第4章-磁路及變壓器new

第四章磁路及變壓器

概述

第一節(jié)磁路與磁路歐姆定律

第二節(jié)變壓器的基本結(jié)構(gòu)

第三節(jié)變壓器的工作原理第四節(jié)變壓器的外特性第五節(jié)變壓器的額定值

*第六節(jié)其他類型的變壓器概述

實際電路中有大量電感元件的線圈中有鐵心。線圈通電后鐵心就構(gòu)成磁路，磁路又影響電路。因此電工技術(shù)不僅有電路問題，同時也有磁路問題。變壓器是常用的動力設(shè)備，以電磁感應(yīng)為工作基礎(chǔ)。本章主要介紹磁路基本知識、變壓器工作原理及基本特性。

在電力系統(tǒng)中，若要輸送一定的電功率，電壓越高，線路電流就越小，從而可減少線路上的損耗和導(dǎo)線的金屬用量。這就需要變壓器將交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓升高。在用電時，為了保證用電安全和符合用電設(shè)備的電壓要求，還要用變壓器降低電壓。

在電子設(shè)備中，常常采用變壓器來提供所需要的高壓或低壓。此外，變壓器還常用來耦合電路，傳送信號，并實現(xiàn)阻抗匹配。

常用的電工設(shè)備，例如變壓器、電動機(jī)、磁電式儀表等都是以電磁感應(yīng)為工作基礎(chǔ)的。工作時都會產(chǎn)生磁場。

磁通經(jīng)過的閉合路徑稱為磁路。第一節(jié)磁路與磁路歐姆定律殼式變壓器磁路+–NIfNSS直流電機(jī)磁路SN磁電式儀表磁路例如：（1）磁感應(yīng)強度B表示磁場內(nèi)某點磁場強弱和方向的物理量大小方向

與電流的方向之間符合右手螺旋定則B的單位:

特斯拉(T)，1T=1Wb/m2

磁場的基本物理量：（2）磁通

大?。捍┻^垂直于B方向的面積S中的磁力線總數(shù)

在均勻磁場

=BS或

B=/S磁通的單位:韋[伯](Wb)1Wb=1V·s

描述磁場中某一范圍內(nèi)磁場強弱的物理量。（3）磁場強度H大?。航橘|(zhì)中某點的磁感應(yīng)強度B與介質(zhì)磁導(dǎo)率之比。單位：安培/米（A/m)描述磁場中某點上磁場強弱的物理量

磁場強度H只與產(chǎn)生磁場的電流以及這些電流分布有關(guān)，而與磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率無關(guān)。真空的磁導(dǎo)率為常數(shù)，用

0表示（4）磁導(dǎo)率

表示磁場媒質(zhì)磁性的物理量，衡量物質(zhì)的導(dǎo)磁能力。相對磁導(dǎo)率

r：的單位：亨/米（H/m），則稱為鐵磁材料，則稱為非鐵磁材料能被強烈的磁化，具有很高的導(dǎo)磁性能。

主要指鋼、鐵、鎳、鈷及其合金等。

鐵磁物質(zhì)的高導(dǎo)磁性被廣泛地應(yīng)用于電工設(shè)備中，如電機(jī)、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放有鐵心。在這種具有鐵心的線圈中通入不太大的勵磁電流，便可以產(chǎn)生較大的磁通和磁感應(yīng)強度。鐵磁材料：（1）軟磁材料一般用來制造電機(jī)、電器及變壓器等的鐵心。常用的有鑄鐵、硅鋼、坡莫合金及軟磁鐵氧體等。（2）硬磁材料（永磁材料）一般用來制造永久磁鐵。常用的有炭鋼、鋁鎳鈷合金、稀土及硬磁鐵氧體等。（3）矩磁材料主要用于計算機(jī)隨機(jī)存取的記憶裝置。常用的有鎂錳鐵氧體等。鐵磁材料分為三種類型：均勻磁路不均勻磁路均勻磁路-不均勻磁路簡單磁路-復(fù)雜磁路直流磁路-交流磁路磁路的歐姆定律式中：

是磁場強度矢量沿任意閉合曲

線（常取磁通作為閉合回線）的線積分；（1）安培環(huán)路定律（全電流定律）I1HI2I＝NI是穿過閉合回線所圍面積的電流的代數(shù)和。（2）磁路歐姆定律

環(huán)形線圈如圖，其中媒質(zhì)是均勻的，磁導(dǎo)率為，試計算線圈內(nèi)部的磁通

解：根據(jù)安培環(huán)路定律，有設(shè)磁路的平均長度為l，則有1）引例SxHxIN匝式中：F=NI

為磁通勢，由其產(chǎn)生磁通；

Rm

稱為磁阻，表示磁路對磁通的阻礙作用；

l為磁路的平均長度；

S

為磁路的截面積即有2）磁路的歐姆定律

若某磁路的磁通為，磁通勢為F

，磁阻為Rm，則稱為磁路的歐姆定律

磁路磁通勢F磁通磁阻電路電動勢E電阻電流INI+_UIR磁壓降HL電壓降U

注意：

磁路歐姆定律和電路歐姆定律只是在形式上相似。由于不是常數(shù)，其隨勵磁電流而變，磁路歐姆定律不能直接用來計算，只能用于定性分析。當(dāng)磁路不均勻時，結(jié)論：當(dāng)磁路中含有空氣隙時，由于其磁阻較大，要得到相等的磁感應(yīng)強度，必須增大勵磁電流（設(shè)線圈匝數(shù)一定）。當(dāng)磁路不均勻時，磁阻也分段各種典型電力變壓器第二節(jié)變壓器的基本結(jié)構(gòu)單相電源變壓器三相電力變壓器單相自耦變壓器電壓互感器

電流互感器按用途分電力變壓器(輸配電用)儀用變壓器整流變壓器

按相數(shù)分三相變壓器單相變壓器按制造方式殼式心式變壓器符號變壓器分類變壓器結(jié)構(gòu)變壓器的磁路繞組原邊繞組副邊繞組由高導(dǎo)磁硅鋼片疊成厚0.35mm或0.5mm鐵心變壓器的電路鐵心變壓器結(jié)構(gòu)單相變壓器+–+–原邊繞組N1副邊繞組N2原、副繞組在電路上是相互分開的，但二者卻處在同一磁路上。第三節(jié)

變壓器工作原理單相變壓器+–+–一、空載運行和電壓變換原繞組邊接交流電源，副繞組邊開路+–+–+–+–1i10(i10N1)

1空載時，鐵心中主磁通是由一次繞組磁通勢產(chǎn)生的+–有效值主磁通按正弦規(guī)律變化，設(shè)為則同理由于空載電流很?。s為額定電流的3％～8％），且原繞組內(nèi)阻和漏磁通也很小，所以一般可認(rèn)為：（匝數(shù)比）K為變比結(jié)論：改變匝數(shù)比，就能改變輸出電壓。（U20為變壓器空載電壓）故有

可見，鐵心中主磁通的最大值m在變壓器空載和有載時近似保持不變。即有如果U1、f不變，則m基本不變空載有載二、有載運行和電流變換+–+–1i12i2+–e2+–u2Z由：

(一)電流關(guān)系一般情況下

i10

很小，可忽略磁勢平衡空載磁勢有載磁勢+–+–1i12i2+–e2+–u2Z因為有載時：

(二)電壓關(guān)系故仍有：+–+–1i12i2+–e2+–u2Z

綜上所述，變壓器具有變換電壓和變換電流的作用，原、副邊電壓、電流的近似關(guān)系為書：例4-1、例4-2由圖可知

可證：+–+–+–三、阻抗變換書：例4-3（1）變壓器的匝數(shù)比應(yīng)為信號源R0RL+–R0+–+–

解:

交流信號源的電動勢Us=120V，內(nèi)阻R0=800，負(fù)載為揚聲器，其等效電阻為RL=8。試求:

（1）當(dāng)RL折算到原邊的等效電阻時，求變壓器的匝數(shù)比和信號源輸出的功率；（2）當(dāng)將負(fù)載直接與信號源聯(lián)接時,信號源輸出多大功率？例題信號源的輸出功率（2）將負(fù)載直接接到信號源上時，輸出功率為電子線路中，常利用阻抗匹配實現(xiàn)最大輸出功率。

結(jié)論：接入變壓器以后，輸出功率大大提高。原因滿足了最大功率輸出的條件：第四節(jié)變壓器的外特性

當(dāng)電源電壓U1和負(fù)載功率因數(shù)cos2保持不變時，副邊輸出電壓U2和輸出電流I2的關(guān)系，U2=f(I2)。

一般供電系統(tǒng)希望要硬特性（隨I2的變化，U2

變化不大），電壓變化率約在3%-6%電壓變化率cos2=0.8（感性）U2I2U20I2Ncos2=1O

U20為空載時副邊電壓，I2N

為額定運行時的副邊電流，此時電壓下降了（1）變壓器的型號SJL1000/10

變壓器額定容量（KVA）

鋁線圈

冷卻方式J為油浸自冷式F為風(fēng)冷式相數(shù)S為三相D為單相

高壓繞組的額定電壓（KV）

第五節(jié)變壓器的額定值

1）額定電壓U1N、U2N

變壓器副邊開路（空載）時，原、副邊繞組允許的電壓值單相：U1N，原邊電壓，

U2N，副邊空載時的電壓三相：U1N、U2N，原、副邊的線電壓（2）額定值2）額定電流I1N、I2N

變壓器滿載運行時，原邊、副邊繞組允許的電流值單相：原邊、副邊繞組允許的電流值三相：原邊、副邊繞組線電流

3）額定容量SN

傳送功率的最大能力單相：三相：容量SN

輸出功率P2

原邊輸入功率P1

輸出功率P2注意：變壓器幾個功率的關(guān)系（單相）效率容量：一次側(cè)輸入功率：輸出功率：

變壓器的損耗包括兩部分：銅損（PCu）：繞組導(dǎo)線電阻的損耗渦流損耗磁滯損耗

鐵損(PFe)：變壓器的效率為

負(fù)載為額定負(fù)載的（50~60）%時，最大。輸出功率輸入功率變壓器效率

4）額定頻率額定頻率為變壓器的運行頻率。我國的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)頻率為50Hz。

5）溫升環(huán)境溫度為40℃時，變壓器繞組通過額定電流時的最高容許溫升。一、自耦變壓器ABP+–+–*第六節(jié)其他類型的變壓器

特點：原、副繞組既有磁的聯(lián)系，又有電的聯(lián)系。

使用時，改變滑動端的位置，便可得到不同的輸出電壓。實驗室中用的調(diào)壓器就是根據(jù)此原理制作的。注意：原邊、副邊千萬不能對調(diào)使用。否則，因為N變小時，磁通增大，電流會迅速增加。ABP+–+–在電子儀器設(shè)備中往往需要多種電壓，則在一個鐵心上繞多組線圈，有：二、多繞組變壓器可以根據(jù)各次級線圈的匝數(shù)來確定變比，以獲得所需的各種電壓。三、三相變壓器

用于測量的變壓器稱為儀用互感器。采用互感器的主要目的是擴(kuò)大測量儀表的量程，使測量儀表與大電流或高電壓電路隔離。四、儀用互感器按用途分為電流互感器和電壓互感器兩種。（1）二次側(cè)不能短路，以防產(chǎn)生過電流；（2）鐵心、低壓繞組的一端接地，以防在絕緣損壞時，在二次側(cè)出現(xiàn)高壓。使用注意事項電壓表被測電壓=