《电工技术》-第6章磁路及变压器

6.1磁路的基本知识

下一页返回6.1.1磁路的基本物理量1.磁感应强度磁感应强度（B），是用来定量表示磁场强弱和方向的一个物理量。磁感应强度是一个矢量，其大小满足毕奥-萨伐儿定律，方向满足右手螺旋定则。如图6-2所示。在国际单位制中，磁感应强度的单位为特［斯拉］，符号为T。2.磁通穿过某一截面S的磁感应强度的通量称为磁通量，简称磁通（Φ）。即：6.1磁路的基本知识对于均匀磁场来说，当磁感应强度与截面面积垂直时，则有Φ=BS3.磁导率磁导率（μ）一个是用来表示物质导磁性能的物理量，可以形象地说磁导率是用来反映介质对磁场影响的程度，不同物质的磁导率是不一样的。磁导率的单位是亨/米（H/m）。实验测得，真空的磁导率μ0=4π×10-7H/m，是一个常数。其他物质的磁导率通常是用相对磁导率μr来衡量的。相对磁导率μr是磁导率μ与真空磁导率μ0的比值。4.磁场强度磁场中某点的磁场强度是指该点处的磁感应强度B与介质磁导率μ的比值，用H表示，即：上一页下一页返回6.1磁路的基本知识6.1.2磁场对电流的作用通电导体在磁场中受到的作用力叫电磁力，用F表示。电磁力的大小和导体在磁场中的有效长度及所在位置、流过电流的大小、磁感应强度有关。在均匀磁场中，当直导体与磁场垂直时，电磁力F的大小和导体在磁场中的有效长度L及流过电流的大小I、磁感应强度B成正比。即F=BIL6.1.3电磁感应处于变化磁场中的导体中会感应电动势，这就叫作电磁感应现象，由此产生的电动势叫感应电动势。在变压器、电动机等电器设备中，电磁感应主要表现为两种情况。上一页下一页返回6.1磁路的基本知识1.直导体中的电磁感应处于磁场中的直导体，当其与磁场存在相对运动，即切割磁力线时，将在导体中产生感应电动势。如果所处磁场为均匀磁场，则当导体相对于磁场的运动方向以及导体、磁感应强度方向三者垂直时，导体中感应电动势e的大小与导体相对切割速度v，导体在磁场中的有效长度L、磁感应强度B成正比。即

e=BLv2.线圈中的电磁感应当穿过线圈的磁通发生变化时，将在线圈中产生感应电动势，由此引起感应电流流过。感应电动势e的大小与线圈的匝数N，磁通的变化率成正比，即：上一页下一页返回6.1磁路的基本知识6.1.4磁路基本定律1.磁路的概念磁通所通过的闭合路径称为磁路。该路径可以是铁磁物质，也可以是非铁磁物质，如空气等。图6-5所示为两种常见的磁路。2.安培环路定律沿磁场中任一闭合回线l绕行一周，磁场强度H的线积分等于通过该闭合路径内所有电流的代数和，即：上一页下一页返回6.1磁路的基本知识3.磁路的欧姆定律如图6-7（a）所示的电路无分支等截面均匀磁路中，铁芯截面积为S、平均长度为l，磁导率为μ，线圈流过的电流为i，匝数为N，当磁感应强度与截面面积垂直时，有磁路与电路是有着密切联系的，两者的类似特性如表6-1所示。上一页下一页返回6.1磁路的基本知识6.1.5铁磁材料的特性1.磁化特性将铁磁材料放入磁场中，磁场会显著增强，这种现象叫铁磁材料的磁化。2.磁饱和性对于铁磁材料来说，磁化所产生的附加磁场的磁感应强度B不会随着外部磁场的增强而无限增强，当磁感应强度B增强到一定程度时，不会再增强，这时磁化磁场的磁感应强度达到饱和值，铁磁材料的这种特性被称为磁饱和性。此后，随着励磁电流的增大，并不会使磁场继续增强。上一页下一页返回6.1磁路的基本知识3.磁滞特性如果在铁芯线圈中通入交流电，磁场强度H的大小和方向会随交变电流变化，使得铁磁材料在磁场中被反复磁化，此时磁感应强度B和磁场强度H的关系会变成如图6-10所示曲线的形状。4.铁磁材料的分类按照磁滞回线形状的不同，铁磁材料分为3类，如图6-11所示。上一页下一页返回6.1磁路的基本知识6.1.6交流铁芯线圈电路将线圈绕在铁芯上便成为铁芯线圈。根据线圈所接电源性质，铁芯线圈分为直流铁芯线圈和交流铁芯线圈。直流铁芯线圈通入直流电后，在铁芯中及铁芯附近产生的恒定磁场，不会在铁芯线圈中感应电动势，特性比较简单。交流铁芯线圈中通入交流电时，在线圈中产生交变的磁通，使得铁芯线圈中产生感应电动势，特性相比直流铁芯线圈比较复杂。上一页下一页返回6.1磁路的基本知识1.电磁关系线圈中通入交流电，如果线圈匝数为N，则磁动势F=Ni将在线圈中产生交变的磁通，其中的大部分沿铁芯闭合，形成主磁通Φ，少部分磁通通过空气闭合，形成漏磁通Φσ，两部分磁通分别在线圈中产生主感应电动势e和漏电势eσ。如图6-12所示，各个物理量在图6-12所示的参考方向下，线圈电阻为R，由KVL定律可得电路方程上一页下一页返回6.1磁路的基本知识设主磁通按正弦规律变化：sinΦm=Φmωt，则式中Em=2πfNΦm为主电动势e的最大值，其有效值为2.功率损耗（1）磁滞损耗。（2）涡流损耗。上一页返回6.2变压器6.2.1概述变压器是一种利用电磁感应进行电能传递的静止电气设备，它可以实现同频率交流电的电压、电流、阻抗等的变换，在多个领域有着广泛应用。在电力系统中，发电厂发出的电能（10kV）需要进行远距离输送至用户端，为了减少电能在传输过程中的损耗，需要利用升压变压器提高送电电压（110kV、220kV、500kV等），而到了用电端则需要利用降压变压器把电压降低至用电设备所需的电压（比如6kV，380/220V等）并进行电能的分配。电力系统中使用的变压器叫做电力变压器，是电力系统的重要组成设备。下一页返回6.2变压器6.2.2变压器的结构和分类1.变压器的结构（1）铁芯。作为变压器的主磁路，由铁芯柱及连接铁芯柱的铁轭两部分组成。为了具有较高的导磁率以及减小磁滞和涡流损耗，铁芯多采用0.35mm厚的涂有绝缘漆的硅钢片叠装起来。（2）绕组。变压器的线圈称为绕组，是变压器的电路部分，由绝缘铜线或铝线绕制而成。通常变压器至少有两组绕组（也有三组），电压高的称为高压绕组；电压低的称为低压绕组。国产电力变压器采用心式结构，如图6-14所示。（3）其他结构部件。变压器除了铁芯、绕组等主要部件外，油浸式变压器还有油箱及变压器油、储油柜、分接开关、绝缘套管、继电保护装置等组成部件。上一页下一页返回6.2变压器2.变压器的分类按照不同的分类标准，变压器可以进行不同的分类。按相数可分为单相和三相变压器；按用途可分为电力变压器和特种变压器等。虽然有多种变压器类型，但各种类型的变压器的基本结构和工作原理是相同的。6.2.3变压器的工作原理变压器最少有两个以上绕组。单相变压器只有两个绕组，其中与电源相连的绕组称为原绕组（或一次绕组及初级绕组），与负载相接的绕组称为副原绕组（或二次绕组及次级绕组）。图6-15为单相变压器结构示意图和电路符号。上一页下一页返回6.2变压器1.电压变换作用设一次绕组和二次绕组中各电压、电流、感应电动势的参考方向如图6-15所示，则一次绕组电压方程与铁芯线圈电压方程相似，根据公式6-10，有一次绕组：类似地，二次绕组的电压方程为变压器空载时，据此可以得到变压器的电压变换关系：上一页下一页返回6.2变压器变压器负载时，由于二次绕组的电阻压降和漏电势也较小，则有：此时仍然有2.电流变换作用上一页下一页返回6.2变压器3.阻抗变换作用如果接在变压器二次侧的负载阻抗为ZL，如图6-16所示，其模为从一次侧看进去，等效阻抗为Z′，模为：上一页下一页返回6.2变压器6.2.4变压器的额定值1.额定电压2.额定电流3.额定容量4.额定频率6.2.5变压器的同名端1.同名端的标记在同一交变磁通的作用下，变压器一、二次绕组中产生的感应电势有一定的方向。两个绕组中电动势瞬时极性相同（同为正或同为负）的端子，称为同名端，端子旁边用符号“·”表示。如图6-17所示。上一页下一页返回6.2变压器2.变压器同名端的判别方法通过上述分析可知同名端与绕组绕向有关。在已知绕组绕向的情况下，根据右手定则就可以方便地判断出变压器的同名端。但对于制成的变压器来说，是无法知道绕组绕向的，为此可以采用实验的方法来判定同名端。实验的方法有两种，直流法和交流法。如图6-18所示。6.2.6变压器的外特性1.变压器的外特性变压器在一次绕组加额定电压U1=U1N，负载功率因素cosφ一定的情况下，二次绕组的输出电压U2随负载电流I2变化的关系U2=f(I2)，称为变压器的外特性。外特性曲线如图6-19所示。上一页下一页返回6.2变压器6.2.7三相变压器供配电系统中大量使用三相电力变压器进行三相交流电能的变换和分配。图6-20所示为三相电力变压器绕组示意图。三相变压器的一二次绕组的接法有两种，分别为星形连接和三角形连接，星形连接用Y（y）表示，三角形连接用D（d）表示，如图6-21所示。

图6-22所示为一种常用的油浸式电力变压器的外形结构图。上一页返回表6-1磁路与电路的比较返回图6-2右手螺旋定则返回图6-5两种常见的磁路返回图6-7无分支铁芯磁路返回图