5磁路与变压器

1、第第 五五 章章磁路与变压器磁路与变压器第五章第五章 磁路与变压器磁路与变压器5.1 5.1 磁路的基本概念磁路的基本概念5.2 5.2 交流铁心线圈电路交流铁心线圈电路5.3 5.3 变压器变压器5.4 5.4 几种常用的变压器几种常用的变压器上一页下一页返回本章5.15.1磁路的基本概念磁路的基本概念一、铁磁材料一、铁磁材料磁磁畴畴铁磁材料铁磁材料: :能被磁化的的材料。能被磁化的的材料。例如：铁、钴、镍以及它们的合金和氧例如：铁、钴、镍以及它们的合金和氧化物。化物。铁心：由铁磁材料制成铁心：由铁磁材料制成磁畴：铁心自身存在的自然磁性小区域磁畴：铁心自身存在的自然磁性小区域注意：在没有外磁

2、场作用时，磁畴的方向杂乱无章，注意：在没有外磁场作用时，磁畴的方向杂乱无章，宏观不显磁性。宏观不显磁性。上一页下一页返回本章铁心铁心磁化：在一定强度外磁场的作用下磁化：在一定强度外磁场的作用下,磁畴将沿外磁场方向磁畴将沿外磁场方向趋向规则排列，产生附加磁场，使通电线圈的磁场显著趋向规则排列，产生附加磁场，使通电线圈的磁场显著增强。增强。I II I铁心铁心通电线通电线圈圈磁化过程磁化过程IO.AB直线直线1曲线曲线2上一页下一页返回本章返回本节直线直线1表示空心线圈的情况；曲线表示空心线圈的情况；曲线2表示线圈放入铁心的情表示线圈放入铁心的情况。况。磁磁 化化 过过 程程 说说 明明直线直线1

3、曲线曲线2(磁化磁化曲线曲线)I与与成正比且增加率较小成正比且增加率较小OAOA段段ABAB段段B B点以后点以后大部分磁畴的磁场沿外磁场方向排列大部分磁畴的磁场沿外磁场方向排列,与与I成正比且增加率较大成正比且增加率较大所有磁畴的磁场最终都沿外磁场方向排列所有磁畴的磁场最终都沿外磁场方向排列,铁心磁场从未饱和状态过渡到饱和状态铁心磁场从未饱和状态过渡到饱和状态称饱和状态，铁心的增磁作用已达到极限称饱和状态，铁心的增磁作用已达到极限上一页下一页返回本章返回本节二、磁导率二、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）70104 真空中的磁导率真空中的磁导

4、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r0r1r，则称为铁磁材料，则称为铁磁材料1r，则称为非铁磁材料，则称为非铁磁材料上一页下一页返回本章返回本节三、磁滞现象三、磁滞现象磁滞：磁滞：铁心线圈通入交流电，铁心中的磁畴铁心线圈通入交流电，铁心中的磁畴会随交流电的变化而被反复磁化。由于磁畴会随交流电的变化而被反复磁化。由于磁畴本身存在本身存在“惯性惯性”，使得磁通的变化滞后电，使得磁通的变化滞后电流的变化。流的变化。 外磁场不断克服磁畴的外磁场不断克服磁畴的“惯性惯性”消耗的能量，消耗的能

5、量，为为磁滞损耗磁滞损耗。磁滞损耗是铁心发热的原因之一。磁滞损耗是铁心发热的原因之一。上一页下一页返回本章返回本节 硬磁材料硬磁材料B 矩磁材料矩磁材料 根据磁性能，磁性材料又可分为三种：软磁材料（磁根据磁性能，磁性材料又可分为三种：软磁材料（磁滞回线窄长。常用做磁头、磁心等）、硬磁材料（磁滞回线窄长。常用做磁头、磁心等）、硬磁材料（磁滞回线宽。常用做永久磁铁）、矩磁材料（磁滞回滞回线宽。常用做永久磁铁）、矩磁材料（磁滞回 线接近矩形。可用做记忆元件）。线接近矩形。可用做记忆元件）。铁磁材料的磁性能：铁磁材料的磁性能：1、高导磁性、高导磁性 2、磁饱和性、磁饱和性 3、磁滞性磁滞性B软磁材料软

6、磁材料HHHB上一页下一页返回本章返回本节磁路：主磁通所经过的闭合路径。磁路：主磁通所经过的闭合路径。1u2uis四、磁路四、磁路 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。s：主磁通主磁通：漏磁通漏磁通铁心铁心（导磁性能好（导磁性能好 的磁性材料）的磁性材料）线圈线圈上一页下一页返回本章返回本节磁路和电路的比较磁路和电路的比较磁磁路路电电路路磁通磁通INR+_EI磁压降磁压降HL磁动势磁动势INF 电动势电动势电流电流电压降电压降UEIU上一页下一页返回本章返回本节五、涡流五、涡流ii交变的磁通穿过铁心导体时，在其交变的磁通穿过铁心导体时，在其内

7、部产生的旋涡状的电流。内部产生的旋涡状的电流。涡流会使铁心发热并消耗能量，为了减小涡流损涡流会使铁心发热并消耗能量，为了减小涡流损耗，铁心常采用涂有绝缘材料的硅钢片叠成耗，铁心常采用涂有绝缘材料的硅钢片叠成。由硅钢片叠由硅钢片叠成的铁心成的铁心铁磁材料铁磁材料的铁心的铁心线圈线圈上一页下一页返回本章返回本节电路方程：电路方程：dtddd)()(NtNRieeuulR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5.25.2 交流铁心线圈电路交流铁心线圈电路：主磁通：主磁通：漏磁通：漏磁通uLeei 和和 产生产生的感应电势的感应电势tNudd一般情况下一般情况下uR 很小，漏磁通很小，

8、漏磁通 很小很小上一页下一页返回本章N假设假设tmsin则则tfNtNummcos2cos最大值最大值mmfN U2有效值有效值mmfNUU44.42tNudduLeeiN线圈匝数；线圈匝数；f 电源频率；电源频率； 铁心中交变磁通的幅值铁心中交变磁通的幅值m上一页下一页返回本章返回本节例例1 1有一个铁心线圈接在交流有一个铁心线圈接在交流220V220V、50Hz50Hz的交的交流电源上，铁心中磁通的最大值为流电源上，铁心中磁通的最大值为0.001Wb0.001Wb，问，问铁心上的线圈至少应绕多少匝？铁心上的线圈至少应绕多少匝？解解U4.44fNm有有匝991001. 05044. 4220

9、44. 4mfUN若铁心中的线圈只绕了若铁心中的线圈只绕了100匝，线圈通电后会产生什匝，线圈通电后会产生什么后果？么后果？结果是线圈通电后会烧坏结果是线圈通电后会烧坏由于磁通最大值远远超过由于磁通最大值远远超过了规定的最大值，对应线圈中的电流远远超过正常值。了规定的最大值，对应线圈中的电流远远超过正常值。上一页下一页返回本章返回本节变压器功能：变压器功能：变电压：变电压：电力系统电力系统 变阻抗：变阻抗：电子电路中的阻抗匹配电子电路中的阻抗匹配 （如喇叭的输出变压器）（如喇叭的输出变压器） 变电流：变电流：电流互感器电流互感器 5.3 变压器变压器上一页下一页返回本章 发电厂发电厂1.05万

10、伏万伏输电线输电线 22万伏万伏升压升压变电站变电站1万伏万伏降压降压 变压器应用举例降压降压实验室实验室380 / 220伏伏降压降压 仪器仪器36伏伏降压降压上一页下一页返回本章返回本节单相变压器单相变压器1u2uLR1i2i铁芯铁芯原边原边绕组绕组副边副边绕组绕组一、变压器的基本结构一、变压器的基本结构上一页下一页返回本章返回本节铁心铁心线圈线圈(又称绕组又称绕组)变压器的组成变压器的组成铁心铁心 变压器铁心用具有绝缘层的变压器铁心用具有绝缘层的0.350.5mm厚的硅厚的硅 钢片叠成。钢片叠成。线圈线圈 小容量变压器多用高强度漆包线绕制。小容量变压器多用高强度漆包线绕制。 大容量变压器

11、可用绝缘铜或铝线绕制。大容量变压器可用绝缘铜或铝线绕制。上一页下一页返回本章返回本节变压器的主要结构变压器的主要结构心式结构心式结构壳式结构壳式结构心式结构：心式结构：变压器的铁心变压器的铁心被被绕组包围。多用于电力变压器绕组包围。多用于电力变压器壳式结构：壳式结构：变压器的铁心变压器的铁心包围包围绕组。常用于小容量变压器绕组。常用于小容量变压器变压器的冷却方式变压器的冷却方式自然冷却自然冷却小容量变压器小容量变压器油冷式油冷式大容量变压器大容量变压器上一页下一页返回本章返回本节1u2uLR1i2i1u1i2u2iLR变压器符号：变压器符号：2211iuiu工作过程：工作过程：上一页下一页返回

12、本章返回本节1. 空载运行空载运行 原边接入电源，副边开路。原边接入电源，副边开路。接上接上交流电源交流电源1u原边通过的空载原边通过的空载电流为电流为i10 tNetNedd dd2211 产生感应电动势产生感应电动势二、变压器的工作原理二、变压器的工作原理 i10 产生工作磁通产生工作磁通 （ 方向符合右手定则）方向符合右手定则）、e1u2e10i1e1N2Ntmsin上一页下一页返回本章返回本节结论：改变匝数比，就能改变输出电压。结论：改变匝数比，就能改变输出电压。KNNEEUU212121K为变比为变比10i1u20u2i1e2e原、副边电压关原、副边电压关 系系mmNfENfE221

13、144.444.4根据交流磁路的分析可得根据交流磁路的分析可得：202uu 02i时时 22011EUEU变电压变电压上一页下一页返回本章返回本节2. 负载运行负载运行1u2e1i1e1N2NZ2i 副边带负载后对磁路的副边带负载后对磁路的影响：在副边感应电压的影响：在副边感应电压的作用下，副边线圈中有了作用下，副边线圈中有了电流电流 i2 。此电流在磁路中此电流在磁路中也会产生磁通，从而影响原边电流也会产生磁通，从而影响原边电流 i1。根据根据 当外加电压、频率不变时，铁芯当外加电压、频率不变时，铁芯中主磁通的最大值在变压器空载或有负载运行时基本中主磁通的最大值在变压器空载或有负载运行时基本

14、不变不变 。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：)44. 4(11mNfU 1102211NiNiNi上一页下一页返回本章返回本节KNNII11221结论：原、副边电流与匝数成反比结论：原、副边电流与匝数成反比1102211NiNiNi 由于变压器铁芯材料的磁导率高、空载励磁电流由于变压器铁芯材料的磁导率高、空载励磁电流 ( i10) 很小，一般不到额定电流的很小，一般不到额定电流的10%，常可忽略，常可忽略 。原、副边电流关系原、副边电流关系2211NINI02211NINI变电流变电流上一页下一页返回本章返回本节1i1u2u2iLZ1N2N原、副边阻抗关系原、副边阻抗关

15、系22IUZL从原边等效：从原边等效：11IUZL结论：变压器原边的结论：变压器原边的等效负载，等效负载，为副边所带负载乘以为副边所带负载乘以 变比的平方。变比的平方。 LLLZKZNNINNUNNIUZ222121222111)/()/()/(变阻抗变阻抗上一页下一页返回本章返回本节例例2 2 有一台降压变压器，原绕组电压为有一台降压变压器，原绕组电压为220V220V，副绕组电压为副绕组电压为110V110V，原绕组为，原绕组为22002200匝，若副绕匝，若副绕组接入阻抗值为组接入阻抗值为1010的阻抗，问变压器的变比、的阻抗，问变压器的变比、副绕组匝数、原绕组中电流各为多少？副绕组匝数

16、、原绕组中电流各为多少？解解变压器变比变压器变比匝110022200111212NKUUNN211022021UUKAZUI1110110222副绕组匝数副绕组匝数副绕组电流副绕组电流原绕组电流原绕组电流AIKNINI5 . 5211121221上一页下一页返回本章返回本节例例3 3扬声器上如何得到最大输出功率扬声器上如何得到最大输出功率设：设： 信号源电压的有效值信号源电压的有效值:Us= 120V;信号源内阻：信号源内阻：R0=800;负载为扬声器，其等效电阻：负载为扬声器，其等效电阻： RL=8 。1、将负载与信号源直接相连，将负载与信号源直接相连，得到的输出功率为：得到的输出功率为：信

17、号源信号源 isuRL0RW)(176.08)8800120(2202LLSLLRRRURIP上一页下一页返回本章返回本节2、将负载通过变压器接到信号源上。、将负载通过变压器接到信号源上。变压器把负载变压器把负载RL 变换为等效电阻变换为等效电阻8000RRLLR0R1i2u2iLR1NSu2N 若要信号源输出给负载的功率达到最大，用变压器进若要信号源输出给负载的功率达到最大，用变压器进行阻抗变换，通过变压器把负载行阻抗变换，通过变压器把负载RL变换为等效电阻变换为等效电阻LR变压器变比变压器变比 10880021LLRRNNK上一页下一页返回本章返回本节输出功率为：输出功率为：W)( 5 .

18、 4800800800120220LLSRRRUP结论：结论：由此例可见经变压器由此例可见经变压器“匹配匹配”后，输出功率增后，输出功率增大了许多大了许多 。原因是满足了电路中获得最大功率输出的。原因是满足了电路中获得最大功率输出的条件条件（信号源内、外阻抗相等）（信号源内、外阻抗相等）。信号源信号源isu0RLR上一页下一页返回本章返回本节问题与讨论问题与讨论 一一1 1、为什么变压器的铁心要用硅钢片叠成？用整块的铁心行不行？、为什么变压器的铁心要用硅钢片叠成？用整块的铁心行不行？2 2、有一台变压器在修理后，铁心出现气隙，这对于铁心的磁阻、有一台变压器在修理后，铁心出现气隙，这对于铁心的磁

19、阻、工作磁通以及励磁电流有何影响？工作磁通以及励磁电流有何影响？答：变压器铁心用硅钢片的目的是为了减小涡流损耗。如果用整块答：变压器铁心用硅钢片的目的是为了减小涡流损耗。如果用整块的铁心，变压器会由于过热而损坏。的铁心，变压器会由于过热而损坏。mfNU44. 4答：铁心出现气隙，铁心的磁阻增大，根据答：铁心出现气隙，铁心的磁阻增大，根据 电压不变，工作磁通不变，但由于磁阻增大，因而励磁电流增大。电压不变，工作磁通不变，但由于磁阻增大，因而励磁电流增大。3、变压器能否用来变换直流电压？如果将变压器接到与它的额定变压器能否用来变换直流电压？如果将变压器接到与它的额定电压相同的直流电源上，会产生什么

20、后果？电压相同的直流电源上，会产生什么后果？答：不能；将变压器接到直流电源上，由于额定电压高而线答：不能；将变压器接到直流电源上，由于额定电压高而线圈电阻小，使得变压器上产生很大的电流，而烧毁变压器。圈电阻小，使得变压器上产生很大的电流，而烧毁变压器。上一页下一页返回本章返回本节三、变压器的外特性三、变压器的外特性U2I2U20U20：原边加额定电压、：原边加额定电压、副边开路时，副边的输副边开路时，副边的输出电压。出电压。 一般供电系统希望要一般供电系统希望要硬特性硬特性（随（随I I2 2的变化，的变化，U U2 2 变化不多）变化不多）变压器的外特性：变压器的外特性：在电源电压和负载功率

21、因数不变的在电源电压和负载功率因数不变的条件下，副边输出电压和输出电流的关系。条件下，副边输出电压和输出电流的关系。上一页下一页返回本章返回本节即：即： U2 = f (I2)变压器外特性变化的程度用电压变化率变压器外特性变化的程度用电压变化率U%U%表示表示%100%20220UUUUN大容量的电力变压器的电压变化率大容量的电力变压器的电压变化率5%。小型号变压器的电压变化率小型号变压器的电压变化率20%。电压变化率电压变化率是一个重要技术指标，直接影响到供电是一个重要技术指标，直接影响到供电质量。电压变化率越小，变压器性能越好。质量。电压变化率越小，变压器性能越好。上一页下一页返回本章返回

22、本节四、变压器的损耗及效率四、变压器的损耗及效率( ( ) )变压器的损耗变压器的损耗铜损铜损 ( 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：交变磁通在铁芯中产生的感应涡流损失：交变磁通在铁芯中产生的感应电流（涡流），造成的损失。电流（涡流），造成的损失。铁损铁损(PFe)：铜损铜损-可变损耗可变损耗铁损铁损-固定损耗固定损耗上一页下一页返回本章返回本节%100%1002212CuFePPPPPP变压器的效率变压器的效率P2为输出功率，为输出功率，P1为输入功率为输入功率一般变压器的效率

23、在一般变压器的效率在95%大型变压器的效率可达大型变压器的效率可达99%以上以上上一页下一页返回本章返回本节 额定电流额定电流 I1N、I2N 变压器满载运行时，原、副边绕组允许通过的电流值。变压器满载运行时，原、副边绕组允许通过的电流值。 五、变压器的额定值五、变压器的额定值 变压器负荷运行状态称额定运行。额定运行时各变压器负荷运行状态称额定运行。额定运行时各电量值为变压器的额定值。电量值为变压器的额定值。U2N一次侧施加额定电压时的二次侧空载电压。一次侧施加额定电压时的二次侧空载电压。 额定电压额定电压U1N、U2NU1N 加在一次绕组上的正常工作电压。加在一次绕组上的正常工作电压。上一页

24、下一页返回本章返回本节NNNNNIUIUS1122 额定容量额定容量 SN 变压器传送电功率的最大能力。变压器传送电功率的最大能力。 额定频率额定频率 fN 变压器应接入的电源频率。我国电力系统的标准频率变压器应接入的电源频率。我国电力系统的标准频率为为50Hz。以上额定值是以单相变压器为例以上额定值是以单相变压器为例上一页下一页返回本章返回本节容量容量 SN 输出功率输出功率 P2 变压器的输出功率是否决定于变压器的容量？变压器的输出功率是否决定于变压器的容量？效率效率NNNNNIUIUS1122 变压器的容量：变压器的容量：21PP cos222IUP 变压器输出功率：变压器输出功率： 问

25、题与讨论二问题与讨论二 负载的功负载的功率因数率因数 变压器的输出功率不仅与变压器的容量变压器的输出功率不仅与变压器的容量有关，还与所带负载的有关，还与所带负载的功率因数功率因数有关。有关。原边输入功率原边输入功率原边输入功率原边输入功率 = 输出功率输出功率 +变压器损耗变压器损耗1P2P上一页下一页返回本章返回本节 当电流分别流入两个线圈（或流出）时，若两线圈产当电流分别流入两个线圈（或流出）时，若两线圈产生的磁通方向相同，则这两个线圈流入端称为同极性端生的磁通方向相同，则这两个线圈流入端称为同极性端（同名端）。也是各绕组电位瞬时极性相同的端点。（同名端）。也是各绕组电位瞬时极性相同的端点

26、。同极性端（同名端）同极性端（同名端）六、变压器绕组极性及连接方法六、变压器绕组极性及连接方法(a)图图 A、a为同名端；为同名端；(b)图图 A、x为同名端为同名端上一页下一页返回本章返回本节AXax*(a)(a)图图AXax*(b)(b)图图 小功率电源变压器在使用中有时需要把绕组串小功率电源变压器在使用中有时需要把绕组串连起来以提高电压；或把绕组并联起来以增大电连起来以提高电压；或把绕组并联起来以增大电流。在连接时必须认清绕组的极性，否则不仅达流。在连接时必须认清绕组的极性，否则不仅达不到预期的目的，反而可能烧坏变压器。不到预期的目的，反而可能烧坏变压器。正确的串联接法正确的串联接法 ：

27、应把两个绕组的一对异名端应把两个绕组的一对异名端联在一起。联在一起。正确的并联接法：正确的并联接法：应把两个绕组的两对同名端应把两个绕组的两对同名端 分别联结在一起（还需注意并联绕组的电压必须分别联结在一起（还需注意并联绕组的电压必须相等）。相等）。 上一页下一页返回本章返回本节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 3110V： 联结联结 1 3，2 4线圈的接法线圈的接法 1324*上一页下一页返回本章返回本节220V：联结：联结 2 3mNfU)2(44. 4220励励 磁磁mNi210NfUm244. 4220两种接法下线

28、圈工作情况的分析两种接法下线圈工作情况的分析*1324NN10i220U上一页下一页返回本章返回本节110V：联结：联结 1 3，2 4NfUm244. 4220mNfU)(44. 4110NfUm44.41101,32,4220V：联结：联结 2 31324*110U10i说明：两种接法下说明：两种接法下m 不变，所以铁芯磁路的设计相同不变，所以铁芯磁路的设计相同励磁励磁mNi10上一页下一页返回本章返回本节问题问题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

29、器（原边有两个相同绕组的电源变压器（220 / 110），使），使用中应注意的问题：用中应注意的问题：*1324NN220i220U1,32,4110iN若两种接法铁芯中的磁通相等，则：若两种接法铁芯中的磁通相等，则： Ni2220Ni11021110220ii上一页下一页返回本章返回本节问题问题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，一定要先测定极性再通电。在极性不明确时，一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感应电势感应电势 0e电流电流 很大很大 11Ru

30、i eRiu111原因：原因：*1324NN1i220U 上一页下一页返回本章返回本节5.4 5.4 几种常用的变压器几种常用的变压器一、三相电力变压器一、三相电力变压器 电力工业中，输配电都采用三相制。变电力工业中，输配电都采用三相制。变换三相交流电电压，则用三相变压器。换三相交流电电压，则用三相变压器。 把把三个单相变压器拼合在一起，三个单相变压器拼合在一起， 便组成了一便组成了一个三相变压器。个三相变压器。三相变压器工作原理与单相变压器相同三相变压器工作原理与单相变压器相同上一页下一页返回本章U1U2V1V2W1W2u1u2v1u2w1w2高压绕组分别用高压绕组分别用U1U2、V1V2、W1W2表示。表示。低压绕组分别用低压绕组分别用u1u2、v1v2、w1w2表示。表示。 根据电力网的线电压及原绕组额定电压的大小，根据电力网的线电压及原绕组额定电压的大小，可以将可以将原绕组原绕组分别接成星形或三角形。分别接成星形或三角形。 根据供电需要，根据供电需要，副绕组副绕组也可以接成三相四线制星也可以接成三相四线制星形或三角形。形或三角形。上一页下一页返回本章返回本节 三相变压器的原副绕组的常用接法有三相变压器的原副绕