电工基础变压器精品版.docx

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电工基础变压器精品版

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Φ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，Φ与I成正比且增加率较大；AB段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；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eσ

∴

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U≈4.44fNΦm

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i10i10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10Ω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;信号源内阻：

负载为扬声器，其等效电阻：

RL=8Ω。

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ΔU%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（η）

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η

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、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U1NU2N

U1N：

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I1NI1N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5.13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（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、v1v2、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，yn0

Y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

①磁路是由铁磁材料制成的、磁通集中通过的路径，可根据需要制成一定的形状。

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。

②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=4.44fNΦm，当外加电压一定时，磁通的幅值不变。

③理想变压器的变压、变流、变阻抗的关系式为

④三相电力变压器、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.

4.教师评语小学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8×10-3wb，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=______________。

5.一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。

6.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