西門(mén)子PROFIBUS|網(wǎng)絡(luò)信號(hào)屏蔽電纜供應(yīng)

時(shí)間：2023-04-21作者：潯之漫智控技術(shù)（上海）有限公司瀏覽：26

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變壓器是基于電磁感應(yīng)原理而制成的靜止式電機(jī)，它的用途主要是用于電壓變換、電流變換、阻抗變換、隔離、穩(wěn)壓（磁飽和變壓器）等。在電力系統(tǒng)中有著很多不同的電壓等級(jí)，這些電壓等級(jí)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(tǒng)電能的輸送與分配過(guò)程中起著中間媒介的作用。




▲圖28-1




變壓器電流變換方面的應(yīng)用，大家較為熟悉的應(yīng)該是電流互感器了。關(guān)于電流互感器，本文接下來(lái)也會(huì)講到。既然電壓、電流都能變換，根據(jù)U=IZ（Z為阻抗符號(hào)），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(guò)變壓器實(shí)現(xiàn)的。




變壓器的構(gòu)造基本是大同小異，主要構(gòu)件都有初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和鐵芯（磁芯）三部分。而隨著電壓等級(jí)的升高，變壓器的體積也會(huì)隨之增大。下圖28-2為幾種變壓器的實(shí)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(qū)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(qū)別外，還有很多種分類方式。例如按相數(shù)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(shuō)到，變壓器由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個(gè)或兩個(gè)以上的繞組，如圖28-3所示，其中接電源的繞組叫初級(jí)線圈（或者叫一次繞組等），其余的繞組叫次級(jí)線圈（或者叫二次繞組等）。關(guān)于變壓器的工作原理，其實(shí)就是一次繞組流過(guò)勵(lì)磁電流，勵(lì)磁電生的磁通沿鐵芯構(gòu)成磁路，該磁通穿過(guò)二次繞組，然后使得二次繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，若二次回路閉合，則會(huì)流過(guò)二次電流，通過(guò)一、二次繞組的匝數(shù)不同達(dá)到變壓的目的。而鐵心的作用是加強(qiáng)兩個(gè)線圈間的磁耦合。




▲圖28-3

變壓器是基于電磁感應(yīng)原理的實(shí)際應(yīng)用，如果大家是按《電工基礎(chǔ)》系列文章的順序?qū)W習(xí)的，那么變壓器的工作原理不用我講大家也已經(jīng)懂了。

在《電工基礎(chǔ)》中，曹老師還講到了變壓器的空載運(yùn)行和負(fù)載運(yùn)行，但是沒(méi)有講得很詳細(xì)，這是理所當(dāng)然的，《電工基礎(chǔ)》本就是基礎(chǔ)課程，如果大家想深入學(xué)習(xí)變壓器的知識(shí)，還是要看一些其他的專業(yè)課程。我再此就按曹老師的課程，給大家簡(jiǎn)單講解一下變壓器的空載運(yùn)行和負(fù)載運(yùn)行。




▲圖28-4




變壓器的空載運(yùn)行，是指變壓器的原邊繞組接入電源，而副邊繞組處于開(kāi)路的工作狀態(tài)。此時(shí)，變壓器原邊繞組中流過(guò)的電流稱為變壓器的空載電流，空載電生空載磁場(chǎng)。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(guò)一次電流（空載電流），此時(shí)一、二次繞組都會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即一次線圈產(chǎn)生的壓降為U1，二次線圈的端口電壓為U20。根據(jù)電磁感應(yīng)定律e=-NΔφ/Δt，兩個(gè)繞組處在同一磁路，所穿過(guò)的磁通變化率相同，此時(shí)有一次線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)數(shù)值之比（或者一次電壓與二次電壓數(shù)值之比）等于兩個(gè)繞組的匝數(shù)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是，原副邊電壓之比等于原副邊匝數(shù)之比，等于常數(shù)k，這就是變壓器的變電壓作用。

變壓器的負(fù)載運(yùn)行，是指變壓器的原邊繞組接入電源，而副邊繞組處于負(fù)載運(yùn)行的工作狀態(tài)。理想情況下，此時(shí)變壓器一次側(cè)的輸入功率等于二次側(cè)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(jiǎn)單來(lái)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




圖28-5中的阻抗Z1、Z2加**值符號(hào)是代表該阻抗的模。模指的是向量的大小，它和向量的區(qū)別在于，向量是有方向的，而模是沒(méi)有方向的。更多向量的知識(shí)，在這里也不做展開(kāi)講解。

變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)，原邊線圈流過(guò)一次電生的磁通在副邊繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于二次回路是閉合帶負(fù)載的，此時(shí)副邊線圈就會(huì)流過(guò)負(fù)載電流，該負(fù)載電流又會(huì)產(chǎn)生磁通影響著一次線圈，原副邊線圈產(chǎn)生的磁通相互影響，然后趨于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。理想情況下，原副邊線圈的電壓、電流和阻抗的關(guān)系如圖28-5所示，即變壓器可以進(jìn)行電壓變換、電流變換以及阻抗變換。

實(shí)際工作中，變壓器的負(fù)載運(yùn)行是存在損耗的，這在之前的文章也提到過(guò)，所以變壓器的電壓變換或電流變換不可能完全等于常數(shù)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(fù)載電流的變化而變化，是變壓器外特性的體現(xiàn)。




▲圖28-6




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

電力系統(tǒng)中，當(dāng)變壓器過(guò)載或重載時(shí)，往往會(huì)造成二次電壓過(guò)低，此時(shí)就要采取措施對(duì)二次電壓進(jìn)行調(diào)整。這里就要涉及到一個(gè)新的概念：變壓器的電壓調(diào)整率。




▲圖28-7




想要了解一臺(tái)設(shè)備，就必須要查看它的技術(shù)數(shù)據(jù)，變壓器的技術(shù)數(shù)據(jù)比較多，如下圖28-8所示是變壓器型號(hào)的簡(jiǎn)單說(shuō)明。我們主要是學(xué)習(xí)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(diào)整率的表達(dá)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。




▲圖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(shí)不得大于規(guī)定值。（1）一次額定電壓U1N：指正常時(shí)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(shí)，變壓器空載時(shí)對(duì)應(yīng)二次側(cè)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(shí)一次繞組允許長(zhǎng)期通過(guò)的大電流有效值；（2）二次額定電流I2N：一次繞組加額定電壓，正常工作時(shí)二次繞組允許長(zhǎng)期通過(guò)的大電流有效值。無(wú)論是I1N或是I2N均是指線電流。




3、額定容量SN：指二次側(cè)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(hào)3倍的U2NI2N。變壓器的額定容量代表著變壓器傳輸功率的大能力。

4、額定頻率fN：變壓器的額定頻率為工頻50Hz。

前文提到過(guò)，變壓器在實(shí)際的工作中是有損耗的，之前的學(xué)習(xí)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(guò)變壓器的損耗，在此，再次展開(kāi)學(xué)習(xí)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(chǎn)生磁滯損耗ΔPh和渦流損耗ΔPe之和。磁滯損耗是指磁滯現(xiàn)象引起鐵芯發(fā)熱，造成的損耗；渦流損耗是交變磁通在鐵芯中產(chǎn)生的感應(yīng)電流（渦流）造成的損耗。和之前關(guān)于交流鐵芯線圈的損耗文章中已經(jīng)提到過(guò)的一樣，為了減少變壓器的渦流損耗，其鐵芯一般由導(dǎo)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(dǎo)線電阻的損耗。變壓器一次側(cè)、二次側(cè)均有電阻，當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，就會(huì)有損耗的產(chǎn)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(cè)輸出功率與一次側(cè)輸入功率的百分比。在這里要提到的一點(diǎn)是，變壓器的容量并不等于它的輸出功率。




▲圖28-9

在各種各樣的變壓器中，除了較為常見(jiàn)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(lián)，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(guò)原副邊線圈電磁耦合來(lái)傳遞能量的，原副邊之間沒(méi)有直接電的聯(lián)系，而自耦變壓器的原副邊有直接電的聯(lián)系，它的低壓線圈就是高壓線圈的一部分。

▲圖28-10

自耦變壓器的原理圖如圖28-10所示，使用時(shí)，改變滑動(dòng)端的位置，便可得到不同的輸出電壓。實(shí)驗(yàn)室中使用的調(diào)壓器就是根據(jù)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(lái)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(jì)算單位；而電壓互感器類似降壓變壓器，主要是用來(lái)給測(cè)量?jī)x表和繼電保護(hù)裝置提供電壓的，容量比較小。電壓互感器的二次側(cè)是不能短路的，以防產(chǎn)生過(guò)電流而造成設(shè)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(shí)，在二次側(cè)出現(xiàn)高壓。




▲圖28-11

電流互感器，如上圖28-11右邊所示，簡(jiǎn)單來(lái)講就是變換電流的變壓器，它的主要作用是講一次側(cè)的大電流轉(zhuǎn)換成二次側(cè)的小電流來(lái)提供測(cè)量的儀器。電流互感的一次側(cè)繞組匝數(shù)很少，串在被測(cè)電流的線路中。電流互感器一次側(cè)的電流即是線路的電流，二次側(cè)繞組匝數(shù)比較多，和一次繞組一樣，也是采用串聯(lián)的形式串接在測(cè)量?jī)x表和保護(hù)回路中。電流互感器在使用時(shí)，二次側(cè)是不能開(kāi)路的，以防產(chǎn)生高電壓，造成設(shè)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(shí)，在二次側(cè)出現(xiàn)過(guò)電壓。

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