變壓器(Transformer)是利用電磁感應(yīng)的原理來(lái)改變交流電壓的裝置,主要構(gòu)件是初級(jí)線(xiàn)圈、次級(jí)線(xiàn)圈和鐵芯(磁芯)。主要功能有:電壓變換、電流變換、阻抗變換、隔離、穩(wěn)壓(磁飽和變壓器)等。按用途可以分為:電力變壓器和特殊變壓器(電爐變、整流變、工頻試驗(yàn)變壓器、調(diào)壓器、礦用變、音頻變壓器、中頻變壓器、高頻變壓器、沖擊變壓器、儀用變壓器、電子變壓器、電抗器、互感器等)。
變壓器工作原理:
變壓器由鐵芯(或磁芯)和線(xiàn)圈組成,線(xiàn)圈有兩個(gè)或兩個(gè)以上的繞組,其中接電源的繞組叫初級(jí)線(xiàn)圈,其余的繞組叫次級(jí)線(xiàn)圈。它可以變換交流電壓、電流和阻抗。最簡(jiǎn)單的鐵心變壓器由一個(gè)軟磁材料做成的鐵心及套在鐵心上的兩個(gè)匝數(shù)不等的線(xiàn)圈構(gòu)成,如下圖所示。
變壓器工作原理
鐵心的作用是加強(qiáng)兩個(gè)線(xiàn)圈間的磁耦合。為了減少鐵內(nèi)渦流和磁滯損耗,鐵心由涂漆的硅鋼片疊壓而成;兩個(gè)線(xiàn)圈之間沒(méi)有電的聯(lián)系,線(xiàn)圈由絕緣銅線(xiàn)(或鋁線(xiàn))繞成。一個(gè)線(xiàn)圈接交流電源稱(chēng)為初級(jí)線(xiàn)圈(或原線(xiàn)圈),另一個(gè)線(xiàn)圈接用電器稱(chēng)為次級(jí)線(xiàn)圈(或副線(xiàn)圈)。實(shí)際的變壓器是很復(fù)雜的,不可避免地存在銅損(線(xiàn)圈電阻發(fā)熱)、鐵損(鐵心發(fā)熱)和漏磁(經(jīng)空氣閉合的磁感應(yīng)線(xiàn))等,為了簡(jiǎn)化討論這里只介紹理想變壓器。理想變壓器成立的條件是:忽略漏磁通,忽略原、副線(xiàn)圈的電阻,忽略鐵心的損耗,忽略空載電流(副線(xiàn)圈開(kāi)路原線(xiàn)圈線(xiàn)圈中的電流)。例如電力變壓器在滿(mǎn)載運(yùn)行時(shí)(副線(xiàn)圈輸出額定功率)即接近理想變壓器情況。變壓器是利用電磁感應(yīng)原理制成的靜止用電器。
當(dāng)變壓器的原線(xiàn)圈接在交流電源上時(shí),鐵心中便產(chǎn)生交變磁通,交變磁通用φ表示。原、副線(xiàn)圈中的φ是相同的,φ也是簡(jiǎn)諧函數(shù),表為φ=φmsinωt。由法拉第電磁感應(yīng)定律可知,原、副線(xiàn)圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為e1=-N1dφ/dt、e2=-N2dφ/dt。式中N1、N2為原、副線(xiàn)圈的匝數(shù)。由圖可知U1=-e1,U2=e2(原線(xiàn)圈物理量用下角標(biāo)1表示,副線(xiàn)圈物理量用下角標(biāo)2表示),其復(fù)有效值為U1=-E1=jN1ωΦ、U2=E2=-jN2ωΦ,令k=N1/N2,稱(chēng)變壓器的變比。由上式可得U1/ U2=-N1/N2=-k,即變壓器原、副線(xiàn)圈電壓有效值之比,等于其匝數(shù)比而且原、副線(xiàn)圈電壓的位相差為π。
進(jìn)而得出:U1/U2=N1/N2在空載電流可以忽略的情況下,有I1/ I2=-N2/N1,即原、副線(xiàn)圈電流有效值大小與其匝數(shù)成反比,且相位差π。
進(jìn)而可得I1/ I2=N2/N1
理想變壓器原、副線(xiàn)圈的功率相等P1=P2。說(shuō)明理想變壓器本身無(wú)功率損耗。實(shí)際變壓器總存在損耗,其效率為η=P2/P1。電力變壓器的效率很高,可達(dá)90%以上。
變壓器接線(xiàn)方法:
常見(jiàn)的變壓器繞組有二種接法,即“三角形接線(xiàn)”和“星形接線(xiàn)”;在變壓器的聯(lián)接組別中“D表示為三角形接線(xiàn),“Yn”表示為星形帶中性線(xiàn)的接線(xiàn),Y表示星形,n表示帶中性線(xiàn);“11”表示變壓器二次側(cè)的線(xiàn)電壓Uab滯后一次側(cè)線(xiàn)電壓UAB330度(或超前30度)。
變壓器的聯(lián)接組別的表示方法是:大寫(xiě)字母表示一次側(cè)(或原邊)的接線(xiàn)方式,小寫(xiě)字母表示二次側(cè)(或副邊)的接線(xiàn)方式。Y(或y)為星形接線(xiàn),D(或d)為三角形接線(xiàn)。數(shù)字采用時(shí)鐘表示法,用來(lái)表示一、二次側(cè)線(xiàn)電壓的相位關(guān)系,一次側(cè)線(xiàn)電壓相量作為分針,固定指在時(shí)鐘12點(diǎn)的位置,二次側(cè)的線(xiàn)電壓相量作為時(shí)針。“Yn,d11”,其中11就是表示:當(dāng)一次側(cè)線(xiàn)電壓相量作為分針指在時(shí)鐘12點(diǎn)的位置時(shí),二次側(cè)的線(xiàn)電壓相量在時(shí)鐘的11點(diǎn)位置。也就是,二次側(cè)的線(xiàn)電壓Uab滯后一次側(cè)線(xiàn)電壓UAB330度(或超前30度)。
變壓器二個(gè)繞組組合起來(lái)就形成了4種接線(xiàn)組別:“Y,y”、“D,y”、“Y,d”和“D,d”。我國(guó)只采用“Y,y”和“Y,d”。由于Y連接時(shí)還有帶中性線(xiàn)和不帶中性線(xiàn)兩種,不帶中性線(xiàn)則不增加任何符號(hào)表示,帶中性線(xiàn)則在字母Y后面加字母n表示。n表示中性點(diǎn)有引出線(xiàn)。Yn0接線(xiàn)組別,UAB與uab相重合,時(shí)、分針都指在12上。“12”在新的接線(xiàn)組別中,就以“0”表示。目前變壓器廠(chǎng)家運(yùn)用的變壓器的接線(xiàn)方法主要有:三角型接法和星型接法兩種。
兩種接線(xiàn)方法接線(xiàn)示意圖
三角形接法是將各相電源或負(fù)載依次首尾相連,并將每個(gè)相連的點(diǎn)引出,作為三相電的三個(gè)相線(xiàn)。三角形接法沒(méi)有中性點(diǎn),也不可引出中性線(xiàn),因此只有三相三線(xiàn)制。添加地線(xiàn)后,成為三相四線(xiàn)制,三角形接法的三相電,線(xiàn)電壓等于相電壓而線(xiàn)電流等于相電流的√3倍。
星形接法(Y型接法)的三個(gè)繞組,每一端接三相電壓的一相,另一端接在一起,不接任何一相電,也可不接零線(xiàn),這樣每個(gè)繞組的電壓是相電壓,也就是每相對(duì)地的電壓,也就是通常指的220V。星形接法是將三相電源繞組或負(fù)載的一端都接在一起構(gòu)成中性線(xiàn),由于均衡的三相電的中性線(xiàn)中電流為零,故也叫零線(xiàn):三相電源繞組或負(fù)載的另一端的引出線(xiàn),分別為三相電的三個(gè)相線(xiàn)。遠(yuǎn)程輸電時(shí),只使用三根相線(xiàn),形成三相三線(xiàn)制。到達(dá)用戶(hù)的電路,往往涉及220V和380V兩種電壓,需三根相線(xiàn)和一根零線(xiàn),形成三相四線(xiàn)制。用戶(hù)為避免漏電形成的觸電事故,還要添加一根地線(xiàn),這時(shí)就有三根相線(xiàn),一根零線(xiàn)和一根地線(xiàn),故也有三相五線(xiàn)制的說(shuō)法。