第十二章變壓器

第12章變壓器與電動(dòng)機(jī)2常用電工設(shè)備12.1磁路3三相異步電動(dòng)機(jī)磁路12.1.1磁路的基本概念用導(dǎo)磁能力很強(qiáng)的磁性材料做成一定形狀的鐵心，使磁通的絕大部分經(jīng)過(guò)鐵心而形成一個(gè)閉合的通路，這種閉合的路徑稱為磁路。三相變壓器磁路4一、磁場(chǎng)的基本物理量1.磁感應(yīng)強(qiáng)度B

表示磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量。單位：特斯拉（T）即韋伯/米2

1T=1Wb/m2磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與電流的方向之間符合右手螺旋定則。均勻磁場(chǎng)：各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等、方向相同。52.磁通Φ

垂直穿過(guò)某一截面積S的磁力線總數(shù)。單位：Wb(韋伯)B=Φ/S磁通Φ與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系3.磁導(dǎo)率衡量物質(zhì)導(dǎo)磁能力大小的物理量。單位：H/m（亨/米）真空的磁導(dǎo)率0為常數(shù)0=410-7H/m6一般材料的磁導(dǎo)率和真空的磁導(dǎo)率0之比，稱為這種材料的相對(duì)磁導(dǎo)率r。7r>>1，稱為磁性材料r≈1，稱為非磁性材料空氣、陶瓷、玻璃、橡膠鐵、鎳、鈷及其合金等材料名稱鑄鐵硅鋼片鎳鋅鐵氧體坡莫合金r200-4007000-1000010-10002×104-2×10584.磁場(chǎng)強(qiáng)度H單位：安/米（A/m）注意：磁場(chǎng)強(qiáng)度H與磁感應(yīng)強(qiáng)度B

的名稱很相似，切忌混淆。H是為計(jì)算方便引入的物理量，通過(guò)它來(lái)確定磁場(chǎng)和電流之間的關(guān)系，不考慮磁路材料的影響。磁場(chǎng)中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與同一點(diǎn)的磁導(dǎo)率的比值稱為該點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H

。H=B/9二、磁性材料的磁性能磁化曲線：磁性材料中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B（或磁通）與磁場(chǎng)強(qiáng)度H（或勵(lì)磁電流I）之間的關(guān)系曲線。H(I)B()0非磁性材料的磁化曲線H(I)B()0磁性材料的磁化曲線10①高導(dǎo)磁性較小的電流可以產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)。磁性材料的高導(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。初始磁化曲線H(I)B()011②磁飽和性B(或)不會(huì)隨著H(或I)的增加而無(wú)限增大。m磁性材料的磁導(dǎo)率不是常數(shù)。H(I)B()0初始磁化曲線12空心線圈的電感是常數(shù)，鐵心線圈的電感不是常數(shù)，為什么？如果其它條件相同，線圈有鐵心和沒(méi)有鐵心，哪個(gè)電感大？提示：mH(I)B()0初始磁化曲線13磁滯回線③磁滯性矯頑磁力剩磁感應(yīng)強(qiáng)度磁性材料在交變磁化過(guò)程中B(或Φ)的變化總要滯后H(或I)的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。OHB????BrHcabcdf-Br-HcHm-HmBm-Bme14③矩磁材料根據(jù)磁滯特性，磁性材料分為：①軟磁材料一般用來(lái)制造永久磁鐵。HBHBHB具有較小的矯頑磁力，磁滯回線較窄。②永磁材料在計(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。一般用來(lái)制造電機(jī)、電器及變壓器等的鐵心。具有較大的矯頑磁力，磁滯回線較寬。具有較小的矯頑磁力和較大的剩磁，磁滯回線接近矩形，穩(wěn)定性良好。1512.1.2磁路的基本定律IUR+-U=RIIΦ電流、磁通、磁性材料之間的關(guān)系？16安培環(huán)路定律（全電流律）：磁場(chǎng)強(qiáng)度沿任一閉合路徑的積分等于該閉合路徑所包圍的電流的代數(shù)和。電流方向和磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向符合右手螺旋定則，電流取正；否則取負(fù)。I1I2I3H=I1+I2-I317理想磁路：由一種材料構(gòu)成，各處截面積相等，若取鐵心中心線作為積分路徑l，沿路徑l各點(diǎn)的B和H均有相同的值，其方向處處與積分路徑l的繞行方向一致。IΦl線圈匝數(shù)N線圈中電流I穿繞磁路N次。18對(duì)于均勻磁場(chǎng)Φ=BS=HS磁動(dòng)勢(shì)NI反映通電線圈勵(lì)磁能力的大小。

IΦl磁阻Rm表示磁路的材料對(duì)磁通起阻礙作用的大小，只與磁路的尺寸及材料的磁導(dǎo)率有關(guān)。磁路的歐姆定律19對(duì)于由不同材料或不同截面組成的幾段磁路IΦl1l210對(duì)于空氣隙這段磁路，其l2雖小，但因0很小，故Rm2很大，從而使整個(gè)磁阻Rm大大增加。2012.1.3鐵心線圈電流根據(jù)線圈所接電源的不同，線圈中的勵(lì)磁電流分為直流電流和交流電流，因此鐵心線圈分為直流鐵心線圈和交流鐵心線圈。勵(lì)磁電流：在磁路中用來(lái)產(chǎn)生磁通的電流。211.直流鐵心線圈UI恒定不變?cè)诤愣ù艌?chǎng)中，線圈中無(wú)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，線圈在電路中相當(dāng)于導(dǎo)線。R為線圈的電阻匝數(shù)N勵(lì)磁電流I由外加電壓U及勵(lì)磁線圈的電阻R決定，與磁路特性無(wú)關(guān)。22UI恒定不變?cè)褦?shù)N磁通不僅與線圈的匝數(shù)N和電流I有關(guān)，還與磁路的磁阻Rm。23UI恒定不變?cè)褦?shù)NΔP=I2R直流鐵心線圈因磁通恒定，在鐵心中不會(huì)產(chǎn)生功率損耗。只有線圈電阻產(chǎn)生的損耗。線圈損耗包括鐵損和銅損。鐵損是鐵心在交變磁通作用下產(chǎn)生的損耗。銅損是線圈導(dǎo)線電阻產(chǎn)生的損耗。242.交流鐵心線圈-+ui交流勵(lì)磁電流i產(chǎn)生兩部分交變磁通，即主磁通和漏磁通

。主磁通漏磁通

主磁通：通過(guò)鐵心閉合的磁通。漏磁通

：通過(guò)空氣或其它非磁性材料閉合的磁通。主磁通>>漏磁通

①電磁關(guān)系25-+ui主磁通漏磁通

+-e-+e

26-+ui主磁通漏磁通

主磁通>>漏磁通

+-e-+e等效電路如圖所示-e+-uRLL++-ei線圈導(dǎo)線電阻主磁通漏磁通27-+ui主磁通漏磁通

主磁通>>漏磁通

+-e-+e等效電路如圖所示-e+-uRLL++-ei根據(jù)KVL:28由于線圈電阻

R

和漏磁通較小，可忽略，故有設(shè)主磁通=msint，則

當(dāng)電源電壓u為正弦量時(shí)，和e都為同頻率的正弦量。29相量表達(dá)式在忽略線圈電阻與漏磁通的條件下，當(dāng)線圈匝數(shù)與電源頻率一定時(shí)，主磁通的幅值m決定于勵(lì)磁線圈外加電壓u的有效值U，而與鐵心的材料及尺寸無(wú)關(guān)。

熟記30②功率損耗-+ui交變磁通交流鐵心線圈的功率損耗包括銅損和鐵損。鐵損包括磁滯損耗和渦流損耗。31磁滯損耗與鐵心磁滯回線所包圍的面積成正比，同時(shí)還與勵(lì)磁電流頻率f和磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān)，f愈高，B愈大，磁滯損耗愈大。為了減小磁滯損耗，應(yīng)選用磁滯回線狹小的磁性材料制造鐵心。HBHBHB32渦流:當(dāng)線圈中通入交流電流時(shí)，鐵心中的交變磁通在鐵心中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，這種電流稱為渦流。Bi渦流損耗：鐵心中有一定的電阻，渦流將在鐵心中產(chǎn)生發(fā)熱損耗，即為渦流損耗。渦流33BiiB減小渦流損耗為了減小渦流損耗，當(dāng)線圈用于一般工頻交流時(shí)，可采用由彼此絕緣且順著磁場(chǎng)方向的硅鋼片疊成鐵心。34-+ui交流鐵心線圈工作時(shí)的功率損耗為：交變磁通35直流鐵心線圈交流鐵心線圈勵(lì)磁電流磁通功率損耗鐵心直流I=U/R交流銅損銅損+鐵損Ii12.2變壓器363712.2.1變壓器的基本結(jié)構(gòu)變壓器雖然種類很多，形狀各異，但其基本結(jié)構(gòu)是相同的，主要部件是鐵心和高、低壓繞組。心式鐵心殼式鐵心繞組繞組3812.2.2變壓器的工作原理以單相變壓器為例講。為了分析方便，將高壓繞組和低壓繞組分別畫在兩邊。+-u39接交流電源的繞組稱為原繞組（又稱原邊或一次繞組）；接負(fù)載的繞組稱為副繞組（又稱副邊或二次繞組）。原邊變量的下標(biāo)用“1”，副邊變量的下標(biāo)用“2”。術(shù)語(yǔ)：i1-+e1+u1-+-e2+-u2i2N1N2一次繞組二次繞組40原繞組副繞組i1(i1N1)φφ1i2(i2N2)φ2411.電壓變換i0-+e1+u1-+-e2+-u20N1N2變壓器空載運(yùn)行時(shí)（副邊繞組開(kāi)路，不接負(fù)載），原邊繞組中的電流稱為空載電流或勵(lì)磁電流，用i0表示。忽略原邊繞組的電阻及漏磁通的影響，有對(duì)于副邊繞組有電源電壓輸出電壓42上兩式用相量表示為K稱為變壓器的變比通過(guò)交流鐵心線圈的學(xué)習(xí)，可知改變?cè)褦?shù)可以改變變壓器的輸出電壓。43當(dāng)變壓器副邊繞組接有負(fù)載時(shí)，在e2的作用下，副邊繞組中就會(huì)產(chǎn)生電流i2，當(dāng)忽略副邊繞組的電阻和漏磁通的影響時(shí)，i1-+e1+u1-+-e2+-u2N1N2ZLi2K>1為降壓變壓器K<1為升壓變壓器電源電壓輸出電壓442.電流變換i1-+e1+u1-+-e2+-u2N1N2ZLi2接負(fù)載時(shí)當(dāng)U1和f不變時(shí)，Φm也基本不變。i0N1→m(i1N1+i2N2)→m空載時(shí)則45產(chǎn)生主磁通抵消I2產(chǎn)生的磁通，保持主磁通不變。46變壓器接近滿載（額定負(fù)載）時(shí)，空載電流i0很小，可忽略不計(jì)。473.阻抗變換+-+-ZLN1N2負(fù)載ZL變化I2變化I1變化可等效為一個(gè)能反映副邊阻抗ZL變化的等效阻抗48+-+-ZLN1N2+-49+RLRSN1N2電子電路中，例如，收音機(jī)、擴(kuò)音機(jī)中揚(yáng)聲器（喇叭）的阻抗一般為幾歐或十幾歐，為了使負(fù)載獲得最大輸出功率，通常在電子設(shè)備功率輸出級(jí)和負(fù)載（如喇叭）之間接入一個(gè)變壓器。這個(gè)變壓器稱為輸出變壓器。變壓器電路符號(hào)+RLRS50+RLRSN1N2適當(dāng)選擇輸出變壓器的變比，使負(fù)載折算到原邊的等效阻抗與信號(hào)源內(nèi)阻相等，這時(shí)負(fù)載就能獲得最大輸出功率。這種做法稱為做阻抗匹配。51例交流信號(hào)源的US=80V，內(nèi)阻RS=400，負(fù)載電阻RL=4。（1）負(fù)載直接接在信號(hào)源上，求信號(hào)源的輸出功率；（2）接入輸出變壓器。要使折算到原邊的等效電阻RL=RS

，求變壓器變比K及信號(hào)源輸出功率。解+RLRS（1）信號(hào)源的輸出功率低52當(dāng)RL=RS

時(shí)，輸出變壓器的變比原電路等效為+RLRS信號(hào)源的輸出功率>>0.1568W（2）5312.2.3變壓器的外特性和額定值i1-+e1+u1-+-e2+-u2N1N2ZLi21.變壓器的外特性在電源電壓U1及負(fù)載功率因數(shù)cos不變的條件下，副繞組的端電壓U2隨副繞組輸出電流I2變化的關(guān)系，稱為變壓器的外特性。54電壓變化率cos2<1(感性)U2I2U20I2Ncos2=1O變壓器外特性曲線U2N電壓變化率反映電壓U2的變化程度。通常希望U2的變動(dòng)愈小愈好，一般變壓器的電壓變化率約在5%左右。552.變壓器的損耗與效率i1+u1-+-u2N1N2ZLi2變壓器的功率損耗有銅損和鐵損。銅損是由原、副繞組中的電阻R1和R2產(chǎn)生。

銅損與負(fù)載電流的大小有關(guān)。56鐵損是主磁通在鐵心中交變時(shí)所產(chǎn)生的磁滯損耗ΔPh和渦流損耗ΔPe。ΔPFe=ΔPh+ΔPe鐵損與鐵心的材料及電源電壓、頻率有關(guān)，與負(fù)載電流大小無(wú)關(guān)。變壓器的效率是變壓器的輸出功率P2與對(duì)應(yīng)的輸入功率P1的比值。573.變壓器的額定值原邊額定電壓U1N：指正常情況下原邊繞組應(yīng)當(dāng)施加的電壓副邊額定電壓U2N：指原邊為額定電壓時(shí)副邊空載電壓原邊額定電流I1N：指在U1N作用下原邊繞組允許通過(guò)的最大電流。副邊額定電流I2N：指原邊額定電壓時(shí)副邊繞組允許長(zhǎng)期通過(guò)的最大電流。58額定頻率:指電源的工作頻率，我國(guó)的工業(yè)頻率是50Hz。額定容量SN：指輸出的額定視在功率。單相變壓器三相變壓器594.變壓器的同名端及其繞組的接法

當(dāng)電流流入(或流出）兩個(gè)線圈時(shí)，若產(chǎn)生的磁通方向相同，則兩個(gè)流入(或流出）端稱為同名端。(1)同名端同名端用“?”表示。同名端和繞組的繞向有關(guān)。?

?

AXax?

AXax?

60聯(lián)接

2－3

變壓器原邊一側(cè)有兩個(gè)額定電壓為110V的繞組：（2）繞組的接法

聯(lián)接1－3，2－4當(dāng)電源電壓為220V時(shí)：+–+–電源電壓為110V時(shí)：?

?

1324??132461問(wèn)題：如果兩繞組的同名端接錯(cuò)，結(jié)果如何？答：有可能燒毀變壓器兩個(gè)線圈中的磁通抵消原因：電流很大燒毀變壓器感應(yīng)電勢(shì)??13