《电路》-第6章 变压器

第6章变压器

6.1磁路及其基本定律6.2交流铁芯线圈电路6.3变压器的基本结构和原理6.4变压器的使用6.5三相变压器与绕组连接6.6特殊变压器本章小结6.1磁路及其基本定律

6.1.1磁路6.1.2磁路基本定律返回6.1.1磁路

磁路是许多以电磁原理做成的机械器件，如电机、电器、磁电式仪表等等的主要组成部分之一。各种磁路传递着磁能、发挥着应有的机能。大多数磁路含有磁性材料和工作气隙(空隙)，完全由磁性材料构成闭合磁路为情况也有不少。凡含有空隙的路，一部分磁通量作为有用的磁场，还有一部分磁通量在空隙的附近泄漏在空间，形成漏磁通。返回6.1.2磁路基本定律

1．欧姆定律设有一个截面积为S，平均周长为l，磁导率为μ的软磁圆环，如图7.3.4所示，铁环上绕以匝数为N的线圈，若磁化电流为i，则图环内的磁场H为：返回6.1.2磁路基本定律

磁场H的方向与环的轴线平行。在无漏磁的情况下，穿过环的截面的磁通：

因为，所以，上式即为磁路的欧姆定律，即磁通的大小与磁动势成正比，与磁阻成反比。磁动势与磁化电流i和线圈总匝数N成正比。磁阻与磁路的长度（即铁心的平均周长l

）成正比，与磁导率及磁路的横面积S成反比。磁动势则与乘积Ni成正比。返回6.1.2磁路基本定律

2．全电流定律全电流定律又称安培环路定律，它是计算磁场的基本定律，其内容为：磁场强度矢量在磁场中沿任何闭合回路的线积分，即：

上式表示磁场强度矢量在磁场中沿任何闭合回路的线积分等于穿过该闭合回路所包围面积内电流的代数和。注意：在计算电流代数和时，绕行方向符合右手螺旋定则的电流取正号，反之取负号。返回6.1.2磁路基本定律

在电工技术中，我们常常将全电流定律简化为：式中：l为回路（磁路）的长度。上式表示闭合回路上各点的磁场强度H相等，且其方向与闭合回路的切线方向一致。由于电流I和闭合回路绕行方向符合右手螺旋定则，线圈有N匝，电流就穿过回路N次。故：返回6.1.2磁路基本定律

3．电磁感应定律当流过线圈的电流发生变化时，线圈中的磁通也随之变化，并在线圈中出现感应电流，并产生了感应电动势。感应电动势可用下式求得：返回6.1.2磁路基本定律

感应电动势的方向由的符号与感应电动势的参考方向比较而定出。当>0，穿过线圈的磁通增加时，e小于0，此时e的方向与参考方向相反，说明感应电流产生的磁场要阻止原磁通的增加；当<0，穿过线圈的磁通减少时，e大于0，此时e的方向与参考方向相同，说明感应电流产生的磁场要阻止原磁通的减少。返回6.1.2磁路基本定律

磁路和电路的对照列表返回6.2交流铁芯线圈电路6.2.1电压、电流的关系6.2.2功率损耗返回6.2.1电压、电流的关系在许多电气设备中，铁心线圈可以通入直流电或交流电来励磁。根据铁心线圈励磁电流的不同，把铁心分为直流铁心线圈和交流铁心线圈。直流铁心线圈的励磁电流是交流电流，铁心中产生的磁通是恒定的，在线圈和铁心中不会产生感应电动势，其损耗也仅仅是线圈的热损耗（RI2）。而交流铁心线圈是由交流电励磁，铁心中产生的磁通是交变的，在线圈和铁心中会产生感应电动势，并且存在电磁关系、电压电流关系及功率损耗等问题。返回6.2.1电压、电流的关系图示为交流铁心线圈电路。设线圈的匝数为N，当在线圈两端加上交流电压u时产生的交流励磁电流通过励磁线圈时产生交变的磁通，其中绝大部分是主磁通，小部分是漏磁通。返回6.2.1电压、电流的关系图示交流铁心线圈电路的电压和电流之间的关系，根据基尔霍夫定律表示成：感应电动势：返回6.2.1电压、电流的关系一般说来，主磁通比漏磁通大得多，所以感应电动势也比漏磁电动势大得多，同时励磁线圈电阻R上的压降很小，如果将漏磁电动势和电阻上的压降忽略不计，则：上式说明当外加电压的有效值及其频率不变时，主磁通的最大值几乎是不变的。返回6.2.2功率损耗在交流铁心线圈中，除了线圈R上的有功损耗RI2（即铜损）外，处于交变磁化作用下的铁心还会产生铁损。故，交流铁心线圈的功率损耗为：铁损是由磁滞和涡流产生的，分别称为磁滞损耗和涡流损耗，它们都会引起铁心发热。实验可知：交变磁化一周在铁心的单位体积内所产生的磁滞损耗能量与磁滞回线所包围的面积成正比。返回6.2.2功率损耗涡流损耗是由于铁心的涡流产生的。交变的电流产生交变的磁通，一方面在线圈中产生感应电动势，另一方面也要在铁心内产生感应电流和感应电动势，这种感应电流称涡流。减小涡流的方法是：在顺磁场方向铁心可由彼此绝缘的钢片（如硅钢片）叠成。涡流会引起铁心发热，这是它有害的一面。但我们可以利用涡流的热效应来冶炼金属，利用涡流和磁场相互作用而产生电磁力的原理制造感应式仪器等。返回6.3变压器的基本结构和原理1．变压器的类型

根据用途分类有：用于远距离输电、配电的电力变压器，用于机床局部照明和控制用的控制变压器，用于电子设备和仪表供电的电源变压器，用于传输信息的耦合变压器等；根据变压器输入端电源相数分有：单相变压器和三相变压器两类；根据变压器电压升降分有：升压变压器和降压变压器两类。返回6.3变压器的基本结构和原理2．变压器的基本结构

变压器结构示意图变压器图形符号返回6.3变压器的基本结构和原理2．变压器的基本结构

基本结构：铁芯和绕组变压器中铁芯是用铁磁材料做成的，它是变压器磁路的主体部分，用来增加线圈中的磁感应强度B，从而增大线圈的电感量。绕组：绕在铁芯上的线圈。返回6.3变压器的基本结构和原理3．变压器的工作原理

1）变压器的空载运行状态变压器的原绕组接交流电源上，副绕组不接负载（副边开路）的情况称变压器的空载运行状态。返回6.3变压器的基本结构和原理1）变压器的空载运行状态原、副绕组的电压之比为：式中：K为变压器的变比。可见，变压器的原、副绕组上的电压比就是变压器原、副绕组的匝数比，即变比K。返回6.3变压器的基本结构和原理变压器空载运行时，当Nl与N2不同时，变压器可将某一交流电压转换成同一频率的另一数值的交流电压。这就是变压器的电压变换作用。当Nl＞N2，K＞1时，变压器起降压作用，电压下降，称为降压变压器。反之，若Nl＜N2，K＜1时，电压上升，变压器起升压作用，称为升压变压器。必须指出，变压器的原绕组和副绕组之间，在电路上并不相互连接，其电能自原绕组输入，通过电磁感应的形式传递到副绕组上输出。返回6.3变压器的基本结构和原理2）变压器的负载运行状态空载运行时主磁通是由原绕组Nl中通入励磁电流i0产生的。在负载运行时，原绕组和副绕组中分别有电流i1和i2通过，变压器在空载和负载时主磁通不变，故，各磁动势有下列关系式（变压器的磁动势平衡方程）：l返回6.3变压器的基本结构和原理2）变压器的负载运行状态变压器的磁动势平衡方程用有效值形式表示为：上式表明变压器负载运行时的电流变换作用，即原、副绕组的电流有效值之比近似等于变压器原、副绕组匝数比的倒数。返回6.3变压器的基本结构和原理2）变压器的负载运行状态变压器负载运行时原绕组电流是由副绕组电流的大小来决定的，当副绕组电流随着负载变化而增大时，原绕组的电流必然成正比例增大。返回6.3变压器的基本结构和原理3）变压器的阻抗变换作用变压器不仅能起变换电压和变换电流的作用，还具有变换负载阻抗的作用。在电子设备中，为了获得较大的功率输出，常采用变K器来获得所需要的等效阻抗，以实现电路的阻抗匹配。返回6.3变压器的基本结构和原理3）变压器的阻抗变换作用根据等效原理：接在变压器副边的阻抗对电源而言，相当于接上等效阻抗为的负载，这就是变压器阻抗变换的作用。我们可以采用不同的匝数比，把负载阻抗变换成所需要的、比较合适的数值。故，这种阻抗变换的过程又称为变压器的阻抗匹配。返回6.4变压器的使用6.4.1变压器的外特性6.4.2变压器的损耗和效率6.4.3变压器的额定值6.4.4变压器绕组的极性返回6.4.1变压器的外特性一般情况下，当电源电压U1保持不变，负载变化时，由于变压器原、副绕组都具有电阻和漏磁感抗压降发生变化，使得变压器副绕组的电压U2也随之发生变化。当电源电压U1和负载功率因数为常数时，的关系曲线称为变压器的外特性。返回6.4.1变压器的外特性特性曲线表明：变压器副绕组电压随负载的增加而下降；对于相同的负载电流，感性负载的功率因素越低，副绕组电压下降越多。通常我们希望副绕组电压U2的变动越小越好。为了反映U2从空载到额定负载的变化程度，引入电压变化率△U：返回6.4.2变压器的损耗和效率1．变压器的损耗变压器的损耗和交流铁心的损耗很相似，它是在传递能量的过程中自身会产生铜损和铁损两种损耗。

返回6.4.2变压器的损耗和效率变压器的铜损是变压器在运行时，电流流经原、副绕组电阻R1、R2所消耗的功率。变压器空载时铜损为0，满载时铜损最大。铜损随负载电流的变化而变化，因此又称可变损耗。变压器的铁损是主磁通在铁心中交变时所产生的磁滞损耗和涡流损耗，它的大小与铁心内磁感应强度的最大值有关，与电源电压U1、频率f有关，但与负载电流大小无关。对于运行中的变压器，铁损也基本不变，故，铁损又称为不变损耗。返回6.4.2变压器的损耗和效率2．变压器的效率

变压器的效率是变压器输出功率P2与对应的输入功率P1的比值，通常用百分数来表示，即：大型变压器的效率可达98%～99%，小型变压器的大型变压器的效率可达70%～80%。研究表明：当变压器的铜损等于铁损时，其效率接近最高。返回6.4.3变压器的额定值变压器的铭牌上的主要数据有以下几种：1．额定电压额定电压是指根据变压器的绝缘强度和允许温升而规定的电压值，以伏（V）或千伏（KV）为单位。注意：三相变压器的原边和副边的额定电压都是指线电压。另外，使用变压器时，不允许超过其额定的工作电压值。返回6.4.3变压器的额定值2．额定电流额定电流是指变压器根据规定的工作方式（长时间连续工作或短时工作或间歇工作）运行时，原、副绕组上允许通过的最大电流，以安（A）或千安（KA）为单位。它们是根据绝缘材料允许的温度确定的。注意:三相变压器的原边和副边的额定电流都是指线电流。另外，使用变压器时，不要超过其额定的工作电流值。变压器长期过载工作将会缩短它的使用寿命。返回6.4.3变压器的额定值3．额定容量额定容量是指变压器副边的额定视在功率，即副绕组上的额定电压和额定电流的乘积。额定容量反映了变压器传递电功率的能力。注意：视在功率的单位是伏·安（VA）或千伏·安（KVA），而输出功率的单位是瓦（W）。返回6.4.3变压器的额定值4．额定频率我国规定标准工频频率为50Hz，有些国家规定是60Hz，使用时应注意区分。改变使用频率会导致变压器某些电磁参数、损耗和效率发生变化，会影响变压器的正常工作。5．额定温升变压器在额定运行情况下，变压器内部的温度允许超出现定的环境温度(十40℃)的数值。返回6.4.4变压器绕组的极性变压器绕组的极性指绕组在任意瞬时两端产生的感应电动势的瞬时极性。它总是从绕组的相对瞬时电位的低电位端（“－”），指向高电位端（“+”）。在使用变压器或其它有磁耦合的互感线圈时，要注意线圈的正确连接。返回6.4.4变压器绕组的极性1）直流法其接线方法如图8.2.4（a）所示，当开关S闭合瞬间，若直流毫安表的指针正向偏转，则1和3是同名端；反转则1和4是同名端。2）交流法其接线方法如图8.2.4（b）所示，用导线将两线圈1、2和3、4中的任一端子（如2和4）连接在一起，将较低的电压加于任一线圈（如1、2线圈），然后用电压表分别测出U12、U34和U13，若U13=|U12－U34|，则1和3是同名端；U13=U12+U34，则1和4是同名端。返回6.4.4变压器绕组的极性1）直流法2）交流法返回6.5三相变压器与绕组连接当绕组接成星形时，每相绕组的相电流等于线电流，相电压只有线电压的1/倍，相电压较低有利于降低绕组的绝缘强度要求，故，变压器的高压侧多采用“Y”接法。返回6.6特殊变压器6.6.1自耦变压器6.6.2仪用互感器6.6.3电焊变压器返回6.6.1自耦变压器图所示是一种自耦变压器，它的结构特点是副绕组是原绕组的一部分。自耦变压器原、副绕组电压之比和电流之比为：最简单的方法是用一种可改变副绕组匝数的自耦变压器来调压。自耦变压器也称为调压器。返回6.6.1自耦变压器自耦变压器与普通变压器的区别在于，普通变压器有原绕组和副绕组，而自耦变压器只有一个绕组作为高压绕组(原绕组)，而低压绕组(副绕组)是高压绕组的一部分。因此其原、副绕组不仅有磁的联系，而且还有电的联系。返回6.6.1自耦变压器

图8.4.2调压器的外形和电路返回6.6.1自耦变压器根据电气安全操作规程规定，自耦变压器不容许作安全变压器使用，使用时要注意以下几点：

1．不要把原、副绕组搞错，即不要把电源接到可调输出端，否则会损坏变压器。

2．如图8.4.2所示，“1”与“4”端共点，一定要接电源线，“2”端或“3”端一定至接电源的相线，否则操作人员极易触电。3．接通电源前一定要让动头“5”端下滑到输出为零的位置，然后接通电源、逐渐将电压调到所需要的数值，否则会烧坏负载。4．接电源的输入竭一般有三个接线头，它可用于220V和110V的供电线路，若错接就会把调压器烧坏。返回6.6.2仪用互感器仪用互感器是一种专供测量仪表，控制设备和保护设备中使用的变压器。可分为电压互感器和电流互感器两种。返回6.6.2仪用互感器1．电压互感器使用时，电压互感器的高压绕组跨接在需要测量的供电线路上；低压绕组与电压表、功率表和继电器的电压线圈相连。返回6.