《電工基礎(chǔ)》教材-模塊五變壓器

模塊五變壓器

變壓器在生產(chǎn)上的應(yīng)用極為廣泛，在學(xué)習(xí)時(shí)要按其結(jié)構(gòu)、工作原理、特性和使用等幾個(gè)

方面來(lái)學(xué)習(xí)掌握。

單元一初識(shí)磁場(chǎng)及電磁感應(yīng)

［知識(shí)目標(biāo)］

1、了解磁場(chǎng)的特性及磁場(chǎng)的基本概念。

2、了解電流的磁場(chǎng)，以及電流與磁場(chǎng)的關(guān)系。

3、理解有關(guān)磁場(chǎng)的幾個(gè)物理量，及勻強(qiáng)磁場(chǎng)的性質(zhì)。

4、了解鐵磁性物質(zhì)的磁化及其性能。

5、了解磁動(dòng)勢(shì)和磁阻的概念及磁路歐姆定律。

6、掌握磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力及左手定則。

7、理解電磁感應(yīng)現(xiàn)象，掌握右手定則和楞次定律。

［能力目標(biāo)］

1、學(xué)會(huì)用安培定則判定電流周圍的磁場(chǎng)。

2、學(xué)會(huì)用左手定則判定磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力方向。

3、熟練運(yùn)用右手定則和楞次定律判定感生電流的方向。

—＞磁場(chǎng)基礎(chǔ)知識(shí)

具有吸引鐵、鉆、銀等物質(zhì)的性質(zhì)成為磁性。具有磁性的物質(zhì)稱為磁體。磁體上磁性最

強(qiáng)的地方成為磁極。磁體有兩個(gè)磁極即N極和S極。磁極之間具有同名磁極相互排斥、異

名磁極相互吸引的特性。磁極之間的相互作用是通過(guò)磁場(chǎng)發(fā)生的。

磁場(chǎng)是一種看不見(jiàn)、而又摸不著的特殊物質(zhì)。在磁場(chǎng)中，小磁針靜止時(shí)N極所指的方

向，就是該點(diǎn)磁場(chǎng)的方向。如圖5-11所示，磁感線形象直觀地描述出了磁場(chǎng)分布的情況。

磁感線上任一點(diǎn)的切線方向即為該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向。磁感線在磁體的外部由N極指向S

極，在磁體內(nèi)部由S極指向N極。磁感線越密，磁場(chǎng)越強(qiáng)，反之磁感線越稀疏，磁場(chǎng)越弱。

(a)條形磁鐵圖5-1-1磁體的崎廨型磁鐵

二、電流的磁場(chǎng)

磁鐵并不是磁場(chǎng)的唯一來(lái)源。電流也能在周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。

1.通電直導(dǎo)線的磁場(chǎng)

通電導(dǎo)體中的電流方向決定了該導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)的方向。通電直導(dǎo)線中電流的磁感線方向

與電流方向之間的關(guān)系可以用安培定則(也稱右手螺旋定則)來(lái)判定。即：用右手握住導(dǎo)線，

讓伸直的大拇指所指的方向與電流方向一致，那么彎曲的四指所指的方向就是磁感線的環(huán)繞

方向。如圖5-1-2所示。

圖5-1-2電流的磁場(chǎng)

2.通電螺線管的磁場(chǎng)

通電螺線管的磁場(chǎng)方向與電流之間的方向，也可以用安培定則來(lái)判定。即：用右手握住

螺線管，讓彎曲的四指所指的方向與電流的方向一致，大拇指所指的方向就是螺線管內(nèi)部磁

感線的方向。如圖5-1-2所示。

三、磁場(chǎng)的主要物理量

1,磁感應(yīng)強(qiáng)度B

磁感應(yīng)強(qiáng)度B是表征磁場(chǎng)中某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量。不同的磁場(chǎng)強(qiáng)弱不同，

在磁感線密的地方磁感應(yīng)強(qiáng)度大，磁場(chǎng)強(qiáng)；在磁感線疏的地方磁感應(yīng)強(qiáng)度小，磁場(chǎng)弱。單位

為特斯拉⑴，工程上常采用高（Gs）。lGs=10T.,磁感應(yīng)強(qiáng)度是矢量，磁場(chǎng)中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)

度的方向就是該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向。

在某個(gè)區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)大小相等，方向相同，該區(qū)域磁場(chǎng)為勻強(qiáng)磁場(chǎng)。勻強(qiáng)磁場(chǎng)的

磁感應(yīng)線是一些間隔相同的平行線。如圖5-1-3所示是幾種常見(jiàn)的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場(chǎng)

的區(qū)域有：1、.較大的蹄形磁體兩磁極間（邊緣除外）的磁場(chǎng)近似于勻強(qiáng)磁場(chǎng)；2、通電螺

線管內(nèi)部的磁場(chǎng)；3、相隔一定距離的兩個(gè)平行放置的線圈通電時(shí)，其中間區(qū)域的磁場(chǎng)。這

些都是勻強(qiáng)磁場(chǎng)。

圖5-1-3幾種常見(jiàn)的勻強(qiáng)磁場(chǎng)

2、磁通①

磁通是描述磁場(chǎng)在某一范圍內(nèi)分布情況的物理量，即是：穿過(guò)垂直于B方向的面積S

中的磁感線總數(shù)。磁通巾的單位:韋［伯］（Wb）。在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，在與磁感線垂直的某截面上,

截面積與磁感應(yīng)強(qiáng)度的乘積稱為該截面的磁通。

（P=BS

3、磁導(dǎo)率N

磁導(dǎo)率表示磁場(chǎng)媒界質(zhì)磁性的物理量，衡量物質(zhì)的導(dǎo)磁能力。磁導(dǎo)率U的單位：亨/

米（H/m）,不同的媒介質(zhì)有不同的磁導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)證明：真空的磁導(dǎo)率是一個(gè)常數(shù)用H0

表示。

內(nèi)）=4兀x］（）_7H/m

空氣、木材、玻璃、銅、鋁等物質(zhì)的磁導(dǎo)率與真空的磁導(dǎo)率非常接近。任一種物質(zhì)的磁

導(dǎo)率N和真空的磁導(dǎo)率叩的比值稱相對(duì)磁導(dǎo)率內(nèi)。相對(duì)磁導(dǎo)率是沒(méi)有單位的。

內(nèi)=|Vgo

四、鐵磁性物質(zhì)的性能

1、鐵磁性物質(zhì)的磁化

本來(lái)不具備磁性的物質(zhì)，由于受磁場(chǎng)的作用而具有了磁性的現(xiàn)象稱為該物質(zhì)被磁化。只

有鐵磁性物質(zhì)才能被磁化。

鐵磁性物質(zhì)被磁化的內(nèi)因，是因?yàn)殍F磁性物質(zhì)是由許多被稱為磁疇的磁性小區(qū)域組成

的，每一個(gè)磁疇相當(dāng)于一個(gè)小磁鐵。當(dāng)無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)，磁疇排列雜亂無(wú)章，磁性相互抵

消，對(duì)外不顯磁性；當(dāng)有外磁場(chǎng)作用時(shí)，磁疇將沿著磁場(chǎng)方向作取向排列，形成附加磁場(chǎng)，

使磁場(chǎng)顯著加強(qiáng)。有些鐵磁性物質(zhì)在撤去磁場(chǎng)后，磁疇的一部分或大部分仍然保持取向一

致，對(duì)外仍顯磁性，即成為永久磁鐵。

不同的鐵磁性物質(zhì)，磁化后的磁性不同。實(shí)驗(yàn)證明：硅鋼片磁化后磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，而

鑄鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度最小，這說(shuō)明硅鋼片比鑄鐵的導(dǎo)磁性能好的多。鐵磁性物質(zhì)被磁化的性

能，被廣泛地應(yīng)用于電子和電氣設(shè)備中，如變壓器、繼電器、電機(jī)等。

鐵磁性物質(zhì)的反復(fù)交變磁化，會(huì)損耗一定的能量，這是因?yàn)樵诮蛔兇呕^(guò)程中，小磁疇

要來(lái)回翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了能量損耗，這種損耗叫磁滯損耗。不同的鐵磁性物質(zhì)，磁滯損耗情況不

同。

2、鐵磁性物質(zhì)的分類

根據(jù)各種物質(zhì)導(dǎo)磁性能的不同，可把物質(zhì)分為三種類型，即反磁性物質(zhì)、順磁性物質(zhì)和

鐵磁性物質(zhì)。內(nèi)＜1的物質(zhì)叫做反磁性物質(zhì)，也就是說(shuō)，在這類物質(zhì)中所產(chǎn)生的磁場(chǎng)要比真

空中弱一些。內(nèi)＞1的物質(zhì)叫做順磁性物質(zhì)，也就是說(shuō)，在這類物質(zhì)中所產(chǎn)生的磁場(chǎng)要比真

空中強(qiáng)一些。鐵磁性物質(zhì)的內(nèi)大于或等1,而且不是一個(gè)常數(shù)，在其他條件相同的情況下，

這類物質(zhì)中所產(chǎn)生的磁場(chǎng)要比真空中的磁場(chǎng)強(qiáng)幾千甚至幾萬(wàn)倍，因而在電工技術(shù)方面應(yīng)用甚

廣。鐵、鋼、鉆、鎮(zhèn)及某些合金都屬于這一類物質(zhì)。順磁性物質(zhì)和反磁性物質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率

都接近于1,因而除鐵磁性物質(zhì)外，其他物質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率都可認(rèn)為等于1,并稱這些物質(zhì)

為非鐵磁性物質(zhì)。表5-1列出了幾種常用的鐵磁性物質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率。

表5-1常用鐵磁性物質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率

材料相對(duì)磁導(dǎo)率材料相對(duì)磁導(dǎo)率

鉆174在真空中熔化的電解鐵12950

已經(jīng)退火的鐵7000銀1120

未經(jīng)退火的鑄鐵240銀鐵合金60000

變壓器鋼片7500“C”型坡莫合金115000

五、磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)體的作用力

圖5-1-4通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力

如圖5-1-4所示，導(dǎo)體ab處于

蹄型磁鐵所產(chǎn)生的磁場(chǎng)中。閉合開(kāi)關(guān)，

通電的導(dǎo)體ab在滑軌上開(kāi)始向外運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)把磁鐵的兩極對(duì)調(diào)后，即磁場(chǎng)方向改

變，或者磁場(chǎng)方向不變，改變電流方向，

導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)發(fā)生改變。

實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)導(dǎo)體垂直于磁場(chǎng)方向放置時(shí)，導(dǎo)體所受的作用力（安培力）大小與導(dǎo)體

中的電流和導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度，以及磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度都成正比。通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中所受安培

力的方向，與電流方向、磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向都垂直，它的方向可以用左手定則來(lái)判定，即：

伸開(kāi)左手，使拇指與其余四指垂直，并且都跟手掌在同一個(gè)平面內(nèi)，讓磁感線垂直穿入手心，

使四指指向電流,這時(shí)拇指所指的方向就是通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中所受安培力的方向。如圖5-1-5

所示

圖呢？

通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中會(huì)受到力的作用。如果在磁場(chǎng)中放一個(gè)通電的平面線圈會(huì)怎樣呢？

如圖5-1-6所示，把一單匝通電矩形線圈放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，線圈平面和磁感線平面平行，線

圈兩邊所受的安培力大小相等、方向相反，由于不在一條線上而產(chǎn)生力矩，使線圈能圍繞中

心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)就是根據(jù)這一原理制成的。

六、磁路的基本概念

1、磁路

當(dāng)線圈通電后，大部分磁通沿銜鐵、鐵芯和工作氣隙構(gòu)成的回路，稱為主磁通，還有一

小部分磁通經(jīng)空氣自成回路，稱為漏磁通。

磁通經(jīng)過(guò)的閉合路徑叫做磁路。磁路也和電路一樣，分為有分支磁路（如圖5-1-8所示）

和無(wú)分支磁路（如圖5-1-7所示）

2、磁路歐姆定律

(1)磁動(dòng)勢(shì)Em

通電線圈產(chǎn)生的磁通與線圈的匝數(shù)N和線圈中所通過(guò)的電流I的乘積成正比。把通過(guò)

線圈的電流I與線圈匝數(shù)N的乘積，稱為磁動(dòng)勢(shì)，也叫磁通勢(shì)。

即Em=NI

磁動(dòng)勢(shì)Em的單位是安培(A)。

(2)磁阻

磁阻就是磁通通過(guò)磁路時(shí)所受到的阻礙作用，用Rm表示。磁路中磁阻的大小與磁路的

長(zhǎng)度L成正比，與磁路的橫截面積S成反比，并與組成磁路的材料性質(zhì)有關(guān)。

即Rm=L/uS

式中，u為磁導(dǎo)率，單位H/m,長(zhǎng)度L和截面積S的單位分別為m和m2。因此，磁

阻Rm的單位為1/亨(H/1)。由于磁導(dǎo)率u不是常數(shù)，所以Rm也不是常數(shù)。

(3)磁路歐姆定律

通過(guò)磁路的磁通與磁動(dòng)勢(shì)成正比，與磁阻成反比，寫(xiě)成公式即

G=Em/Rm

上式與電路的歐姆定律相似，磁通對(duì)應(yīng)于電流I,磁動(dòng)勢(shì)Em對(duì)應(yīng)于電動(dòng)勢(shì)E,磁阻Rm

對(duì)應(yīng)于電阻R。因此，這一關(guān)系稱為磁路歐姆定律。

七、電磁感應(yīng)現(xiàn)象

1,電磁感應(yīng)現(xiàn)象的產(chǎn)生

發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)后，人們自然想到：既然電流能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)，反過(guò)來(lái)磁場(chǎng)會(huì)不會(huì)也能

產(chǎn)生電流呢？

如圖5-1-9所示的實(shí)驗(yàn)，讓導(dǎo)體AB在磁場(chǎng)中向直

偏轉(zhuǎn)，表明電路中有了電流。導(dǎo)體靜止或上

下運(yùn)動(dòng)時(shí).，電流表指針不偏轉(zhuǎn)，電路中沒(méi)電

流。可見(jiàn)：閉合電路的一部分導(dǎo)體做切割磁

感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，電路中就有電流產(chǎn)生。圖5-1-9電磁感應(yīng)

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，導(dǎo)體AB運(yùn)動(dòng)。如果導(dǎo)體不動(dòng)，讓磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，會(huì)不會(huì)在電路中也產(chǎn)生電

流的呢？如圖5-1-10所示，把磁鐵插入線圈或者從線圈中抽出，電流表指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，

這說(shuō)明閉合電路中產(chǎn)生了電流。但是磁鐵在線圈中不動(dòng)，或者磁鐵和線圈同時(shí)以同一速度運(yùn)

動(dòng)即保持相對(duì)靜止，電流表指針不偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明電路中不產(chǎn)生電流。可見(jiàn)：不論是導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)，

還是磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，只要閉合回路的一部分導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動(dòng)，電路中就有電流產(chǎn)生。

閉合回路的一部分導(dǎo)體做切割磁感線時(shí)，穿過(guò)閉合電路的磁感線條數(shù)變化，即穿過(guò)閉合

回路的磁通發(fā)生了變化。由此提示我們：如果導(dǎo)體和磁場(chǎng)不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而是讓穿過(guò)閉合

回路的磁通發(fā)生改變，會(huì)不會(huì)電路中也會(huì)產(chǎn)生電流呢？

如圖5-1-11所示的實(shí)驗(yàn)，線圈B套在線圈A外面，閉合開(kāi)關(guān)給線圈A通電，電流表的

指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明線圈B中有了電流。當(dāng)線圈A中的電流穩(wěn)定后，線圈B中電流消失。

當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，線圈B中又有了電流。如果用變阻器改變電路中的電阻，使A中的電流改

變，線圈B中也產(chǎn)生了電流。這一現(xiàn)象說(shuō)明：不論用什么方法，只要穿過(guò)閉合回路的磁通

發(fā)生變化，閉合回路中就有電流產(chǎn)生。這種現(xiàn)象叫電磁感應(yīng)現(xiàn)象，產(chǎn)生的電流叫感應(yīng)電流。

引起磁通變化的途徑有兩個(gè)即：面積S變化或磁感應(yīng)強(qiáng)度B變化。

2.感生電流的方向

1）右手定則

當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，感生電流方向與磁感線方向、導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向關(guān)系，

可以用右手定則判定。即：伸開(kāi)右手，使拇指與其余四個(gè)手指垂直，并且都與手掌在同一平

面內(nèi)；讓磁感線從手心進(jìn)入，并使拇指指向?qū)Ь€運(yùn)動(dòng)方向，這時(shí)四指所指的方向就是感應(yīng)電

流的方向。

2）楞次定律

當(dāng)磁鐵上下運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生感生電流的方向，可用楞次定律判定。即：感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)

總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。“阻礙”應(yīng)理解為：當(dāng)原磁通增加時(shí)，感生電流的

磁場(chǎng)和原磁場(chǎng)相反；當(dāng)原磁通減少時(shí)，感生電流的磁場(chǎng)和原磁場(chǎng)相同。（精簡(jiǎn)為“增反減同”）

用楞次定律判斷感生電流的方向，可按下面步驟進(jìn)行:首先?明確閉合回路中原磁場(chǎng)B的

方向及原磁通的變化（是增加還是減少；然后根據(jù)楞次定律判定感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向（與原

磁場(chǎng)是相同還是相反）；最后根據(jù)安培定則確定感生電流的方向。

1.鐵磁性物質(zhì)的分類

鐵磁性物質(zhì)按使用又分為軟磁材料、永磁材料和功能磁性材料。

軟磁性物質(zhì)在交變磁場(chǎng)中的磁滯損耗較小，比較容易磁化，但撤去外磁場(chǎng)，磁性基本消

失。這種物質(zhì)適用于需要反復(fù)磁化的場(chǎng)合，可以用來(lái)制造電機(jī)、變壓器、儀表和電磁鐵的鐵

芯。軟磁性物質(zhì)有硅鋼、玻莫合金（鐵銀合金）和軟磁鐵氧體。

硬磁性物質(zhì)在交變磁場(chǎng)中的磁滯損耗較大，磁化難，磁化后撤去外磁場(chǎng)，仍能保有較

大的剩磁，不易退磁。這種物質(zhì)適用于制成永久磁鐵。硬磁性物質(zhì)有鴇鋼、銘鋼、鉆鋼和鋼

貼氧體等。

2.永磁鐵的充磁

硬磁性物質(zhì)遇熱或者劇烈震動(dòng)后會(huì)磁性減弱，使其性能降低，影響設(shè)備的靈敏度，此時(shí)

應(yīng)設(shè)法充磁。恢復(fù)磁性的最好方法是用充磁機(jī)充磁。此外還有下列簡(jiǎn)易方法：1、接觸充磁

法（即接觸磁性很強(qiáng)的永久磁鐵，異極相吸即可。作臨時(shí)用，效果較差）2、通電充磁法（即

在繞有線圈磁鐵上，接通6V電源。要此法注意原磁場(chǎng)的磁性）3、加繞線圈充磁法（即在

原磁鐵上加繞線圈，接通6V電源充磁）

3）電磁繼電器

電磁繼電器是電子機(jī)械開(kāi)關(guān)。其結(jié)構(gòu)如圖5-1-12所示，A是電磁鐵，B是銜鐵，C是彈

簧，D是動(dòng)觸點(diǎn)，E是靜觸點(diǎn)。電磁繼電器工作電路可分為低壓控制電路和高壓工作電路組

成。它的工作原理：電磁鐵通電時(shí)，把銜鐵吸下來(lái)使D和E接觸，工作電路閉合。電磁鐵

斷電時(shí)失去磁性，彈簧把銜鐵拉起來(lái)，切斷工作電路。通常用于遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制電路中。它

實(shí)際上是用較小的電流去控制較大的電流的一種自動(dòng)開(kāi)關(guān)。

4）動(dòng)圈式話筒

它是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象制成的。如圖5-1-13所示，當(dāng)聲波使金屬膜片振動(dòng)時(shí)，連接在

膜片上的線圈（叫做音圈）隨著一起振動(dòng)，音圈在永磁體的磁場(chǎng)里振動(dòng)從而產(chǎn)生感應(yīng)電流（電

信號(hào)），感應(yīng)電流的大小和方向都變化，振幅和頻率的變化都由聲波決定，這個(gè)信號(hào)電流經(jīng)

擴(kuò)音器放大后傳給揚(yáng)聲器，從揚(yáng)聲器中就發(fā)出放大的聲音。

5-1-12電磁繼電器5TT3動(dòng)圈式話筒

5）渦流

如圖5-1-14所示，發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和變壓器的鐵芯都不是整塊的金屬，而是由薄薄的

硅鋼片疊壓而成的。把整塊金屬在交變磁場(chǎng)中，金屬塊內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金

屬塊內(nèi)自成閉合回路，像水的漩渦一樣，因此稱為渦電流，簡(jiǎn)稱渦流。如圖5-1-15所示。

由于整塊金屬電阻很小，渦流很大，會(huì)使鐵芯發(fā)熱，溫度升高，引起材料絕緣性能下降，甚

至?xí)斐墒鹿?。同時(shí)，鐵芯發(fā)熱還會(huì)使一部分電能轉(zhuǎn)化稱熱能白白浪費(fèi)，這種損耗稱為渦流

損耗。為了減小渦流損耗，發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和變壓器的鐵芯通常由涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓

而成的。這樣渦流就被限制在薄片之內(nèi)，回路電阻較大，渦流大大減小，從而渦流損耗也大

大降低。

圖5-1-16電磁爐圖5-1-17高頻感應(yīng)爐

渦流在很多情況下是有害的，但在一些特殊場(chǎng)合，也可以被利用。利用渦流加熱的高頻

感應(yīng)爐，如圖5-1-17所示。還有電磁爐是利用渦流原理制成的，如圖5-1-16所示。由于

電磁感應(yīng)，在鐵或不銹鋼制成的金屬鍋內(nèi)產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生大量的熱可以對(duì)食物進(jìn)行加熱

和烹飪。這種新型的加熱方式，能減少熱量傳遞的中間環(huán)節(jié)，可大大提升制熱效率，比傳統(tǒng)

爐具節(jié)省一半以上的能源。

1、鐵芯線圈通入（）流電時(shí)，鐵磁材料反復(fù)磁化要消耗一定的能量，稱為（）,

這是引起鐵芯發(fā)熱的原因之一。

2、磁感應(yīng)強(qiáng)度是描述磁場(chǎng)中各點(diǎn)的（）和（）的物理量。國(guó)際單位是

（）。

3、用于制造變壓器、繼電器鐵芯的鐵磁性材料是（），這種材料容易（）

和（）；用于制造永磁鐵的材料是（），這種材料充磁后能保持較強(qiáng)的

（）。

4、磁通集中經(jīng)過(guò)的路徑稱為（）。

5、渦流也是一種（），在鐵芯中引起的電能損耗稱為（）。

6、感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，總是（）原磁通的變化，這就是楞次定律。若線圈中

的磁通增加時(shí)，感生電流的磁通方向和原磁通方向（），若線圈中的磁通減少時(shí)，感生

電流的磁通和原磁通方向（）。

7、磁感線上任一點(diǎn)的（）方向，就是該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向。

A、指向N極B、切線C、直線D、平行線

8、磁感線的疏密程度反映了磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，越密的地方表示磁場(chǎng)（）。

A、越強(qiáng)B、越弱C、越均勻D、不一定

9、在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，有一個(gè)矩形線圈平面與磁場(chǎng)方向垂直，當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中平移但不離開(kāi)磁

場(chǎng)時(shí)，矩形線圈中將（）。

A、產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)B、產(chǎn)生感生電流C、無(wú)電磁感應(yīng)現(xiàn)象D、無(wú)法確定

10、左手定則可以判定通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中（）。

A、受力大小B、受力方向C、運(yùn)動(dòng)方向D、運(yùn)動(dòng)速度

單元二認(rèn)識(shí)變壓器的結(jié)構(gòu)和原理

變壓器是根據(jù)互感原理工作的電磁裝置。可以將某一數(shù)值的交流電轉(zhuǎn)化為同頻率的另

一電壓數(shù)值的交流電。

［知識(shí)目標(biāo)］

1、了解變壓器的基本結(jié)構(gòu)、分類和作用。

2、理解變壓器的工作原理。

3、掌握變壓器的變壓、變流計(jì)算。

4、了解變壓器的外特性、損耗及效率。

5、了解單相變壓器的極性及判別。

［能力目標(biāo)］

1、學(xué)會(huì)對(duì)變壓器變壓、變流的基本運(yùn)算。

2、學(xué)會(huì)變壓器的極性判別。

一、變壓器的作用和種類

在日常生活和生產(chǎn)中，常常需要各種不同的交流電壓。例如：工廠中常用的三相異步電

動(dòng)機(jī)需要380V或者220V電壓，照明電路和家用電器需要220V電壓，機(jī)床照明、低壓電

鉆等需要36V以下電壓，高壓輸電采用110KV、220KV電壓等。這些都是通過(guò)變壓器變換

而得的。

變壓器除了變換電壓外，還可以變換電流（如變流器，大電流發(fā)生器），變換阻抗（如

電子線路中的輸入、輸出器），改變相位（如改變繞組的連接方式來(lái)改變變壓器的極性）。

因此，變壓器是電工電子線路中十分重要的電氣設(shè)備。

變壓器的種類很多，常用的有：輸配電用的電力變壓器，電解用的整流變壓器，實(shí)驗(yàn)用

的調(diào)壓變壓器，電子技術(shù)中的輸入輸出變壓器等。雖然種類很多，結(jié)構(gòu)上各有特點(diǎn)，但它們

的工作原理確是類似的。它的實(shí)物及符號(hào)如圖5-2-1和圖5-2-2所示。

二、變壓器的基本結(jié)構(gòu)

變壓器主要組成構(gòu)件是繞組和鐵芯（磁芯）。

鐵心是變壓器的磁路通道。為了減少鐵芯內(nèi)渦流和磁滯損耗，鐵心是用磁導(dǎo)率較高而且

相互絕緣的硅鋼片疊壓而成;每一片的厚度在頻率為50赫茲時(shí)約為0.35~0.5mm?通訊用變

壓器也可以用鐵氧體或其他鐵磁性材料作鐵芯。鐵芯一般分為心式和殼式兩大類。如圖5-2-3

所示。

繞組是變壓器的電路部分。線圈之間沒(méi)有電的聯(lián)系，線圈由絕緣銅線（或鋁線）繞成。

通常有兩個(gè)或兩個(gè)以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級(jí)線圈，其余的繞組叫次級(jí)線圈。

絕緣是變壓器的主要問(wèn)題。繞組的區(qū)間和層間都要很好的絕緣，繞組和鐵芯之間、不同

繞組之間都要絕緣良好。

三、變壓器的工作原理

變壓器是按電磁原理工作的。如果把變壓器的一次繞組接在交流電源上，在一次側(cè)中就

有交流電流通過(guò)，交變電流將在鐵芯中產(chǎn)生交變磁通，這個(gè)變化的磁通經(jīng)過(guò)閉合的磁路同時(shí)

穿過(guò)一次側(cè)和二次側(cè)繞組。交變的磁通將在繞組中產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，即一次側(cè)產(chǎn)生自感電動(dòng)

勢(shì)，二次側(cè)產(chǎn)生互感電動(dòng)勢(shì)。如果在二次側(cè)接上負(fù)載，負(fù)載就可以工作了.這時(shí)二次側(cè)相當(dāng)

于電源一樣。這就是變壓器的工作原理。

1、變換交流電壓

如圖5-2-4所示，設(shè)一次繞組的匝數(shù)是N”二次繞組匝數(shù)為N2,穿過(guò)它們的磁通量是

①，那么一次、二次繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別是：

Ei=N必①/AtE=Nz△①/At

由此可得：

El/E2=N|/N2

如果一次，二次繞組的電阻忽略不計(jì)，則

El-Ul,E2-U2

由此得到

U1/U2=N/|N2=K

式中，K稱變壓比，U|,U2為一次、二次側(cè)端電壓。

可見(jiàn)，變壓器變壓器原、副邊繞組的電壓比等于原、副繞組的匝數(shù)比。當(dāng)N|>N2時(shí),

K>1,Ui>U2,變壓器使電壓降低，這種變壓器叫做降壓變壓器；當(dāng)N1VN2時(shí)，K<1,

U,<U2,變壓器升壓，這種變壓器叫升壓變壓器。

2、變換交流電流

把變壓器的副邊繞組負(fù)載接通后，在副邊電路中有電流12通過(guò)，此時(shí)，變壓器負(fù)載運(yùn)

行。隨著L出現(xiàn)，原邊繞組中通過(guò)的電流h將增加。根據(jù)能量守恒定律，在不計(jì)變壓器內(nèi)

部損耗的情況下，變壓器原邊線圈從電源吸取的功率Pl應(yīng)等于副邊線圈的輸出功率P2（忽

略變壓器的線圈電阻和磁通的傳遞損耗），即：

P|=P2或LU|=LU2

即I1/I2=U2/U1=1/K

可見(jiàn)，變壓器工作時(shí)一次、二次繞組中的電流跟匝數(shù)成反比。變壓器的高壓線圈匝數(shù)多

而通過(guò)的電流小，可用較細(xì)的導(dǎo)線繞制；低壓線圈匝數(shù)少而通過(guò)的電流大，應(yīng)當(dāng)用較粗的導(dǎo)

線繞制。

四、變壓器的外特性

對(duì)負(fù)載來(lái)說(shuō)，變壓器相當(dāng)于電源。作為電源，它的外特性必須考慮。電力系統(tǒng)的用電負(fù)

載是經(jīng)常變化的。負(fù)載變化，就會(huì)引起變壓器二次電壓U2變化，這種變化既和負(fù)載大小和

性質(zhì)有關(guān)，又和變壓器本身的性質(zhì)有關(guān)。

變壓器的外特性是用來(lái)描述輸出電壓6隨負(fù)載電流L的變化而變化的情況。當(dāng)一次繞

組電壓Ui和負(fù)載的功率因數(shù)COS（P2一定時(shí)，二次繞組電壓U2與負(fù)載電流12的關(guān)系，稱為變

壓器的外特性。可作出變壓器的外特性如圖5-2-5所示。

從圖5-2-5中可以看出：純電阻負(fù)載時(shí)，端電壓變化較小，感性或容性程度增加，端電

壓的變化會(huì)增大。變壓器在純電阻和感性負(fù)載時(shí)，外特性是下降的，而容性負(fù)載時(shí)，可能上

翹，這取決于負(fù)載的功率因數(shù)。

一般情況下，變壓器的負(fù)載大多數(shù)是感性負(fù)載，為了減小電壓的變化，可以在其兩端并

聯(lián)電容器，以提高負(fù)載的功率因數(shù)。電壓變化率是變壓器的主要性能之一，我們總是希望電

壓變化率越小越好，對(duì)于電力變壓器來(lái)講，一般在5%左右。

五、變壓器的損耗和效率

1、變壓器的損耗

變壓器一次輸入功率為

PI=UIIICOS<DI

式中，U為一次電壓，h為一次電流，①?為一次電壓和電流的相位差。

變壓器二次輸出功率為

P2二U212cos①2

式中，5為一次電壓，L為一次電流，為一次電壓和電流的相位差。

輸入功率和輸出功率的差就是變壓器的損耗，即

P=PI-P2

變壓器的損耗包括鐵損PFE（磁滯損耗和渦流損耗）和銅損Pcu（繞組導(dǎo)線電阻的損耗），

即：

P=PFE+PCU

其中，鐵損決定于電壓，并與頻率有關(guān)，銅損與一次、二次電流有關(guān)。基本關(guān)系是：電

流越大，銅損越大；頻率越高，鐵損越大。

2、變壓器的效率

變壓器的效率是指變壓器的輸出功率和輸入功率的百分比，即

n=P2/Pixioo%

變壓器的效率較高，大容量的變壓器效率可達(dá)98%~99%,小型變壓器效率約為70%

~80%&

六、單相變壓器繞組的極性測(cè)定

1,單相變壓器的極性

變壓器繞組的極性是指變壓器一次側(cè)、二次側(cè)繞組在同一磁通作用下所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)

勢(shì)之間的相位關(guān)系，通常用同名端來(lái)標(biāo)記。

同名端：在任一瞬間，兩繞組中電動(dòng)勢(shì)極性相同的兩個(gè)端鈕。用符號(hào)星號(hào)“*”或黑點(diǎn)

表示，如圖526所示。

2、單相變壓器繞組極性的判別方法

(1)直觀法

繞組的極性是由它的繞制方法決定的，所以可以用直觀法判定他們的極性。如，圖5-2-6

所示，用右手螺旋法則判定，從繞組的某一端通入電流，產(chǎn)生的磁通方向一致的端即為同名

端(左圖中1,3或2,4,右圖中1,4或2,3)o同名端的繞向一致。

(2)直流法

如圖5-2-7所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，如果電流表正偏，則A-a為同名端，反之，當(dāng)開(kāi)關(guān)

S閉合時(shí)，如果電流表反偏，則A--x為同名端。

(3)交流法

如圖5-2-8所示，將2,4兩端用導(dǎo)線連接起來(lái)，在1,3端加一低電壓。如果U3=U「U2,

則1,3(2,4)為同名端。如果U3=U+U2，則1,4(2,3)為同名端。

技能訓(xùn)練

用儀表測(cè)定變壓器繞組的極性

一、實(shí)訓(xùn)目的

1、掌握單相變壓器繞組的極性及其判定。

2、應(yīng)用所學(xué)知識(shí)會(huì)進(jìn)行變壓器繞組極性的判定。

二、實(shí)訓(xùn)要求

1、利用所提供的器材完成單相變壓器繞組的極性判別。

2、熟悉整個(gè)檢測(cè)過(guò)程，組員間合作完成訓(xùn)練項(xiàng)目。

三、實(shí)訓(xùn)器材

直流電源一組（1、5V）,開(kāi)關(guān)一個(gè)，單相變壓器一個(gè)，萬(wàn)用表一只，導(dǎo)線及輔助材料若干。

四、實(shí)訓(xùn)步驟

1、直流（電流表）法測(cè)定：

用直流法測(cè)單相變壓器的極性時(shí)，為了安全，一般采用1、5V的干電池和萬(wàn)用表，在變壓

器高壓繞組接通電源瞬間，根據(jù)低壓繞組電流或者電壓方向來(lái)確定變壓器各出線端的極性。

測(cè)定步驟：

（1）設(shè)定線端。假定高壓端A、X,低壓端a、x,并做好標(biāo)記。

（2）連接線路。如圖所示5-2-9所示。

（1）測(cè)定并判斷。當(dāng)合上開(kāi)關(guān)S時(shí)，變壓器鐵芯充磁，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在變壓器

兩繞組中有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，如果萬(wàn)用表指針正偏（右偏），則A-a（X-x）為同極性端；

若指針?lè)雌瑒tA--x（X-a）為同極性端。

2、交流（電壓表）法測(cè)定

用交流法測(cè)定單相變壓器的極性時(shí)，是將高壓繞組的尾端和低壓繞組的尾端用導(dǎo)線連接

起來(lái)，然后在變壓器高壓繞組首尾端接入交流低壓，如圖5-2-10所示，用萬(wàn)用表交流電壓

檔測(cè)量被測(cè)變壓器的高壓繞組、低壓繞組以及高低壓繞組之間的電壓，來(lái)判定變壓器的極性。

測(cè)量步驟：

（1）設(shè)置線端。假定高壓繞組1、2端，低壓繞組3、4端，并做好標(biāo)記。

（2）連接線路。如圖5-2-10所示，將變壓器的高壓繞組1端和低壓繞組3點(diǎn)連接起來(lái)。

（3）測(cè)定判斷。在高壓繞組間外施較低的便于測(cè)量的較低的電壓如110v,用萬(wàn)用表交

流電壓檔測(cè)量Ui，U2,U3。若U3=U+U2,則1、3或2、4為同名端。反之，若U3=U|—U2,

則1、4或2、3為同名端。

五、注意事項(xiàng)

1、選擇合適的電池盒表的計(jì)量程。對(duì)于變比比較大的電力變壓器，應(yīng)選用較高電壓的

電源（如6V）和小量程的毫伏級(jí)電壓表；對(duì)變比小的電力變壓器，應(yīng)選用較高電壓的電源

（如1.5V）和較大量程的毫安級(jí)電流表。這樣做的目的是為了使儀表上的指示比較明顯，指

針偏轉(zhuǎn)在1/3刻度以上。可用專門生產(chǎn)的中間零的微安級(jí)電流表、毫安級(jí)電流表（俗稱極性

表）判別電力變壓器的極性效果最佳。

2、操作時(shí)，為保證人身安全和儀表安全，一般應(yīng)先接好測(cè)量回路（接入毫安級(jí)電流表、

毫伏級(jí)電壓表），然后再接通電源，判別清楚電源接通瞬間儀表的指針?lè)较?，注意電路接?/p>

瞬間的指示方向與斷開(kāi)的指示方向應(yīng)相反。

知識(shí)拓展

一、常用變壓器的種類

常用變壓器的分類可回納如下：

1、按相數(shù)分：

1）單相變壓器：用于單相負(fù)荷和三相變壓器組。

2）三相變壓器：用于三相系統(tǒng)的升、降電壓。

2、按冷卻方式分：

1）干式變壓器：依靠空氣對(duì)流進(jìn)行自然冷卻或增加風(fēng)機(jī)冷卻，多用于高層建筑、高速

收費(fèi)站點(diǎn)用電及局部照明、電子線路等小容量變壓器。

2）油浸式變壓器：依靠油作冷卻介質(zhì)、如油浸自冷、油浸風(fēng)冷、油浸水冷、強(qiáng)迫油循

環(huán)等。

3、按用途分：

1）電力變壓器：用于輸配電系統(tǒng)的升、降電壓。

2）儀用變壓器：如電壓互感器、電流互感器、用于丈量?jī)x表和繼電保護(hù)裝置。

3）試驗(yàn)變壓器：能產(chǎn)生高壓，對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行高壓試驗(yàn)。

4）特種變壓器：如電爐變壓器、整流變壓器、調(diào)整變壓器、電容式變壓器、移相變壓

Z占寺2o

4、按繞組形式分：

1）雙繞組變壓器：用于連接電力系統(tǒng)中的兩個(gè)電壓等級(jí)。

2）三繞組變壓器：一般用于電力系統(tǒng)區(qū)域變電站中，連接三個(gè)電壓等級(jí)。

3）自耦變電器：用于連接不差未幾電壓的電力系統(tǒng)。也可做為普通的升壓或降后變壓

器用?

5、按鐵芯形式分：

1）芯式變壓器：用于高壓的電力變壓器。

2）非晶合金變壓器：非晶合金鐵芯變壓器是用新型導(dǎo)磁材料，空載電流下降約80%,

是目前節(jié)能效果較理想的配電變壓器，特別適用于農(nóng)村電網(wǎng)和發(fā)展中地區(qū)等負(fù)載率較低的地

方。

3）殼式變壓器：用于大電流的特殊變壓器，如電爐變壓器、電焊變壓器；或用于電子

儀器及電視、收音機(jī)等的電源變壓器。

二、變壓器的名牌及額定值

1、銘牌

為了使變壓器安全、經(jīng)濟(jì)、合理地運(yùn)行，同時(shí)讓用戶對(duì)變壓器的性能有所了解，制造廠

家對(duì)每一臺(tái)變壓器都安裝了一塊銘牌，上面標(biāo)明了變壓器型號(hào)及各種額定數(shù)據(jù)，只有理解銘

牌上各種數(shù)據(jù)的含義，才能正確地使用變壓器。圖所示為三相變壓器的銘牌。

電力變壓器

產(chǎn)品型號(hào)S7-500/10標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)XXXX

額定容量500kV.A產(chǎn)品代號(hào)XXXX

額定電壓10kV出廠序號(hào)XXXX

額定頻率50Hz3相高壓低壓

電壓/V電流/A電壓/V電流/A

聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)Y,ynO開(kāi)關(guān)位置

I1050027.5

阻抗電壓4%

II1000028.9400721.7

冷卻方式油冷

III950030.4

使用條件戶外

XX變壓器廠XX年XX月

2、主要額定值

圖2—4所示的變壓器是配電站用的降壓變壓器，將10kV的高壓降為400V的低壓，供

三相負(fù)載使用。銘牌中的主要參數(shù)說(shuō)明如下：

1）型號(hào)

2）額定電壓UlN和U2N

UlN是指變壓器正常工作時(shí)加在一次繞組上的電壓；U2N是指一次繞組加U|N,變壓器

空載時(shí)二次繞組的電壓值。在三相變壓器中，額定電壓是指線電壓。單位是V或者kV。

3）額定電流LN和I2N

額定電流是指根據(jù)變壓器一次、二次連續(xù)運(yùn)行時(shí)允許通過(guò)的滿載電流值。在三相變壓器

中額定電流是指線電流。單位是A。

4.額定容量SN

額定容量是指變壓器在額定工作狀態(tài)下，二次繞組的視在功率?在三