隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，除了前面介紹的普通雙繞組電力變壓器外，相應(yīng)地出現(xiàn)了適用于各種用途的特殊變壓器，雖然種類和規(guī)格很多，但是其基本原理與普通雙繞組變壓器相同或相似，不再作一一討論。本節(jié)主要介紹較常用的自耦變壓器、儀用互感器、弧焊變壓器的工作原理及特點(diǎn)。

一、自耦變壓器

1．結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及用途

前面敘述的變壓器，其一、二次繞組是分開繞制的，它們雖裝在同一鐵心上，但相互之間是絕緣的，即一、二次繞組之間只有磁的耦合，而沒有電的直接聯(lián)系。這種變壓器稱為雙繞組變壓器。如果把一、二次繞組合二為一，使二次繞組成為一次繞組的一部分，這種只有一個繞組的變壓器稱為自耦變壓器，如圖2—35所示?？梢娮择钭儔浩鞯囊弧⒍卫@組之間除了有磁的耦合外，還有電的直接聯(lián)系。由下面的分析可知，自耦變壓器可節(jié)省銅和鐵的消耗量，從而減小變壓器的體積、重量，降低制造成本，且有利于大型變壓器的運(yùn)輸和安裝。在高壓輸電系統(tǒng)中，自耦變壓器主要用來連接兩個電壓等級相近的電力網(wǎng)，作聯(lián)絡(luò)變壓器之用。在實(shí)驗(yàn)室常用具有滑動觸點(diǎn)的自耦調(diào)壓器獲得可任意調(diào)節(jié)的交流電壓。此外，自耦變壓器還常用作異步電動機(jī)的起動補(bǔ)償器，對電動機(jī)進(jìn)行降壓起動。

圖2－35  自耦變壓器工作原理

2．電壓、電流及容量關(guān)系

    自耦變壓器也是利用電磁感應(yīng)原理工作的，當(dāng)一次繞組U1U2兩端加交變電壓U₁時，鐵心中產(chǎn)生交變的磁通，并分別在一次繞組及二次繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E₁及E₁，它們也有下述關(guān)系

 U₁≈E₁＝4.44fN₁Фm

U₂＝E₂=4.44fN₂Фm

  

  故自耦變壓器的變比K為

    當(dāng)自耦變壓器二次繞組加上負(fù)載后，由于外加電源電壓不變，故主磁通近似不變，因此總的勵磁磁通勢仍等于空載磁通勢，即

 

 

可見流經(jīng)公共繞組中的電流總是小于輸出電流I₂。當(dāng)變比K接近于1時，則I₁與I₂的數(shù)值相差不大，即公共繞組中的電流I很小，因而這部分繞組可用截面積較小的導(dǎo)線繞制，以節(jié)約用銅量，并減小自耦變壓器的體積與重量。

自耦變壓器輸出的視在功率為S₂=U₂I₂=U₂（I+I₁）=U₂I+U₂I₁

從上式可看出，自耦變壓器的輸出功率由兩部分組成，其中U₂I部分是依據(jù)電磁感應(yīng)原理從一次繞組傳遞到二次繞組的視在功率，而U₂I₁則是通過電路的直接聯(lián)系從一次繞組直接傳遞到二次繞組的視在功率。由于I₁只在一部分繞組的電阻上產(chǎn)生銅損耗，因此自耦變壓器的損耗比普通變壓器要小，效率較高，因而較為經(jīng)濟(jì)。

理論分析和實(shí)踐都可以證明：當(dāng)一二次繞組電壓之比接近于1時，或者說不大于2時，自耦變壓器的優(yōu)點(diǎn)比較顯著，當(dāng)變比大于2時，好處就不多了。所以實(shí)際應(yīng)用的自耦變壓器，其變比一般在1.2～2.0的范圍內(nèi)。如在電力系統(tǒng)中，用自耦變壓器把110 kV、150 kV、220 kV和330kV的高壓電力系統(tǒng)連接成大規(guī)模的動力系統(tǒng)。自耦變壓器的缺點(diǎn)在于：一、二次繞組的電路直接連在一起，造成高壓側(cè)的電氣故障會波及到低壓側(cè)，這是很不安全的，因此要求自耦變壓器在使用時必須正確接線，且外殼必須接地，并規(guī)定安全照明變壓器不允許采用自耦變壓器結(jié)構(gòu)形式。自耦變壓器不僅用于降壓，也可作為升壓變壓器。

如果把自耦變壓器的抽頭做成滑動觸點(diǎn)，就可構(gòu)成輸出電壓可調(diào)的自耦變壓器。為了使滑動接觸可靠，這種自耦變壓器的鐵心做成圓環(huán)形，其上均勻分布繞組，滑動觸點(diǎn)由碳刷構(gòu)成，由于其輸出電壓可調(diào)，因此稱為自耦調(diào)壓器，其外形和原理電路如圖2—36所示。自耦變壓器的一次繞組匝數(shù)N₁固定不變，并與電源相連，一次繞組的另一端點(diǎn)U2和滑動觸點(diǎn)a之間的繞組N₂就作為二次繞組。當(dāng)滑動觸點(diǎn)a移動時，輸出電壓U₂隨之改變，這種調(diào)壓器的輸出電壓U₂可低于一次繞組電壓U₁，也可稍高于一次繞組電壓。如實(shí)驗(yàn)室中常用的單相調(diào)壓器，一次繞組輸入電壓U₁＝220V，二次繞組輸出電壓U₂＝0～250V，在使用時，要注意：一、二次繞組的公共端U₂或u₂接中性線（零線），U₁端接電源相線（火線），u₁端和u₂端作為輸出。此外還必須注意自耦調(diào)壓器在接電源之前，必須把手柄轉(zhuǎn)到零位，使輸出電壓為零，以后再慢慢順時針轉(zhuǎn)動手柄，使輸出電壓逐步上升。

圖2－36  自耦調(diào)壓器

 二、儀用互感器

電工儀表中的交流電流表一般可直接用來測量5～10A以下的電流：交流電壓表可直接用于測量450V以下的電壓。而在實(shí)踐中有時往往需測量幾百、幾千安的大電流及幾千、幾萬伏的高電壓，此時必須加接儀用互感器。

儀用互感器是作為測量用的專用設(shè)備，分電流互感器和電壓互感器兩種，它們的工作原理與變壓器相同。

使用儀用互感器的目的：一是為了測量人員的安全，使測量回路與高壓電網(wǎng)相互隔離；二是擴(kuò)大測量儀表（電流表及電壓表）的測量范圍。儀用互感器除用于交流電流及交流電壓的測量外，還用于各種繼電保護(hù)裝置的測量系統(tǒng)，因此儀用互感器的應(yīng)用很廣，下面分別介紹。

 1．電流互感器

在電工測量中用來按比例變換交流電流的儀器稱為電流互感器。

電流互感器的基本結(jié)構(gòu)形式及工作原理與單相變壓器相似，它也有兩個繞組：一次繞組串聯(lián)在被測的交流電路中，流過的是被測電流I₁，它一般只有一匝或幾匝，用粗導(dǎo)線繞制；二次繞組匝數(shù)較多，與交流電流表（或瓦時計、功率表）相接，如圖2—37所示。

圖2－37  電流互感器

由變壓器工作原理可得   

K_I稱為電流互感器的額定電流比，標(biāo)在電流互感器的銘牌上，只要讀出接在電流互感器二次線圈一側(cè)電流表的讀數(shù)，則一次電路的待測電流就很容易從上式中得到。一般二次電流表用量程為5A的儀表。只要改變接入的電流互感器的變流比，就可測量大小不同的一次電流。

在實(shí)際應(yīng)用中，與電流互感器配套使用的電流表已換算成一次電流，其標(biāo)度尺即按一次電流分度，這樣可以直接讀數(shù)，不必再進(jìn)行換算。例如按5A制造的但與額定電流比600／5A的電流互感器配套使用的電流表，其標(biāo)度尺即按600A分度。

使用電流互感器時必須注意以下事項(xiàng)：

（1）電流互感器的二次繞組絕對不允許開路。因?yàn)槎卫@組開路時，電流互感器處于空載運(yùn)行狀態(tài)，此時一次繞組流過的電流（被測電流）全部為勵磁電流，使鐵心中的磁通急劇增大，一方面使鐵心損耗急劇增加，造成鐵心過熱，燒損繞組；另一方面將在二次繞組感應(yīng)出很高的電壓，可能使絕緣擊穿，并危及測量人員和設(shè)備的安全。因此在一次電路工作時如需檢修或拆換電流表、功率表的電流線圈時，必須先將電流互感器的二次繞組短接。

（2）電流互感器的鐵心及二次繞組一端必須可靠接地，如圖2—37（b）所示，以防止絕緣擊穿后，電力系統(tǒng)的高壓危及工作人員及設(shè)備的安全。

利用互感器原理制造的便攜式鉗形電流表如圖2—38所示。它的閉合鐵心可以張開，將被測載流導(dǎo)線鉗入鐵心窗口中，被測導(dǎo)線相當(dāng)于電流互感器的一次繞組，鐵心上繞二次繞組，與測量儀表相連，可直接讀出被測電流的數(shù)值。其優(yōu)點(diǎn)是測量線路電流時不必斷開電路，使用方便。

圖2－38  鉗形電流表

使用鉗形電流表時應(yīng)注意使被測導(dǎo)線處于窗口中央，否則會增加測量誤差；不知電流大小時，應(yīng)將選擋開關(guān)置于大量程上，以防損壞表計；如果被測電流過小，可將被測導(dǎo)線在鉗口內(nèi)多繞幾圈，然后將讀數(shù)除以所繞匝數(shù)；使用時還要注意安全，保持與帶電部分的安全距離，如被測導(dǎo)線的電壓較高時，還應(yīng)戴絕緣手套和使用絕緣墊。

與變壓器一樣，式僅是一個近似計算公式，即用電流互感器進(jìn)行電流測量時存在一定的誤差，根據(jù)誤差的大小，電流互感器分下列各級：0.2、0.5、1.0、3.0、10.0。如0.5級的電流互感器表示在額定電流時，測量誤差最大不超過±0.5％。電流互感器精確度等級越高，測量誤差越小，但價格越貴。

2．電壓互感器

在電工測量中用來按比例變換交流電壓的儀器稱為電壓互感器。如圖2—39所示。

電壓互感器的基本結(jié)構(gòu)形式及工作原理與單相變壓器很相似。它的一次繞組（一次線圈）匝數(shù)為N₁，，與待測電路并聯(lián)；二次繞組（二次線圈）匝數(shù)為N₂，與電壓表并聯(lián)。一次電壓為U_l，二次電壓為U₂，因此電壓互感器實(shí)際上是一臺降壓變壓器，其變壓比K_u為

圖2－39  電壓互感器

 

K_u常標(biāo)在電壓互感器的銘牌上，只要讀出二次電壓表的讀數(shù)，一次電路的電壓即可由上式得出。一般二次電壓表均用量程為100V的儀表。只要改變接入的電壓互感器的變壓比，就可測量高低不同的電壓。在實(shí)際應(yīng)用中，與電壓互感器配套使用的電壓表已換算成一次電壓，其標(biāo)度尺即按一次電壓分度，這樣可以直接讀數(shù)，不必再進(jìn)行換算。例如按100V制造但與額定電壓比10 000／100V的電壓互感器配套使用的電壓表，其標(biāo)度尺即接10 000V分度。

使用電壓互感器時必須注意以下事項(xiàng)：

（1）電壓互感器的二次繞組在使用時絕不允許短路。如二次繞組短路，將產(chǎn)生很大的短路電流，導(dǎo)致電壓互感器燒壞。

    （2）電壓互感器的鐵心及二次繞組的一端必須可靠地接地，如圖2—39（b）所示，以保證工作人員及設(shè)備的安全。

（3）電壓互感器有一定的額定容量，使用時二次繞組回路不宜接入過多的儀表，以免影響電壓互感器的測量精度。

例2—6：用變壓比為10 000／100 V的電壓互感器，變流比為100／5 A的電流互感器擴(kuò)大量程，其電流表讀數(shù)為3.5 A，電壓表讀數(shù)為96V，試求被測電路的電流、電壓各為多少，

解： 因?yàn)殡娏骰ジ衅髫?fù)載電流等于電流表讀數(shù)乘上電流互感器電流比，即

 

被測電路的電流為70A，電壓為9600V。

三、電焊變壓器

交流弧焊機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、制造容易和維護(hù)方便而被廣泛采用。電焊變壓器是交流弧焊機(jī)的主要組成部分，它實(shí)質(zhì)上是一臺特殊的降壓變壓器。在焊接中，為了保證焊接質(zhì)量和電弧的穩(wěn)定燃燒，對電焊變壓器提出了如下的要求：

（1）電焊變壓器在空載時，應(yīng)有一定的空載電壓，通常U_o＝60～75 V左右，以保證起弧容易。另一方面，為了操作者的安全，空載起弧電壓又不能太高，最高不宜超過85V。

（2）在負(fù)載時，電壓應(yīng)隨負(fù)載的增大而急劇下降，即應(yīng)有陡降的外特性，如圖2—40所示。通常在額定負(fù)載時的輸出電壓約30V左右。

（3）在短路時，短路電流I_SC不應(yīng)過大，以免損壞電焊機(jī)。

（4）為了適應(yīng)不同的焊接工件和不同焊條的需要，要求電焊變壓器輸出的電流能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2－40  焊接電流與電弧電壓的關(guān)系曲線

為了滿足上述要求，電焊變壓器必須具有較大的漏抗，而且可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，電焊變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：鐵心的氣隙比較大，一次、二次繞組不是同心地套在一個鐵心柱上，而是分裝在不同的鐵心柱上，再用磁分路法、串聯(lián)可變電抗器法及改變二次繞組的接法等來調(diào)節(jié)焊接電流。工業(yè)上使用的交流弧焊機(jī)類型很多，如抽頭式、可動鐵心式、可動線圈式和綜合式等，都是依據(jù)上述原理制造的。

磁分路動鐵心式弧焊機(jī)是較具代表性的一類交流弧焊機(jī)，

圖2－41  磁分路動鐵心式弧焊機(jī)外形圖

圖2—41是BXl系列磁分路動鐵心式弧焊機(jī)的外形圖，其基本結(jié)構(gòu)及工作原理如下：

該型電焊機(jī)的電焊變壓器為磁分路動鐵心式結(jié)構(gòu)，它的鐵心由固定鐵心和活動鐵心兩部分組成。固定鐵心為“口”字形，在固定鐵心兩邊的方柱上繞有一次繞組和二次繞組?；顒予F心裝在固定鐵心中間的螺桿上，當(dāng)搖動鐵心調(diào)節(jié)裝置手輪時，螺桿轉(zhuǎn)動，活動鐵心就沿著導(dǎo)桿在固定鐵心的方口中移動，從而改變固定鐵心中的磁通，調(diào)節(jié)焊接電流。它的繞組由一次繞組及二次繞組組成，一次繞組繞在固定鐵心的一邊。二次繞組由兩部分組成，一部分與一次繞組繞在同一邊，另一部分繞在鐵心的另一側(cè)。如圖2—42所示。前一部分起建立電壓的作用，后一部分相當(dāng)于電感線圈。焊接電流的粗調(diào)是靠變更二次繞組接線板上的連接片的接法來實(shí)現(xiàn)的，接法Ⅱ用于焊接電流大的場合，接法Ⅰ用于焊接電流小的場合。焊接電流的細(xì)調(diào)節(jié)則是通過手輪移動鐵心的位置，改變漏抗，從而得到均勻的電流調(diào)節(jié)。

圖2－42 磁分路動鐵心式弧焊機(jī)原理示意圖

BXl系列弧焊機(jī)有三種型號，其中BXl—35的焊接電流調(diào)節(jié)范圍為25～150A，用于薄鋼片的焊接；BXl—330的焊接電流調(diào)節(jié)范圍為50～450A、BXl—500則為50～680A，可用來焊接不同厚度的低碳鋼板。

動圈式弧焊機(jī)的典型產(chǎn)品是BX3系列。它的焊接電流調(diào)節(jié)是靠改變一次繞組和二次繞組

之間的距離（從而改變它們之間的漏抗大?。﹣韺?shí)現(xiàn)的。還可將一次及二次繞組串聯(lián)或并聯(lián)來擴(kuò)大電流調(diào)節(jié)范圍。