓線圈就是高壓線圈的一部分。


28-10


自耦變壓器的原理圖如圖28-10所示,使用時,改變滑動端的位置,便可得到不同的輸出電壓。實驗室中使用的調壓器就是根據此原理制作的。


電壓互感器,如下圖28-11左邊所示,類似于普通變壓器,它是用來變換電壓的儀器。一般的變壓器變換電壓的目的是方便電能的輸送,有升壓和降壓兩種,容量很大,一般都是以千伏安或兆伏安為計算單位;而電壓互感器類似降壓變壓器,主要是用來給測量儀表和繼電保護裝置提供電壓的,容量比較小。電壓互感器的二次側是不能短路的,以防產生過電流而造成設備的損壞或人身的傷害。另外,電壓互感器的鐵芯和低壓繞組的一端接地,以防在絕緣損壞時,在二次側出現高壓。


28-11


電流互感器,如上圖28-11右邊所示,簡單來講就是變換電流的變壓器,它的主要作用是講一次側的大電流轉換成二次側的小電流來提供測量的儀器。電流互感的一次側繞組匝數很少,串在被測電流的線路中。電流互感器一次側的電流即是線路的電流,二次側繞組匝數比較多,和一次繞組一樣,也是采用串聯的形式串接在測量儀表和保護回路中。電流互感器在使用時,二次側是不能開路的,以防產生高電壓,造成設備的損壞或人身的傷害。另外,鐵芯和低壓繞組的一端也要接地,以防在絕緣損壞時,在二次側出現過電壓。




相關課程推薦:


電工基礎



好書推薦
< >

  • 三菱 PLC 技術功能指令應用詳解

    為三菱FX2N系列PLC順控程序設計和功能指令講解,重點是功能指令講解。為了使讀者能夠在較短的時間內正確理解、 掌握和應用功能指令,書中除了對指令本身作了詳細的說明外...

  • 三菱FX系列PLC定位控制應用技術

    以三菱電動機的三菱FX系列PLC為目標機型,以廣大自動化技術的初學者為對象而編寫的一本專門講解定位控制技術的入門書

  • PLC模擬量與通信控制應用實踐

    以三菱fx2n plc為目標機型,介紹了plc在模擬量控制和通信控制中的應用。在模擬量控制中, 重點介紹了三菱fx2n plc模擬量特殊模塊和pid控制應用...

  • 工控技術應用數學

    本書是針對工作在生產第一線的電工編寫的。他們或因數學知識沒有學好,或因時間長了有所遺忘等種種原因, 在學習和應用電工電子技術...

  1. 1
  2. 2
喜乐彩票 2020年云南体彩11选五走势图 安徽十一选五走势 权重股票 广东十一选五任三计划 河北十一选五玩法 一定牛上海11选5预测 贵州体彩十一选五玩法 真钱赌场哪里下载 有什么好股票推荐一下 快乐10分中奖规则