变压器的应用和其他类型

4.4　变压器的其他类型及应用

变压器的种类很多，除上面讨论的以外，在实际应用中还有许多其他类型的变压器，它们的基本工作原理虽然相同，但各自又有自己的特点。本节对自耦变压器和仪用变压器作一简单的介绍。

4.4.1　自耦变压器

前述双绕组变压器的原、副绕组是分开的，它们之间只有磁的耦合而无电的直接联系。可是自耦变压器只有一个绕组，如图4-12所示。这个绕组的总匝数为N₁，作为原绕组接电源，绕组的一部分匝数为N₂，作为副绕组接负载。电路中各电压、电流用相量表示，其参考方向见图4-12。这样，原、副绕组不仅有磁的耦合，而且还有电的直接联系。

自耦变压器的工作原理与普通双绕组变压器基本相同。电源电压产生电流及铁芯中的主磁通Φ，于是在匝数为N₁及N₂的原、副绕组中产生感应电势、，如略去绕组的阻抗压降，则

磁动势平衡方程式为

故

忽略空载电流，则

式（4-21）说明和相位相反，在数量上

上述副绕组的分接头是固定的，这种自耦变压器称为不可调式自耦变压器。若将分接头做成能沿着径向裸露的绕组表面自由滑动的电刷触头，移动电刷位置，就能平滑地改变N₂的匝数及输出电压的大小，这就是可调式自耦变压器，常称为调压器，其外形及原理如图4-13（a）所示。当输入电压U₁为220V时，输出电压为0～250V可调。

自耦调压器有单相和三相之分，三相调压器的原理如图4-13（b）所示。

使用自耦调压器时应注意以下几点：

（1）原、副绕组不能对调使用，如把电源接到副绕组，可能烧坏调压器或使电源短路。一般输入端有3个接线头，如图4-13（a）所示，在接线时一定要注意。

（2）接通电源前，先将滑动触头旋至零位，接通电源后再逐渐转动手柄，将输出电压调到所需数值。用毕，应将滑动触头再回到零位。

（3）连接电源时，“1”端必须接中性线，因为原、副绕组有电的直接联系。否则，即使滑动滑头旋至低压位置，当人触及输出的任一端时，都有触电的危险。因此规定：自耦变压器不允许用作安全变压器（例如220/36V的行灯变压器），安全变压器一定要是双绕组的。

4.4.2　仪用互感器

仪用互感器是在交流电路中，专供电工测量和自动保护装置使用的变压器，它的作用是：扩大测量仪表的量程，为高压电路的控制、保护设备提供所需的低电压、小电流；同时可使仪表、设备与高压电路隔离，保证仪表、设备和工作人员的安全，并可使仪表、设备的结构简单，价格低廉。

根据仪用互感器的用途不同，可分为电压互感器和电流互感器两种。

1.电压互感器　电压互感器是一台小容量的降压变压器，其结构原理及电路如图4-14所示。它的一次绕组匝数较多，并联在被测电路上；二次绕组匝数较少，接到电压表或其他保护、测量装置的反应电压大小的线圈上。

根据变压器的工作原理，电压互感器一次绕组和二次绕组的电压和匝数成正比，即

通常电压互感器低压侧的额定电压均设计为100V。例如电压互感器的额定电压等级有6000V/100V，10000V/100V等。

如果选用与电压互感器变压比相配合的专用电压表，其表盘按高压侧的电压值刻度，则可直接读出高压侧的电压值。

使用电压互感器时，应注意：

（1）电压互感器的低压侧（二次侧）不允许短路，故在高压侧（一次侧）应接入熔断器进行保护。

（2）为防止电压互感器高压绕组绝缘损坏，使低压侧出现高电压，电压互感器的铁芯、金属外壳和二次绕组的一端必须可靠接地。

2.电流互感器　电流互感器是利用变压器变换电流的作用，将大电流变换成小电流的升压变压器，其结构原理及电路如图4-15所示。它的一次绕组导线较粗，匝数很少（甚至只有1匝），与被测电路负载串联；二次绕组导线较细，匝数多，接在电流表或其他保护、测量装置的反应电流大小的线圈上。

根据变压器的工作原理，电流互感器的一次电流和二次电流与其匝数成反比，即

通常电流互感器二次侧额定电流设计成标准值5A或1A。如电流互感器额定电流等级有30A/5A、75A/5A、100A/5A等。将测量仪表的读数乘以电流互感器的变流比，就可得到被测电流值。通常选用与电流互感器变流比相配合的专用电流表，其表盘按一次电流刻度，就可直接读出一次电流值。

由于电流表的内阻抗很小，所以电流互感器正常工作时，其二次侧是处于短路状态。

使用电流互感器时应注意：

（1）工作时其二次绕组不允许开路。因为电流互感器一次绕组是串联于被测电路，其一次电流即等于负载电流，而与其二次电路是否接通无关。正常工作时，二次绕组的磁动势I₂N₂抵消一次绕组的磁动势I₁N₁，故铁芯中的磁通很少。如果二次开路，I₂N₂等于零，而磁动势I₁N₁大小不变，使铁芯中的磁通猛增，它不但使铁损急剧增加，铁芯发热，而且将在二次绕组感应出数百甚至上千伏的电压，它可能使绕组绝缘被击穿，并危及工作人员的安全，故应特别注意。为此在电流互感器二次电路中不允许装设熔断器，在二次电路中拆装仪表时，必须先将绕组短路。(www.xing528.com)

（2）为了安全，电流互感器的铁芯和二次绕组的一端也必须接地。

在工程中常用的钳形电流表，其外形、结构示意如图4-16所示。它是由一个铁芯可以开、闭的电流互感器和一只电流表组装而成。测量时按下压块，可动铁芯张开，将通过被测电流的那根导线套进钳形铁芯口内，这根载流导线就是电流互感器的一次绕组（一匝）。电流表接在二次绕组两端，其刻度是乘以变流比的换算值，即可读出被测电流的大小。钳形电流表用来测量正在运行中的设备的电流，使用非常方便。

本章小结

1.磁路是磁通集中通过的路径，由于磁性材料具有高导磁性，所以一般电气设备均用磁性材料构成磁路。磁路中的物理量主要有磁感应强度、磁通、磁场强度和磁导率。

2.交流铁芯线圈中磁通仅与电源及线圈匝数有关，而与磁路无关。线圈中交流电流产生的磁通最大值为

Φ_m=U/4.44fN

3.变压器是利用电磁感应原理制成的静止电器，主要由闭合铁芯和绕在其上的一、二次绕组组成。变压器可以变换电压、电流和阻抗，其变换规律是

4.变压器的额定值主要有额定电压U_1N/U_2N、额定电流I_1N/I_2N、额定容量S_N和额定频率f_N。使用变压器时，必须使一次绕组额定电压符合电源电压，二次绕组电压满足负载电压的要求，额定容量大于或等于负载所需的视在功率，额定频率符合电源的频率和负载的要求。

5.自耦变压器的特点是一次绕组和二次绕组合二为一，一、二次绕组既有磁的联系又有电的联系。由自耦变压器构成的调压器，其二次绕组匝数可以通过滑动触头任意改变，因此二次绕组电压可以平滑调节。

6.仪用互感器按用途分为电压互感器和电流互感器。电压互感器用于高电压，电流互感器用于测量大电流。

电压互感器的一次绕组匝数多，二次绕组匝数少，即N₁＞＞N₂。一次绕组并联于待测电路，二次绕组连接低量程电压表，二次侧不许短路；电流互感器的一次绕组匝数少，二次绕组匝数多，即N₁＜＜N₂。一次绕组串联于待测电路，二次绕组连接小量程电流表，二次侧不许断开。

练习题

1.变压器有什么用途?为什么要采用交流高压输电?

2.制造变压器不用铁芯行不行?为什么要用很薄、表面绝缘的硅钢片做铁芯?又规定绕组的方向只能与铁芯叠片方向垂直，什么原因?

3.变压器一次绕组的电阻很小，为什么空载运行时一次绕组加额定的交流电压，变压器不会烧坏?若加上电压相同的直流电压，后果如何?

4.变压器能变换原、副边的电压和电流，它能变换原、副边的功率吗?

5.用钳形电流表测量单相电流时，如把两根线同时钳入，电流表有何读数?当测量三相对称电流时，如钳入两根或三根相线，电流表的读数是否是钳入一根时的2倍或3倍?

6.有一台额定容量为50kVA，额定电压3300/220V的变压器，高压绕组为6000匝，试求：（1）低压绕组匝数；（2）高压侧和低压侧的额定电流。

7.有一台10000/230V的单相变压器，其铁芯截面积S=120cm²，磁感应强度最大值B_m=1T。当高压绕组接到f=50Hz的交流电源上时，求原、副绕组的匝数N₁、N₂各为多少?

8.有一台单相变压器电压比为3000/220V，接一组220V、100W的白炽灯共200只，试求变压器原、副绕组的电流各为多少?

9.某单相小容量变压器，原绕组匝数N₁=780，副绕组匝数N₂=80，铁芯截面积S=13cm²，一次侧电压U₁=220V,f=50Hz，求：（1）变比K及二次侧开路电压U₂₀；（2）铁芯中磁感应强度的最大值B_m。

10.一单相变压器，S_N=10kVA,K=U₁/U₂=3000/230V，副边接220V、60W的电灯。如变压器在额定状态下运行，求：（1）可接多少盏电灯?（2）原、副绕组的额定电流各是多少?（3）如果副边接的是220V、60W,cosφ=0.45的日光灯，可以接多少盏?

11.在图4-17中，输出变压器的副绕组有中间抽头，以便接8Ω或3.5Ω的扬声器，两者都能达到阻抗匹配。试求副绕组两部分匝数之比。

12.图4-18所示的变压器有两个相同的原绕组，每个绕组的额定电压为110V，副绕组的电压为6.3V。

（1）试问：当电源电压在220V和110V两种情况下，原绕组的4个接线端应如何正确连接?在这两种情况下，副绕组两端电压及其中电流有无改变?每个原绕组中的电流有无改变（设负载一定）?

（2）图4-18中，如果把接线端2和4相连，而把1和3接在220V的电源上，试分析这时将发生什么情况?

13.图4-19所示的是一电源变压器，原绕组有1100匝，接220V电压。副绕组有两个，一个电压36V，负载36W；一个电压12V，负载24W。两个都是纯电阻负载，试求原边电流I₁和两个副绕组的匝数。

14.有一三相变压器，一次绕组每相匝数N₁=4160匝，二次绕组每相匝数N₂=160匝，如一次绕组端所加线电压U_L=6000V，试求在“Y,y”和“Y,d”两种连接法时二次绕组端的线电压和相电压。

15.在图4-20中，R_L=16Ω为一扬声器，接在输出变压器T_r的二次侧。已知N₁=600，N₂=200，信号源电压有效值U_S=12V，内阻R_S=200Ω，试求信号源输出功率。