第4章

幾種特殊變壓器【學習目標】熟悉自耦變壓器的結構和用途掌握自耦變壓器的原理，了解自耦變壓器的容量及特點熟悉電壓互感器、電流互感器的結構，掌握其原理及使用本卷須知了解電焊變壓器的用途、結構特點及常見種類熟悉小功率電源變壓器常見的分類，了解三繞組變壓器的結構及用途4.1自耦變壓器4.1.1自耦變壓器的結構及用途

自耦變壓器是依據法拉第電磁感應定律中所描述的自感現象制成的。自耦變壓器的結構與普通雙繞組變壓器有所不同，普通雙繞組變壓器的一、二次繞組是分開的，兩繞組之間只有磁的耦合而無電的聯系，而自耦變壓器的一、二次繞組共用一組線圈，通過抽頭來實現電壓的升降，兩繞組之間既有磁的耦合又有電的聯系。4.1.1自耦變壓器的結構及用途如果把抽頭做成滑動的觸點，那么可構成輸出電壓可調的自耦變壓器，通常也稱為自耦調壓器。一般自耦調壓器將鐵心做成圓環的形狀，繞組均勻繞制在上面。在變壓器運行時，一次繞組匝數N1固定不變，滑動觸點a移動時，輸出電壓U2隨二次繞組匝數N2的變化而變化，這種變壓器既可用來升壓，也可用來降壓。4.1.1自耦變壓器的結構及用途

自耦變壓器可以改變輸出電壓，用料省，效率高，在科研、生產和生活中有著廣泛的應用。在電力系統中，經常采用自耦變壓器將110kV，150kV，220kV，330kV的高壓電力系統連接起來，構成大規模的動力系統；在高壓輸電系統中，經常采用自耦變壓器將兩個電壓等級相近的電網連接成一個整體，用做聯絡變壓器；在大容量異步電動機啟動系統中，經常采用自耦變壓器降壓；在實驗室中，經常采用具有滑動觸點的自耦變壓器調節交流電壓。4.1.2自耦變壓器的原理與普通變壓器相同，自耦變壓器的理論依據也是電磁感應定律。

在理想自耦變壓器中，當一次繞組兩端加交變電壓U1時，繞組中有電流通過，鐵心中會產生交變磁通Φm，這一交變磁通會在一、二次繞組中分別產生感應電動勢E1、E2，同樣有故式中，K為自耦變壓器的變壓比。4.1.2自耦變壓器的原理

當自耦變壓器與負載接通時，一、二次繞組中繞組中分別有電流

、流過，兩者的大小與匝數成反比，相位相差180°，而

與同相位，故流經公共繞組中的電流大小為：自耦變壓器的變壓比與一、二次繞組電流之間的關系為：

當變壓比接近于1時，I1和I2相差很小，流經公共繞組中的電流I很小，公共繞組線圈的截面積可以減小很多，自耦變壓器的優點比較顯著；當變壓比大于2時，其優越性則不太明顯。實際應用的自耦變壓器，其變壓比在1.2～2.0之間。4.1.3自耦變壓器的容量及特點1．自耦變壓器的容量

自耦變壓器額定容量的計算公式與普通雙繞組變壓器相同，即

自耦變壓器的繞組容量與額定容量不相等，為一次繞組容量整理得4.1.3自耦變壓器的容量及特點公共繞組容量將代入上式，整理得兩局部繞組的容量S1和S2大小相等，且都小于額定容量SN；變壓比越接近于1，兩繞組容量越小。1．自耦變壓器的容量4.1.3自耦變壓器的容量及特點〔1〕優點自耦變壓器的繞組容量小于額定容量，而普通雙繞組變壓器的繞組容量近似等于額定容量，故在額定容量相同時，自耦變壓器的體積更小，重量更輕，有效地節省了材料和本錢，使運輸和安裝更加方便。2．自耦變壓器的特點〔2〕缺點自耦變壓器的一、二次繞組是相通的，當高壓側電氣故障時，會直接影響低壓側，十分危險，所以要加強絕緣和過壓保護。假設把自耦變壓器的相線和零線接反，此時輸出的“零線〞為高電位，這是很不平安的，因此自耦變壓器在接通電源之前，一定要把手柄轉到零位，保證輸出電壓為零。

以上介紹的為單相自耦變壓器。此外自耦變壓器還可以接成三相，用來調節三相交流電壓，一般三相自耦變壓器的二次側可以有幾個抽頭，用來選擇不同的輸出電壓。4.2儀用互感器儀用互感器是一種專門用于測量的特殊變壓器，它可以將系統中的高電壓、大電流按一定的比例變換成低電壓、小電流。利用儀用互感器不僅可以將測量儀表與高電壓、大電流隔離，從而保證測量人員的平安，還可以擴大測量儀表的量程，使儀表標準化。儀用互感器經常用來測量幾千、幾萬伏的高電壓和幾百、幾千安的大電流，可分為電壓互感器和電流互感器兩類。4.2.1電壓互感器1．電壓互感器的結構和原理干式電壓互感器澆注絕緣式電壓互感器油浸式電壓互感器

電壓互感器是指在電工測量中用于將一次側的高電壓按比例變換為適合儀器使用的電壓的設備。電壓互感器接線原理

電壓互感器的結構與普通變壓器相似，主要由鐵心和繞組構成，但它的一次繞組匝數較多，與被測電路并聯；二次繞組匝數較少，與電壓表并聯。電壓互感器接線原理

式中，U2為電壓表的讀數。只要用電壓表的讀數U2乘以變壓比Ku就可以得到一次側測量的高電壓值U1。實際上，電壓互感器是一臺降壓變壓器。

由于二次繞組所連接負載的阻抗都很大，所以電壓互感器運行時相當于二次側開路的狀態，其變壓比Ku為那么有2．電壓互感器使用本卷須知一般情況下，電壓互感器二次側均采用量程為100V的電壓表，只要改變電壓互感器的變壓比Ku，就可以測量上下不同的電壓。因此，在利用電壓互感器測量高電壓時，首先要選擇適宜的電壓互感器。

選用電壓互感器時，可以根據測量的電壓和電流的要求及準確度選擇，要注意其額定電壓應符合所測電壓值，二次側負載電流的總和不可超過二次側額定電流，使其盡量接近于空載狀態。2．電壓互感器使用本卷須知在使用電壓互感器時，還應注意以下幾點：運行中，二次繞組不允許短路，否那么會燒毀繞組。鐵心和二次繞組的一端必須同時可靠接地，以保證人身和設備平安。二次繞組接電能表的電壓線圈時，極性不能接錯，否那么會造成嚴重后果。為保證測量儀表的測量準確度，二次繞組測量回路不應接入過多儀表，且電壓互感器的準確度要比所接測量儀表高出兩級。4.2.2電流互感器1．電流互感器的結構和原理干式電流互感器

澆注絕緣式電流互感器

油浸式電流互感器

電流互感器是指在電工測量中，用于將一次側的大電流按比例變換為適合儀器使用的電流的變換設備。1．電流互感器的結構和原理

電流互感器的結構與電壓互感器相似。通常情況下，電流互感器的一次繞組匝數很少，只有一匝或幾匝，大都采用粗導線繞制，它與被測電路串聯，流過被測電流；二次繞組匝數較多，用較細的導線繞制，它與電流表串聯形成閉合回路。1．電流互感器的結構和原理由于二次繞組所連接儀表線圈的阻抗都很小，電流互感器運行時相當于二次側短路的狀態，其變流比Ki為：那么有式中，I2為電流表的讀數。只要用電流表的讀數I2乘以變流比Ki就可以得到一次側測量的大電流I1。【例4-1】用變壓比為6000V/100V的電壓互感器和變流比為100A/5A的電流互感器擴大量程，假設電壓表的讀數為85V，電流表的讀數為3.5A，試計算被測電路的電壓和電流各是多少？解：由題可知被測電路的電壓為=60×85V=5100V被測電路的電流為=20×3.5A=70A2．電流互感器使用本卷須知

通常情況下，電流互感器二次側均采用量程為5A的儀表，只要改變電流互感器的電流比Ki，就可以測量大小不同的一次電流。電流互感器的選用方法與電壓互感器相似，也可根據測量準確度和電壓、電流的要求進行選擇。在使用電流互感器時，還應注意以下幾點：運行中，二次側絕不允許開路，否那么會使鐵心中的磁通急劇增加，一方面造成鐵心過熱，燒毀繞組，另一方面會產生高壓，危害人身和設備平安；運行中如需拆換電流表，必須先將二次繞組短接。鐵心和二次繞組的一端必須同時可靠接地，以保證人身和設備平安。電流互感器的繞組應有同名端標記，二次繞組接儀表時極性不能接錯。為保證測量儀表的測量準確度，二次繞組所接負載的阻抗值要小于電流互感器要求的阻抗值，電流互感器的準確度要比所接儀表高兩級。4.3電焊變壓器4.3.1電焊變壓器概述電焊變壓器是交流弧焊機的主要組成局部，它實際上是一種特殊的降壓變壓器。由于結構簡單、本錢低廉、制造容易、維護方便，電焊變壓器在實際中應用十分廣泛。4.3.1電焊變壓器概述電焊變壓器是用作電焊電源的變壓器，用來將380V的交流電壓降為電焊所需的電壓，它工作時，焊件內有電流通過形成電弧。為了保證焊接質量和電弧的穩定燃燒，電焊變壓器應滿足以下要求：〔1〕電焊變壓器在空載時，二次繞組空載電壓應為60～75V，以方便起弧；且空載電壓最高不得超過85V，以保證操作者的平安。1．電焊變壓器的工藝要求4.3.1電焊變壓器概述〔2〕電焊變壓器在負載時，應具有迅速下降〔即陡降〕的外特性，以適應電弧特性的要求；通常在額定運行時其輸出電壓約為30V。〔3〕電焊變壓器在短路時，其短路電流不能太大，一般不超過額定電流的兩倍；電焊變壓器應有足夠的熱穩定性和電動穩定性來承受短路電流的沖擊，以免損壞電焊機。〔4〕電焊變壓器要能在一定范圍內調節其輸出電流，以適應不同的焊件和焊條。1．電焊變壓器的工藝要求2．電焊變壓器的結構特點

影響電焊變壓器外特性的主要因素是一、二次繞組的漏抗和負載功率因數。由于焊接加工屬于電加熱性質，負載功率因數基本都相同，

，所以通常采用改變漏抗的方法來調節輸出電流。因此，電焊變壓器要有比較大并且可以調節的漏磁通和漏抗。2．電焊變壓器的結構特點〔1〕鐵心的氣隙比較大。〔2〕一、二次繞組分裝在不同的鐵心柱上，而不是同心地套在一個鐵心柱上。〔3〕采用串聯可變電抗器法、磁分路法和改變二次繞組接法來調節焊接電流，以獲得不同的外特性。

根據調節漏抗和電流方法的不同，電焊變壓器可以分為很多種。工業上經常使用的有帶可調電抗器式電焊變壓器、磁分路動鐵式電焊變壓器和動圈式電焊變壓器。4.3.2帶可調電抗器式電焊變壓器結構圖1．外加電抗器式電焊變壓器

外加電抗器式電焊變壓器是在一臺降壓變壓器的二次繞組輸出端再串接上一臺可調電抗器。

變壓器的一次繞組中備有分接頭，通過改變分接頭的位置可以調節二次繞組空載電壓U02的大小；電抗器由可調氣隙的電感線圈組成，通過改變電抗器的氣隙大小可以調節變壓器的輸出電流。4.3.2帶可調電抗器式電焊變壓器外特性曲線1．外加電抗器式電焊變壓器

應用時，起弧電壓由分接頭的位置決定，短路電流由電抗器氣隙的大小決定，當減小氣隙時，變壓器二次側的電抗增大，電流減小，外特性曲線下降速度加快。4.3.2帶可調電抗器式電焊變壓器2．共軛式電焊變壓器共軛式電焊變壓器是將變壓器鐵心和電抗器鐵心制成一體形成共軛式結構〔即有局部磁軛是公用的〕。它除了變壓器一次繞組1和二次繞組2以外，還有電抗器繞組3和動鐵心4。4.3.2帶可調電抗器式電焊變壓器2．共軛式電焊變壓器〔a〕順極性

變壓器二次繞組與電抗器繞組是串聯的，設EX為電抗器上的電動勢，E2為二次繞組電動勢，當兩者是順極性串聯，輸出電壓為兩者之和，即4.3.2帶可調電抗器式電焊變壓器2．共軛式電焊變壓器〔b〕反極性

設EX為電抗器上的電動勢，E2為二次繞組電動勢，當兩者是反極性串聯時，輸出電壓為兩者之差，即4.3.2帶可調電抗器式電焊變壓器如果希望得到這兩條外特性曲線中間的一些曲線，可以調節電抗器鐵心中間的動鐵心，通過改變氣隙來改變EX的大小和電抗值，從而改變曲線的下降陡度，到達改變電流的目的。2．共軛式電焊變壓器外特性曲線4.3.2帶可調電抗器式電焊變壓器

由于外加可調電抗器式變壓器的變壓器自身和電抗器是分開的，其結構簡單，可搬動，調節性能較好，但由于結構不夠緊湊，消耗材料較多，在焊接電流小時電弧穩定性很差，所以現在多用共軛結構的帶可調電抗器式電焊變壓器。2．共軛式電焊變壓器4.3.3磁分路動鐵式電焊變壓器變壓器的鐵心由兩局部組成，兩邊為固定的主鐵心，呈“口〞字形，中間是動鐵心。變壓器的一次繞組繞制在左邊的主鐵心柱上；二次繞組分兩局部，一局部繞制在一次繞組的外層，起建立電壓的作用，另一局部繞制在主鐵心柱上，相當于電感線圈，起降壓作用。結構圖磁分路動鐵式電焊變壓器是比較有代表性的一類電焊變壓器4.3.3磁分路動鐵式電焊變壓器電路圖粗調是指通過調節二次繞組的接法，從而改變二次繞組的匝數，實現對焊接電流的調節。二次繞組有Ⅰ、Ⅱ兩種接法。當使用接法Ⅰ時，二次繞組總匝數少，串入電抗大，輸出電流小，適用于焊接電流較小的場合；當使用接法Ⅱ時，二次繞組總匝數多，串入電抗小，輸出電流大，適用于焊接電流較大的場合。

磁分路動鐵式電焊變壓器可以通過粗調和細調來實現對焊接電流的調節。4.3.3磁分路動鐵式電焊變壓器1—接法Ⅰ，動鐵心在最內位置；2—接法Ⅰ，動鐵心在最外位置；3—接法Ⅱ，動鐵心在最內位置；4—接法Ⅱ，動鐵心在最外位置。外特性曲線

細調焊接電流是通過改變動鐵心的位置實現的。當調節手輪使動鐵心向外移動時，氣隙加大，磁阻增大，漏磁通減少，漏抗減少，電流下降速度減慢，如曲線2、4所示；當調節手輪使動鐵心向內部移動時，氣隙減小，磁阻減小，漏磁通增大，漏抗增大，電流下降速度加快，如曲線1、3所示。4.3.3磁分路動鐵式電焊變壓器磁分路動鐵式變壓器的優點是結構緊湊，體積較小，節省了材料和本錢，但是由于活動鐵心的存在，焊接時會有振動，使電弧不穩定。4.3.4動圈式電焊變壓器

動圈式電焊變壓器是通過改變一、二次繞組的相對位置來調節焊接電流的。

動圈式電焊變壓器的一次繞組是固定的，調節二次繞組的位置就可以改變一、二次繞組的距離，距離越近，漏抗越小，輸出電壓越高，焊接電流越大；反之，距離變遠時，輸出電壓降低，焊接電流變小。4.3.4動圈式電焊變壓器

這類電焊變壓器的優點是無活動鐵心，磁路中沒有空氣隙，所以沒有因為鐵心振動而產生的電弧不穩定。但是它在兩繞組距離較近時，調節作用不太明顯，此時要增加硅鋼的用量以加高鐵心，使繞組的間距加大。4.4小功率電源變壓器和三繞組變壓器4.4.1小功率電源變壓器

小功率電源變壓器是一種特殊的變壓器，專門用作某些小功率負載的供電電源。小功率電源變壓器種類很多，按照工作頻率不同可以分為工頻電源變壓器、中頻電源變壓器和高頻電源變壓器；按照鐵心結構不同可以分為C形電源變壓器、R形電源變壓器、O形電源變壓器和E形及口形鐵心電源變壓器。4.4.1小功率電源變壓器〔1〕工頻電源變壓器工頻電源變壓器是指工作在50～60Hz頻率下的電源變壓器。其根本結構與普通變壓器相同，均由鐵心和繞組組成，鐵心用0.35mm或0.5mm厚的冷軋或熱軋硅鋼片制成，繞組繞制在鐵心上。常用的工頻電源變壓器有各種專用儀器及設備的電源變壓器、燈絲變壓器、行燈變壓器、控制變壓器等。1．按工作頻率分類4.4.1小功率電源變壓器〔2〕中頻電源變壓器中頻電源變壓器是指工作在400～1000Hz頻率下的電源變壓器。隨著工作頻率的上升，渦流損耗增大，為了解決這一問題，鐵心用0.2mm厚的冷軋硅鋼片制成，鐵心中的磁感應強度B一般取得較低，其他結構與工頻變壓器相同。它既可以工作在正弦波電壓下，也可以工作在方波〔或矩形波〕電壓下。1．按工作頻率分類4.4.1小功率電源變壓器〔3〕高頻電源變壓器高頻電源變壓器是指工作在10～20kHz頻率下的電源變壓器。高頻電源變壓器不能用普通的硅鋼片制作鐵心，一般用鐵氧體磁心，因為它的電阻率高、渦流損耗小。由于變壓器繞組中通過的是高頻電流，集膚效應使導線中心局部電流的密度變小，從而減小了導線的有效面積，引起發熱，所以繞組通常使用多股高頻銅導線或薄銅箔繞制而成。高頻電源變壓器主要用作開關穩壓電源的變換器，要注意其工作溫度不能超過70℃，否那么鐵氧體的電磁性能將急劇下降。1．按工作頻率分類集膚效應是指當導體中有交流電或者交變電磁場時，導體內部的電流分布不均勻，且電流集中在導體外表流過的一種現象。4.4.1小功率電源變壓器〔1〕C形電源變壓器C形電源變壓器的鐵心是將0.35mm厚的晶粒取向冷軋硅鋼片裁成一定規格的硅鋼帶后卷制固定，然后分割成兩個U形。其特點是體積小、工藝簡單，正在向小容量的單相變壓器普及。2．按鐵心結構分類4.4.1小功率電源變壓器〔2〕R形電源變壓器R形電源變壓器是在C形變壓器的根底上形成的。它的鐵心由一根在下料機上切割而成的由窄到寬，再由寬到窄連續均勻過渡的晶粒取向冷軋硅鋼帶卷繞而成，是一個整體結構。其特點是空載損耗小、溫升低、體積小、噪聲低，常用于高密度安裝的設備中。2．按鐵心結構分類4.4.1小功率電源變壓器〔3〕O形電源變壓器O形電源變壓器又稱環形電源變壓器。工作在工頻下的環形電源變壓器的鐵心采用晶粒取向冷軋硅鋼帶或合金鋼帶繞制，再經過扎緊及絕緣處理等過程形成，其特點是制作簡單、漏磁小。2．按鐵心結構分類4.4.1小功率電源變壓器〔4〕E形及口形鐵心電源變壓器2．按鐵心結構分類鐵心繞組鐵心繞組心式變壓器殼式變壓器4.4.2三繞組變壓器

三繞組變壓器是指三個繞組同心套在同一鐵心柱上的變壓器。當一個繞組與交流電源連接時，另外兩個繞組就可以感應出不同的電動勢，適用于需要兩種不同電壓等級的負載。4.4.2三繞組變壓器

在發電廠和變電所中會遇到三種電壓等級，所以常用到三繞組變壓器。發電廠利用三繞組變壓器將發出的電能用兩種電壓輸送到不同的電網，變電所中利用三繞組變壓器由兩個系統向一個系統供電。

例如，發電廠中發電機發出的電壓為35kV，要將電能傳到220kV和330kV系統中，就可以利用三繞組變壓器。由于用一臺三繞組變壓器較采用兩臺雙繞組變壓器而言占地少，更加經濟，而且維護起來也比較方便，所以三繞組變壓器被廣泛應用于電力系統中。4.4.2三繞組變壓器升壓變壓器將低壓繞組放在高壓繞組和中壓繞組之間，可以使漏磁場分布均勻，漏抗分布合理，防止因高、低壓繞組距離太遠導致漏磁通增大、負載損耗增加。三繞組變壓器的繞組布置圖升壓變壓器