电工基础(变压器)

1、第 5 章 磁路与变压器5.1磁路的基本概念一、铁磁材料铁磁材料：能被磁化的的材料。例如：铁、钴、镍以及它们的合金和氧化物。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。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。图5.1 磁畴和铁心的磁化磁化：在一定强度外磁场的作用下，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增强。图5.2磁化过程直线1 表示空心线圈的情况；曲线2 表示线圈放入铁心的情况。磁化过程说明：直线1: I与成正比且增加率较小曲线2 (磁化曲线): OA段大部分磁畴的磁场沿外磁场方向排列，与I成正比且增加率较大；AB段所有磁畴的磁

2、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；B点以后称饱和状态，铁心的增磁作用已达到极限。二、磁导率µ：表征各种材料导磁能力的物理量真空中的磁导率(µ0 )为常数 （亨/米）一般材料的磁导率µ和真空中的磁导率µ0之比，称为这种材料的相对磁导率µr ，则称为铁磁材料 ，则称为非铁磁材料 三、磁滞现象磁滞：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。由于磁畴本身存在“惯性”，使得磁通的变化滞后电流的变化。磁滞损耗：为外磁场不断克服磁畴的“惯性”消耗的能量。磁滞损耗是铁心发热的原因之一。铁磁材料的磁性能：1、高导磁

3、性 2、磁饱和性 3、磁滞性软磁材料 硬磁材料 矩磁材料图5.3铁磁材料的磁滞回线根据磁性能，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）。四、磁路 线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏磁通。 ：主磁通 ：漏磁通图5.4交流铁心线圈电路磁路：主磁通所经过的闭合路径。磁路和电路的比较:五、涡流交变的磁通穿过铁心导体时，在其内部产生的旋涡状的电流。(a)整块铁心 (b)有硅钢片叠成的铁心图5.4涡流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。5.2 交

4、流铁心线圈电路交流激励 线圈中产生感应电势 电路方程： 一般情况下uR很小，漏磁通很小 ：主磁通 ：漏磁通图5.5交流铁心电路 和 产生的感应电势分别为el和e假设 则最大值有效值N线圈匝数；f 电源频率； 铁心中交变磁通的幅值例1、有一个铁心线圈接在交流220V、50Hz的交流电源上，铁心中磁通的最大值为0.001Wb，问铁心上的线圈至少应绕多少匝？解U4.44fNm有若铁心中的线圈只绕了100匝，线圈通电后会产生什么后果？结果是线圈通电后会烧坏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。5.3 变压器变压器功能： 变电压：电力系统 变电流：电流互感器 变阻抗：电子

5、电路中的阻抗匹配（如喇叭的输出变压器） 二、变压器的工作原理1. 空载运行 原边接入电源，副边开路。接上交流电源 原边通过的空载电流为i10 i10 产生工作磁通 产生感应电动势 （ 方向符合右手定则） 图5.6变压器的空载运行原、副边电压关系根据交流磁路的分析可得：图5.7变压器的空载运行工作原理 时 变电压 K为变比结论：改变匝数比，就能改变输出电压。2. 负载运行副边带负载后对磁路的影响：在副边感应电压的作用下，副边线圈中有了电流 i2 。此电流在磁路中也会产生磁通，从而影响原边电流 i1。根据 ，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不变 。带负载后

6、磁动势的平衡关系为：图5.8变压器的有载运行由于变压器铁芯材料的磁导率高、空载励磁电流 很小，一般不到额定电流的10%，常可忽略 。根据原、副边电流关系变电流结论：原、副边电流与匝数成反比原、副边阻抗关系图5.9变压器的阻抗变换从原边等效：变阻抗结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以变比的平方。 例2 有一台降压变压器，原绕组电压为220V，副绕组电压为110V，原绕组为2200匝，若副绕组接入阻抗值为10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？解：变压器变比副绕组匝数副绕组电流原绕组电流例3：扬声器上如何得到最大输出功率。设：信号源电压的有效值:Us= 120V;

7、信号源内阻： 负载为扬声器，其等效电阻： RL=8W。 1、将负载与信号源直接相连，得到的输出功率为： 信号源 图5.10 例3 (a图)2、将负载通过变压器接到信号源上。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RL变换为等效电阻变压器把负载RL 变换为等效电阻变压器变比 图5.11 例3 (b图)输出功率为：结论：由此例可见经变压器“匹配”后，输出功率增大了许多 。原因是满足了电路中获得最大功率输出的条件（信号源内、外阻抗相等）。三、变压器的外特性变压器的外特性：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。即： 图5.12变压器的外特

8、性U20：原边加额定电压、副边开路时，副边的输出电压。 变压器外特性变化的程度用电压变化率U% 表示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20%。电压变化率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。四、变压器的损耗及效率(h) 铜损-可变损耗变压器的损耗 铁损-固定损耗 铜损 ( PCu ) ：绕组导线电阻所致。 磁滞损失：磁滞现象引起铁芯发热，造成的损失。铁损( PFe )： 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。变压器的效率P2为输出功率，P1为输入功率一般变压器的效率在95%，大型变压器的效率可达99%以上。五、

9、变压器的额定值变压器负荷运行状态称额定运行。额定运行时各电量值为变压器的额定值。额定电压 U1N U2NU1N：加在一次绕组上的正常工作电压。U2N：一次侧施加额定电压时的二次侧空载电压。额定电流 I1N I1N 变压器满载运行时，原、副边绕组允许通过的电流值。额定容量 SN 变压器传送电功率的最大能力。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为50Hz。以上额定值是以单相变压器为例六、变压器绕组极性及连接方法同极性端（同名端）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（同名端）。也是各绕组电位瞬时极性相同的端点。图5.1

10、3变压器绕组极性及连接(a)图 A、a为同名端；(b)图 A、x为同名端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。正确的串联接法 ：应把两个绕组的一对异名端联在一起。正确的并联接法：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相等）。 线圈的接法 电器使用时两种电压（220V/110V）的切换： 220V： 联结 2 3 110V： 联结 1 3，2 4图5.14线圈的两种接法说明：两种接法下 不变， 所以铁芯磁路的设计相同原边有两个相同绕组的电源变压器

11、（220 / 110），使用中应注意的问题：问题1：在110V 情况下，如果只用一个绕组（N），行不行？若两种接法铁芯中的磁通相等，则：答：不行（两绕组必须并绕） 问题2：如果两绕组的极性端接错，结果如何？ 因为 两个线圈中的磁通抵消 感应电势e=0 电流 很大 烧毁图5.15线圈的错误接法答：有可能烧毁变压器结论：在极性不明确时，一定要先测定极性再通电。5.4几种常用的变压器一、三相电力变压器电力工业中，输配电都采用三相制。变换三相交流电电压，则用三相变压器。 把三个单相变压器拼合在一起， 便组成了一个三相变压器。 高压绕组分别用U1U2、V1V2、W1W2表示。 低压绕组分别用u1u2、v

12、1v2、w1w2表示。 根据电力网的线电压及原绕组额定电压的大小，可以将原绕组分别接成星形或三角形。图5.16三相电力变压器根据供电需要，副绕组也可以接成三相四线制星形或三角形。三相变压器的原副绕组的常用接法有Y，yn、Y，d、YN，d三种。大写字母表示高压绕组的接法，小写字母表示低压绕组的接法，Y与y表示星形接法，D与d表示三角形连接，N与n表示有中线。例如三相变压器的联接组 Y，yn0Y 高压绕组联结为星形Yn低压绕组联结为星形有中线0 表示高、低压对应两侧线电压的相位关系二、自耦变压器图5.17自耦变压器使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的输出电压。实验室中用的调压器就是根据此原理制

13、作的。注意：原、副边千万不能对调使用，以防变压器损坏。因为N变小时，磁通增大，电流会迅速增加。三、电压互感器 用低量程的电压表测高电压图5.18电压互感器被测电压= 电压表读数 ´ N1/N2使用注意：1. 副边不能短路，以防产生过流；2. 铁心、低压绕组的一端接地，以防在绝缘损时，在副边出现高压。四、电流互感器 用低量程的电流表测大电流图5.19电流互感器被测电流=电流表读数 ´ N2/N1使用注意事项：1. 副边不能开路，以防产生高电压；2. 铁心、低压绕组的一端接地，以防在绝缘损坏时，在副边出现过压。本 章 小 结 磁路是由铁磁材料制成的、磁通集中通过的路径，可根据需

14、要制成一定的形状。将磁路和电路进行比较，进一步理解磁路的基本物理量和基本规律。 交流铁心线圈的磁通取决与外加正弦交流电压，其基本关系式为U=4.44fNm，当外加电压一定时，磁通的幅值不变。 理想变压器的变压、变流、变阻抗的关系式为 三相电力变压器、仪用互感器、自耦调压器、电焊变压器的结构特点及应用。 第五章自测题1. 铁磁性物质的B与H的关系由 _ 表达，B和H的关系是 _ 关系，铁磁性物质的主要特性表现为 _ 现象。2. 一铁心线圈匝数为N，接在频率为f的正弦电压U下工作，当U及f不变时，N增加时磁通将 _ (填增大或减小)；3. 一台变压器的铁芯上有两个线圈，已知铁心的磁通的最大值为8&

15、#215;10-3wb，线圈的额定电压分别为6000V，220V，额定频率为50Hz，则这两个线圈的匝数分别为 N1= _ ，N2= _。4. 一台单相双绕组变压器额定容量为10KVA，额定电压为220/110V，原副边额定电流为_ _A。5. 有一匝数为100匝，电流为40A的交流接触器的线圈被烧毁，检测时手头上只有允许通过电流为25A的较细导线，若铁心窗口面积允许，重绕的线圈匝数为 匝。6. 有一交流铁心线圈，电源电压为220V，电路中电流为4A，功率表读数为100W，频率为50HZ，线圈漏阻抗压降忽略不计，试求： （1） 铁心线圈的功率因数； （2） 铁心线圈的等效电阻和等效电抗。 7. 一台220/36V的行灯变压器，已知一次侧线圈匝数为1100匝，试求二次测线圈匝数？若在二次测接一盏36V、100W的白炽灯，问一次侧电流为多少？ 8. 一台额定容量为50kVA、额定电压为3300/220V单相照明变压器，现要在在二次测接220V、60