第八章 鐵心線圈及變壓器(簡明版)

第八章鐵心線圈與變壓器第一節(jié)磁路的基本概念和定律第二節(jié)直流鐵心線圈與直流電磁鐵第三節(jié)交流鐵心線圈與交流電磁鐵第四節(jié)單相變壓器#

第八章鐵心線圈與變壓器

本章介紹的基本物理量、基本定律以及磁性材料的磁性能。在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)討論鐵心線圈電路和變壓器。第一節(jié)磁路的基本概念和定律

電動機(jī)、繼電器、電磁鐵及變壓器等電器都是基于電磁耦合的原理工作的，我們已經(jīng)學(xué)過了電路，現(xiàn)在再來研究磁路。一、磁場的基本物理量1.磁通φ2.磁感應(yīng)強(qiáng)度B3.磁場強(qiáng)度H4.導(dǎo)磁系數(shù)μ#8-1一、磁場的基本物理量垂直穿過某一面積S的磁力線的總根數(shù)。韋伯wb穿過單位面積的磁力線根數(shù)。特斯拉T

wb/m2磁場中某點(diǎn)的B與該點(diǎn)的磁導(dǎo)率μ的比值。1.磁通φ2.磁感應(yīng)強(qiáng)度B3.磁場強(qiáng)度H4.導(dǎo)磁系數(shù)μ描述導(dǎo)磁能力大小的物理量。通常使用相對導(dǎo)磁系數(shù)無量綱真空導(dǎo)磁系數(shù)第一節(jié)磁路的基本概念和定律安/米，A/m,A/cm#8-1磁動勢第一節(jié)磁路的基本概念和定律二、磁路的基本定律安培環(huán)路定律磁路歐姆定律與電路類似，磁路也有各種定律安培環(huán)路定律安培環(huán)路定律安培環(huán)路定律安培環(huán)路定律安培環(huán)路定律沿任一閉合路徑，H的線積分等于包圍在這閉合路徑內(nèi)各電流的代數(shù)和若磁場均勻則有磁路歐姆定律磁路歐姆定律磁路歐姆定律磁路歐姆定律磁路歐姆定律磁路歐姆定律磁路歐姆定律磁路歐姆定律磁路歐姆定律磁路歐姆定律磁路歐姆定律磁路歐姆定律磁路歐姆定律無分支磁路平均長

l線圈N匝IN磁通Φ導(dǎo)磁系數(shù)μ截面積S根據(jù)得磁路歐姆定律磁阻Rm基爾霍夫定律#8-1二、磁路的基本定律安培環(huán)路定律磁路歐姆定律基爾霍夫定律基爾霍夫定律基爾霍夫定律基爾霍夫定律基爾霍夫定律基爾霍夫定律基爾霍夫定律基爾霍夫定律基爾霍夫定律有分支磁路I1N1I2N2φ1φ2φ31.磁路的基爾霍夫磁通定律在節(jié)點(diǎn)A處Aφ1+φ2-φ3=02.磁路的基爾霍夫磁壓降定律任一閉合回路中均有：或磁壓降的代數(shù)和等于磁動勢的代數(shù)和#8-1INH（I）B（φ）μμabcB鐵磁材料B-H，μ-H曲線從曲線上能明顯看出，μ不是常數(shù)導(dǎo)磁性工程上利用它來使磁通盡量地約束在有限的范圍內(nèi)，提高電磁設(shè)備的利用率，一般使用B-H

曲線的ab

段。磁滯B的變化滯后于H

的變化如曲線的oa段o磁飽和當(dāng)H達(dá)到一定程度，B

不再隨H

而增加，此為磁飽和。如曲線的cs段。s若對鐵心線圈而言，磁飽和意為當(dāng)電流I

增加到一定程度，φ不再隨之增加。關(guān)于磁滯祥看請點(diǎn)擊#三、磁性材料的磁性能8-1幾點(diǎn)說明：磁阻Rm

的大小取決于磁路的尺寸和材料的磁導(dǎo)率。

很大，但不是常數(shù)，因此

也不是常數(shù)。所以磁路歐姆定律不能用來進(jìn)行定量計(jì)算，只用做定性分析。通常磁路計(jì)算應(yīng)用磁路基爾霍夫定律。磁路和電路有相似之處，但卻有本質(zhì)的區(qū)別。#8-1第二節(jié)第二節(jié)直流鐵心線圈與直流電磁鐵一、直流鐵心線圈（磁路計(jì)算略）二、直流電磁鐵1.構(gòu)成鐵心鐵心線圈線圈銜鐵銜鐵2.工作原理通電的鐵心線圈對銜鐵會產(chǎn)生吸力請看通電演示3.吸力磁動勢主要降在空氣隙上磁動勢#電磁鐵應(yīng)用？8-2直流電磁鐵的特點(diǎn)勵(lì)磁電流是由勵(lì)磁線圈的外加電壓U

和線圈電阻R

決定的2.無磁滯和渦流損耗，鐵心可以使用整塊的鑄鋼、軟鐵。電流是恒定的，無感應(yīng)電動勢產(chǎn)生。3.吸合后電磁力比吸合前大得多，但勵(lì)磁電流不變。（因磁動勢

NI

不變，磁阻Rm↓→B↑，所以吸力F↑）電流恒定，無感應(yīng)電動勢產(chǎn)生。無磁滯和渦流損耗，可使用整塊鐵心3.吸合后，勵(lì)磁電流不變，

F↑↑#8-2第三節(jié)交流鐵心線圈與交流電磁鐵一、交流鐵心線圈的損耗P=△PCU+△Ph+△Pe總損耗銅損渦流損耗鐵損磁滯損耗銅損△PCU

線圈電阻上的損耗△PCU=I2R磁滯損耗其大小與鐵心材料反復(fù)磁化后的磁滯回線面積成正比渦流損耗交變磁通穿過鐵心時(shí)，鐵心既導(dǎo)磁又導(dǎo)電，因鐵心在交變磁通作用下產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而在垂直于磁通方向的鐵心平面內(nèi)產(chǎn)生旋渦狀的感應(yīng)電流，叫渦流。渦流在鐵心內(nèi)電阻上產(chǎn)生的損耗稱渦流損耗。減小渦流損耗的辦法增大渦流通路的電阻即用薄的材料疊成鐵心減小磁滯損耗的辦法鐵心盡量采用軟磁材料#8-3二、電壓平衡方程式iNφφL交流鐵心線圈大部分經(jīng)鐵心閉合線圈中磁通產(chǎn)生ee主磁通少部分經(jīng)空氣閉合產(chǎn)生eL漏磁通eLu線圈電阻上壓降為

iR根據(jù)KVL得：或電壓平衡方程式#8-3#二、電壓平衡方程式有效值忽略了漏磁感應(yīng)電動勢和線圈內(nèi)阻壓降后,方程變?yōu)椋夯蛑匾Y(jié)論外加電壓不變時(shí)，交流鐵心線圈的鐵心內(nèi)主磁通最大值幾乎是不變的。這是分析變壓器和交流電動機(jī)時(shí)的重要概念。注意8-3三、交流電磁鐵鐵心線圈銜鐵交流電磁鐵也是一種電磁器件，結(jié)構(gòu)形式與直流電磁鐵類似。在工業(yè)部門應(yīng)用極為廣泛。如冶金工業(yè)中用于提放鋼材的電磁吊車；夾持工件的電磁工作臺；傳遞動力的電磁離合器；液壓傳動中的電磁閥；交流接觸器及接觸器等。鐵心中的磁通是交變的，空氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：吸力平均值#8-3三、交流電磁鐵瞬時(shí)值有效值顯然

f

是交變的，存在過零值。會出現(xiàn)吸合不牢的現(xiàn)象。

通常在尾端留一切口，套上銅環(huán)（或稱磁環(huán)），銅環(huán)產(chǎn)生的感應(yīng)電流阻礙φ的變化，致使穿過銅環(huán)的φ與其它φ存在一相位差，結(jié)果產(chǎn)生兩個(gè)相位不同的電磁吸力，平均后，不再有過零點(diǎn)。見教材P156交流電磁鐵特點(diǎn)1.吸力是交變的，鐵心需加分磁環(huán)。2.勵(lì)磁電流吸合前大，吸合后減小。前后吸力不變3.鐵心和銜鐵均由硅鋼片疊成，為減小鐵損。#8-3交、直流電磁鐵的特點(diǎn)電流恒定，無感應(yīng)電動勢產(chǎn)生。無磁滯和渦流損耗，可使用整塊鐵心3.吸合后，勵(lì)磁電流不變，

F↑↑#交流電磁鐵特點(diǎn)1.吸力是交變的，鐵心需加分磁環(huán)。2.勵(lì)磁電流吸合前大，吸合后減小。前后吸力不變3.鐵心和銜鐵均由硅鋼片疊成，為減小鐵損。直流電磁鐵特點(diǎn)8-3一、變壓器的用途、構(gòu)造和分類變壓器是基于電磁感應(yīng)原理而制成的靜止的電器設(shè)備用途變電壓，變電流，變阻抗構(gòu)造心式和殼式兩種心式變壓器殼式變壓器分類單相，三相，多相；升壓，降壓；儀用電壓、電流互感器；焊接變壓器，自藕變壓器。#有兩個(gè)繞組也有兩個(gè)繞組第四節(jié)單相變壓器8-4二、變壓器的工作原理原邊繞組N1名詞介紹幅邊繞組N2一次繞組N1二次繞組N2一次側(cè)二次側(cè)均指電源側(cè)

均指負(fù)載側(cè)什么是變壓器任載運(yùn)行？什么是變壓器空載運(yùn)行？u~u~Z2Z2s一次側(cè)接電源二次側(cè)負(fù)載開路一次側(cè)接電源二次側(cè)接負(fù)載8-4二、變壓器的工作原理變壓器空載運(yùn)行u~Z2sI0空載電流U1U20此時(shí)的變壓器相當(dāng)于交流鐵心線圈變比二次側(cè)額定電壓空載運(yùn)行的結(jié)論：原幅邊電壓之比等于原幅邊匝數(shù)之比，等于常數(shù)k這就是變壓器的變電壓作用8-4u~Z2sI0空載電流U1U20由

可見，當(dāng)電源電壓U1合頻率f不變時(shí)，E1和φm也都近于常數(shù)。

也就是說，鐵芯中主磁通的最大值在變壓器空載或有負(fù)載時(shí)是差不多恒定的。因此，有負(fù)載時(shí)產(chǎn)生主磁通的一次、二次繞組的合成磁通勢（N1i1+N2i2）應(yīng)該和空載時(shí)產(chǎn)生主磁通的一次繞組的磁通勢N1i0差不多相等。即：u~Z2變壓器任載運(yùn)行U1I1U2I2兩邊繞組中通過的磁通是相同的只要U1不變，主磁通就不應(yīng)該變，所以有：磁動勢平衡方程式有載時(shí)原邊磁動勢分為兩部分1.產(chǎn)生主磁通（勵(lì)磁分量）I02.用來補(bǔ)償I2N2（負(fù)載分量I2）,又稱去磁一般I0很小，小型變壓器只有2~3%I1，大的不過10%，當(dāng)略去I0N1后有：變電流作用任載運(yùn)行結(jié)論：變電流作用任載后，電壓比是否還等于變比k?變電壓作用還有一個(gè)作用是變阻抗幅邊

Z2原邊Z1變阻抗作用或8-4二、變壓器的工作原理空載運(yùn)行結(jié)論：任載運(yùn)行結(jié)論：變電流作用變電壓作用變阻抗作用或總結(jié)8-4例題：某阻抗為8Ω的揚(yáng)聲器，接于輸出變壓器的副邊，輸出變壓器的原邊接電動勢ES=10V，內(nèi)阻RS=200Ω的信號源。設(shè)輸出變壓器為理想變壓器，其原副繞組的匝數(shù)為500/100，如圖所示。試求（1）揚(yáng)聲器的等效阻抗R/和獲得的功率；（2）揚(yáng)聲器直接接信號源所獲得的功率。R～RS?S?(a)5：1～RS?SR(b)?1Ku2R(c)～RS?S解：（1）8Ω電阻接變壓器等效電阻為：

獲得的功率：(2)若8Ω揚(yáng)聲器直接接信號源（如圖a所示），所獲得的功率為：1)變壓器的型號變壓器的銘牌和技術(shù)數(shù)據(jù)SJL1000/10

變壓器額定容量(KVA)

鋁線圈

冷卻方式J:油浸自冷式F:風(fēng)冷式相數(shù)S:三相D:單相

高壓繞組的額定電壓(KV)變壓器的外特性和額定值2.

額定值一般變壓器的額定值在其名牌上給出。額定電壓一次額定電壓U1N正常時(shí)一次繞組所加電壓的有效值。二次額定電壓U2N一次電壓為U1N時(shí)，變壓器空載時(shí)對應(yīng)二次側(cè)的空載電壓有效值，即U20=U2N8-4單相：U1N，一次側(cè)電壓，

U2N，二次側(cè)空載時(shí)的電壓三相：U1N、U2N，一次、二次側(cè)的線電壓變壓器的外特性和額定值2.

額定值一般變壓器的額定值在其名牌上給出。額定電流一次額定電流I1N一次繞組加額定電壓，正常工作時(shí)一次繞組允許長期通過的最大電流有效值。二次額定電流I2N一次繞組加額定電壓，正常工作時(shí)二次繞組允許長期通過的最大電流有效值。8-4單相：一次、二次側(cè)繞組允許的電流值三相：一次、二次側(cè)繞組線電流指二次側(cè)的輸出額定視在功率即：8-4

額定容量SN:傳送功率的最大能力。單相：三相：注意：變壓器幾個(gè)功率的關(guān)系(單相)容量：一次側(cè)輸入功率：輸出功率：

容量

SN

輸出功率

P2

一次側(cè)輸入功率P1

輸出功率P2額定頻率額定頻率50HZ三、變壓器的外特性和額定值1.外特性電壓保持不變，變壓器任載后，由于一、二次側(cè)均有電流通過，必然在一次側(cè)、二次側(cè)內(nèi)阻抗上產(chǎn)生電壓降，從而使二次電壓隨負(fù)載電流增加變小。稱曲線為變壓器的外特性。變壓器外特性電壓調(diào)整率滿載時(shí)電壓空載電壓一般在5%以內(nèi)8-4四、變壓器的損耗和效率變壓器損耗△p分鐵損△pFe和銅損△pCu

1.鐵損是交變的主磁通在鐵心中產(chǎn)生磁滯損耗△ph和渦流損耗△pe之和又稱為固定損耗2.銅損又稱為可變損耗變壓器一次側(cè)、二次側(cè)均有電阻，當(dāng)有電流通過時(shí)，產(chǎn)生損耗3.效率一次側(cè)輸入功率p1，二次側(cè)輸出功率p2，效率為η△p=△pFe+△pCu小型變壓器的效率為70~85%，大型變壓器效率可達(dá)98%8-45.2.3三相變壓器三相變壓器一般采用芯式結(jié)構(gòu)，在“”形鐵芯的三個(gè)鐵芯柱上，每個(gè)鐵芯柱分別安放一相的原邊和副邊繞組，即對應(yīng)相的原副邊繞組放在同一鐵芯柱上。

ABCΦA(chǔ)ΦBΦCabcxyz

三相原副邊繞組根據(jù)需要，進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜嗦?lián)結(jié)，星形或三角形聯(lián)結(jié)；

如圖，三相原邊繞組已接為星形，副邊尚未聯(lián)結(jié)；

當(dāng)原邊輸入為三相對稱電壓時(shí)，三相副邊繞組輸出的三相電壓也一定為三相對稱電壓；

原副邊繞組的輸出電壓也取決于原副邊繞組的匝數(shù)比。

變壓器的原副邊繞組的同名端

變壓器三相繞組的星形、三角形接法不是隨便進(jìn)行的;

在接入之前必須先標(biāo)出變壓器原副邊繞組的同名端，再按一定的規(guī)定進(jìn)行星形、三角形聯(lián)結(jié)，否則，三相變壓器不能正常工作甚至被損壞。

同一鐵芯（相連同一磁通）的兩個(gè)（或多個(gè)）原副繞組中，某一瞬時(shí)具有相同極性的出線端稱為同名端。

對于變壓器的原副邊繞組（三相變壓器中取出其中一相），其原繞組與副繞組相連著同一個(gè)主磁通。當(dāng)磁通交變時(shí)，都會在原副繞組中產(chǎn)生感生電動勢，一個(gè)繞組的某一端點(diǎn)的電位為正時(shí)，另一繞組的兩個(gè)端點(diǎn)必然有一個(gè)端點(diǎn)的電位也是正的。這兩個(gè)相應(yīng)得同極性電位端即為同名端。

繞組的同名端取決于繞組的繞向，三相變壓器或多繞組的單相變壓器的出線端，一般都*標(biāo)出同名端。變壓器繞組的同名端可以通過實(shí)驗(yàn)的方法測得。

一般三相變壓器中，以A、B、C和a、b、c分別表示原副繞組的首端，X、Y、Z和x、y、z分別表示原副繞組的尾端，即A和a、B和b、C和c互為同名端，同理，X和x、Y和y、Z和z也互為同名端。

同名端的實(shí)驗(yàn)判別方法交流測定法接線如圖（a）所示，當(dāng)一側(cè)繞組加上交流電壓時(shí)（通常加在高壓側(cè)）。（a）4+-3u12V

若電壓表中的讀數(shù)高于所加的電壓，則該讀數(shù)為兩個(gè)繞組中的感應(yīng)電勢之和，說明兩個(gè)繞組為正向串聯(lián)，即被連接的兩端為異名端；

若電壓表的讀數(shù)低于所加的電壓，則為兩個(gè)繞組中的感應(yīng)電動勢之差，即被連接的兩端為同名端。

直流測定法

的接線圖

接線如圖（b）所示，一側(cè)繞組接直流電源（通常在低壓側(cè)）；

若開關(guān)S合上瞬間，另一側(cè)所接的直流毫安表的指針正偏，則與電流表正極的連接端與另一繞組中與電源正極的連接端為同名端。

若指針反偏，則該端的為異名端。4+-3S2OOA（b）1三相變壓器的連接組別

三相變壓器以及三相組合變壓器，由于首尾端的標(biāo)志不同和原副繞組星形、三角形接法的不同，使得三相變壓器原副邊對于相產(chǎn)生各種不同的相位差，形成了三相變壓器的各種不同連接組別，分別以相應(yīng)的符號表示。比如Y/Y-12、Y/△-11、Y0/△-11連接等，是船舶三相變壓器常用的連接組別。

星形連接三角形連接帶中線星形連接12表示副邊電壓與原邊電壓同相位11表示副邊電壓滯后原邊電壓30度相位角。abcABCBCAabc(a)ABCB