第4章铁芯线圈与变压器

学习情境3认识变压器3.1

铁芯线圈、磁路3.2变压器3.3实用中的常见变压器主要内容了解变压器的基本结构组成；了解变压器的用途；了解变压器变换电压、变换电流及变换阻抗的工作原理。基本要求学习情境3认识变压器学习情境3认识变压器变压器：是一种静止电器,它通过线圈间的电磁感应,将一种电压等级的交流电能转换成同频率的另一种电压等级的交流电能3.1铁芯线圈、磁路3.1.1磁路的基本物理量电流→磁场→用磁力线描述磁路：磁场中磁力作用的通路。磁场的强弱和方向：在磁路中可以用磁力线定性描述。磁路的基本物理量：磁感应强度、磁通、磁导率和磁场强度。3.1.1磁路的基本物理量磁感应强度B:

表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。B的方向:

与电流的方向之间符合右手螺旋定则。B的单位:

特斯拉(T)，和高斯（Gs）均匀磁场:

各点磁感应强度大小相等，方向相同的

磁场，也称匀强磁场。1T=104Gs

磁感应强度3.1.1磁路的基本物理量磁通φ：垂直穿过某一面积S的磁力线的总根数。单位：韦伯(Wb)和麦克斯韦(简称麦，Mx)。1Wb=108MxSF

或

BS=F磁通3.1.1磁路的基本物理量磁导率

：用来衡量物质导磁性能的物理量。

的单位：亨/米（H/m）真空的磁导率为常数，用

0表示，有：相对磁导率

r：非铁磁材料的相对磁导率约等于1；而铁磁材料的

r»1。磁场强度磁场强度H：磁感应强度B与该处物质的磁导率之比：H的单位：安/米(A/m)或安/厘米(A/cm)磁导率3.1.2磁路欧姆定律＋u－i磁通铁芯铁芯的磁导率比周围空气或其它物质的磁导率高的多，磁通的绝大部分经过铁芯形成闭合通路，磁通的闭合路径称为磁路。磁通势:电流i与线圈匝数的乘积（磁动势）Fm=IN电路部分:由电源和绕组构成磁路部分:由铁芯构成。3.1.2磁路欧姆定律磁路欧姆定律把电路与磁路进行比较：电路中的电流I、电动势E和电阻R对应于磁路中磁通Φ、磁动势Fm和磁阻Rm。因此，磁路中的磁动势、磁通和磁阻三者之间的关系可比照电路欧姆定律写作：上式表明，磁通Φ与磁动势Fm成正比，与磁阻Rm成反比。磁阻Rm因磁导率μ是一个变量，因此磁阻Rm不是常数。3.1.3铁磁材料的磁性能1、高导磁性外磁场磁畴磁畴：铁磁材料内部的小天然磁性区域。在没有外磁场作用的普通磁性物质中，各个磁畴排列杂乱无章，磁场互相抵消，整体对外不显磁性。在外磁场作用下，磁畴方向发生变化，使之与外磁场方向趋于一致，物质整体显示出磁性来，称为磁化。铁磁材料的磁畴与磁化3.1.3铁磁材料的磁性能由实验测出铁磁材料的磁化曲线B-HbcBHao3.1.3铁磁材料的磁性能高导磁性：在外磁场的作用下，铁磁材料被强烈磁化而呈现出很强的磁性。如曲线的ab

段。高导磁性被广泛地应用于电机、变压器等电工设备中。2、磁饱和性：

H

增加，B几乎不再增加的现象。如曲线的过c段。B-HbcBHao3.1.3铁磁材料的磁性能磁滞回线OHB••••BrHc3、磁滞性：

B的变化滞后于H的变化。磁滞回线：铁磁材料在交变磁场中反复磁化，其B-H关系曲线是一条回形闭合曲线，这条闭合线称为磁滞回线。剩磁性：当线圈中电流减小到零(H=0)时，铁磁材料中的B并不为零的现象。剩磁：用

Br表示，图中的oc段和of段。娇顽磁力Hc：使B=0所需的H值。图中的od段和og段。abcdefg3.1.4铁磁材料的分类和用途磁性材料分为三种类型：软磁材料

具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢片、铁氧体等。硬磁材料

具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。矩磁材料

只要受较小的外磁场作用就能磁化到饱和，当外磁场去掉，磁性仍保持，磁滞回线几乎成矩形。在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体及1J51型铁镍合金等。3.1.5铁芯损耗磁滞损耗：因磁滞现象而产生一些功率损耗，从而使铁磁材料发热，这种损耗叫磁滞损耗。涡流损耗：由于涡流引起的功率损耗。减少涡流损耗措施：提高铁心的电阻率；铁芯用彼此绝缘的钢片叠成；把涡流限制在较小的截面内。3.1.6主磁通原理＋u－i线圈两端所加电压为正弦量，根据法拉第电磁感应定率，线圈上的感应电压：电源电压有效值与自感电压有效值近似相等。因此：主磁通原理：对交流铁芯线圈而言，当外加电压有效值U与频率f一定时，铁芯中工作主磁通的最大值φm将始终维持不变。电磁铁衔铁铁心铁心线圈线圈衔铁结构：线圈、铁心、衔铁利用电磁力实现某一机械发生动作的电磁元件。3.1.6主磁通原理【例3.1】一个交流电磁铁，因出现机械故障，造成通电后衔铁不能吸合，结果把线圈烧坏，试分析其原因。【解】由主磁通原理可知，当线圈两端电压有效值U及电源频率f不变时，铁芯磁路中工作主磁通的最大值φm基本保持不变。因此，根据磁路欧姆定律进行分析：衔铁不能吸合使磁路中始终存在一个气隙，气隙虽小却造成磁路的磁阻Rm大大增加，电源必须增大电流以产生足够的磁动势IN，以保持φm基本不变。这种情况下，线圈中的电流要超出正常值很多倍，将很快导致线圈过热而烧坏。3．功率损耗Nie

–+u–+e–+

(1)铁心损耗磁滞损耗：铁心反复磁化时所消耗的功率。涡流损耗

在铁心中产生的感应电流而引起的损耗。

铁心损耗=磁滞损耗+涡流损耗(2)铜损耗线圈电阻产生的损耗PCu

=I2R思考与练习1.磁通Φ、磁导率μ、磁感应强度B和磁场强度H分别表征了磁路的哪些特征？这些描述磁场的物理量单位上有何不同？其中B和H的概念有何异同？2.根据物质导磁性能的不同，自然界中的物质可分为几类？它们在相对磁导率上的区别是什么？铁磁材料具有哪些磁性能？3.铜和铝能够被磁化吗？为什么？4.根据工程上用途的不同，铁磁材料可分为几类?试述他们的特点和用途。5.何谓铁损？什么是磁滞损耗？什么是涡流损耗？6.电机、电器的铁芯通常为什么做成闭合的？如果铁芯回路中存在间隙，对电机、电器有何影响？3.2变压器3.2.1变压器的基本结构铁心

绕组

铁心

绕组

变压器由铁心和绕组构成心式变压器壳式变压器u203.2.1变压器的基本结构N1i1原绕组副绕组Axu1axS|ZL|i2N2变压器的绕组构成其电路部分：与电源相接的绕组称为原边（或原绕组，一次绕组），原边的首、尾端通常用“A”、“X”表示；与负载相接的绕组称为副边（或副绕组，二次绕组），用“a”、“x”表示。原边各量一般采用下标“1”，副边各量采用下标“2”。3.2.1变压器的基本结构u20N1i1Axu1axSi2N2铁芯构成变压器的磁路部分。为减少铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗，常用0.35～0.5mm厚的硅钢片叠压制成变压器铁芯。变压器磁路的作用是利用磁耦合关系实现能量的传递。铁芯AXax|ZL|变压器符号3.2.2变压器的工作原理1.变压器的空载运行与变换电压的作用空载运行：原绕组接交流电源，副绕组开路的运行状态。原绕组接交流电源u1→原边通过的电流为空载电流i10很小为额定电流的3%～8%。→产生磁通→产生自感电压uL1

，其有效值为：常可认为电源电压U1≈UL1。铁芯中的主磁通Φ穿过副边时产生互感电压uM2，互感电压的有效值为：副边开路电流为零，因此空载时副边不存在损耗，有U20=UM2。3.2.2变压器的工作原理变压器空载情况下原、副边电压的比值为：式中k称为变压比，简称变比。结论：变压器有变换电压的作用，且电压大小与匝数成正比。

当k>1时为降压变压器；当k<1时为升压变压器。3.2.2变压器的工作原理【例4-2】一台SN=600kVA的单相变压器，接在U1=10kV的交流电源上，空载运行时它的副边电压U20=400V。试求变比k=?若已知N2=32匝，求N1=?【解】

根据变比公式可得：3.2.2变压器的工作原理【例4-3】一台35kV的单相变压器接于工频交流电源上，已知副边空载电压U20=6.6kV,铁芯截面积为1120cm2，若选取铁芯中磁感应强度Bm=1.5T时，求变压器的变比及原、副边的匝数N1和N2。【解】变比为：主磁通为：匝数为：3.2.2变压器的工作原理2.变压器的负载运行与变换电流的作用u2N1i1Axu1axSi2N2|ZL|变压器在负载运行状况下，副边感应电压u2将在负载回路中激发电流i2,由于i2的大小和相位主要取决于负载的大小和性质，因此常把i2称为负载电流。3.2.2变压器的工作原理2.变压器的负载运行与变换电流的作用若U1、f不变，则铁心中主磁通的最大值m在变压器空载和有载时近似保持不变。即有空载：；有载：则有磁势平衡式：由于i10很小可忽略不计可推出变压器负载运行时的原、副边电流有效值的关系为：结论：变压器有变换电流作用，且电流大小与匝数成反比。3.2.2变压器的工作原理3.变压器的变换阻抗作用+–+–|ZL|+–|Z1|结论：变压器原边的等效阻抗，为副边所带阻抗的K2

倍。3.2.2变压器的工作原理【例3.4】已知某收音机输出变压器的原边匝数N1=600匝，副边匝数N2=30匝，原来接有阻抗为16Ω的扬声器，现要改装成4Ω的扬声器，求副边匝数应改为多少？【解】分析接=16Ω扬声器时，已达到阻抗匹配，原变比为：k=N1/N2=600/30=20改装成=4Ω的扬声器后，新变比为：因此3.2.3变压器的外特性变压器的外特性：描述输出电压u2随负载电流i2变化的关系。当负载性质为纯电阻时，功率因数cosφ2=1,u2随i2的增加略有下降；若功率因数cosφ2=0.8为感性负载时，u2随i2增加下降的程度加大；当cos（-φ2）=0.8为容性负载时，u2随i2的增加反而有所增加。由此可见，负载的功率因数对变压器外特性的影响是很大的。3.2.4电压调整率电压调整率：变压器由空载到满载（额定I2N）时，副边输出电压u2的变化程度，即满载电压空载电压一般变压器的漏阻抗很小，故电压调整率不大，约为2%～3%。若负载的功率因数过低时，会使电压调整率大为增加，负载电流此时的波动必将引起供电电压较大的波动，给负载运行带来不良的影响。3.2.5变压器的损耗和效率变压器的损耗：主要包括铁损耗和铜损耗，即铁损耗（固定损耗）：变压器铁心中的磁滞损耗和涡流损耗。铜损耗（可变损耗）：电流通过变压器绕组时会产生损耗。效率：变压器的输出功率P2与输入功率P1之比，即控制装置中的小型电源变压器效率通常都在80%以上，而电力变压器的效率一般可达95%以上。

3.3实用中的常见变压器3.3.1电力变压器及其用途3.3实用中的常见变压器3.3.1电力变压器及其用途电力系统中为了输电、供电、用电的需要，采用电力变压器把同一频率的交流电压变换成各种不同等级的电压，以满足不同用户的需求。电力变压器主要用于电力输配系统中起功率传送、电压变换和绝缘隔离作用。我国发电机输出电压，一般有6.3kV、10.5kV、12.5kV几个等级我国交流输电电压，有35kV、110kV、220kV、550kV几个等级3.3.2自耦变压器自耦变压器：只有一个绕组，原绕组的一部分兼做副绕组。两者之间不仅有磁的耦合，而且还有电的直接联系。工作原理：自耦变压器的原理与普通变压器相同。实验室使用的自耦变压器通常做成可调式的自耦调压器自耦调压器外形图手柄自耦调压器的最大优点是可以通过转动手柄来获得所需要的各种电压，它不仅用于降压，而且输出端还可以稍高于原边的电压。实验室中广泛使用的单相自耦调压器，输入电压为220V，输出电压可在0～250V任意调节。注意：原、副边千万不能对调使用，以防损坏。3.3.3电焊变压器电焊变压器：一种特殊的降压变压器，用于交流电焊机生产中。电焊变压器的空载电压为60-80V，当电弧起燃后，焊接电流通过电抗器产生电压降，使焊接电压降至25-30V维持电弧工作。交流电焊机示意图电焊变压器的外特性3.3.4仪用互感器仪用互感器：专门用来传递电压或电流信息，以供测量或继电保护装置使用的特种变压器，称为仪用变压器或仪用互感器。仪用互感器按其用途分类：电压互感器和电流互感器。电压互感器：用于测量高电压的互感器。电流互感器：用于测量大电流的互感器。3.3.4仪用互感器⑴电压互感器实质上是一种变压比比较大的降压变压器V

N1

N2RLu1u2使用电压互感器时应注意一下几点：二次侧不允许短路；互感器的铁芯和二次绕组的一端必须可靠接地；使用时，在二次侧并接的电压线圈或电压表不宜过多，以免二次侧负载阻抗过小，导致一、二次侧电流增大，使电压互感器内阻抗压降增大，影响测