小型變壓器的使用與維修項(xiàng)目一1任務(wù)1小型變壓器的認(rèn)知任務(wù)2小型變壓器的拆裝和重繞任務(wù)3小型變壓器的檢測(cè)與維護(hù)2任務(wù)1

小型變壓器的認(rèn)知3學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解小型變壓器的基本結(jié)構(gòu)、分類和用途。2.掌握小型變壓器的工作原理。3.熟悉小型變壓器的銘牌數(shù)據(jù)。4.能正確完成變壓器的空載運(yùn)行、負(fù)載運(yùn)行和阻抗變換試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)小型變壓器的變壓、變流及阻抗變換。4任務(wù)引入機(jī)床控制電路中的小型變壓器可以輸出幾組不同的交流電壓值，以滿足不同電氣設(shè)備的需要。對(duì)于需要使用直流電壓的家用電器，應(yīng)先通過變壓器將220V的單相交流電降為6~36V的交流電，再經(jīng)整流獲得直流電壓；各種電子產(chǎn)品的電源適配器中大多包含小型變壓器；直流充電器也主要由小型變壓器構(gòu)成。因此，認(rèn)識(shí)小型變壓器對(duì)于電氣技術(shù)人員來說是非常重要的。認(rèn)識(shí)小型變壓器可以從小型變壓器的基本結(jié)構(gòu)、分類及用途入手，進(jìn)而掌握其工作原理，熟悉其銘牌數(shù)據(jù)。本任務(wù)以一臺(tái)小型控制變壓器為例，對(duì)小型變壓器進(jìn)行初步認(rèn)知。5一、小型變壓器的基本結(jié)構(gòu)小型變壓器一般都是單相變壓器，由鐵芯和繞組兩個(gè)最基本的部分組成。1.鐵芯鐵芯是變壓器的磁路部分，也作為變壓器的機(jī)械骨架。為了提高導(dǎo)磁性能，減少鐵芯內(nèi)部的磁滯損耗和渦流損耗，鐵芯一般由0.35mm厚的冷軋硅鋼片疊成，硅鋼片表面涂有絕緣漆。鐵芯由鐵芯柱和鐵軛兩部分構(gòu)成，套裝繞組的部分稱為鐵芯柱，連接鐵芯柱形成閉合磁路的部分稱為鐵軛。6相關(guān)知識(shí)鐵芯結(jié)構(gòu)的基本形式有芯式和殼式兩種，其結(jié)構(gòu)示意圖、特點(diǎn)及應(yīng)用見下表。7芯式和殼式變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖、特點(diǎn)和應(yīng)用

鐵芯疊片的形式根據(jù)變壓器容量的大小而有所不同，小型變壓器為了簡(jiǎn)化工藝和減小氣隙，其鐵芯常采用E字形、F字形或C字形硅鋼片交替疊壓而成，如圖所示。8小型變壓器鐵芯的硅鋼片a）E字形b）F字形c）C字形2.繞組繞組是變壓器的電路部分，常用絕緣銅線或鋁線繞制而成。接電源的繞組稱為一次繞組或初級(jí)繞組，簡(jiǎn)稱原邊，與負(fù)載相接的繞組稱為二次繞組或次級(jí)繞組，簡(jiǎn)稱副邊。對(duì)于小型芯式變壓器，一次繞組和二次繞組分別套裝在兩個(gè)不同的鐵芯柱上，如圖所示。9小型芯式變壓器的繞組結(jié)構(gòu)對(duì)于小型殼式變壓器，一次繞組和二次繞組套裝在中間的同一根鐵芯柱上，繞組結(jié)構(gòu)形式有三種，見下表。10

小型殼式變壓器的繞組結(jié)構(gòu)形式二、變壓器的分類和主要用途變壓器的作用是在交流電路中改變電壓、改變電流、改變阻抗、改變相位和實(shí)現(xiàn)電氣隔離。變壓器的種類繁多，分類的方法也多種多樣，具體的分類和主要用途見下表。11變壓器的分類和主要用途12變壓器的分類和主要用途13變壓器的分類和主要用途14變壓器的分類和主要用途15變壓器的分類和主要用途16變壓器的分類和主要用途三、小型變壓器的工作原理變壓器一次繞組的匝數(shù)用

N1

表示，二次繞組的匝數(shù)用

N2

表示。根據(jù)二次繞組是否連接負(fù)載，變壓器的運(yùn)行方式可分為空載運(yùn)行和負(fù)載運(yùn)行。為了便于分析，把忽略繞組直流電阻、鐵芯損耗、漏磁通、磁飽和影響的變壓器稱為理想變壓器。171.理想變壓器空載運(yùn)行理想變壓器空載運(yùn)行是指變壓器一次繞組加額定電壓、二次繞組開路的工作狀態(tài)。當(dāng)一次繞組接交流電源

u1

時(shí)，一次繞組中會(huì)有電流

i0

流過，鐵芯中會(huì)產(chǎn)生主磁通

Φm，從而在一次繞組、二次繞組中分別產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

e1和

e2，如圖所示。u1

與i0

的參考方向一致，i0

、e1、e2

的參考方向與

Φm

的參考方向之間符合右手螺旋法則。18理想變壓器空載運(yùn)行原理（1）空載電流

i0變壓器空載運(yùn)行時(shí)流過一次繞組的電流稱為空載電流，理想變壓器的空載電流主要產(chǎn)生鐵芯中的磁通，所以空載電流也稱為空載勵(lì)磁電流。（2）電壓和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系因?yàn)槔硐胱儔浩鞑豢紤]繞組的直流電阻、鐵芯的損耗等，所以一次繞組的電壓平衡方程式為：（1-1-1）式（1-1-1）說明一次繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電源電壓大小相等，即

U1=E1，在相位上，與

反相位，也稱為反電動(dòng)勢(shì)。19二次繞組的電壓為

U20，由于二次繞組開路時(shí)無電流輸出，所以二次繞組的電壓平衡方程式為：（1-1-2）式（1-1-2）說明二次繞組輸出電壓與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小相等，即

U20=E2，并且

與

同相位。20（3）感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小根據(jù)電磁感應(yīng)定律

E=-N

可推導(dǎo)出變壓器一次繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

E1

、二次繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

E2

大小分別為：E1=4.44fN1

Φm（1-1-3）E2=4.44fN2

Φm（1-1-4）式中E1，E2———感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值，V；

f———交流電源的頻率，Hz；

Φm———主磁通幅值，Wb。21（4）變壓比

K

變壓比的定義是變壓器一次繞組的相電動(dòng)勢(shì)

E1

與二次繞組的相電動(dòng)勢(shì)

E2

之比，因?yàn)閁1=E1=4.44fN1

Φm，U2=E20=4.44fN2

Φm，所以：（1-1-5）式（1-1-5）說明繞組的電壓與匝數(shù)成正比，在一次繞組匝數(shù)不變的情況下，只要改變二次繞組的匝數(shù)就能改變輸出電壓的大小，因此變壓器具有改變電壓的作用。當(dāng)

N1>N2，即

K>1時(shí)，變壓器起降壓作用；當(dāng)

N1=N2，即

K=1時(shí)，變壓器起隔離作用；當(dāng)

N1<N2，即

K<1時(shí)，變壓器起升壓作用。222.理想變壓器負(fù)載運(yùn)行理想變壓器負(fù)載運(yùn)行是指變壓器一次繞組加額定電壓、二次繞組接負(fù)載的工作狀態(tài)，如圖所示，二次繞組的電流

i2

流過負(fù)載，此時(shí)一次繞組的電流從空載電流

i0

增加到

i1

。23理想變壓器負(fù)載運(yùn)行原理（1）變壓器的電流變換對(duì)于理想變壓器，一次繞組與二次繞組的視在功率相等，即：（1-1-6）式（1-1-6）說明變壓器也具有改變電流的作用，其一次繞組與二次繞組電流有效值之比等于變壓比的倒數(shù)，且一次側(cè)電流隨著二次側(cè)電流的變化而變化。當(dāng)功率一定時(shí)，繞組電流與繞組電壓成反比，即高壓繞組電流小，低壓繞組電流大。24（2）變壓器的阻抗變換一次繞組接在交流電源上，對(duì)電源而言變壓器相當(dāng)于一個(gè)負(fù)載，其輸入阻抗可通過輸入電壓、輸入電流計(jì)算，即變壓器的輸入阻抗為Z1=U1/I1，而變壓器的二次側(cè)輸出端又接了負(fù)載，變壓器的輸出電壓、輸出電流與負(fù)載之間存在

Z2=U2/I2=ZL

的關(guān)系。變壓器的阻抗變換如圖所示，可以看出經(jīng)過變壓器把

Z2

接到電源上和不經(jīng)變壓器直接把

Z2

接到電源上，兩者是完全不同的，這里變壓器起到改變阻抗的作用，把Z2

等效變?yōu)?/p>

Z1

可以在

u1的電壓下工作。2526變壓器的阻抗變換四、小型變壓器的銘牌數(shù)據(jù)1.額定電壓U1N/U2NU1N

是變壓器一次繞組的額定電壓；U2N

是當(dāng)一次繞組加額定電壓時(shí)，二次繞組的開路電壓，即U20，單位為V。使用變壓器時(shí)，電源電壓不得超過額定電壓

U1N

。2.額定電流I1N/I2NI1N/

I2N

是變壓器一次繞組、二次繞組連續(xù)運(yùn)行時(shí)所允許通過的電流，即在規(guī)定的環(huán)境溫度和冷卻條件下允許的滿載電流值，單位為A。273.額定容量SNSN

是變壓器的視在功率，表示變壓器在額定狀態(tài)下的最大輸出功率，其大小與變壓器的額定電壓和額定電流有關(guān)，也受到環(huán)境溫度、冷卻條件的影響。4.額定頻率fNfN是變壓器的電源頻率，我國(guó)規(guī)定額定頻率為50Hz。28任務(wù)2

小型變壓器的拆裝和重繞29學(xué)習(xí)目標(biāo)1.掌握小型變壓器的設(shè)計(jì)制作方法。2.掌握小型變壓器的重繞修理方法。3.能正確完成小型變壓器的拆卸、重繞、測(cè)試和絕緣處理。30任務(wù)引入小型單相變壓器的繞制分為設(shè)計(jì)制作和重繞修理，它們的繞制工藝相同。設(shè)計(jì)制作是將使用者的要求作為依據(jù)，以滿足要求為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算后再繞制；而重繞修理是以原物參數(shù)為依據(jù)進(jìn)行恢復(fù)性的繞制。本任務(wù)要求在給定設(shè)備和相關(guān)材料的基礎(chǔ)之上，完成變壓器的拆裝和重繞工作。31一、小型單相變壓器的設(shè)計(jì)制作小型單相變壓器的設(shè)計(jì)制作思路是：由負(fù)載的大小確定變壓器的容量；由負(fù)載側(cè)所需電壓計(jì)算出變壓器各繞組的匝數(shù)；根據(jù)用戶的使用要求及環(huán)境決定變壓器的材質(zhì)和尺寸。1.計(jì)算變壓器的輸出容量S2變壓器輸出容量的大小等于二次側(cè)各電壓等級(jí)負(fù)載的視在功率之和，二次側(cè)繞組的數(shù)量需要與負(fù)載的電壓等級(jí)數(shù)量相同，則

S2

為

S2=U2

I2

+U3

I3+…+UnIn（1-2-1）式中U2

、U3

、…、Un———變壓器二次側(cè)各繞組電壓有效值，V；

I2

、I3

、…、In———變壓器二次側(cè)各繞組電流有效值，A。32相關(guān)知識(shí)2.估算變壓器輸入容量S1和輸入電流I1對(duì)于小型變壓器，考慮負(fù)載運(yùn)行時(shí)的功率損耗（銅耗及鐵耗）后，其輸入容量

S1

的估算公式為：（1-2-2）式中，η為變壓器的效率，總是小于1，小型變壓器的

η

一般為0.8~0.9。輸入電流為：（1-2-3）式中U1———變壓器一次側(cè)繞組電壓（即外加電壓）的有效值，V；1.1~1.2———考慮變壓器空載勵(lì)磁電流的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。333.變壓器鐵芯截面積的計(jì)算及硅鋼片尺寸的確定（1）鐵芯截面積的計(jì)算小型單相變壓器的鐵芯結(jié)構(gòu)多采用殼式，鐵芯柱上放置繞組。鐵芯尺寸如圖所示。它的鐵芯柱截面積

AFe與變壓器輸出容量

S2

的關(guān)系為：（1-2-4）式中，k

為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，大小與

S2

有關(guān)，可參考下表。34經(jīng)驗(yàn)系數(shù)k

參考值由下圖可知，鐵芯柱截面積為：

AFe=ab（1-2-5）式中a———鐵芯柱寬，cm；b———鐵芯凈疊厚，cm。35變壓器鐵芯尺寸（2）硅鋼片尺寸的確定下表列出了目前通用的小型變壓器硅鋼片的規(guī)格，可供查詢。36小型變壓器通用硅鋼片尺寸mm（3）硅鋼片材料的選用小型變壓器通常采用0.35mm厚的硅鋼片作為鐵芯材料，硅鋼片規(guī)格型號(hào)的選取不僅受材料磁感應(yīng)強(qiáng)度

Bm

的制約，還與鐵芯的結(jié)構(gòu)形狀有關(guān)。若變壓器采用

E字形鐵芯結(jié)構(gòu)，硅鋼片材料可選用：冷軋硅鋼片

D310，Bm

取1.2~1.4T；熱軋硅鋼片（D41

、D42）、Bm

取1.0~1.2T；熱軋硅鋼片

D43，Bm

取1.1~1.2T。若變壓器采用C字形鐵芯或拼條式鐵芯結(jié)構(gòu)，則只能選用有趨向的冷軋硅鋼片。374.計(jì)算每個(gè)繞組的匝數(shù)

N由變壓器感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

E

的計(jì)算公式（1-2-7）可得感應(yīng)產(chǎn)生1V電動(dòng)勢(shì)的匝數(shù)計(jì)算公式，見式（1-2-8）。（1-2-7）（1-2-8）38根據(jù)使用的硅鋼片材料選取

Bm

值，一般在

Bm

合理范圍內(nèi)取下限值。再確定鐵芯柱截面積

AFe

及

N0，最后根據(jù)式（1-2-9）和（1-2-10）求各個(gè)繞組的匝數(shù)。一次繞組的匝數(shù)為：N1=U1N0（1-2-9）二次繞組的匝數(shù)為：N2

=1.05U2

N0N3=1.05U3N0（1-2-10）Nn=1.05UnN0395.計(jì)算每個(gè)繞組的導(dǎo)線直徑并選擇導(dǎo)線導(dǎo)線截面積As為：（1-2-11）式中，j為電流密度，一般取2~3A/mm2；當(dāng)變壓器短時(shí)工作時(shí)，電流密度可取4~5A/mm2。再以計(jì)算出的

As

為依據(jù)，查下表選取相同或相近截面積的導(dǎo)線，確定導(dǎo)線直徑?

和導(dǎo)線帶漆膜后的外徑

?′。4041

常用圓銅漆包線規(guī)格42

常用圓銅漆包線規(guī)格43

常用圓銅漆包線規(guī)格6.核算鐵芯窗口的面積（1）根據(jù)鐵芯窗高

h

計(jì)算每層匝數(shù)

Ni

為：（1-2-12）式中，系數(shù)0.9為考慮繞組框架兩端各空出5%不繞導(dǎo)線而進(jìn)行的調(diào)整，而（2~4）為考慮繞組框架厚度而留出的空間。（2）每個(gè)繞組需繞制的層數(shù)

mi

為：（1-2-13）（3）計(jì)算層間絕緣及每個(gè)繞組的厚度。44二、小型變壓器的重繞修理1.變壓器的拆卸變壓器拆卸前及拆卸過程中，必須記錄銘牌數(shù)據(jù)和繞組數(shù)據(jù)，作為制作木質(zhì)芯子及骨架、選用導(dǎo)線、繞制繞組和裝配鐵芯等的依據(jù)。記錄銘牌數(shù)據(jù)主要是記錄變壓器的型號(hào)，容量，一、二次電壓和絕緣等級(jí)等原始數(shù)據(jù)。記錄繞組數(shù)據(jù)主要是記錄變壓器繞組導(dǎo)線的規(guī)格、匝數(shù)、繞組尺寸、繞組引出線規(guī)格和長(zhǎng)度、繞組的質(zhì)量等原始數(shù)據(jù)。45單相變壓器的拆卸步驟見下表

。46單相變壓器的拆卸47單相變壓器的拆卸48單相變壓器的拆卸2.重繞匝數(shù)的核算（1）測(cè)量原鐵芯截面。先測(cè)量原鐵芯凈疊厚及鐵芯柱寬，再考慮硅鋼片絕緣層和片間隙的疊壓系數(shù)，小型變壓器一般取0.9。（2）獲取原鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度

Bm

。（3）進(jìn)行重繞匝數(shù)的核算。493.變壓器的重繞（1）繞組的制作制作繞組的具體步驟見下表。50繞組的制作51繞組的制作52繞組的制作53繞組的制作54繞組的制作55繞組的制作56繞組的制作57繞組的制作（2）硅鋼片的安裝硅鋼片的安裝步驟見下表。58

硅鋼片的安裝59

硅鋼片的安裝4.變壓器的測(cè)試變壓器測(cè)試的目的是檢驗(yàn)制作的變壓器的電氣性能是否達(dá)到了要求，具體的測(cè)試步驟見下表。60變壓器的測(cè)試61變壓器的測(cè)試62變壓器的測(cè)試5.變壓器的絕緣處理制作的變壓器經(jīng)測(cè)試合格后，需要對(duì)其進(jìn)行絕緣處理，具體步驟見下表。63變壓器的絕緣處理64變壓器的絕緣處理任務(wù)3小型變壓器的檢測(cè)與維護(hù)65學(xué)習(xí)目標(biāo)1.掌握變壓器同名端、異名端的概念以及極性的判別方法。2.了解變壓器的外特性。3.了解變壓器的損耗類型，理解變壓器的效率特性。4.熟悉小型變壓器的常見故障及原因。5.能正確完成變壓器同名端的判別、變壓器空載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)。66任務(wù)引入無論是新制作的，還是經(jīng)過維修的變壓器，為保證它的性能指標(biāo)符合使用條件，必須按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)合格后方可使用。檢測(cè)的內(nèi)容主要有：鐵芯材料、裝配工藝質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)；繞組的匝數(shù)是否正確、匝間有無短路；鐵損耗、銅損耗是否符合設(shè)計(jì)要求；變壓器運(yùn)行性能是否良好等。本任務(wù)以單相變壓器為例，通過試驗(yàn)的形式測(cè)定變壓器的運(yùn)行性能和相關(guān)參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行維護(hù)。67一、變壓器繞組的極性變壓器繞組的極性是指變壓器一次、二次繞組在同一磁通作用下所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之間的相位關(guān)系，通常用同名端來標(biāo)記。如圖所示，鐵芯上繞制的所有線圈中都穿過同一個(gè)交變的主磁通，在任意某個(gè)瞬間，電動(dòng)勢(shì)都處于相同極性（如正極性）的線圈端稱為同名端；而不是相同極性的兩端稱為異名端。68相關(guān)知識(shí)繞組的極性二、變壓器同名端的判別方法1.直流法（電池—毫安表法）用直流法測(cè)定變壓器繞組極性的原理圖如圖所示，具體的方法步驟如下：69直流法測(cè)定變壓器繞組極性原理圖（1）設(shè)定線端。假定一次繞組1U1、1U2端與二次繞組2U1、2U2端，并做好標(biāo)記，如圖所示。70設(shè)定線端（2）連接線路。按照?qǐng)D所示的原理圖，將電池的“-”

極接至一次側(cè)1U2，而“+”

極與開關(guān)SA串聯(lián)后接到一次側(cè)的1U1，在二次繞組間接入一個(gè)直流毫安表（或萬用表選至直流毫安擋），毫安表的“+”

端子（或紅表筆）與變壓器二次側(cè)繞組2U1相接，表的“-”

端子（或黑表筆）與變壓器二次側(cè)繞組2U2相接，接線實(shí)物圖如圖所示。71直流法測(cè)定變壓器繞組極性接線實(shí)物圖直流法測(cè)定變壓器繞組極性原理圖（3）測(cè)定判斷。合上開關(guān)SA的瞬間，變壓器鐵芯充磁，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，變壓器兩繞組中有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，若直流毫安表（或萬用表）的指針向零刻度的正方向（右方）偏轉(zhuǎn)，則被測(cè)變壓器1U1與2U1、1U2與2U2是同名端。若指針向零刻度的負(fù)方向（左方）偏轉(zhuǎn)，則被測(cè)變壓器1U1與2U2、1U2與2U1是同名端。722.交流法用交流法測(cè)量變壓器繞組的極性時(shí)，一般將變壓器的一次繞組尾端1U2和二次繞組尾端2U2用導(dǎo)線連接起來，然后在變壓器一次繞組首、尾端