第04章(磁路與變壓器)

學(xué)習(xí)目標(biāo)1．了解鐵磁材料的特性，掌握磁路及磁路定律；2.了解交流鐵心線圈的概念,能分析交流鐵心線圈電路；3．掌握變壓器的用途、基本結(jié)構(gòu)、變壓比及變流比；4.理解變壓器的額定值、外特性、損耗及效率；5.區(qū)分自耦變壓器、電壓互感器和電流互感器工作原理的異同，了解使用注意事項(xiàng)；6.理解電焊變壓器結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)；7.理解三相電力變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，了解其銘牌；8.了解小功率電源變壓器和電磁鐵。第一節(jié)磁路的基本知識(shí)第二節(jié)交流鐵心線圈電路第三節(jié)變壓器的分類、用途、結(jié)構(gòu)和工作原理第四節(jié)變壓器的運(yùn)行特性和額定值第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵實(shí)踐應(yīng)用本章小結(jié)返回一、磁場(chǎng)的基本物理量及基本定律二、鐵磁材料三、磁路及磁路定律第一節(jié)磁路的基本知識(shí)返回一、磁場(chǎng)的基本物理量及基本定律

表示磁場(chǎng)特性的基本物理量是磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通、磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁導(dǎo)率。(1)磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度是表示磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)弱（磁力線的多少）及方向（磁力線的方向）的物理量。磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為

式中：F是電磁力；l是導(dǎo)體的長(zhǎng)度；是通過磁體的電流。磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向可由右手螺旋定律確定。磁感應(yīng)強(qiáng)度的國(guó)際單位為（特[斯拉]）。(2)磁通磁感應(yīng)強(qiáng)度B與垂直于磁場(chǎng)方向的面積S的乘積，稱為通過該面積的磁通Φ

。Φ=BS

第一節(jié)磁路的基本知識(shí)返回

(3)磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率是描述介質(zhì)導(dǎo)磁能力的物理量。線圈內(nèi)部點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度可表示為

由lx表示X點(diǎn)磁力線的長(zhǎng)度。可見，某點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小與磁導(dǎo)率μ、電流大小、線圈匝數(shù)、及該點(diǎn)的位置有關(guān)。磁導(dǎo)率的單位是亨/米（H/m）。

(4)磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度為磁場(chǎng)中某一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與該點(diǎn)介質(zhì)磁導(dǎo)率的比值，即：

第一節(jié)磁路的基本知識(shí)返回二、鐵磁材料

磁性材料的相對(duì)磁導(dǎo)率很大，具有高導(dǎo)率、磁飽和以及磁滯等性能（１）高磁導(dǎo)性鐵磁性材料的磁導(dǎo)率很高，在外磁場(chǎng)的作用下，其內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度大大增強(qiáng)，這種現(xiàn)象稱為磁化。（２）飽和性飽和性體現(xiàn)在因磁化產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度不會(huì)隨外磁場(chǎng)的增強(qiáng)而無(wú)限增強(qiáng)。（３）磁滯性磁滯性表現(xiàn)在鐵磁材料在交流磁場(chǎng)中反復(fù)被磁化時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。

第一節(jié)磁路的基本知識(shí)返回三、磁路及磁路定律磁路就是磁通的路徑。磁路實(shí)質(zhì)上就是局限在一定路徑內(nèi)的磁場(chǎng)。當(dāng)線圈中有電流流過時(shí)，產(chǎn)生的磁通絕大部分集中在鐵心上，沿鐵心而閉合，這部分磁通稱為主磁通，用表示。只有一部分磁通沿鐵心以外的空間而閉合，這稱為漏磁通，用表示。由于很小，在工程上常將它忽略不計(jì)。主磁通所通過的閉合路徑稱為磁路。圖中是幾種常見電工設(shè)備的磁路。兩種常用電工設(shè)備的磁路第一節(jié)磁路的基本知識(shí)返回三、磁路及磁路定律（１）磁路的歐姆定律下圖為繞有線圈的鐵心，當(dāng)線圈電流為時(shí)，在鐵心中就會(huì)有磁通通過。上式在形式上與電路的歐姆定律相似，故也稱為磁路的歐姆定律。

第一節(jié)磁路的基本知識(shí)返回一、直流鐵心線圈

將線圈繞制在鐵心上便構(gòu)成了鐵心線圈。鐵心線圈根據(jù)所接的電源不同，可分為直流鐵心線圈和交流鐵心線圈兩類。它的磁路即為直流磁路和交流磁路。在線圈中通入直流電流后，磁路中產(chǎn)生的磁通是恒定的，因此在線圈和鐵心中不會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)來(lái)。

○

二、交流鐵心線圈將交流鐵心線圈接交流電源，線圈中通過交流電流，產(chǎn)生交變磁通，并在鐵心和線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

第二節(jié)交流鐵心線圈電路返回一、變壓器的分類與用途二、變壓器的結(jié)構(gòu)三、變壓器的工作原理第三節(jié)變壓器的分類、用途、結(jié)構(gòu)及工作原理返回一、變壓器的分類與用途

變壓器按其用途不同可分為電力變壓器和特殊變壓器兩大類。應(yīng)用于電力系統(tǒng)變配電的變壓器稱為電力變壓器，常見的升壓變壓器、降壓變壓器和配電變壓器等。如針對(duì)某種特殊需要而制造的變壓器，稱為特殊變壓器。如整流變壓器、自耦變壓器、音頻變壓器等。此外，根據(jù)變壓器的鐵心結(jié)構(gòu)，可以分為殼式和心式兩種；根據(jù)電源的相數(shù)可以分為單相和三相變壓器；按冷卻方式可分為油冷變壓器和空氣變壓器等。上述各種變壓器有不同的用途，但其作用都是可以改變交流電壓、交流電流、交換阻抗以及改變相位等。第三節(jié)變壓器的分類、用途、結(jié)構(gòu)及工作原理返回一、變壓器的分類與用途如圖是幾種變壓器的實(shí)物圖。（a）油浸式電力變壓器（b）包封線圈干式變壓器(c)音頻環(huán)形變壓器（d）電源變壓器

第三節(jié)變壓器的分類、用途、結(jié)構(gòu)及工作原理返回二、變壓器的結(jié)構(gòu)

各類變壓器的基本結(jié)構(gòu)是相同的，其主要部分是由鐵心和繞組等組成。根據(jù)鐵心結(jié)構(gòu)的不同，可分為心式與殼式兩種，如下圖所示。心式鐵心變壓器的繞組套在鐵心柱上，繞組的裝配和絕緣都比較方便，多用于容量較大的變壓器。殼式鐵心變壓器具有分支的磁路，鐵心把繞組包圍在中間，故不要專門的變壓器外殼，它的制造工藝較復(fù)雜，常用于小容量的變壓器。鐵心構(gòu)成變壓器的磁路部分。為了減少鐵心中的磁滯和渦流損耗，鐵心采用0.35~0.5mm厚的硅鋼片疊成，疊裝之前，硅鋼片上還需涂一層絕緣漆。在疊片時(shí)一般采用交錯(cuò)疊裝方式，這樣可以降低磁路的磁阻，減少勵(lì)磁電流。第三節(jié)變壓器的分類、用途、結(jié)構(gòu)及工作原理返回三、變壓器的工作原理（1）變壓器空載運(yùn)行

若變壓器一次繞組接交流電壓，而二次繞組開路，稱為變壓器的空載運(yùn)行。如下圖所示，在的作用下，原繞組有電流通過，這個(gè)電流稱為空載電流，或勵(lì)磁電流。第三節(jié)變壓器的分類、用途、結(jié)構(gòu)及工作原理返回三、變壓器的工作原理（1）變壓器的空載運(yùn)行根據(jù)圖示參考方向，忽略原繞組的電阻以及漏磁通的影響，可得

由于變壓器空載，其副繞組端的空載端電壓

由此可以推出變壓器的電壓變換關(guān)系為

為變壓器的變壓比。第三節(jié)變壓器的分類、用途、結(jié)構(gòu)及工作原理返回三、變壓器的工作原理（2）變壓器的負(fù)載運(yùn)行變壓器原繞組接電源，副繞組接負(fù)載，變壓器向負(fù)載供電，這稱為變壓器的負(fù)載運(yùn)行。如下圖所示。圖中各量的參考方向各為相關(guān)聯(lián)的參考方向。

空載時(shí)主磁通由磁動(dòng)勢(shì)決定。忽略直流電阻和漏磁通的影響，當(dāng)外加電壓一定時(shí)，不論空載或有載，鐵心中的主磁通不變，所以磁動(dòng)勢(shì)應(yīng)近似相等，即

第三節(jié)變壓器的分類、用途、結(jié)構(gòu)及工作原理返回三、變壓器的工作原理（2）變壓器的負(fù)載運(yùn)行空載時(shí)，很小，可忽略不計(jì)，則由上式可知，與的相位相反。它們的數(shù)值關(guān)系為

即變壓器有電流變換作用。第三節(jié)變壓器的分類、用途、結(jié)構(gòu)及工作原理返回三、變壓器的工作原理（3）阻抗變換

變壓器不僅具有變換電壓和變換電流作用，它還具有阻抗變換的作用。在圖(a)中，負(fù)載阻抗接在變壓器的副邊，而圖中點(diǎn)劃線框中部分的總阻抗可用圖(b)中的等效阻抗來(lái)表示。其等效的條件是：電壓、電流及功率不變。

第三節(jié)變壓器的分類、用途、結(jié)構(gòu)及工作原理返回三、變壓器的工作原理（3）阻抗變換

兩式相比，得

匝數(shù)不同，變換后的阻抗不同?？梢圆捎眠m當(dāng)?shù)脑褦?shù)比，使變換后的阻抗等電源的內(nèi)阻，稱為阻抗匹配。這時(shí)負(fù)載上可獲得最大功率。

第三節(jié)變壓器的分類、用途、結(jié)構(gòu)及工作原理返回一、變壓器的外特性

運(yùn)行中的變壓器，當(dāng)電源電壓及負(fù)載功率因數(shù)為常數(shù)時(shí)，副繞組輸出電壓隨負(fù)載電流的變化關(guān)系可用曲線來(lái)表示，該曲線稱為變壓器的外特性曲線，如下圖所示。圖中表明，當(dāng)負(fù)載為電阻性和電感性時(shí)，隨的增大而下降，且感性負(fù)載比阻性負(fù)載下降更明顯；對(duì)容性負(fù)載，隨的增大而上升。第四節(jié)變壓器的運(yùn)行特性和額定值返回二、變壓器的損耗與效率當(dāng)副繞組接負(fù)載后，在電壓的作用下，負(fù)載有電流通過，負(fù)載吸收功率。負(fù)載吸收的有功功率為為負(fù)載的功率因數(shù)。這時(shí)原繞組從電源吸收的有功功率為

，是與的相位差。變壓器從電源得到的有功功率不會(huì)全部由負(fù)載吸收，因?yàn)閭鬏斶^程中有銅損耗和鐵損耗。這些損耗均變?yōu)闊崃?，使變壓器溫度升高。根?jù)能量守恒定律：變壓器的效率為：小型變壓器的效率約為60%~90%，大型電力變壓器的效率可達(dá)96％～99％

。為了變壓器能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，其負(fù)載不能過低。

第四節(jié)變壓器的運(yùn)行特性和額定值△PFe

返回三、變壓器的額定值

（１）額定電壓

原繞組的額定電壓是指變壓器在額定運(yùn)行的情況下，根據(jù)變壓器的絕緣強(qiáng)度和容許溫升所規(guī)定的電壓值，用符號(hào)表示。副繞組的額定電壓是指變壓器空載，原繞組加上額定電壓時(shí)，副繞組兩端的電壓，用表示。、對(duì)單相變壓器是電壓的有效值。

（２）額定電流額定電流是指變壓器在額定運(yùn)行情況下，根據(jù)容許溫升所規(guī)定的電流值，用和表示。

第四節(jié)變壓器的運(yùn)行特性和額定值返回三、變壓器的額定值（３）額定容量

額定容量是指變壓器副繞組輸出的額定視在功率，單位為VA或kVA,用符號(hào)表示。單相變壓器

（４）額定頻率變壓器額定運(yùn)行時(shí)，原繞組外加電壓的頻率。我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)工頻為50Hz。第四節(jié)變壓器的運(yùn)行特性和額定值返回一、自耦變壓器和調(diào)壓器二、電焊變壓器三、小功率電源變壓器四、儀用互感器五、三相電力變壓器六、電磁鐵第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回一、自耦變壓器和調(diào)壓器如果一、二次側(cè)共用一部分繞組，如圖所示，這種只有一個(gè)繞組的變壓器就稱為自耦變壓器。它的原、副繞組之間除了有磁的耦合外，還有電的直接聯(lián)系。圖中N1、N2分別為一、二次繞組的匝數(shù)。自耦變壓器的原理與普通變壓器相同，即

第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回一、自耦變壓器和調(diào)壓器自耦變壓器的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)省用銅量、重量輕、尺寸小、成本低、效率較高。理論及實(shí)踐均證明：當(dāng)一、二次繞組的電壓之比接近于１，或者說(shuō)不大于２時(shí)，自耦變壓器的優(yōu)點(diǎn)比較顯著，因此容量較大的異步電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)時(shí)，常采用自耦變壓器來(lái)降壓。

第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回一、自耦變壓器和調(diào)壓器自耦變壓器的缺點(diǎn)在于：一、二次繞組的電路直接連在一起，因此高壓側(cè)的電氣故障會(huì)波及到低壓側(cè)，這是很不安全的。因此要求自耦變壓器在使用時(shí)必須正確接線，且外殼必須接地，并規(guī)定安全用的降壓變壓器不允許采用自耦變壓器結(jié)構(gòu)型式，其原因是一旦發(fā)生接線錯(cuò)誤，極易出現(xiàn)危險(xiǎn)。如圖所示為自耦變壓器給攜帶式安全照明燈提供12V工作電壓的電路圖，因?yàn)閁2端接地，此時(shí)連接照明燈的每根導(dǎo)線對(duì)地的電壓都是200V以上，這對(duì)持燈人極不安全。自耦變壓器也不能用于要求一、二次側(cè)電路隔離的場(chǎng)合。

第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回一、自耦變壓器和調(diào)壓器如果把自耦變壓器的二次側(cè)抽頭做成能夠沿繞組自由滑動(dòng)的觸點(diǎn)，就可以改變二次線圈匝數(shù),構(gòu)成輸出電壓連續(xù)可調(diào)的自耦變壓器。為了使滑動(dòng)接觸可靠，這種自耦變壓器的鐵心做成圓環(huán)形，其上均勻分布繞組，滑動(dòng)觸點(diǎn)由碳刷構(gòu)成，當(dāng)用手柄轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)移動(dòng)觸點(diǎn)的位置時(shí)，就改變了二次繞組的匝數(shù)，調(diào)節(jié)了輸出電壓的大小。這種自耦變壓器又稱為自耦調(diào)壓器，輸出電壓可低于電源電壓，也可稍高于電源電壓。如實(shí)驗(yàn)室中常用的單相調(diào)壓器，一次繞組U1U2接輸入交流電壓=220V或110V，二次繞組ulu2接輸出電壓=0～250V，均勻變化。其外形圖、原理電路圖和圖形符號(hào)如下圖所示。第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回一、自耦變壓器和調(diào)壓器

(a)實(shí)物(b)外形結(jié)構(gòu)

(c)原理電路圖(d)圖形符號(hào)

第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回一、自耦變壓器和調(diào)壓器使用自耦調(diào)壓器時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1．一、二次繞組的公共端U2或u2接中性線，U1端接電源相線（火線），u1端和u2端作為輸出。若把相線接在U2或u2端子，調(diào)壓器輸出電壓即使為零(u1端和u2端重合，N2=0)，但u1端仍為高電位，用手觸摸時(shí)有危險(xiǎn)。2．一、二次繞組不能對(duì)調(diào)使用．否則可能會(huì)燒壞繞組，甚至造成電源短路。3．接通電源前，先將滑動(dòng)觸頭移至零位，使輸出電壓為零，接通電源后再慢慢順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，使輸出電壓逐步上升，將輸出電壓調(diào)到所需值。用畢，再將手柄轉(zhuǎn)回零位，以備下次安全使用。4．輸出電壓無(wú)論多低，其電流也不允許大于額定電流。第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回二、電焊變壓器電弧焊接是在焊條與焊件之間燃起電弧，用電弧的高溫使金屬熔化進(jìn)行焊接。電焊變壓器就是為滿足電弧焊接的需要而設(shè)計(jì)制造的特殊的變壓器。下圖是其原理和實(shí)物圖。為了起弧較容易，電焊變壓器的空載電壓一般為60～80V，當(dāng)電弧起燃后，焊接電流通過電抗器產(chǎn)生電壓降。調(diào)節(jié)電抗器上的旋柄可改變電抗的大小以控制焊接電流及焊接電壓。維持電弧工作電壓一般為25～30V。第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回三、小功率電源變壓器在各種儀器設(shè)備中提供所需電源電壓的變壓器，一般容量和體積都很小，稱為小功率電源變壓器。為了滿足不同部件的需要，這種變壓器常含有多個(gè)二次繞組，可從二次側(cè)獲得多個(gè)不同的電壓。如圖所示為具有三個(gè)二次繞組的小功率電源變壓器。

第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回三、小功率電源變壓器在這種多繞組的變壓器中，各繞組所環(huán)鏈的主磁通都是相同的，因此各繞組之間的變壓比仍等于各匝數(shù)之比。設(shè)一次繞組的匝數(shù)為N1，三個(gè)二次繞組的匝數(shù)分別為N21、N22、N23，一次側(cè)接電源電壓U1，則三個(gè)二次繞組的電壓分別是

第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回三、小功率電源變壓器當(dāng)各二次繞組分別接入負(fù)載阻抗|Z1|、|Z2|、|Z3|后，二次側(cè)電流分別為

第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回三、小功率電源變壓器小功率電源變壓器在使用中有時(shí)需要把繞組串聯(lián)起來(lái)以提高電壓，或把繞組并聯(lián)起來(lái)以增大電流，在聯(lián)接時(shí)必須認(rèn)清繞組的同極性端，否則不僅達(dá)不到預(yù)期目的，反而可能燒壞變壓器。同極性端又稱同名端。是指變壓器各繞組電位瞬時(shí)極性相同的端點(diǎn)。以左圖為例，它有兩個(gè)二次繞組，由主磁通把它們與一次繞組聯(lián)系在一起，當(dāng)主磁通交變時(shí)，每個(gè)繞組中都要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。任一瞬時(shí)這兩個(gè)二次繞組都是一端電位高，另一端電位低，這同時(shí)電位高(或同時(shí)電位低)的兩個(gè)端點(diǎn)就是同名端。通常在同名端旁標(biāo)注以相同的符號(hào)，如“·”或“*”。圖中端點(diǎn)1和3就是同名端，當(dāng)然端點(diǎn)2和4也是同名端。第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回三、小功率電源變壓器正確的串聯(lián)接法，應(yīng)把兩個(gè)繞組的一對(duì)異名端聯(lián)在一起，如把上圖中的2、3端聯(lián)在一起，這樣在另一對(duì)異名端(1、4端)得到的電壓即為兩個(gè)二次繞組電壓之和，若接反，則輸出電壓會(huì)抵消；正確的并聯(lián)接法，應(yīng)把兩個(gè)繞組的兩對(duì)同名端分別聯(lián)在一起(還需注意并聯(lián)繞組的電壓必須相等)，如把圖中的1、3端以及2、4端分別相聯(lián)．這時(shí)可向負(fù)載提供更大的電流，如接反，則會(huì)造成線圈短路以致燒毀變壓器。

同名端與繞組的繞向有關(guān)，如下圖所示，一個(gè)繞組改變了繞向，端點(diǎn)1和3就不是同名端而是異名端了。

第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回四、儀用互感器電工測(cè)量中經(jīng)常使用的一種專用雙繞組變壓器，主要作用是擴(kuò)大測(cè)量?jī)x表的量程和使測(cè)量?jī)x表與高壓電路隔離以保證安全。儀用互感器按用途不同分為電壓互感器和電流互感器兩種。第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回四、儀用互感器(1)電壓互感器電壓互感器如圖所示，其一次繞組匝數(shù)多，與被測(cè)的高壓電網(wǎng)并聯(lián)；二次繞組匝數(shù)少，與電壓表或功率表的電壓線圈聯(lián)接，因?yàn)殡妷罕砘蚬β时淼碾姼芯€圈電阻很大，所以電壓互感器二次側(cè)電流很小，近似于變壓器的空載運(yùn)行，于是有式中Ku稱為電壓互感器的變壓比。第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回四、儀用互感器(1)電壓互感器當(dāng)N1>>N2時(shí)，Ku很大，U2<<U1，故可用低量程的電壓表去測(cè)量高電壓。通常電壓互感器不論其額定電壓是多少，其二次側(cè)額定電壓皆為100V，可采用統(tǒng)一的100V標(biāo)準(zhǔn)電壓表。因此，在不同電壓等級(jí)的電路中所用的電壓互感器，其變壓比是不同的，例如6000/100，10000/100等。若互感器與電壓表固定聯(lián)接，則可將對(duì)應(yīng)的U1值標(biāo)于電表刻度盤上，這樣就可不必經(jīng)過中間運(yùn)算而直接從電壓表上讀出高壓線路的電壓值。

第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回四、儀用互感器(1)電壓互感器電壓互感器在運(yùn)行中不允迕副邊短路，否則將燒壞互感器，故應(yīng)在一、二次側(cè)接入熔斷器進(jìn)行保護(hù)。此外，電壓互感器接于高壓電路，為防止互感器一次、二次繞組之間絕緣損壞時(shí)造成危險(xiǎn)，電壓互感器的鐵心和副邊繞組的一端都必須接地。電壓互感器也可以接成三相使用。

第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回四、儀用互感器(2)電流互感器它的一次繞組用粗線繞成，通常只有一匝或幾匝，與被測(cè)量的負(fù)載串聯(lián)，通過一次繞組的電流I1與負(fù)載電流相等；它的二次繞組匝數(shù)較多，導(dǎo)線較細(xì)，與測(cè)量?jī)x表(如電流表、功率表和電度表中的電流線圈、繼電器的電流線圈)聯(lián)結(jié)，流過電流I2。因?yàn)殡娏骶€圈負(fù)載阻抗很小，所以電流互感器的二次側(cè)相當(dāng)于短路。電流互感器一次、二次線圈中的電流關(guān)系和普通變壓器一樣，這時(shí)有：式中Ki稱為電流互感器的變流比。第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回四、儀用互感器(2)電流互感器由式可知，N2>>N1時(shí)，Ki很大，I2<<I1，故利用電流互感器可用小量程的電流表來(lái)測(cè)量大電流。若互感器與電流表固定聯(lián)結(jié)，則可直接將對(duì)應(yīng)的I1值標(biāo)于電流表的刻度盤上，直接讀出被測(cè)大電流的數(shù)值。電流互感器二次繞組的額定電流通常都規(guī)定為5A，在不同電流等級(jí)的電路中所用的電流互感器的變流比是不同的，例如30/5、50/5、100/5等。

第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回四、儀用互感器(2)電流互感器電流互感器在運(yùn)行中不允許副邊開路，因?yàn)樗脑@組是與負(fù)載串聯(lián)的，其電流I1的大小，決定于供電線路上負(fù)載大小而不決定于副邊電流I2，這點(diǎn)與普通變壓器是不同的。其一次磁通勢(shì)雖可很大，但基本上被二次磁通勢(shì)所平衡，只剩下很小一部分勵(lì)磁磁通勢(shì)用以建立磁通，故正常運(yùn)行時(shí)，二次側(cè)電動(dòng)勢(shì)并不高。運(yùn)行中如副邊一旦開路(I2=0)時(shí)，則用以平衡一次磁通勢(shì)的二次磁通勢(shì)隨之消失，而一次磁通勢(shì)大小未變．故它將全部用來(lái)建立鐵心磁通，使鐵心磁通劇增，會(huì)在二次線圈感應(yīng)出很高電動(dòng)勢(shì)，危及設(shè)備及人身安全。同時(shí)，由于磁通劇增，磁路過飽和，鐵損大大增加導(dǎo)致鐵心嚴(yán)重發(fā)熱而燒毀繞組。為此，電流互感器在運(yùn)行時(shí)，二次線圈嚴(yán)禁開路，同時(shí)二次電路也不允許接熔斷器和開關(guān)，一當(dāng)必須從運(yùn)行中的電流互感器副邊電路中拆除電流表等儀器時(shí)，必須先將互感器二次線圈可靠地短接。此外，電流互感器接于高壓電路，為防止互感器一次、二次繞組之間絕緣損壞時(shí)造成危險(xiǎn)，電流互感器的鐵心和副邊繞組的一端都必須接地。第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回五、三相電力變壓器在電力系統(tǒng)中，用于變換三相交流電壓，輸送電能的變壓器，稱為三相電力變壓器?，F(xiàn)代電能的生產(chǎn)、傳輸和分配幾乎都使用三相交流電，故三相電力變壓器在電力系統(tǒng)被廣為采用。把三個(gè)單相變壓器合成一個(gè)三鐵心柱的結(jié)構(gòu)型式，稱為三相心式變壓器，如圖所示，變壓器的三相繞組結(jié)構(gòu)完全相同，每相的原繞組和副繞組繞制好后，分別套在各自的鐵心柱上。高、低壓線圈中點(diǎn)(若有的話)分別用N(或O)和n(或0)表示。

第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回五、三相電力變壓器圖為Y，yn和Y，d兩種聯(lián)結(jié)的接線情況。Y，yn聯(lián)結(jié)的三相變壓器常用于車間配電變壓器，低壓側(cè)有中性線引出作三相四線制供電，不僅給用戶提供了三相電源，同時(shí)還提供了單相電源，供給動(dòng)力和照明混合負(fù)載，其高壓側(cè)額定電壓不超過35kV，低壓側(cè)電壓400V(單相為230V)，動(dòng)力負(fù)載用400V線電壓，照明負(fù)載用230V單相電壓。Y，d聯(lián)結(jié)的三相變壓器用于低壓側(cè)電壓高于400V、高壓側(cè)電壓在35kV及以下的電路中，主要用在變電站作降壓或升壓用。

第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回五、三相電力變壓器三相變壓器的額定容量SN是指三相總額定容量，可用下式進(jìn)行計(jì)算：

額定電壓U1N/U2N和額定電流I1N/I2N是指線電壓和線電流。其中二次側(cè)額定電壓U2N是指變壓器一次側(cè)施加額定電壓U1N時(shí)二次側(cè)的空載電壓，即U20。

第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回五、三相電力變壓器由于三相變壓器主要用于電力系統(tǒng)進(jìn)行電能的傳輸，因此其容量都比較大，電壓也比較高，為了鐵心和繞組的散熱和絕緣，通常用油浸式結(jié)構(gòu)，即將其置于絕緣的變壓器油內(nèi)，而油則盛放在鋼板制成的油箱內(nèi)，箱壁上裝有散熱用的油管或散熱片，通過油管或散熱片將熱量散發(fā)于大氣中。其中波紋式散熱器用作變壓器油散熱?？紤]到油會(huì)熱脹冷縮，在變壓器油箱上置一儲(chǔ)油柜和油位表，此外還裝有一根防爆管，一旦發(fā)生故障(例如短路事故)，產(chǎn)生大量氣體時(shí)，高壓氣體將沖破防爆管前端的塑料薄片而釋放，從而避免變壓器發(fā)生爆炸。高低壓引線通過絕緣套管從油箱引出。三相變壓器加上高低壓繞組的出線瓷套管、散熱裝置及保護(hù)裝置等，形成如圖所示的油浸式電力變壓器外形結(jié)構(gòu)。

第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回五、三相電力變壓器[例]有一臺(tái)Y，yn聯(lián)結(jié)的三相電力變壓器，已知額定電壓為10kV／400V，額定容量為50kVA。問是否允許接人一臺(tái)額定電壓400V、額定功率45kW、額定功率因數(shù)0.87的三相負(fù)載?解：變壓器二次側(cè)的額定電流A=72.2A負(fù)載所需電流A=74.7AIL>I2N,已超載，故不允許該負(fù)載接入。第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回六、電磁鐵電磁鐵是利用通電線圈鐵心對(duì)鐵磁性物質(zhì)產(chǎn)生電磁吸力而工作的一種電器設(shè)備。如圖是電磁鐵的幾種常見結(jié)構(gòu)型式，各種電磁鐵都由線圈、鐵心和銜鐵(或需要吸引的鐵磁體)三個(gè)基本部分構(gòu)成。其中線圈和鐵心是固定不動(dòng)的，銜鐵則可以活動(dòng)。當(dāng)線圈通以勵(lì)磁電流時(shí)，在鐵心中產(chǎn)生磁場(chǎng)，鐵心和銜鐵被磁化，并在氣隙間產(chǎn)生電磁吸力將銜鐵吸動(dòng)。斷電后，電磁力消失，銜鐵借助于其他非電磁力復(fù)位。(a)接觸器（馬蹄式）(b)繼電器（拍合式）(c)電動(dòng)錘（螺管式）圖電磁鐵的結(jié)構(gòu)第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回六、電磁鐵1.直流電磁鐵直流電磁鐵的勵(lì)磁電流為直流電流?？梢宰C明，直流電磁鐵的銜鐵所受的電磁吸力為式中，B0為氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位是T；μ0=4×10-7H/m，為真空的磁導(dǎo)率；S為氣隙磁場(chǎng)的截面積，單位是m2；F為電磁吸力，單位是N。對(duì)于直流電磁鐵，當(dāng)線圈的電阻R及直流電壓源電壓U一定時(shí)，線圈中的電流I（=U/R）為定值亦即磁動(dòng)勢(shì)IN為定值，而與氣隙大小無(wú)關(guān)。但在銜鐵被吸合過程中，由于氣隙迅速減小，磁阻隨之減小。根據(jù)磁路的歐姆定律，磁通及磁感應(yīng)強(qiáng)度將迅速增大，吸力也顯者增大。第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回六、電磁鐵直流電磁鐵吸力公式也可用來(lái)計(jì)算交流電磁鐵的吸力。由于主磁通Φ和磁感應(yīng)強(qiáng)度B都是隨時(shí)間變化的正弦量，所以其吸力在零與最大值Fm之間脈動(dòng)，吸力的平均值為上式表明，交流電磁鐵的平均吸力為最大吸力的1/2。通常交流電磁鐵的吸力是指平均吸力。

第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回六、電磁鐵交流電磁鐵的吸力隨時(shí)間而變化的波形如左圖所示?？梢钥闯?，交流電磁鐵的吸力?(t)是隨時(shí)間而變化的，交流電磁鐵吸力的方向一定，但在電流的一個(gè)周期內(nèi)有兩次達(dá)到零值，兩次到達(dá)最大值，。對(duì)工頻交流電來(lái)說(shuō)，這意味著銜鐵每秒內(nèi)有100次的釋放與重新吸合，其結(jié)果是造成銜鐵的振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲和機(jī)械損傷。為消除振動(dòng)，交流電磁鐵的鐵心磁極的部分端面常嵌有一個(gè)銅質(zhì)分磁環(huán)(也稱短路環(huán))，如右圖所示。它將原來(lái)鐵心中的磁通Φ分成Φ1和Φ2兩部分。由于磁通的變化，短路環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓而有了感應(yīng)電流，并阻礙磁通變化，這樣使短路環(huán)內(nèi)的合成磁通Φ2的變化比環(huán)外磁通Φ1的變化滯后，由于這兩部分磁通不是同時(shí)達(dá)到零值，就不會(huì)有吸引力為零的時(shí)候了，也不會(huì)同時(shí)到達(dá)最大值，從而起到減弱振動(dòng)的作用，降低了噪聲，這種方法稱為磁通的裂相。

第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回六、電磁鐵根據(jù)U=4.44?NΦm，交流電磁鐵在外加電壓有效值不變的情況下，無(wú)論氣隙大小如何，Φm基本不變，Bm也基本不變，所以銜鐵在吸合過程中，平均吸力基本保持不變。但是由于吸合前后氣隙長(zhǎng)、短不同，根據(jù)磁路歐姆定律Φ=IN/Rm，式中Φ一定，銜鐵吸合前氣隙大，則磁阻Rm也大，那么只有勵(lì)磁電流I也跟著增大。所以銜鐵在吸合過程中，隨著氣隙逐漸變小，磁路的磁阻顯著減小，線圈感抗顯著增大，線圈中的電流是顯著減小的。由于吸合過程的時(shí)間很短，電磁鐵長(zhǎng)期工作在吸合狀態(tài)，故設(shè)計(jì)電磁鐵是按吸合時(shí)的發(fā)熱計(jì)算的。因此，交流電磁鐵在工作時(shí)銜鐵與鐵心之間一定要吸合好，要防止線圈通電后銜鐵受阻卡住或吸合不緊的情況發(fā)生，否則會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間通過5～6倍的額定電流（線圈的額定電流是按銜鐵吸合后設(shè)計(jì)的)甚至更大而燒毀線圈。這種情況下應(yīng)盡快切斷電源，檢查排除故障。同樣原因，交流電磁鐵不宜過分頻繁操作。

第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回六、電磁鐵表直流電磁鐵與交流電磁鐵的比較第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回六、電磁鐵[例]一個(gè)交流電磁鐵如圖所示，勵(lì)磁繞組的額定電壓U=380V，頻率f=50Hz，匝數(shù)N=8650，鐵心面積S=2.5cm2。試求此電磁鐵的平均電磁吸力。解：主磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值Bm=電磁吸力的平均值第五節(jié)常用變壓器和電磁鐵返回單相配電變壓器在低壓配電網(wǎng)中的應(yīng)用

為解決低壓配電網(wǎng)存在的線損負(fù)荷高、電壓質(zhì)量差等問題，可按照“10千伏線路深入負(fù)荷中心，配電變壓器小容量、密布點(diǎn)”的總體思路和縮短低壓供電半徑的原則，采用單相配電變壓器供電。采用單相配電變壓器的方法切實(shí)可行，從而為負(fù)荷密度小、用戶分布廣的區(qū)域開辟了一條供電新途徑。單相配電變壓器體積小、重量輕，可以最大限度深入負(fù)荷中心，縮短低壓網(wǎng)絡(luò)半徑，降低損耗。該型變壓器可采用桿掛式安裝，安裝方便，并能減少臺(tái)區(qū)材料費(fèi)用。單相配電變壓器一般采用單桿懸掛的安裝方式，電桿選用12米重型水泥桿或15米水泥桿。單相配電變壓器的安裝地點(diǎn)受地理因素限制少，但受負(fù)荷性質(zhì)因素制約多。據(jù)配電變壓器安裝要求，結(jié)合電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，單相配電變壓器安裝的典型配置，應(yīng)包括單相配電變壓器、低壓開關(guān)、無(wú)功補(bǔ)償裝置及配電負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等設(shè)備。在負(fù)荷分散、密度小、無(wú)三相電力用戶條件下使用單相變壓器，具有優(yōu)勢(shì)。

實(shí)踐應(yīng)用返回1.鐵磁材料因其內(nèi)部有磁疇而使其具有被磁化的可能。鐵磁材料的主要性能是高導(dǎo)磁性、磁飽和性和磁滯性。鐵磁材料按其磁性能又分為軟磁材料、硬磁材料和矩磁材料三種類型，它們的磁化曲線面積大小不同。2．在電氣設(shè)備中，為了得到較強(qiáng)的磁場(chǎng)并有效地加以利用，常采用導(dǎo)磁性能良好的鐵磁材料做成一定形狀的鐵心，使磁場(chǎng)集中分布于由鐵心構(gòu)成的閉合路徑內(nèi)，形成磁路。磁路的主要物理量有磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁通Φ、磁導(dǎo)率μ和磁場(chǎng)強(qiáng)度H等。磁路與電路有對(duì)偶性。磁通Φ—電流I、磁通勢(shì)IN－電動(dòng)勢(shì)E、磁阻Rm－電阻R一一對(duì)應(yīng)，甚至磁路歐姆定律一電路歐姆定律也相對(duì)應(yīng)。磁路歐姆定律Φ＝是分析磁路的基礎(chǔ)，由于磁性物質(zhì)的磁阻不是常數(shù)，故它常用于定性分析，交流鐵心線圈主磁通Φm它與電源電壓、頻率及線圈匝數(shù)有關(guān)，只要U、f不變，其主磁通大小就基本不變。這關(guān)系適用于一切交流勵(lì)磁的磁路，如變壓器、異步電動(dòng)機(jī)及交流接觸器等。本章小結(jié)返回3．鐵心線圈根據(jù)電源的不同，分為直流鐵心線圈和交流鐵心線圈，它們具有不同的工作特性。在直流鐵心線圈中，電流I=U/R恒定，磁通Φ=IN/Rm也恒定，磁通不僅與勵(lì)磁電流有關(guān)，而且還與磁路的磁阻有關(guān)；在交流鐵心線圈中電流交變，磁通也交變，磁通最大值Φm≈U/4.44fN，磁通僅與電源有關(guān)，而與磁路無(wú)關(guān)，電流則與磁路有關(guān)，卻與線圈電阻基本上無(wú)關(guān)。在直流鐵心線圈中，功率損耗只產(chǎn)生在線圈電阻上；而在交流鐵心線圈中，除了線圈中的銅損外，還有鐵心中的鐵損。銅損是由線圈電阻引起的，鐵損則是由磁滯和渦流引起的。本章小結(jié)返回4．變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的靜止電器，可用來(lái)傳輸能量或傳遞信號(hào)，它主要由用硅鋼片疊成的閉合鐵心和套裝在鐵心柱上的一、二次線圈(繞組)構(gòu)成。變壓器按一、二次繞組的匝數(shù)比可以變換電壓、變換電流和變換阻抗，即變壓器的外特性和電壓變化率是評(píng)價(jià)供電質(zhì)量的重要指標(biāo)。變壓器的外特性曲線描述的