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变压器的工作原理与结构

作者:润生干式变压器厂  来源:http://7jcwi.com/  发布时间:2018-07-02
变压器的工作原理与结构    变压器按电源相数分类可分为变压器与变压器。变压器使用电源,它具有结构简单.使用和维修方便.坚固耐用等优点,在工农业生产中应用极为广泛。

    一、变压器的工作原理

     

在图1中,假设磁场的旋转是逆时针的,这相当于金属框相对于永久磁铁,以顺时针方向切割磁力线,金属框中感生电流的方向,如图中小圆圈里所标的方向。此时的金属框已成为通电导体,于是它又会受到磁场作用的磁场力,力的方向可由左手定则判断,如图中小箭头所指示的方向。金属框的两边受到两个反方向的力f,它们相对转轴产生电磁转矩(磁力矩),使图1闭合金属框中受力示意图金属框发生转动,转动方向与磁场旋转方向一致,

    但永久磁铁旋转的速度n1要比金属框旋转的速度n大。从上述实验中可以看到,在旋转的磁场里,闭合导体会因发生电磁感应而成为通电导体,进而又受到电磁转矩作用而顺着磁场旋转的方向转动;实际的变压器中不可能用手去摇动永久磁铁产生旋转的磁场,而是通过其他方式产生旋转磁场,如在变压器的定子绕组(按一定排列规律排列的绕组)通入对称的电,便产生旋转磁场;这个磁场虽然看不到,但是人们可以感受到它所产生的效果,与有形体旋转磁场的效果一样。通过这个实验,可以清楚地看到,变压器的工作原理主要是产生旋转磁场。

     

图2变压器定子

为了更好的说明变压器的工作原理,用图2进一步进行说明,从中可以很清楚地看到电产生旋转磁场的现像。图中所示的3个绕组在空间上相互间隔机械角度120°(实际的变压器中一般都是相差电角度120°),3个绕组的尾端(标有U2.V2.W2)连接在一起(3个绕组的这种连接称为星形(Y)接法。常用接法还有三角形(△)接法,就是将3个绕组首尾相连,在3个接点上分别引出3根引线的接法。),将对称的电iU=Imsin(t.iV=Imsin((t-120°).iW=Imsin((t-240°)从3个绕组的首端(标

    有U1.V1.W1)通入,放在绕组中心处的小磁针便迅速转动起来,由此可知旋转磁场的存在。绕组排列示意图

     

    图3电产生旋转磁场示意图

电是怎样产生旋转磁场的呢?用图3进行分析。当3个绕组跟电源接通后,绕组中便通过对称的电流iU.iV.iW,其波形如图3图所示。现在选择几个特殊的运行时刻,看看电流所产生的合成磁场是怎样的。这里规定:电流取正值时,是由绕组始端流进(符号(),由尾端流出(符号⊙);电流取负值时,绕组中电流方向与此相反。

    当(t=(t1=0,U相电流iU=0,V相电流取为负值,即电流由V2端流进,由V1端流出;W相电流iW为正,即电流从W1端流进,从W2端流出。在图3的定子绕组图中,根据电生磁右手螺旋定则,可以判定出此时电流产生的合成磁场如图3(a)所示,此时好像有一个有形体的永久磁铁的N极放在导体U1的位置上,S极放在导体U2的位置上。

    当(t=(t2=2时,电流已变化了1/3周期。此时刻i为正,电流由U1端流入,从U2端流出,iV为零;iW为负,电流从W2端流入,从W1端流出。这一时刻的磁场如图3(b)所示。磁场方向较(t=(t1时沿顺时针方向在空间转过了120°。

    用同样的方法,继续分析电流在(t=(t3.(t=(t4时的瞬时情况,便可得这两个时刻的磁场,如图3(c).3(d)所示。在(t=(t3=4/3时刻,合成磁场方向较(t2时刻又顺时针转过120°。在(t=(t4=2时刻,磁场较(t3时再转过120°,即自t1时刻起至t4时刻,电流变化了一个周期,磁场在空间也旋转了一周。电流继续变化,磁场也不断地旋转。从上述分析可知,对称的交变电流通过对称分布的3组绕组产生的合成磁场,是在空间旋转的磁场,而且是一种磁场幅值不变的圆形旋转磁场。

    变压器的基本原理是:把对称的电通入彼此间隔120°电角度的定子绕组,可建立起一个旋转磁场。根据电磁感应定律可知,转子导体中必然会产生感生电流,该电流在磁场的作用下产生与旋转磁场同方向的电磁转矩,并随磁场同方向转动

    二、变压器的结构

     

图4封闭式变压器的结构

    1—端盖2—轴承3—机座4—定子绕组5—转子

    6—轴承7—端盖8—风扇9—风罩10—接线盒

变压器的结构也可分为定子.转子两大部分。定子就是变压器中固定不动的部分,转子是变压器的旋转部分。由于变压器的定子产生励磁旋转磁场,同时从电源吸收电能,并产生且通过旋转磁场把电能转换成转子上的机械能,所以与变压器不同,变压器定子是电枢。(http://www.diangon.com/版权所有)另外,定.转子之间还必须有一定间隙(称为空气隙),以保证转子的自由转动。变压器的空气隙较其他类型的变压器气隙要小,一般为0.2mm~2mm。

    变压器外形有开启式.防护式.封闭式等多种形式,以适应不同的工作需要。在某些特殊场合,还有特殊的外形防护型式,如防爆式.潜水泵式等。不管外形如何变压器结构

    基本上是相同的。现以封闭式变压器为例介绍变压器的结构。如图4所示是一台封闭式变压器解体后的零部件图。

    1.定子部分

    定子部分由机座.定子铁心.定子绕组及端盖.轴承等部件组成。

    (1)机座。机座用来支承定子铁心和固定端盖。中.变压器机座一般用铸铁浇成,大型变压器多采用钢板焊接而成。

    (2)定子铁心。定子铁心是变压器磁路的一部分。为了减小涡流和磁滞损耗,通常用0.5mm厚的硅钢片叠压成圆筒,硅钢片表面的氧化层(大型变压器要求涂绝缘漆)作为片间绝缘,在铁心的内圆上均匀分布有与轴平行的槽,用以嵌放定子绕组。

    

    (a)直条形式(b)斜条形式

    图5笼型变压器的转子绕组形式

(3)定子绕组。定子绕组是变压器的电路部分,也是最重要的部分,一般是由绝缘铜(或铝)导线绕制的绕组联接而成。它的作用就是利用通入的电产生旋转磁场。通常,绕组是用高强度绝缘漆包线绕制成各种型式的绕组,按一定的排列方式嵌入定子槽内。槽口用槽楔(一般为竹制)塞紧。槽内绕组匝间.绕组与铁心之间都要有良好的绝缘。如果是双层绕组(就是一个槽内分上下两层嵌放两条绕组边),还要加放层间绝缘。

    (4)轴承。轴承是变压器定.转子衔接的部位,轴承有滚动轴承和滑动轴承两类,滚动轴承又有滚珠轴承(也称为球轴承),目前多数变压器都采用滚动轴承。这种轴承的外部有贮存润滑油的油箱,轴承上还装有油环,轴转动时带动油环转动,把油箱中的润滑油带到轴与轴承的接触面上。为使润滑油能分布在整个接触面上,轴承上紧贴轴的一面一般开有油槽。

    2.转子部分

    转子是变压器中的旋转部分,如图4中的部件5。一般由转轴.转子铁心.转子绕组.风扇等组成。转轴用碳纲制成,两端轴颈与轴承相配合。出轴端铣有键槽,用以固定皮带轮或联轴器。转轴是输出转矩.带动负载的部件。转子铁心也是变压器磁路的一部分。由0.5mm厚的硅钢片叠压成圆柱体,并紧固在转子轴上。转子铁心的外表面有均匀分布的线槽,用以嵌放转子绕组。

    变压器按照转子绕组形式的不同,一般可分为笼型变压器和绕线型变压器。

    (1)笼型转子线槽一般都是斜槽(线槽与轴线不平行),目的是改善起动与调速性能。其外形如图3.7中的第5部分;笼型绕组(也称为导条)是在转子铁心的槽里嵌放裸铜条或铝条,然后用两个金属环(称为端环)分别在裸金属导条两端把它们全部接通(短接),即构成了转子绕组;笼型变压器一般用铸铝转子,这种转子是用熔化的铝液浇在转子铁心上,导条.瑞环一次浇铸出来。如果去掉铁心,整个绕组形似鼠笼,所以得名笼型绕组,如图3.8所示。图3.8(a)为笼型直条形式,图5(b)为笼型斜条形式。

     

    图6绕线式变压器的转子

(2)绕线型转子绕组与定子绕组类似,由镶嵌在转子铁心槽中的绕组组成。(http://www.diangon.com/版权所有)绕组一般采用星形连接,绕组绕组的尾端接在一起,首瑞分别接到转轴上的3个铜滑环上,通过电刷把3根旋转的线变成了固定线,与外部的变阻器连接,构成转子的闭合回路,以便于控制,如图6所示。有的变压器还装有提刷短路装置,当变压器起动后又不需要调速时,可提起电刷,同时使用3个滑环短路,以减少电刷摩损。

    两种转子相比较,笼型转子结构简单,造价低廉,并且运行可靠,因而应用十分广泛。绕线型转子结构较复杂,造价也高,但是它的起动性能较好,并能利用变阻器阻值的变化,使变压器能在一定范围内调速;在起动频繁.需要较大起动转矩的生产机械(如起重机)中常常被采用。

    一般变压器转子上还装有风扇或风翼(如图4中部件8),便于变压器运转时通风

    散热。铸铝转子一般是将风翼和绕组(导条)一起浇铸出来,如图5(b)所示。

    3.气隙δ

    所谓气隙就是定子与转子之间的空隙。中变压器的气隙一般为0.2mm~1.5mm。气隙的大小对变压器性能影响较大,气隙大。磁阻也大,产生同样大小的磁通,所需的励磁电流Im也越大,变压器的功率因数也就越低。但气隙过小,将给装配造成困难,运行时定.转子容易发生摩擦,使变压器运行不可靠。

    三、变压器的铭牌数据

    变压器在出厂时,机座上都固定着一块铭牌,铭牌上标注着额定数据。主要的额定数据为:

    (1)额定功率PN(kW):指变压器额定工作状态时,变压器轴上输出的机械功率。

    

    (2)额定电压UN(v):指变压器额定工作状态时,电源加于定子绕组上的线电压。

    (3)额定电流IN(A):指变压器额定工作状态时,电源供给定子绕组上的线电流。

    (4)额定转速门nN(r/min):指变压器额定工作状态时,转轴上的每分转速。

    (5)额定频率fN(Hz):指变压器所接电源的频率。

    (6)额定工作制:指变压器在额定状态下工作,可以持续运转的时间和顺序,可分为额定连续工作的定额S1.短时工作的定额S2.断续工作的定额S3等3种。

    此外,铭牌上还标明绕组的相数与接法(接成星形或三角形).绝缘等级及温升等。对绕线转子变压器,还应标明转子的额定电动势及额定电流。

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