电机与电气控制技术

电机与电气控制技术——变压器部分变压器主要内容：任务一变压器认识任务二单相变压器的绕组极性及判定任务三其他变压器任务四变压器的维护及故障分析处理任务一变压器认识任务描述：变压器是在电力系统和电子线路中应用广泛的电气设备。它可将一种交流电转变为另一种或几种频率相同而数值不同的交变电压。变压器的种类多种多样，但结构和工作原理相同，我们以三相油浸式电力变压器为例，来了解变压器的工作原理、结构、种类及用途。任务分析：变压器的主要功能是电能变换，同时具有信号隔离的作用。电能变换就会有损失，就会发热；信号隔离就要使电路分开。我们在来了解变压器的工作原理、结构等。任务一变压器认识方法与步骤：一、变压器的结构下面，我们以三相油浸式电力变压器为例来了解变压器的结构。油浸式变压器在电力系统使用最为广泛，其基本结构可分成以下几个部分：铁心、绕组、绝缘套管、油箱及其他附件等。三相油浸式电力变压器的外形如图1.1所示。图1.1三相油浸式电力变压器外形图储油柜高压套管低压套管冷却器油箱分接开关的控制箱任务一变压器认识任务一变压器认识1．铁心（1）铁心的材料为了提高磁路的导磁性能，减小铁心中的磁滞、涡流损耗，铁心一般采用高磁导率的铁磁材料，即用0.35～0.5mm厚的硅钢片叠成。变压器用的硅钢片其含硅量比较高。硅钢片的两面均涂以绝缘漆，这样可使叠装在一起的硅钢片相互之间绝缘。（2）铁心形式铁心是变压器的主磁路，电力变压器的铁心主要采用心式结构，如图1.2所示，三相变压器是将A、B、C三相的绕组分别放在三个铁心柱上，三个铁心柱由上、下两个铁轭连接起来，构成闭合磁路，绕组的布置方式是将低压绕组放在内侧，而把高压绕组放在外侧。任务一变压器认识图1.2心式变压器铁心和绕组布置高压绕组铁心柱下铁轭上铁轭低压绕组(a)三相(b)单相任务一变压器认识2．绕组绕组是变压器的电路部分，它是铜或铝导线包绕绝缘纸以后绕制而成。按照线圈绕制的特点，分为圆筒式、螺旋式、连续式、纠结式等结构。为了便于绝缘，低压绕组靠近铁心柱，高压绕组套在低压绕组外面，两个绕组之间留有油道。3变压器器身装在油箱内，油箱内充满变压器油。变压器油是一种矿物油，具有很好的绝缘性能，起两个作用：一是在变压器绕组与绕组、绕组与铁心及油箱之间起绝缘作用；二是变压器油受热后产生对流，对变压器铁心和绕油箱有许多散热油管，以增大散热面积。为了加快散热，有的大型变压器采用内部油泵强迫油循环，外部用变压器风扇吹风或用自来水冲淋变压器油箱等，这些都是变压器的冷却方式。任务一变压器认识4变压器的引线从油箱内穿过油箱盖时，必须经过绝缘套管，从而使高压引线和接地的油箱绝缘。绝缘套管是一根中心导电杆，外面有瓷套管绝缘。为了增加爬电距离，套管外形做成多级伞形。10～35kV套管一般采用充油结构，电压越高，其外形尺寸越大。5典型的油浸式电力变压器中还有储油柜（油枕）、吸湿器（呼吸器）、安全气道（防爆管）、继电保护装置、调压分接开关、温度监控装置等附件任务一变压器认识二．变压器的工作原理变压器是利用电磁感应定律把一种电压等级的交流电能转换成同频率的另一种电压等级的交流电能。其基本工作原理如图1.3所示，在铁心柱上绕制两个绝缘线圈。电源侧的线圈称为原边绕组或一次绕组，负载侧的线圈称为副边绕组或二次绕组。任务一变压器认识～图1.3变压器的基本工作原理电源侧负载侧任务一变压器认识当原边绕组接到交流电源时，绕组中便有交流电流流过，并在铁心中产生与外加电压频率相同的磁通。这个交变磁通同时交链着原边绕组和副边绕组。原、副绕组的感应电势分别为因为e1≈u1；e2≈u2所以，（1-1）其中K为变压器的变比，它等于原、副绕组的匝数比，也等于原边一相绕组的感应电势与副边一相绕组的感应电势之比。由此可见，只要改变变压器的变比K，就能达到改变电压的目的。dtdNe11dtdNe22KNNeeuu212121任务一变压器认识三．变压器的种类变压器的种类很多，可按其用途、相数、结构、调压方式、冷却方式等不同来进行分类。（1）按用途分类：升压变压器、降压变压器；（2）按相数分类：单相变压器和三相变压器；（3）按线圈数分类：双线圈变压器、三线圈变压器和自耦变压器；（4）按铁心结构分类：心式变压器和组式变压器；（5）按调压方式分类：无载调压变压器、有载调压变压器；（6）按冷却介质和冷却方式分类：油浸式变压器和干式变压器等；（7）按容量大小分类：小型变压器、中型变压器、大型变压器和特大型变压器。任务一变压器认识四．变压器的用途现代化的工业企业广泛的采用电力作为能源，而发电厂发出的电力往往需经远距离传输才能到达用电地区。在传输的功率恒定时，传输电压越高，则所需的电流越小。因为电压降正比于电流。线损正比于电流的平方，所以用较高的输电电压可以获得较低的线路压降和线路损耗，要制造电压很高的发电机，目前技术很困难，所以要用专门的设备将发电机端的电压升高以后再输送出去，这种专门的设备就是变压器。另一方面，在受电端又必须用降压变压器将高压降低到配电系统的电压，故要经过一系列配电变压器将高压降低到合适的值以供使用。由以上可知，变压器是一种通过改变电压而传输交流电能的静止感应电器。在电力系统中，变压器的地位十分重要，不仅所需数量多，而且性能好，运行安全靠。变压器除了应用在电力系统中，还应用在需要特种电源的工矿企业中。例如：冶炼用的电炉变压器，电解或化工用的整流变压器，焊接用的电焊变压器，试验用的试验变压器，交通用的牵引变压器，以及补偿用的电抗器，保护用的消弧线圈，测量用的互感器等。任务一变压器认识五．变压器的铭牌为了使变压器安全、经济、合理地运行，在每台变压器上都安装有一块铭牌，上面标明了变压器的型号及各种额定数据，作为正确使用变压器的依据。图1.4所示的变压器是配电站用的降压变压器，将10kV的高压降为400V的低压，供三相负载使用，铭牌中参数说明如下。任务一变压器认识任务一变压器认识（1）型号任务一变压器认识（2）额定容量额定容量是指变压器在额定工作状态下，二次绕组的视在功率，其单位为kVA。对于单相变压器而言，即变压器二次绕组的额定电压U2N与额定电流I2N的乘积。（1-2）三相变压器的额定容量为(1-3)（3额定电压是指变压器在额定运行情况下，加在一次绕组上的正常工作电压。它是根据变压器绝缘等级和允许温升等条件规定的。额定电压是指在一次绕组上加额定电压后，二次绕组空载时的电压值。kVA1000N2N2NIUSkVA10003N2N2NIUS任务一变压器认识（4）短路电压短路电压也称阻抗电压，即一个绕组短路，另一个绕组流过额定电流时的电压值，可以在变压器短路试验中测得。通常用额定电压的百分比表示。（5额定电流是指变压器允许长期通过的电流，它是根据变压器发热的条件而规定的满载电流值。（6）连接组标号连接组标号是指三相变压器一、二次绕组的连接方式。Y指高压绕组作星形连接，y指低压绕组作星形连接，D指高压绕组作三角形连接，d指低压绕组作三角形连接，N指高压绕组作星形连接时的中性线，n指低压绕组作星形连接时的中性线。任务二单相变压器的绕组极性及判定任务描述：变压器的绕组极性是指变压器一、二次绕组中的感应电动势的相位关系。如果极性接反就会把变压器烧毁。因此，我们要学会如何判定变压器的绕组极性。任务分析：单相变压器可以通过两种方法即分析法、实验法来判定变压器的绕组极性，我们应该掌握这两种方法。任务二单相变压器的绕组极性及判定方法与步骤：1．分析法因为变压器的一、二次绕组在同一个铁心上，故都被磁通Φ交链。当磁通变化时，在两个绕组中的感应电动势也有一定的方向性，当一次绕组的某一端点瞬时电位为正时，二次绕组也必有一电位为正的对应点，这两个对应的端点，我们称之为同极性端或同名端，用符号“·”表示。任务二单相变压器的绕组极性及判定对两个绕向已知的绕组，我们可以从电流的流向和它们所产生的磁通方向判断其同名端，如图1-5(a)中所示，已知一、二次绕组的方向，当电流从1端和3端流入时，它们所产生的磁通方向相同，因此1、3端为同名端。同样，2、4端也为同名端，同理可以知道图1－5(b)中，1、4端为同名端。图1-5单相变压器分析法极性判定任务二单相变压器的绕组极性及判定2.实验法（1）交流法如图1-6所示，将一、二次绕组各取一个接线端连接在一起，如图中2端和4端，并在N2N1绕组上加上适当的交流电u12，再用交流电压表测量u12、u13、u34各值，如果测量结果为u13=u12-u34，则1、3端为同名端，如果u13=u12+u34,则1、4端为同名端。图1-6单相变压器交流法极性判定任务二单相变压器的绕组极性及判定（2）直流法用1.5V或3V的直流电源，按图1-7所示连接。直流电源接在高压绕组上，灵敏电流计接在低压绕组两端，正接线柱接3端，负接线柱接4端。当开关合上的一瞬间，如果电流计指针向右偏转，则1、3端为同名端；否则电流计指针向左偏转，则1、4端为同名端。因为一般灵敏电流计电流从“+”接线柱流入时，指针向右偏转，从“－”接线柱流入时，指针向左偏转。图1-7单相变压器直流法极性判定任务三其他变压器任务描述：实际生产中，除了进行电力变换的变压器外，我们还经常用到一些其他用途的变压器，如电流互感器、电压互感器、自耦变压器等。任务分析：电流互感器、电压互感器、自耦变压器的作用、原理及使用注意事项。任务三其他变压器方法与步骤：1．电流互感器电流互感器的结构、工作原理与普通双绕组变压器相似，也是由铁心和原、副绕组两个主要部分构成。其主要特点在于，电流互感器原绕组的匝数很少，一般只有一匝到几匝。使用中，原绕组串联在被测电路中，流过被测电流。如图1-8所示。图1-8电流互感器原理图任务三其他变压器副绕组的匝数很多，用较细的导线绕制。根据测量的目的不同，副绕组联接电流表或电度表的电流线圈或电流继电器。这些仪表的阻抗极小，所以电流互感器相当于短路运行的升压变压器。与普通变压器的短路情况相似。副绕组的电动势很小一般只有几伏特，所以铁心内的磁通也很少，根据电流比公式I1N1=I2N2可知：（1-4）其中,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。22121IKINNIi任务三其他变压器电流互感器的符号如图1-9所示。例如若电流表的读数为4A，电流比为40/5，则被测电流为I1=KiI2=40/5×4=32A。在实际应用中，与电流互感器配套使用的电流表中的电流已换算成一次绕组的电流，可以直接读出测量数据，不必再进行换算。图1-9电流互感器符号任务三其他变压器电流互感器使用时必须注意的事项：(1)使用过程中电流互感器二次绕组绝对不能开路。因为二次绕组开路时，互感器处于空载运行状态，此时一次绕组中流过的被测电流全部为励磁电流，使铁心中的磁通急剧增大，造成铁心过热，烧坏绕组。同时二次绕组匝数多，将感应出很高的电压，危及测量人员和设备安全。所以在电流互感器工作时，检修或拆装电流表或功率表的电流线圈，应先将二次绕组短路。(2)电流互感器的铁心和二次绕组应可靠接地，以防止绝缘击穿后，高电压危及人员和设备安全。(3)二次绕组回路阻抗不应超过规定值，以免增加误差。任务三其他变压器2．电压互感器电压互感器的结构和工作原理与单相变压器相同。它的实质就是一个降压变压器，是由铁心和一、二次绕组两个主要部分组成的。它的主要特点在于：原绕组匝数较多，并联在被测电路中，副绕组匝数较少，接在高阻抗的测最仪表上，有很准确的电压比。根据测量的目的不同，原绕组接被测量的高电压端，副绕组接电压表、瓦特表或电度表的电压线圈，所接仪表的阻抗都很大，因此，电压互感器的副绕组电流很小，近似等于零。所以电压互感器正常运行时接近于空载运行。如图1-10所示为电压互感器的原理图。图1-10电压互感器原理图任务三其他变压器根据变压器的电压比公式（1-5）其中，Ku是电压互感器的变换系数，也称电压互感器的变换倍率。Ku一般标在电压互感器的铭牌上，只要读出二次绕组的电压，一次绕组的电压可以由上式求出。在实际应用中，与电压互感器配套使用