第4章鐵芯線(xiàn)圈與變壓器

學(xué)習(xí)情境3認(rèn)識(shí)變壓器3.1

鐵芯線(xiàn)圈、磁路3.2變壓器3.3實(shí)用中的常見(jiàn)變壓器主要內(nèi)容了解變壓器的基本結(jié)構(gòu)組成；了解變壓器的用途；了解變壓器變換電壓、變換電流及變換阻抗的工作原理。基本要求學(xué)習(xí)情境3認(rèn)識(shí)變壓器學(xué)習(xí)情境3認(rèn)識(shí)變壓器變壓器：是一種靜止電器,它通過(guò)線(xiàn)圈間的電磁感應(yīng),將一種電壓等級(jí)的交流電能轉(zhuǎn)換成同頻率的另一種電壓等級(jí)的交流電能3.1鐵芯線(xiàn)圈、磁路3.1.1磁路的基本物理量電流→磁場(chǎng)→用磁力線(xiàn)描述磁路：磁場(chǎng)中磁力作用的通路。磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向：在磁路中可以用磁力線(xiàn)定性描述。磁路的基本物理量：磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通、磁導(dǎo)率和磁場(chǎng)強(qiáng)度。3.1.1磁路的基本物理量磁感應(yīng)強(qiáng)度B:

表示磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量。B的方向:

與電流的方向之間符合右手螺旋定則。B的單位:

特斯拉(T)，和高斯（Gs）均勻磁場(chǎng):

各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等，方向相同的

磁場(chǎng)，也稱(chēng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)。1T=104Gs

磁感應(yīng)強(qiáng)度3.1.1磁路的基本物理量磁通φ：垂直穿過(guò)某一面積S的磁力線(xiàn)的總根數(shù)。單位：韋伯(Wb)和麥克斯韋(簡(jiǎn)稱(chēng)麥，Mx)。1Wb=108MxSF

或

BS=F磁通3.1.1磁路的基本物理量磁導(dǎo)率

：用來(lái)衡量物質(zhì)導(dǎo)磁性能的物理量。

的單位：亨/米（H/m）真空的磁導(dǎo)率為常數(shù)，用

0表示，有：相對(duì)磁導(dǎo)率

r：非鐵磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率約等于1；而鐵磁材料的

r?1。磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度H：磁感應(yīng)強(qiáng)度B與該處物質(zhì)的磁導(dǎo)率之比：H的單位：安/米(A/m)或安/厘米(A/cm)磁導(dǎo)率3.1.2磁路歐姆定律＋u－i磁通鐵芯鐵芯的磁導(dǎo)率比周?chē)諝饣蚱渌镔|(zhì)的磁導(dǎo)率高的多，磁通的絕大部分經(jīng)過(guò)鐵芯形成閉合通路，磁通的閉合路徑稱(chēng)為磁路。磁通勢(shì):電流i與線(xiàn)圈匝數(shù)的乘積（磁動(dòng)勢(shì)）Fm=IN電路部分:由電源和繞組構(gòu)成磁路部分:由鐵芯構(gòu)成。3.1.2磁路歐姆定律磁路歐姆定律把電路與磁路進(jìn)行比較：電路中的電流I、電動(dòng)勢(shì)E和電阻R對(duì)應(yīng)于磁路中磁通Φ、磁動(dòng)勢(shì)Fm和磁阻Rm。因此，磁路中的磁動(dòng)勢(shì)、磁通和磁阻三者之間的關(guān)系可比照電路歐姆定律寫(xiě)作：上式表明，磁通Φ與磁動(dòng)勢(shì)Fm成正比，與磁阻Rm成反比。磁阻Rm因磁導(dǎo)率μ是一個(gè)變量，因此磁阻Rm不是常數(shù)。3.1.3鐵磁材料的磁性能1、高導(dǎo)磁性外磁場(chǎng)磁疇磁疇：鐵磁材料內(nèi)部的小天然磁性區(qū)域。在沒(méi)有外磁場(chǎng)作用的普通磁性物質(zhì)中，各個(gè)磁疇排列雜亂無(wú)章，磁場(chǎng)互相抵消，整體對(duì)外不顯磁性。在外磁場(chǎng)作用下，磁疇方向發(fā)生變化，使之與外磁場(chǎng)方向趨于一致，物質(zhì)整體顯示出磁性來(lái)，稱(chēng)為磁化。鐵磁材料的磁疇與磁化3.1.3鐵磁材料的磁性能由實(shí)驗(yàn)測(cè)出鐵磁材料的磁化曲線(xiàn)B-HbcBHao3.1.3鐵磁材料的磁性能高導(dǎo)磁性：在外磁場(chǎng)的作用下，鐵磁材料被強(qiáng)烈磁化而呈現(xiàn)出很強(qiáng)的磁性。如曲線(xiàn)的ab

段。高導(dǎo)磁性被廣泛地應(yīng)用于電機(jī)、變壓器等電工設(shè)備中。2、磁飽和性：

H

增加，B幾乎不再增加的現(xiàn)象。如曲線(xiàn)的過(guò)c段。B-HbcBHao3.1.3鐵磁材料的磁性能磁滯回線(xiàn)OHB????BrHc3、磁滯性：

B的變化滯后于H的變化。磁滯回線(xiàn)：鐵磁材料在交變磁場(chǎng)中反復(fù)磁化，其B-H關(guān)系曲線(xiàn)是一條回形閉合曲線(xiàn)，這條閉合線(xiàn)稱(chēng)為磁滯回線(xiàn)。剩磁性：當(dāng)線(xiàn)圈中電流減小到零(H=0)時(shí)，鐵磁材料中的B并不為零的現(xiàn)象。剩磁：用

Br表示，圖中的oc段和of段。嬌頑磁力Hc：使B=0所需的H值。圖中的od段和og段。abcdefg3.1.4鐵磁材料的分類(lèi)和用途磁性材料分為三種類(lèi)型：軟磁材料

具有較小的矯頑磁力，磁滯回線(xiàn)較窄。一般用來(lái)制造電機(jī)、電器及變壓器等的鐵心。常用的有鑄鐵、硅鋼片、鐵氧體等。硬磁材料

具有較大的矯頑磁力，磁滯回線(xiàn)較寬。一般用來(lái)制造永久磁鐵。常用的有碳鋼及鐵鎳鋁鈷合金等。矩磁材料

只要受較小的外磁場(chǎng)作用就能磁化到飽和，當(dāng)外磁場(chǎng)去掉，磁性仍保持，磁滯回線(xiàn)幾乎成矩形。在計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)中用作記憶元件、開(kāi)關(guān)元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體及1J51型鐵鎳合金等。3.1.5鐵芯損耗磁滯損耗：因磁滯現(xiàn)象而產(chǎn)生一些功率損耗，從而使鐵磁材料發(fā)熱，這種損耗叫磁滯損耗。渦流損耗：由于渦流引起的功率損耗。減少渦流損耗措施：提高鐵心的電阻率；鐵芯用彼此絕緣的鋼片疊成；把渦流限制在較小的截面內(nèi)。3.1.6主磁通原理＋u－i線(xiàn)圈兩端所加電壓為正弦量，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定率，線(xiàn)圈上的感應(yīng)電壓：電源電壓有效值與自感電壓有效值近似相等。因此：主磁通原理：對(duì)交流鐵芯線(xiàn)圈而言，當(dāng)外加電壓有效值U與頻率f一定時(shí)，鐵芯中工作主磁通的最大值φm將始終維持不變。電磁鐵銜鐵鐵心鐵心線(xiàn)圈線(xiàn)圈銜鐵結(jié)構(gòu)：線(xiàn)圈、鐵心、銜鐵利用電磁力實(shí)現(xiàn)某一機(jī)械發(fā)生動(dòng)作的電磁元件。3.1.6主磁通原理【例3.1】一個(gè)交流電磁鐵，因出現(xiàn)機(jī)械故障，造成通電后銜鐵不能吸合，結(jié)果把線(xiàn)圈燒壞，試分析其原因?！窘狻坑芍鞔磐ㄔ砜芍?，當(dāng)線(xiàn)圈兩端電壓有效值U及電源頻率f不變時(shí)，鐵芯磁路中工作主磁通的最大值φm基本保持不變。因此，根據(jù)磁路歐姆定律進(jìn)行分析：銜鐵不能吸合使磁路中始終存在一個(gè)氣隙，氣隙雖小卻造成磁路的磁阻Rm大大增加，電源必須增大電流以產(chǎn)生足夠的磁動(dòng)勢(shì)IN，以保持φm基本不變。這種情況下，線(xiàn)圈中的電流要超出正常值很多倍，將很快導(dǎo)致線(xiàn)圈過(guò)熱而燒壞。3．功率損耗Nie

–+u–+e–+

(1)鐵心損耗磁滯損耗：鐵心反復(fù)磁化時(shí)所消耗的功率。渦流損耗

在鐵心中產(chǎn)生的感應(yīng)電流而引起的損耗。

鐵心損耗=磁滯損耗+渦流損耗(2)銅損耗線(xiàn)圈電阻產(chǎn)生的損耗PCu

=I2R思考與練習(xí)1.磁通Φ、磁導(dǎo)率μ、磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H分別表征了磁路的哪些特征？這些描述磁場(chǎng)的物理量單位上有何不同？其中B和H的概念有何異同？2.根據(jù)物質(zhì)導(dǎo)磁性能的不同，自然界中的物質(zhì)可分為幾類(lèi)？它們?cè)谙鄬?duì)磁導(dǎo)率上的區(qū)別是什么？鐵磁材料具有哪些磁性能？3.銅和鋁能夠被磁化嗎？為什么？4.根據(jù)工程上用途的不同，鐵磁材料可分為幾類(lèi)?試述他們的特點(diǎn)和用途。5.何謂鐵損？什么是磁滯損耗？什么是渦流損耗？6.電機(jī)、電器的鐵芯通常為什么做成閉合的？如果鐵芯回路中存在間隙，對(duì)電機(jī)、電器有何影響？3.2變壓器3.2.1變壓器的基本結(jié)構(gòu)鐵心

繞組

鐵心

繞組

變壓器由鐵心和繞組構(gòu)成心式變壓器殼式變壓器u203.2.1變壓器的基本結(jié)構(gòu)N1i1原繞組副繞組Axu1axS|ZL|i2N2變壓器的繞組構(gòu)成其電路部分：與電源相接的繞組稱(chēng)為原邊（或原繞組，一次繞組），原邊的首、尾端通常用“A”、“X”表示；與負(fù)載相接的繞組稱(chēng)為副邊（或副繞組，二次繞組），用“a”、“x”表示。原邊各量一般采用下標(biāo)“1”，副邊各量采用下標(biāo)“2”。3.2.1變壓器的基本結(jié)構(gòu)u20N1i1Axu1axSi2N2鐵芯構(gòu)成變壓器的磁路部分。為減少鐵芯中的磁滯損耗和渦流損耗，常用0.35～0.5mm厚的硅鋼片疊壓制成變壓器鐵芯。變壓器磁路的作用是利用磁耦合關(guān)系實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。鐵芯AXax|ZL|變壓器符號(hào)3.2.2變壓器的工作原理1.變壓器的空載運(yùn)行與變換電壓的作用空載運(yùn)行：原繞組接交流電源，副繞組開(kāi)路的運(yùn)行狀態(tài)。原繞組接交流電源u1→原邊通過(guò)的電流為空載電流i10很小為額定電流的3%～8%?！a(chǎn)生磁通→產(chǎn)生自感電壓uL1

，其有效值為：常可認(rèn)為電源電壓U1≈UL1。鐵芯中的主磁通Φ穿過(guò)副邊時(shí)產(chǎn)生互感電壓uM2，互感電壓的有效值為：副邊開(kāi)路電流為零，因此空載時(shí)副邊不存在損耗，有U20=UM2。3.2.2變壓器的工作原理變壓器空載情況下原、副邊電壓的比值為：式中k稱(chēng)為變壓比，簡(jiǎn)稱(chēng)變比。結(jié)論：變壓器有變換電壓的作用，且電壓大小與匝數(shù)成正比。

當(dāng)k>1時(shí)為降壓變壓器；當(dāng)k<1時(shí)為升壓變壓器。3.2.2變壓器的工作原理【例4-2】一臺(tái)SN=600kVA的單相變壓器，接在U1=10kV的交流電源上，空載運(yùn)行時(shí)它的副邊電壓U20=400V。試求變比k=?若已知N2=32匝，求N1=?【解】

根據(jù)變比公式可得：3.2.2變壓器的工作原理【例4-3】一臺(tái)35kV的單相變壓器接于工頻交流電源上，已知副邊空載電壓U20=6.6kV,鐵芯截面積為1120cm2，若選取鐵芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm=1.5T時(shí)，求變壓器的變比及原、副邊的匝數(shù)N1和N2?！窘狻孔儽葹椋褐鞔磐椋涸褦?shù)為：3.2.2變壓器的工作原理2.變壓器的負(fù)載運(yùn)行與變換電流的作用u2N1i1Axu1axSi2N2|ZL|變壓器在負(fù)載運(yùn)行狀況下，副邊感應(yīng)電壓u2將在負(fù)載回路中激發(fā)電流i2,由于i2的大小和相位主要取決于負(fù)載的大小和性質(zhì)，因此常把i2稱(chēng)為負(fù)載電流。3.2.2變壓器的工作原理2.變壓器的負(fù)載運(yùn)行與變換電流的作用若U1、f不變，則鐵心中主磁通的最大值m在變壓器空載和有載時(shí)近似保持不變。即有空載：；有載：則有磁勢(shì)平衡式：由于i10很小可忽略不計(jì)可推出變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)的原、副邊電流有效值的關(guān)系為：結(jié)論：變壓器有變換電流作用，且電流大小與匝數(shù)成反比。3.2.2變壓器的工作原理3.變壓器的變換阻抗作用+–+–|ZL|+–|Z1|結(jié)論：變壓器原邊的等效阻抗，為副邊所帶阻抗的K2

倍。3.2.2變壓器的工作原理【例3.4】已知某收音機(jī)輸出變壓器的原邊匝數(shù)N1=600匝，副邊匝數(shù)N2=30匝，原來(lái)接有阻抗為16Ω的揚(yáng)聲器，現(xiàn)要改裝成4Ω的揚(yáng)聲器，求副邊匝數(shù)應(yīng)改為多少？【解】分析接=16Ω揚(yáng)聲器時(shí)，已達(dá)到阻抗匹配，原變比為：k=N1/N2=600/30=20改裝成=4Ω的揚(yáng)聲器后，新變比為：因此3.2.3變壓器的外特性變壓器的外特性：描述輸出電壓u2隨負(fù)載電流i2變化的關(guān)系。當(dāng)負(fù)載性質(zhì)為純電阻時(shí)，功率因數(shù)cosφ2=1,u2隨i2的增加略有下降；若功率因數(shù)cosφ2=0.8為感性負(fù)載時(shí)，u2隨i2增加下降的程度加大；當(dāng)cos（-φ2）=0.8為容性負(fù)載時(shí)，u2隨i2的增加反而有所增加。由此可見(jiàn)，負(fù)載的功率因數(shù)對(duì)變壓器外特性的影響是很大的。3.2.4電壓調(diào)整率電壓調(diào)整率：變壓器由空載到滿(mǎn)載（額定I2N）時(shí)，副邊輸出電壓u2的變化程度，即滿(mǎn)載電壓空載電壓一般變壓器的漏阻抗很小，故電壓調(diào)整率不大，約為2%～3%。若負(fù)載的功率因數(shù)過(guò)低時(shí)，會(huì)使電壓調(diào)整率大為增加，負(fù)載電流此時(shí)的波動(dòng)必將引起供電電壓較大的波動(dòng)，給負(fù)載運(yùn)行帶來(lái)不良的影響。3.2.5變壓器的損耗和效率變壓器的損耗：主要包括鐵損耗和銅損耗，即鐵損耗（固定損耗）：變壓器鐵心中的磁滯損耗和渦流損耗。銅損耗（可變損耗）：電流通過(guò)變壓器繞組時(shí)會(huì)產(chǎn)生損耗。效率：變壓器的輸出功率P2與輸入功率P1之比，即控制裝置中的小型電源變壓器效率通常都在80%以上，而電力變壓器的效率一般可達(dá)95%以上。

3.3實(shí)用中的常見(jiàn)變壓器3.3.1電力變壓器及其用途3.3實(shí)用中的常見(jiàn)變壓器3.3.1電力變壓器及其用途電力系統(tǒng)中為了輸電、供電、用電的需要，采用電力變壓器把同一頻率的交流電壓變換成各種不同等級(jí)的電壓，以滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求。電力變壓器主要用于電力輸配系統(tǒng)中起功率傳送、電壓變換和絕緣隔離作用。我國(guó)發(fā)電機(jī)輸出電壓，一般有6.3kV、10.5kV、12.5kV幾個(gè)等級(jí)我國(guó)交流輸電電壓，有35kV、110kV、220kV、550kV幾個(gè)等級(jí)3.3.2自耦變壓器自耦變壓器：只有一個(gè)繞組，原繞組的一部分兼做副繞組。兩者之間不僅有磁的耦合，而且還有電的直接聯(lián)系。工作原理：自耦變壓器的原理與普通變壓器相同。實(shí)驗(yàn)室使用的自耦變壓器通常做成可調(diào)式的自耦調(diào)壓器自耦調(diào)壓器外形圖手柄自耦調(diào)壓器的最大優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄來(lái)獲得所需要的各種電壓，它不僅用于降壓，而且輸出端還可以稍高于原邊的電壓。實(shí)驗(yàn)室中廣泛使用的單相自耦調(diào)壓器，輸入電壓為220V，輸出電壓可在0～250V任意調(diào)節(jié)。注意：原、副邊千萬(wàn)不能對(duì)調(diào)使用，以防損壞。3.3.3電焊變壓器電焊變壓器：一種特殊的降壓變壓器，用于交流電焊機(jī)生產(chǎn)中。電焊變壓器的空載電壓為60-80V，當(dāng)電弧起燃后，焊接電流通過(guò)電抗器產(chǎn)生電壓降，使焊接電壓降至25-30V維持電弧工作。交流電焊機(jī)示意圖電焊變壓器的外特性3.3.4儀用互感器儀用互感器：專(zhuān)門(mén)用來(lái)傳遞電壓或電流信息，以供測(cè)量或繼電保護(hù)裝置使用的特種變壓器，稱(chēng)為儀用變壓器或儀用互感器。儀用互感器按其用途分類(lèi)：電壓互感器和電流互感器。電壓互感器：用于測(cè)量高電壓的互感器。電流互感器：用于測(cè)量大電流的互感器。3.3.4儀用互感器⑴電壓互感器實(shí)質(zhì)上是一種變壓比比較大的降壓變壓器V

N1

N2RLu1u2使用電壓互感器時(shí)應(yīng)注意一下幾點(diǎn)：二次側(cè)不允許短路；互感器的鐵芯和二次繞組的一端必須可靠接地；使用時(shí)，在二次側(cè)并接的電壓線(xiàn)圈或電壓表不宜過(guò)多，以免二次側(cè)負(fù)載阻抗過(guò)小，導(dǎo)致一、二次側(cè)電流增大，使電壓互感器內(nèi)阻抗壓降增大，影響測(cè)