第十二章變壓器

第12章變壓器與電動機2常用電工設備12.1磁路3三相異步電動機磁路12.1.1磁路的基本概念用導磁能力很強的磁性材料做成一定形狀的鐵心，使磁通的絕大部分經過鐵心而形成一個閉合的通路，這種閉合的路徑稱為磁路。三相變壓器磁路4一、磁場的基本物理量1.磁感應強度B

表示磁場內某點的磁場強弱和方向的物理量。單位：特斯拉（T）即韋伯/米2

1T=1Wb/m2磁感應強度B的方向與電流的方向之間符合右手螺旋定則。均勻磁場：各點的磁感應強度大小相等、方向相同。52.磁通Φ

垂直穿過某一截面積S的磁力線總數(shù)。單位：Wb(韋伯)B=Φ/S磁通Φ與磁感應強度B的關系3.磁導率衡量物質導磁能力大小的物理量。單位：H/m（亨/米）真空的磁導率0為常數(shù)0=410-7H/m6一般材料的磁導率和真空的磁導率0之比，稱為這種材料的相對磁導率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.磁場強度H單位：安/米（A/m）注意：磁場強度H與磁感應強度B

的名稱很相似，切忌混淆。H是為計算方便引入的物理量，通過它來確定磁場和電流之間的關系，不考慮磁路材料的影響。磁場中某點的磁感應強度B與同一點的磁導率的比值稱為該點的磁場強度H

。H=B/9二、磁性材料的磁性能磁化曲線：磁性材料中，磁感應強度B（或磁通）與磁場強度H（或勵磁電流I）之間的關系曲線。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高導磁性較小的電流可以產生較強的磁場。磁性材料的高導磁性被廣泛地應用于電工設備中。如電機、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)不會隨著H(或I)的增加而無限增大。m磁性材料的磁導率不是常數(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，線圈有鐵心和沒有鐵心，哪個電感大？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強度磁性材料在交變磁化過程中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永磁材料在計算機和控制系統(tǒng)中用作記憶元件、開關元件和邏輯元件。一般用來制造電機、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、磁性材料之間的關系？16安培環(huán)路定律（全電流律）：磁場強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。電流方向和磁場強度的方向符合右手螺旋定則，電流取正；否則取負。I1I2I3H=I1+I2-I317理想磁路：由一種材料構成，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對于均勻磁場Φ=BS=HS磁動勢NI反映通電線圈勵磁能力的大小。

IΦl磁阻Rm表示磁路的材料對磁通起阻礙作用的大小，只與磁路的尺寸及材料的磁導率有關。磁路的歐姆定律19對于由不同材料或不同截面組成的幾段磁路IΦl1l210對于空氣隙這段磁路，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。勵磁電流：在磁路中用來產生磁通的電流。211.直流鐵心線圈UI恒定不變在恒定磁場中，線圈中無感應電動勢，線圈在電路中相當于導線。R為線圈的電阻匝數(shù)N勵磁電流I由外加電壓U及勵磁線圈的電阻R決定，與磁路特性無關。22UI恒定不變匝數(shù)N磁通不僅與線圈的匝數(shù)N和電流I有關，還與磁路的磁阻Rm。23UI恒定不變匝數(shù)NΔP=I2R直流鐵心線圈因磁通恒定，在鐵心中不會產生功率損耗。只有線圈電阻產生的損耗。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生的損耗。銅損是線圈導線電阻產生的損耗。242.交流鐵心線圈-+ui交流勵磁電流i產生兩部分交變磁通，即主磁通和漏磁通

。主磁通漏磁通

主磁通：通過鐵心閉合的磁通。漏磁通

：通過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，故有設主磁通=msint，則

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

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，同時還與勵磁電流頻率f和磁感應強度B有關，f愈高，B愈大，磁滯損耗愈大。為了減小磁滯損耗，應選用磁滯回線狹小的磁性材料制造鐵心。HBHBHB32渦流:當線圈中通入交流電流時，鐵心中的交變磁通在鐵心中產生感應電動勢和感應電流，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，當線圈用于一般工頻交流時，可采用由彼此絕緣且順著磁場方向的硅鋼片疊成鐵心。34-+ui交流鐵心線圈工作時的功率損耗為：交變磁通35直流鐵心線圈交流鐵心線圈勵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變壓器的基本結構變壓器雖然種類很多，形狀各異，但其基本結構是相同的，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）。原邊變量的下標用“1”，副邊變量的下標用“2”。術語：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變壓器空載運行時（副邊繞組開路，不接負載），原邊繞組中的電流稱為空載電流或勵磁電流，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交流鐵心線圈的學習，可知改變匝數(shù)可以改變變壓器的輸出電壓。43當變壓器副邊繞組接有負載時，在e2的作用下，副邊繞組中就會產生電流i2，當忽略副邊繞組的電阻和漏磁通的影響時，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接負載時當U1和f不變時，Φm也基本不變。i0N1→m(i1N1+i2N2)→m空載時則45產生主磁通抵消I2產生的磁通，保持主磁通不變。46變壓器接近滿載（額定負載）時，空載電流i0很小，可忽略不計。473.阻抗變換+-+-ZLN1N2負載ZL變化I2變化I1變化可等效為一個能反映副邊阻抗ZL變化的等效阻抗48+-+-ZLN1N2+-49+RLRSN1N2電子電路中，例如，收音機、擴音機中揚聲器（喇叭）的阻抗一般為幾歐或十幾歐，為了使負載獲得最大輸出功率，通常在電子設備功率輸出級和負載（如喇叭）之間接入一個變壓器。這個變壓器稱為輸出變壓器。變壓器電路符號+RLRS50+RLRSN1N2適當選擇輸出變壓器的變比，使負載折算到原邊的等效阻抗與信號源內阻相等，這時負載就能獲得最大輸出功率。這種做法稱為做阻抗匹配。51例交流信號源的US=80V，內阻RS=400，負載電阻RL=4。（1）負載直接接在信號源上，求信號源的輸出功率；（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及信號源輸出功率。解+RLRS（1）信號源的輸出功率低52當RL=RS

時，輸出變壓器的變比原電路等效為+RLRS信號源的輸出功率>>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產生。

銅損與負載電流的大小有關。56鐵損是主磁通在鐵心中交變時所產生的磁滯損耗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，與負載電流大小無關。變壓器的效率是變壓器的輸出功率P2與對應的輸入功率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當施加的電壓副邊額定電壓U2N：指原邊為額定電壓時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的最大電流。副邊額定電流I2N：指原邊額定電壓時副邊繞組允許長期通過的最大電流。58額定頻率:指電源的工作頻率，我國的工業(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

當電流流入(或流出）兩個線圈時，若產生的磁通方向相同，則兩個流入(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。?

?

AXax?

AXax?

60聯(lián)接

2－3

變壓器原邊一側有兩個額定電壓為110V的繞組：（2）繞組的接法

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

?

1324??132461問題：如果兩繞組的同名端接錯，結果如何？答：有可能燒毀變壓器兩個線圈中的磁通抵消原因：電流很大燒毀變壓器感應電勢??13