電工基礎(chǔ)變壓器

1、第 5 章磁路與變壓器5.1磁路的基本概念一、鐵磁材料鐵磁材料：能被磁化的的材料。例如：鐵、鈷、鎳以及它們的合金和氧化物。鐵心：由鐵磁材料制成。磁疇：鐵心自身存在的自然磁性小區(qū)域。注意：在沒(méi)有外磁場(chǎng)作用時(shí)，磁疇的方向雜亂無(wú)章，宏觀不顯磁性。圖5.1 磁疇和鐵心的磁化磁化：在一定強(qiáng)度外磁場(chǎng)的作用下，磁疇將沿外磁場(chǎng)方向趨向規(guī)則排列，產(chǎn)生附加磁場(chǎng)，使通電線圈的磁場(chǎng)顯著增強(qiáng)。圖5.2磁化過(guò)程直線1表示空心線圈的情況；曲線2表示線圈放入鐵心的情況。磁化過(guò)程說(shuō)明：直線1:I與成正比且增加率較小曲線2(磁化曲線):OA段大部分磁疇的磁場(chǎng)沿外磁場(chǎng)方向排列，與I成正比且增加率較大；AB段所有磁疇的磁場(chǎng)最終都沿外

2、磁場(chǎng)方向排列，鐵心磁場(chǎng)從未飽和狀態(tài)過(guò)渡到飽和狀態(tài)；B點(diǎn)以后稱飽和狀態(tài)，鐵心的增磁作用已達(dá)到極限。二、磁導(dǎo)率：表征各種材料導(dǎo)磁能力的物理量真空中的磁導(dǎo)率(0 )為常數(shù) （亨/米）一般材料的磁導(dǎo)率和真空中的磁導(dǎo)率0之比，稱為這種材料的相對(duì)磁導(dǎo)率r，則稱為鐵磁材料，則稱為非鐵磁材料三、磁滯現(xiàn)象磁滯：鐵心線圈通入交流電，鐵心中的磁疇會(huì)隨交流電的變化而被反復(fù)磁化。由于磁疇本身存在“慣性”，使得磁通的變化滯后電流的變化。磁滯損耗：為外磁場(chǎng)不斷克服磁疇的“慣性”消耗的能量。磁滯損耗是鐵心發(fā)熱的原因之一。鐵磁材料的磁性能：1、高導(dǎo)磁性 2、磁飽和性 3、磁滯性軟磁材料 硬磁材料 矩磁材料圖5.3鐵磁材料的磁滯

3、回線根據(jù)磁性能，磁性材料又可分為三種：軟磁材料（磁滯回線窄長(zhǎng)。常用做磁頭、磁心等）、硬磁材料（磁滯回線寬。常用做永久磁鐵）、矩磁材料（磁滯回線接近矩形。可用做記憶元件）。四、磁路線圈通入電流后，產(chǎn)生磁通，分主磁通和漏磁通。：主磁通：漏磁通圖5.4交流鐵心線圈電路磁路：主磁通所經(jīng)過(guò)的閉合路徑。磁路和電路的比較:五、渦流交變的磁通穿過(guò)鐵心導(dǎo)體時(shí)，在其內(nèi)部產(chǎn)生的旋渦狀的電流。(a)整塊鐵心 (b)有硅鋼片疊成的鐵心圖5.4渦流渦流會(huì)使鐵心發(fā)熱并消耗能量，為了減小渦流損耗，鐵心常采用涂有絕緣材料的硅鋼片疊成。5.2 交流鐵心線圈電路交流激勵(lì)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)電路方程：一般情況下uR很小，漏磁通很?。褐?/p>

4、磁通 ：漏磁通圖5.5交流鐵心電路和產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)分別為el和e假設(shè) 則最大值有效值N線圈匝數(shù)；f 電源頻率； 鐵心中交變磁通的幅值例1、有一個(gè)鐵心線圈接在交流220V、50Hz的交流電源上，鐵心中磁通的最大值為0.001Wb，問(wèn)鐵心上的線圈至少應(yīng)繞多少匝？解U4.44fNm有若鐵心中的線圈只繞了100匝，線圈通電后會(huì)產(chǎn)生什么后果？結(jié)果是線圈通電后會(huì)燒壞由于磁通最大值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了規(guī)定的最大值，對(duì)應(yīng)線圈中的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正常值。5.3 變壓器變壓器功能：變電壓：電力系統(tǒng)變電流：電流互感器變阻抗：電子電路中的阻抗匹配（如喇叭的輸出變壓器）二、變壓器的工作原理1. 空載運(yùn)行原邊接入電源，副邊開(kāi)路。接上交

5、流電源 原邊通過(guò)的空載電流為i10 i10 產(chǎn)生工作磁通 產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) （ 方向符合右手定則）圖5.6變壓器的空載運(yùn)行原、副邊電壓關(guān)系根據(jù)交流磁路的分析可得：圖5.7變壓器的空載運(yùn)行工作原理時(shí)變電壓K為變比結(jié)論：改變?cè)褦?shù)比，就能改變輸出電壓。2. 負(fù)載運(yùn)行副邊帶負(fù)載后對(duì)磁路的影響：在副邊感應(yīng)電壓的作用下，副邊線圈中有了電流i2。此電流在磁路中也會(huì)產(chǎn)生磁通，從而影響原邊電流i1。根據(jù) ，當(dāng)外加電壓、頻率不變時(shí)，鐵芯中主磁通的最大值在變壓器空載或有負(fù)載運(yùn)行時(shí)基本不變。帶負(fù)載后磁動(dòng)勢(shì)的平衡關(guān)系為：圖5.8變壓器的有載運(yùn)行由于變壓器鐵芯材料的磁導(dǎo)率高、空載勵(lì)磁電流 很小，一般不到額定電流的10%，常

6、可忽略。根據(jù)原、副邊電流關(guān)系變電流結(jié)論：原、副邊電流與匝數(shù)成反比原、副邊阻抗關(guān)系圖5.9變壓器的阻抗變換從原邊等效：變阻抗結(jié)論：變壓器原邊的等效負(fù)載，為副邊所帶負(fù)載乘以變比的平方。例2 有一臺(tái)降壓變壓器，原繞組電壓為220V，副繞組電壓為110V，原繞組為2200匝，若副繞組接入阻抗值為10的阻抗，問(wèn)變壓器的變比、副繞組匝數(shù)、原繞組中電流各為多少？解：變壓器變比副繞組匝數(shù)副繞組電流原繞組電流例3：揚(yáng)聲器上如何得到最大輸出功率。設(shè)：信號(hào)源電壓的有效值:Us= 120V;信號(hào)源內(nèi)阻：負(fù)載為揚(yáng)聲器，其等效電阻：RL=8W。1、將負(fù)載與信號(hào)源直接相連，得到的輸出功率為：信號(hào)源 圖5.10 例3 (a圖

7、)2、將負(fù)載通過(guò)變壓器接到信號(hào)源上。若要信號(hào)源輸出給負(fù)載的功率達(dá)到最大，用變壓器進(jìn)行阻抗變換，通過(guò)變壓器把負(fù)載RL變換為等效電阻變壓器把負(fù)載RL變換為等效電阻變壓器變比 圖5.11 例3 (b圖)輸出功率為：結(jié)論：由此例可見(jiàn)經(jīng)變壓器“匹配”后，輸出功率增大了許多。原因是滿足了電路中獲得最大功率輸出的條件（信號(hào)源內(nèi)、外阻抗相等）。三、變壓器的外特性變壓器的外特性：在電源電壓和負(fù)載功率因數(shù)不變的條件下，副邊輸出電壓和輸出電流的關(guān)系。即： 圖5.12變壓器的外特性U20：原邊加額定電壓、副邊開(kāi)路時(shí)，副邊的輸出電壓。變壓器外特性變化的程度用電壓變化率U%表示大容量的電力變壓器的電壓變化率5%。小型號(hào)變

8、壓器的電壓變化率20%。電壓變化率是一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，直接影響到供電質(zhì)量。電壓變化率越小，變壓器性能越好。四、變壓器的損耗及效率(h) 銅損-可變損耗變壓器的損耗鐵損-固定損耗銅損 ( PCu ) ：繞組導(dǎo)線電阻所致。磁滯損失：磁滯現(xiàn)象引起鐵芯發(fā)熱，造成的損失。鐵損( PFe )：渦流損失：交變磁通在鐵芯中產(chǎn)生的感應(yīng)電流（渦流），造成的損失。變壓器的效率P2為輸出功率，P1為輸入功率一般變壓器的效率在95%，大型變壓器的效率可達(dá)99%以上。五、變壓器的額定值變壓器負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)稱額定運(yùn)行。額定運(yùn)行時(shí)各電量值為變壓器的額定值。額定電壓U1N U2NU1N：加在一次繞組上的正常工作電壓。U2N：一次

9、側(cè)施加額定電壓時(shí)的二次側(cè)空載電壓。額定電流I1N I1N變壓器滿載運(yùn)行時(shí)，原、副邊繞組允許通過(guò)的電流值。額定容量SN變壓器傳送電功率的最大能力。額定頻率fN變壓器應(yīng)接入的電源頻率。我國(guó)電力系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率為50Hz。以上額定值是以單相變壓器為例六、變壓器繞組極性及連接方法同極性端（同名端）當(dāng)電流分別流入兩個(gè)線圈（或流出）時(shí)，若兩線圈產(chǎn)生的磁通方向相同，則這兩個(gè)線圈流入端稱為同極性端（同名端）。也是各繞組電位瞬時(shí)極性相同的端點(diǎn)。圖5.13變壓器繞組極性及連接(a)圖 A、a為同名端；(b)圖 A、x為同名端小功率電源變壓器在使用中有時(shí)需要把繞組串連起來(lái)以提高電壓；或把繞組并聯(lián)起來(lái)以增大電流。在連接

10、時(shí)必須認(rèn)清繞組的極性，否則不僅達(dá)不到預(yù)期的目的，反而可能燒壞變壓器。正確的串聯(lián)接法：應(yīng)把兩個(gè)繞組的一對(duì)異名端聯(lián)在一起。正確的并聯(lián)接法：應(yīng)把兩個(gè)繞組的兩對(duì)同名端分別聯(lián)結(jié)在一起（還需注意并聯(lián)繞組的電壓必須相等）。線圈的接法電器使用時(shí)兩種電壓（220V/110V）的切換：220V：聯(lián)結(jié) 2 3110V：聯(lián)結(jié) 1 3，2 4圖5.14線圈的兩種接法說(shuō)明：兩種接法下不變，所以鐵芯磁路的設(shè)計(jì)相同原邊有兩個(gè)相同繞組的電源變壓器（220 / 110），使用中應(yīng)注意的問(wèn)題：?jiǎn)栴}1：在110V情況下，如果只用一個(gè)繞組（N），行不行？若兩種接法鐵芯中的磁通相等，則：答：不行（兩繞組必須并繞）問(wèn)題2：如果兩繞組的極性

11、端接錯(cuò)，結(jié)果如何？ 因?yàn)閮蓚€(gè)線圈中的磁通抵消感應(yīng)電勢(shì)e=0電流很大燒毀圖5.15線圈的錯(cuò)誤接法答：有可能燒毀變壓器結(jié)論：在極性不明確時(shí)，一定要先測(cè)定極性再通電。5.4幾種常用的變壓器一、三相電力變壓器電力工業(yè)中，輸配電都采用三相制。變換三相交流電電壓，則用三相變壓器。 把三個(gè)單相變壓器拼合在一起， 便組成了一個(gè)三相變壓器。高壓繞組分別用U1U2、V1V2、W1W2表示。低壓繞組分別用u1u2、v1v2、w1w2表示。根據(jù)電力網(wǎng)的線電壓及原繞組額定電壓的大小，可以將原繞組分別接成星形或三角形。圖5.16三相電力變壓器根據(jù)供電需要，副繞組也可以接成三相四線制星形或三角形。三相變壓器的原副繞組的常用

12、接法有Y，yn、Y，d、YN，d三種。大寫(xiě)字母表示高壓繞組的接法，小寫(xiě)字母表示低壓繞組的接法，Y與y表示星形接法，D與d表示三角形連接，N與n表示有中線。例如三相變壓器的聯(lián)接組 Y，yn0Y 高壓繞組聯(lián)結(jié)為星形Yn低壓繞組聯(lián)結(jié)為星形有中線0 表示高、低壓對(duì)應(yīng)兩側(cè)線電壓的相位關(guān)系二、自耦變壓器圖5.17自耦變壓器使用時(shí)，改變滑動(dòng)端的位置，便可得到不同的輸出電壓。實(shí)驗(yàn)室中用的調(diào)壓器就是根據(jù)此原理制作的。注意：原、副邊千萬(wàn)不能對(duì)調(diào)使用，以防變壓器損壞。因?yàn)镹變小時(shí)，磁通增大，電流會(huì)迅速增加。三、電壓互感器用低量程的電壓表測(cè)高電壓圖5.18電壓互感器被測(cè)電壓= 電壓表讀數(shù)N1/N2使用注意：1. 副邊

13、不能短路，以防產(chǎn)生過(guò)流；2. 鐵心、低壓繞組的一端接地，以防在絕緣損時(shí)，在副邊出現(xiàn)高壓。四、電流互感器用低量程的電流表測(cè)大電流圖5.19電流互感器被測(cè)電流=電流表讀數(shù)N2/N1使用注意事項(xiàng)：1. 副邊不能開(kāi)路，以防產(chǎn)生高電壓；2. 鐵心、低壓繞組的一端接地，以防在絕緣損壞時(shí)，在副邊出現(xiàn)過(guò)壓。本章小結(jié)磁路是由鐵磁材料制成的、磁通集中通過(guò)的路徑，可根據(jù)需要制成一定的形狀。將磁路和電路進(jìn)行比較，進(jìn)一步理解磁路的基本物理量和基本規(guī)律。交流鐵心線圈的磁通取決與外加正弦交流電壓，其基本關(guān)系式為U=4.44fNm，當(dāng)外加電壓一定時(shí)，磁通的幅值不變。理想變壓器的變壓、變流、變阻抗的關(guān)系式為三相電力變壓器、儀用

14、互感器、自耦調(diào)壓器、電焊變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用。第五章自測(cè)題1. 鐵磁性物質(zhì)的B與H的關(guān)系由 _ 表達(dá)，B和H的關(guān)系是 _ 關(guān)系，鐵磁性物質(zhì)的主要特性表現(xiàn)為 _ 現(xiàn)象。2. 一鐵心線圈匝數(shù)為N，接在頻率為f的正弦電壓U下工作，當(dāng)U及f不變時(shí)，N增加時(shí)磁通將 _ (填增大或減小)；3. 一臺(tái)變壓器的鐵芯上有兩個(gè)線圈，已知鐵心的磁通的最大值為810-3wb，線圈的額定電壓分別為6000V，220V，額定頻率為50Hz，則這兩個(gè)線圈的匝數(shù)分別為 N1= _ ，N2= _。4. 一臺(tái)單相雙繞組變壓器額定容量為10KVA，額定電壓為220/110V，原副邊額定電流為_(kāi)A。5. 有一匝數(shù)為100匝，電流為40A的交流接觸器的線圈被燒毀，檢測(cè)時(shí)手頭上只有允許通過(guò)電流為25A的較細(xì)導(dǎo)線，若鐵心窗口面積允許，重繞的線圈匝數(shù)為匝。6. 有一交流鐵心線圈，電源電壓為220V，電路中電流為4A，功率表讀數(shù)為100W，頻率為50HZ，線圈漏阻抗壓降忽略不計(jì)，試求： （1） 鐵心線圈的功率因數(shù)； （2） 鐵心線圈的等效電阻和等效電抗。7. 一臺(tái)220/36V的行燈變壓器，已知一次側(cè)線圈匝數(shù)為1100匝，試求二次測(cè)線圈匝數(shù)？若在二次測(cè)接一盞36V、100W的白熾燈，問(wèn)一次側(cè)電流為多少？ 8. 一臺(tái)額定容量為50kVA、額定電壓為3300/220V單相照明變壓器，現(xiàn)要在在二次測(cè)接220V、60W的白熾燈，