第6章变压器[1]

1、(3-1) 第第6章章 磁路与铁心线圈电路磁路与铁心线圈电路 (3-2) 6-1 磁路的基本物理量和基本性质磁路的基本物理量和基本性质 磁路：主磁通所经过的闭合路径。磁路：主磁通所经过的闭合路径。 磁路的基本概念磁路的基本概念 线圈通入电流后，产线圈通入电流后，产 生磁通，分主磁通和漏生磁通，分主磁通和漏 磁通。磁通。 ：主磁通主磁通 ：漏磁通漏磁通1 u 2 u i 铁心铁心 （导磁性能好（导磁性能好 的磁性材料）的磁性材料） (3-3) 一、一、 磁路计算中的基本物理量磁路计算中的基本物理量 1、磁感应强度、磁感应强度 B（磁通密度）（磁通密度） S B 与磁场方向相垂直的单位面积上通过的

2、磁通与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通 （磁力线）（磁力线） 均匀磁场均匀磁场是各点是各点 B 的大小相等，方向相同的磁场的大小相等，方向相同的磁场 (3-4) 2、磁导率、磁导率：表征各种材料导磁能力的物理量：表征各种材料导磁能力的物理量 （亨（亨/米）米） -7 0 104 真空中的磁导率真空中的磁导率( )为常数为常数 0 一般材料的磁导率一般材料的磁导率 和真空中的磁导率之比，和真空中的磁导率之比， 称为这种材料的相对磁导率称为这种材料的相对磁导率 r 0 r 1 r 称为磁性材料称为磁性材料 1 r 称为非磁性材料称为非磁性材料 (3-5) 3、磁场强度、磁场强度 H 磁场强度是

3、计算磁场所用的物理量，其大小为磁磁场强度是计算磁场所用的物理量，其大小为磁 感应强度和导磁率之比。感应强度和导磁率之比。 B H 磁场强度与励磁电流成正比。磁场强度与励磁电流成正比。 (3-6) 二、铁磁材料的磁性能：二、铁磁材料的磁性能： 1、磁导率高、磁导率高 r 1 磁化前磁化前磁化后磁化后 外磁场外磁场 铁磁材料的磁化铁磁材料的磁化 磁畴磁畴 磁畴结构磁畴结构 在物质内部电子绕原子核在物质内部电子绕原子核 旋转及电子本身自转形成旋转及电子本身自转形成 了分子电流，这个电流会了分子电流，这个电流会 产生磁场。同时铁磁材料产生磁场。同时铁磁材料 内部的分子之间有一种相内部的分子之间有一种相

4、 互作用力，使得每个区域互作用力，使得每个区域 内的分子磁场具有相同的内的分子磁场具有相同的 方向，组成许多小磁体，方向，组成许多小磁体， 具有磁性，这些小磁体称具有磁性，这些小磁体称 为为“磁畴磁畴”。 解决了既要磁通大又要励磁电流小的矛盾解决了既要磁通大又要励磁电流小的矛盾 (3-7) 2、磁饱和性、磁饱和性 线性区线性区oa段：段：B 随随H 线性增长线性增长； 进入饱和区进入饱和区ab段：段：B 增大缓慢；增大缓慢； 饱和区饱和区b点以后：点以后：B 基本不变。基本不变。 B 磁感应强度磁感应强度 H 磁场强度磁场强度 B = H o HIN B a b B H H B 0 H (3-

5、8) 3、磁滞性、磁滞性交变磁化时，交变磁化时，B的变化滞后的变化滞后 于于H的变化的特性称为磁滞的变化的特性称为磁滞 性。性。 磁滞回线磁滞回线 根据磁性能，磁性材料又根据磁性能，磁性材料又 可分为三种：可分为三种：软磁材料软磁材料 （磁滞回线窄长，常用做（磁滞回线窄长，常用做 交流电机、变压器的铁心交流电机、变压器的铁心 等）、等）、永磁材料永磁材料（磁滞回（磁滞回 线宽，常用做永久磁铁）、线宽，常用做永久磁铁）、 矩磁材料矩磁材料（滞回线接近矩（滞回线接近矩 形，可用做记忆元件）。形，可用做记忆元件）。 B H +Hm-Hm (3-9) 三、铁损耗三、铁损耗 1、磁滞损耗、磁滞损耗 ：

6、h P 磁滞损耗与磁滞回线所围面积成正比。磁滞损耗与磁滞回线所围面积成正比。 磁畴反复转向使铁心发热损耗，称为磁滞损耗。磁畴反复转向使铁心发热损耗，称为磁滞损耗。 2、涡流损耗、涡流损耗 ： e P 交变磁场使铁心产生交变磁场使铁心产生 感应电动势和涡电流感应电动势和涡电流 使铁心发热损耗，称使铁心发热损耗，称 为涡流损耗。为涡流损耗。 i B B i 为了减少涡流损耗，为了减少涡流损耗， 采用表面绝缘的硅钢采用表面绝缘的硅钢 片叠制铁心。片叠制铁心。 (3-10) 1. 安培环路定律（全电流定律）：安培环路定律（全电流定律）： 四、四、 磁路的基本定律磁路的基本定律 磁场中任何闭合回路磁场强

7、度的线积分磁场中任何闭合回路磁场强度的线积分,等于通等于通 过这个闭合路径内电流的代数和过这个闭合路径内电流的代数和. H I1 I2 I3 IldH 电流方向和磁场强度的方电流方向和磁场强度的方 向符合右手螺旋定则，电向符合右手螺旋定则，电 流取正；否则取负。流取正；否则取负。 (3-11) HLNI 在无分支的均匀磁路在无分支的均匀磁路（磁路的材料和截面积相同，（磁路的材料和截面积相同， 各处的磁场强度相等）中，安培环路定律可写成：各处的磁场强度相等）中，安培环路定律可写成： 磁路磁路 长度长度L 线圈线圈 匝数匝数N I HL：称为磁压降。称为磁压降。 NI：称为磁动势。一般称为磁动势。

8、一般 用用 F 表示。表示。 F=NI (3-12) HLNI 总磁动势总磁动势 在非均匀磁路在非均匀磁路（磁路的材料或截面积不同，或磁场（磁路的材料或截面积不同，或磁场 强度不等）中，总磁动势等于各段磁压降之和。强度不等）中，总磁动势等于各段磁压降之和。 00 lHlHNI 例：例： I N l 0 l (3-13) 对于均匀磁路对于均匀磁路 L S L B HLNI 磁路中的磁路中的 欧姆定律欧姆定律 2、 磁路的欧姆定律：磁路的欧姆定律： 则：则： RL S NIFm I N S L 注：由于磁性材料注：由于磁性材料 是非线性的，磁路欧姆定律多是非线性的，磁路欧姆定律多 用作定性分析，不

9、做定量计算。用作定性分析，不做定量计算。 s L R m 令：令： Rm 称为磁阻称为磁阻 (3-14) 磁路和电路的比较（一）磁路和电路的比较（一） 磁磁 路路 电电 路路 I N R + _ E I 磁通磁通 磁压降磁压降 HL 磁动势磁动势 INF 电压降电压降 U 电动势电动势 E 电流电流 I U (3-15) 欧姆定律欧姆定律 m R F 磁阻磁阻 S L Rm 磁感应磁感应 强度强度 S B 安培环路安培环路 定律定律 HL NI 0 磁磁 路路 I N 欧姆定律欧姆定律 电阻电阻 电流电流 强度强度 KVLKCL 0 I U E R E I S L R S I J 磁路与电路的

10、比较磁路与电路的比较 (二二) 电电 路路 R + _ E I 磁通连续磁通连续 定律定律 (3-16) 励磁电流：励磁电流：在磁路中用来产生磁通的电流在磁路中用来产生磁通的电流 励磁电流励磁电流 直流直流 - 直流磁路直流磁路 交流交流 - 交流磁路交流磁路 磁路分析磁路分析 直流磁路直流磁路 交流磁路交流磁路 五、五、 磁路的分析磁路的分析 如：直流电磁铁如：直流电磁铁 如：交流电磁铁如：交流电磁铁 (3-17) I U 1、 直流磁路直流磁路 特点特点: U恒定 恒定I恒定恒定 （线圈中没有反电动势）（线圈中没有反电动势） （R 为线圈的电阻）为线圈的电阻） R U I 1） 磁动势磁动

11、势 F=IN恒定恒定（恒磁动势）（恒磁动势） 2） ) R F ( m IN一定时一定时，磁通和磁阻成反比磁通和磁阻成反比 3） 4）功率损耗功率损耗RIP 2 无铁损耗无铁损耗 线圈线圈 铁心铁心 衔铁衔铁 (3-18) 电路方程：电路方程： dt d NRi )e()e(uu lR 一般情况下一般情况下 很小很小 R u dt d Neu l 交流激励交流激励 线圈中产生感应电势线圈中产生感应电势 2、交流磁路、交流磁路 ：主磁通：主磁通 ：漏磁通：漏磁通 u L e e i 的感应电势的感应电势 和和 产生产生 (3-19) u L e e i 假设假设 tsinm 则则 tcosfN2

12、 tcosNu m m 最大值最大值 mm fN 2U 有效值有效值 m m 4.44fN 2 U U dt d Nu (3-20) m4.44fNU 当外加电压当外加电压U、频率、频率 f 与线圈匝数与线圈匝数N一定时，一定时， 便便 确定下来。根据磁路欧姆定律确定下来。根据磁路欧姆定律 ，当，当 一定时磁动势一定时磁动势IN随磁阻随磁阻 的变化而变化。的变化而变化。 m RIN m m R m 交流磁路的特点交流磁路的特点: 交流磁路的功率损耗：铜损（交流磁路的功率损耗：铜损（PCu）+铁损（铁损（PFe） (3-21) 直流电磁铁工作分析直流电磁铁工作分析 I U 小小 磁通大磁通大 大

13、大 磁通小磁通小 m R电磁铁吸合前电磁铁吸合前(气隙大）气隙大） 电磁铁吸合后电磁铁吸合后(气隙小）气隙小） m R ) R F ( m IN一定时一定时，磁通和磁阻成反比磁通和磁阻成反比 磁通与电磁铁吸力成正比磁通与电磁铁吸力成正比 (3-22) 在吸合过程中若外加电压不在吸合过程中若外加电压不 变变, 则则 基本不变。基本不变。 i u m RIN 小小 闭合电流小闭合电流小 大大 起动电流大起动电流大 m R电磁铁吸合前电磁铁吸合前(气隙大）气隙大） 电磁铁吸合后电磁铁吸合后(气隙小）气隙小） m R 如果气隙中有异物卡住，电磁铁长时间吸不上，线圈如果气隙中有异物卡住，电磁铁长时间吸不

14、上，线圈 中的电流一直很大，将会导致过热，把线圈烧坏。中的电流一直很大，将会导致过热，把线圈烧坏。 交流电磁铁工作分析交流电磁铁工作分析 (3-23) R U I (U不变，不变，I不变）不变） m R IN m RIN ( I 随随 Rm 变化）变化） 4.44fN U m m （ U不变时，不变时， 基本不变基本不变） 直流磁路直流磁路 （恒磁动势恒磁动势） 交流磁路交流磁路 （恒磁通恒磁通） 磁路磁路小结小结 （随随Rm变化）变化） (3-24) 6-2 变压器变压器 发电厂发电厂 1.05万伏万伏 输电线输电线 11万伏万伏 22万伏万伏 升压升压 变电站变电站 1万伏万伏 降压降压

15、降压降压 实验室实验室 380 / 220 伏伏 降压降压 仪器仪器 36伏伏 降压降压 380伏伏 (3-25) 一、变压器功能：一、变压器功能： 变换电压：变换电压：电力系统电力系统 变换阻抗：变换阻抗：电子电路中的阻抗匹配电子电路中的阻抗匹配 变换电流：变换电流：电流互感器电流互感器 二、变压器特点：二、变压器特点： 静止电器设备、维护简单、运行可靠静止电器设备、维护简单、运行可靠 (3-26) 三、变压器分类：三、变压器分类： 1、单相、单相B、三相、三相B 2、升压、升压B、降压、降压B 3、双绕组、双绕组B、三绕组、三绕组B 4、普通、普通B、有载调压、有载调压B 5、干式、干式B

16、、油浸式、油浸式B 6、硅钢铁芯、硅钢铁芯B、非晶合金、非晶合金B (3-27) 四、变压器的基本结构四、变压器的基本结构 闭合铁心闭合铁心 原绕组原绕组（接电源）（接电源） 副绕组副绕组（接负载）（接负载） 闭合铁心：闭合铁心：磁路部分磁路部分 高低压绕组：高低压绕组：电路部分电路部分 1 u 2 u L R 1 i 2 i (3-28) 五、工作原理五、工作原理 1 u 2 u L R 1 i 2 i 1 u 1 i 2 u 2 i L R 变压器符号变压器符号： 22 11 iu iu 工作过程工作过程： (3-29) 空载运行空载运行 ：原边接：原边接 入电源，副边开路。入电源，副边开

17、路。 1 u 2 e 1 i 1 e 1 N2 N u20 （ e、 方向符合右手定则）方向符合右手定则） dt d Ne dt d Ne 2211 20 u 10 i 1 u 20 u 2 i 1 e 2 e (3-30) 结论：改变匝数结论：改变匝数 比，就能改变输比，就能改变输 出电压。出电压。 K N N E E U U 2 1 2 1 2 1 K为为变比变比 原、副边电压关系原、副边电压关系 m m NfE NfE 22 11 44.4 44.4 变压器工作原理变压器工作原理（变换电压作用）（变换电压作用） 10 i 1 u 20 u 2 i 1 e 2 e (3-31) Z 1 u

18、 2 e 1 i 1 e 1 N 2 N 2 i 在副边感应电势的作用在副边感应电势的作用 下，副边线圈中有了电下，副边线圈中有了电 流流 i2 。此电流在磁路中。此电流在磁路中 也会产生磁通，从而影也会产生磁通，从而影 响原边电流响原边电流 i1。但当外。但当外 加电压、频率不变时，加电压、频率不变时， 铁芯中主磁通的最大值铁芯中主磁通的最大值 在变压器空载或有负载在变压器空载或有负载 时基本不变时基本不变 。 变压器工作原理变压器工作原理（变换电流作用）（变换电流作用） NiNiNi 102211 带负载后磁动势的平衡关系为：带负载后磁动势的平衡关系为： (3-32) K 1 N N I

19、I 1 2 2 1 结论：原、副边电流结论：原、副边电流 与匝数比成反比与匝数比成反比 由于变压器铁芯材料的导磁由于变压器铁芯材料的导磁 率高、空载励磁电流率高、空载励磁电流 i10 很小很小 ，可忽略，可忽略 0NINI 2211 原、副边电流关系原、副边电流关系 10 i 1 u 20 u 2 i 1 e 2 e 变压器工作原理变压器工作原理（变换电流作用）（变换电流作用） (3-33) L 2 L RKR 从原边等效：从原边等效： 2 L 2 2 2 2 2 1 1 L KRK I U K I KU I U R 变压器工作原理变压器工作原理（变换阻抗作用）（变换阻抗作用） 1 i 1 u

20、 2 u 2 i L R 1 N 2 N L R 等效等效 (3-34) 六、三相变压器六、三相变压器 三相绕组三相绕组 高压绕组高压绕组AX、BY、CZ 低压绕组低压绕组ax、by、cz 接法接法 可以接成星形（可以接成星形（Y）或三角形（）或三角形（）。 XYZ ABC abc xy z (3-35) 七、变压器的使用七、变压器的使用 1. 1. 变压器的铭牌数据变压器的铭牌数据 额定电压：额定电压：变压器副边开路（空载）时，原、副边变压器副边开路（空载）时，原、副边 绕组允许的电压值。绕组允许的电压值。三相变压器指线电压三相变压器指线电压 额定电流额定电流 ： 变压器满载运行时，原、副边

21、绕组允变压器满载运行时，原、副边绕组允 许的电流值。许的电流值。三相变压器指线电流三相变压器指线电流 额定容量额定容量（视在功率）（视在功率）传送功率的最大能力。传送功率的最大能力。 2211NNNNN SUIUI （理想）（理想） 单相：单相： 2211 33 NNNNN SUIUI （理想）（理想） 三相：三相： (3-36) 2.变压器的效率变压器的效率( ) 变压器的损耗包括两部分：变压器的损耗包括两部分： 铜损铜损 (PCu) ：绕组导线电阻所致。绕组导线电阻所致。 磁滞损失：磁滞现象引起铁芯发热，磁滞损失：磁滞现象引起铁芯发热， 造成的损失。造成的损失。 涡流损失：交变磁通在铁心中

22、产生涡流损失：交变磁通在铁心中产生 的感应电流（涡流），的感应电流（涡流）， 造成的损失。造成的损失。 铁损铁损( )：PFe P 1 P 1 P Cu P Fe P 1 P 2 (3-37) 3.变压器的外特性变压器的外特性 副边输出电压和输出电流的关系。副边输出电压和输出电流的关系。 )( 22 IfU U20：原边加额定电压、原边加额定电压、 副边开路时的输出电压。副边开路时的输出电压。 一般供电系统希望要硬特性一般供电系统希望要硬特性 （随（随I2的变化，的变化，U2 变化不多变化不多） %100% 20 220 U UU U 电压变化率：电压变化率： U2 I2 U20 U2 I2N

23、 (3-38) 4.变压器绕组极性及连接方法变压器绕组极性及连接方法 同极性端同极性端(同名端同名端) 当电流流入两个线圈时，若当电流流入两个线圈时，若 产生的磁通方向相同，则两产生的磁通方向相同，则两 个流入端称为同极性端个流入端称为同极性端 当铁心中的磁通变化时，在当铁心中的磁通变化时，在 两线圈中产生的感应电动势两线圈中产生的感应电动势 极性相同的两端为同极性端极性相同的两端为同极性端 A X a x A X a x (3-39) 电器使用时两种电压（电器使用时两种电压（220V/110V）的切换：）的切换： 220V： 联结联结 2 3 110V： 联结联结 1 3，2 4 线圈的接法

24、线圈的接法 1 3 2 4 (3-40) 220V：联结：联结 23 m NfU)2(44. 4 220 励磁励磁 m Ni2 10 两种接法下线圈工作情况的分析两种接法下线圈工作情况的分析 1 3 2 4 N N 10 i 220 U Nf U m 244. 4 220 (3-41) 110V：联结：联结 13，24 m NfU)(44.4 110 Nf U m 44.4 110 说明：两种接法下说明：两种接法下m不变，不变， 所以铁心磁路的设计相同所以铁心磁路的设计相同 励磁励磁 m Ni 10 两种接法下线圈工作情况的分析两种接法下线圈工作情况的分析 1 3 2 4 110 U 10 i

25、 Nf U m 244. 4 220 (3-42) 问题问题1：在在110V 情况下，如果只用一个绕组（情况下，如果只用一个绕组（N），行不行？），行不行？ 答：答：不行（两绕组必须并绕）不行（两绕组必须并绕） 原边有两个相同绕组的电源变压器原边有两个相同绕组的电源变压器 （220/110），使用中应注意的问题：），使用中应注意的问题： 1 3 2 4 N N 220 i 220 U 1,3 2,4 110 i N 正确接法正确接法 (3-43) 问题问题2：如果两绕组的极性端接错，结果如何？如果两绕组的极性端接错，结果如何？ 结论：结论：在极性不明确时，一在极性不明确时，一 定要先测定极性再通电。定要先测定极性再通电。 答：答：有可能烧毁变压器有可能烧毁变压器 两个线圈中的磁通抵消两个线圈中的磁通抵消烧毁烧毁原因：原因： 1 3 2 4 N N 10 i 220 U 原边有两个相同绕组的电源变压器原边有两个相同绕组的电源变压器 （220/110），使用中应注意的问题：），使用中应注意的问题： (3-44) 自耦变压器自耦变压器 KN N I I K N N U U 1 1 2 2 1 2 1 2 1 A B P 1 u 2 u 1 i 2 i L R 1 N 2 N 特殊变压器简介特殊变压器