第六章變壓器2主要內(nèi)容6.1磁路6.2鐵心線圈電路

6.3變壓器分類與結(jié)構(gòu)6.4變壓器的工作原理6.6三相變壓器與自耦變壓器

6.5變壓器的外特性及技術(shù)參數(shù)6.7互感器36.1磁路一、磁場的基本物理量1）磁通[量]

：磁場中穿過某一截面積A

的磁感線數(shù)。

單位：韋[伯]（Wb）。

磁場是由電流產(chǎn)生的，磁場用磁感線描述。2）磁感應(yīng)強(qiáng)度B

描述介質(zhì)中的實(shí)際磁場強(qiáng)弱和方向。

B

是一個(gè)矢量，其方向?yàn)榇艌龅姆较虼笮。簡挝唬禾厮估?T)，1T=1Wb/m2

——

磁通密度

AB=4在數(shù)值上就是與磁場方向垂直的單位面積上通過的磁通磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小不僅決定于電流的大小及導(dǎo)體的幾何形狀，而且還與導(dǎo)體周圍的物質(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān)。3）

磁場強(qiáng)度H

H是進(jìn)行磁場計(jì)算引進(jìn)的輔助物理量。

H

是一個(gè)矢量，其方向B與相同。單位：安/米（A/m）

5磁場強(qiáng)度的大小只與電流的大小和導(dǎo)體的幾何形狀以及位置有關(guān)，而與導(dǎo)體周圍物質(zhì)的磁導(dǎo)率無關(guān)

H與B的區(qū)別：(1)H∝I，與介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。(2)B與電流的大小和介質(zhì)的性質(zhì)均有關(guān)。H與B之間是什么關(guān)系？激勵(lì)與響應(yīng)的關(guān)系4）磁導(dǎo)率

是用來表示媒質(zhì)導(dǎo)磁能力的物理量。BH

=（H/m）真空中的磁導(dǎo)率：

0=4

×10－7H/m

自然界的物質(zhì)按磁導(dǎo)率分類：非磁性物質(zhì)、磁性物質(zhì)。后面具體分析其性質(zhì)7(1)順磁物質(zhì)例如變壓器油和空氣：

略大于

0

。(2)反磁物質(zhì)例如銅和鉍：

略小于

0。

非磁性物質(zhì)：

≈

0（

為常數(shù)）8順磁性物質(zhì)會(huì)趨向于朝著磁場較強(qiáng)的區(qū)域移動(dòng)，即被磁場吸引；反磁性物質(zhì)則會(huì)趨向于朝著磁場較弱的區(qū)域移動(dòng)，即被磁場排斥；9磁性物質(zhì)有哪些？magneticsubstance鐵、鈷、鎳三種鐵磁性元素是構(gòu)成磁性材料的基本組元在中國，磁性最早出現(xiàn)于一本公元前4世紀(jì)編寫的書《鬼谷子》：“其察言也，不失若磁石之取針，舌之取燔骨”。察析這人的言詞話語，就好像用磁石吸取鐵針，又好像用舌尖探取炙肉中的骨頭，絕對不能有所差失。[課外：釹鐵硼磁鐵有什么特點(diǎn)11二、物質(zhì)的磁性能(自學(xué))

磁性物質(zhì)的磁性能主要有以下三點(diǎn)。1）高導(dǎo)磁性：

02）磁飽和性3）磁滯性

i

1）高導(dǎo)磁性：

0常用磁性材料的磁導(dǎo)率鑄鋼：

≈1000

0

硅鋼片：

≈(6000~7000)

0

坡莫合金：

≈(20000~200000)

0磁性物質(zhì)的高導(dǎo)磁性被廣泛應(yīng)用于變壓器和電機(jī)中。＋u－主磁通漏磁通鐵心勵(lì)磁繞組

研究電流與它所產(chǎn)生的磁場的問題就可以簡化為磁路的分析和計(jì)算了122）磁飽和性磁疇

磁性物質(zhì)內(nèi)部形成許多小區(qū)域，其分子間存在的一種特殊的作用力使每一區(qū)域內(nèi)的分子磁場排列整齊，顯示磁性，稱這些小區(qū)域?yàn)榇女牎?/p>

在沒有外磁場作用的普通磁性物質(zhì)中，各個(gè)磁疇排列雜亂無章，磁場互相抵消，整體對外不顯磁性。13外磁場BHO

初始磁化曲線

在外磁場作用下，磁疇方向發(fā)生變化，使之與外磁場方向趨于一致，物質(zhì)整體顯示出磁性來，稱為磁化。即磁性物質(zhì)能被磁化。磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場不會(huì)隨著外磁場的增強(qiáng)而無限的增強(qiáng)。當(dāng)外磁場增大到一定程度時(shí)，磁性物質(zhì)的全部磁疇的磁場方向都轉(zhuǎn)向與外部磁場方向一致，磁化磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度將趨向某一定值。14

B-H

磁化曲線的特征：

Oa段：磁感應(yīng)強(qiáng)度B與H幾乎成正比地增加；

ab段：磁感應(yīng)強(qiáng)度B的增加緩慢下來；

b點(diǎn)以后：磁感應(yīng)強(qiáng)度B增加很少，達(dá)到飽和。OHBB?a?b磁化曲線磁性物質(zhì)的磁化曲線在磁路計(jì)算上極為重要，為非線性曲線，實(shí)際中通過實(shí)驗(yàn)得出。

15曲線上的a點(diǎn)、b點(diǎn)分別稱為膝點(diǎn)、飽和點(diǎn)OH

BB和

與H的關(guān)系有磁性物質(zhì)存在時(shí)，B與H不成正比，磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率

不是常數(shù)，隨H而變。16工程應(yīng)用注意事項(xiàng)：利用鐵磁材料設(shè)計(jì)電感、變壓器、電機(jī)時(shí)注意磁飽和性，通常要求鐵磁性物質(zhì)工作在a點(diǎn)以下，保證留有充分的裕量，如果工作時(shí)進(jìn)入磁飽和區(qū)，設(shè)備發(fā)熱加劇，影響設(shè)備正常運(yùn)行，甚至燒毀。3）磁滯性Hm－Hm－HcHcBHOBr－Br磁滯回線磁性材料中磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化總是滯后于外磁場變化的性質(zhì)。

磁性材料在交變磁場中反復(fù)磁化，其B-H關(guān)系曲線是一條回形閉合曲線，稱為磁滯回線18剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br(剩磁)：當(dāng)線圈中電流減小到零(H=0)時(shí)，鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。矯頑磁力Hc：使B=0所需的H值。剩磁矯頑磁力Hm－Hm－HcHcBHOBr－Br磁滯回線1920BHO

基本磁化曲線選取不同值的一系列Hm

多次交變磁化，可得到一系列磁滯回線。由這些磁滯回線的正頂點(diǎn)與原點(diǎn)連成的曲線稱為基本磁化曲線或標(biāo)準(zhǔn)磁化曲線。按磁性物質(zhì)的磁性能，磁性材料分為三種類型：(1)軟磁材料

具有較小的矯頑磁力，磁滯回線較窄。一般用來制造電機(jī)、電器及變壓器等的鐵心。常用的有鑄鐵、硅鋼、坡莫合金即鐵氧體等。21軟磁材料的應(yīng)用甚廣，主要用于磁性天線、電感器、變壓器、磁頭、耳機(jī)、繼電器、振動(dòng)子、電視偏轉(zhuǎn)軛、電纜、延遲線、傳感器、微波吸收材料、電磁鐵、加速器高頻加速腔、磁場探頭、磁性基片、磁場屏蔽、高頻淬火聚能、電磁吸盤、磁敏元件(如磁熱材料作開關(guān))等。(2)永磁材料（硬磁材料）

具有較大的矯頑磁力，磁滯回線較寬。一般用來制造永久磁鐵。常用的有碳鋼及鐵鎳鋁鈷合金等。23永磁材料有多種用途。①基于電磁力作用原理的應(yīng)用主要有：揚(yáng)聲器、話筒、電表、按鍵、電機(jī)、繼電器、傳感器、開關(guān)等。②基于磁電作用原理的應(yīng)用主要有：磁控管和行波管等微波電子管、顯像管、鈦泵、微波鐵氧體器件、磁阻器件、霍爾器件等。③基于磁力作用原理的應(yīng)用主要有：磁軸承、選礦機(jī)、磁力分離器、磁性吸盤、磁密封、磁黑板、玩具、標(biāo)牌、密碼鎖、復(fù)印機(jī)、控溫計(jì)等。其他方面的應(yīng)用還有：磁療、磁化水、磁麻醉等。(3)矩磁材料磁滯回線接近矩形，穩(wěn)定性良好。在計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)中用作記憶元件、開關(guān)元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體等。25旋磁材料

具有獨(dú)特的微波磁性，如導(dǎo)磁率的張量特性、法拉第旋轉(zhuǎn)、共振吸收、場移、相移、雙折射和自旋波等效應(yīng)。據(jù)此設(shè)計(jì)的器件主要用作微波能量的傳輸和轉(zhuǎn)換，常用的有隔離器、環(huán)行器、濾波器（固定式或電調(diào)式）、衰減器、相移器、調(diào)制器、開關(guān)、限幅器及延遲線等，還有尚在發(fā)展中的磁表面波和靜磁波器件（見微波鐵氧體器件）。常用的材料已形成系列，有Ni系、Mg系、Li系、YlG系和BiCaV系等鐵氧體材料；并可按器件的需要制成單晶、多晶、非晶或薄膜等不同的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。補(bǔ)充：壓磁材料

這類材料的特點(diǎn)是在外加磁場作用下會(huì)發(fā)生機(jī)械形變，故又稱磁致伸縮材料，它的功能是作磁聲或磁力能量的轉(zhuǎn)換。常用于超聲波發(fā)生器的振動(dòng)頭、通信機(jī)的機(jī)械濾波器和電脈沖信號延遲線等，與微波技術(shù)結(jié)合則可制作微聲（或旋聲）器件。由于合金材料的機(jī)械強(qiáng)度高，抗振而不炸裂，故振動(dòng)頭多用Ni系和NiCo系合金；在小信號下使用則多用Ni系和NiCo系鐵氧體。非晶態(tài)合金中新出現(xiàn)的有較強(qiáng)壓磁性的品種，適宜于制作延遲線。壓磁材料的生產(chǎn)和應(yīng)用遠(yuǎn)不及前面四種材料。補(bǔ)充：

在電機(jī)、變壓器及各種鐵磁元件中常用磁性材料做成一定形狀的鐵心。鐵心的磁導(dǎo)率比周圍空氣或其它物質(zhì)的磁導(dǎo)率高的多，磁通的絕大部分經(jīng)過鐵心形成閉合通路，磁通的閉合路徑稱為磁路。三、磁路歐姆定律+–NIfNSS直流電機(jī)的磁路交流接觸器的磁路28式中：是磁場強(qiáng)度矢量沿任意閉合路徑(常取磁通作為閉合回線)的線積分；

I

是穿過閉合回線所圍面積的電流的代數(shù)和。補(bǔ)充：安培環(huán)路定律（全電流定律）I1HI229Amperecircuitaltheorem

任意選定一個(gè)閉合回線的圍繞方向，凡是電流方向與閉合回線圍繞方向之間符合右螺旋定則的電流作為正、反之為負(fù)。

安培環(huán)路定律電流正負(fù)的規(guī)定：安培環(huán)路定律將電流與磁場強(qiáng)度聯(lián)系起來。

在均勻磁場中Hl=IN30線圈匝數(shù)與電流的乘積NI

，稱為磁通勢（F）：

F=NI磁通由磁通勢產(chǎn)生，磁通勢的單位是安[培]。

課外例:

環(huán)形線圈如圖，其中媒質(zhì)是均勻的，試計(jì)算線圈內(nèi)部各點(diǎn)的磁場強(qiáng)度。解:

取磁通作為閉合回線，以其方向作為回線的圍繞方向，則有：Sx

HxIN匝31式中：N

線圈匝數(shù)；

lx=2

x是半徑為x的圓周長；

Hx

半徑x處的磁場強(qiáng)度；

NI為線圈匝數(shù)與電流的乘積。故得：Sx

HxIN匝32

例：環(huán)形線圈如圖，其中媒質(zhì)是均勻的，磁導(dǎo)率為，試計(jì)算線圈內(nèi)部各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。解：半徑為x處各點(diǎn)的磁場強(qiáng)度為故相應(yīng)點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度為Sx

HxIN匝由上例可見,磁場內(nèi)某點(diǎn)的磁場強(qiáng)度

H只與電流大小、線圈匝數(shù)、以及該點(diǎn)的幾何位置有關(guān)，與磁場媒質(zhì)的磁性(

)

無關(guān)；而磁感應(yīng)強(qiáng)度

B與磁場媒質(zhì)的磁性有關(guān)。3334

cAclc

0A0l0Φ＋U－IBc=

AcHc=

Bc

c

cAc=B0=

A0H0=

B0

0

0A0=鐵心中：氣隙中：

根據(jù)全電流定律：H

dl=∑I∮

cAclc

0A0l0Φ＋U－I=(Rmc＋Rm0)

=Rm

其中Rm=Rmc＋Rm0l0

0A0lc

cAc＋=不是常數(shù)Rmc、Rm0、Rm——鐵心、空氣隙、磁路的磁阻。左邊

=Hc

lc＋H0l0

l0

0A0

lc

cAc=＋=(＋)

l0

0A0lc

cAc35右邊=∑I=N

I或

∑I=F（磁通勢）磁路歐姆定律:

Rm

=F

=FRm或

cAclc

0A0l0Φ＋U－I左邊=

Hc

lc＋H0l0=Rm

3637

磁路中的氣隙的影響

因?yàn)?/p>

c＞＞

0，所以

Rm0

＞＞RmcRm=Rmc＋Rm0l0

0

A0lc

c

Ac＋=

=FRm

當(dāng)F一定時(shí)，因Rm0的存在，使

大大減小。若要保持

一定，則需增大磁通勢F。磁路與電路的比較

磁路磁通勢F磁通

磁阻電路電動(dòng)勢E電流密度J

電阻磁感應(yīng)強(qiáng)度B電流I

NI+_EIR38磁路分析的特點(diǎn)(1)在處理電路時(shí)不涉及電場問題，在處理磁路時(shí)離不開磁場的概念；(2)在處理電路時(shí)一般可以不考慮漏電流，在處理磁路時(shí)一般都要考慮漏磁通；(3)磁路歐姆定律和電路歐姆定律只是在形式上相似。由于

不是常數(shù)，其隨勵(lì)磁電流而變，磁路歐姆定律不能直接用來計(jì)算，只能用于定性分析；(4)在電路中，當(dāng)E=0時(shí)，I=0；但在磁路中，由于有剩磁，當(dāng)F=0時(shí)，

不為零；39基本步驟（自學(xué)）:（由磁通

求磁通勢F=NI

）(1)求各段磁感應(yīng)強(qiáng)度Bi

各段磁路截面積不同，通過同一磁通

，故有：(2)求各段磁場強(qiáng)度

Hi

根據(jù)各段磁路材料的磁化曲線Bi=f(Hi),求B1，

B2

，……相對應(yīng)的H1，H2

，……。(3)計(jì)算各段磁路的磁壓降（Hi

li

）(4)根據(jù)下式求出磁通勢（NI

）40課外例:一個(gè)具有閉合的均勻的鐵心線圈，其匝數(shù)為300，鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.9T，磁路的平均長度為45cm，試求：(1)鐵心材料為鑄鐵時(shí)線圈中的電流;(2)鐵心材料為硅鋼片時(shí)線圈中的電流。解：

（1）查鑄鐵材料的磁化曲線，當(dāng)B=0.9T時(shí)，(2)查硅鋼片材料的磁化曲線，當(dāng)B=0.9T時(shí)，磁場強(qiáng)度H=9000A/m，則磁場強(qiáng)度

H=260A/m，則結(jié)論：如果要得到相等的磁感應(yīng)強(qiáng)度，采用磁導(dǎo)率高的鐵心材料，可以降低線圈電流，減少用銅量。41

如線圈中通有同樣大小的電流0.39A，則鐵心中的磁場強(qiáng)度是相等的，都是260A/m。查磁化曲線可得，

在上例(1)，(2)兩種情況下，如線圈中通有同樣大小的電流0.39A，要得到相同的磁通

，鑄鐵材料鐵心的截面積和硅鋼片材料鐵心的截面積，哪一個(gè)比較??？【分析】

B硅鋼是B鑄鐵的17倍。因

=BS，如要得到相同的磁通

，則鑄鐵鐵心的截面積必須是硅鋼片鐵心的截面積的17倍。B鑄鐵=0.05T、B硅鋼=0.9T,結(jié)論：如果線圈中通有同樣大小的勵(lì)磁電流，要得到相等的磁通，采用磁導(dǎo)率高的鐵心材料，可使鐵心的用鐵量大為降低。42

查鑄鋼的磁化曲線，

B=0.9T時(shí)，磁場強(qiáng)度H1=500A/m課外例:

有一環(huán)形鐵心線圈，其內(nèi)徑為10cm，外徑為15cm，鐵心材料為鑄鋼。磁路中含有一空氣隙，其長度等于0.2cm。設(shè)線圈中通有1A的電流，如要得到0.9T的磁感應(yīng)強(qiáng)度，試求線圈匝數(shù)。解:空氣隙的磁場強(qiáng)度鑄鋼鐵心的磁場強(qiáng)度，鐵心的平均長度磁路的平均總長度為43

對各段有

總磁通勢為

線圈匝數(shù)為

磁路中含有空氣隙時(shí)，由于其磁阻較大，磁通勢幾乎都降在空氣隙上面。結(jié)論：當(dāng)磁路中含有空氣隙時(shí)，由于其磁阻較大，要得到相等的磁感應(yīng)強(qiáng)度，必須增大勵(lì)磁電流（設(shè)線圈匝數(shù)一定）。44455.2鐵心線圈電路

電磁鐵:電磁鐵是線圈通電后對鐵磁物質(zhì)產(chǎn)生吸

力，引起鐵磁物質(zhì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械

能的一種電磁元件。勵(lì)磁線圈鐵心銜鐵勵(lì)磁線圈銜鐵鐵心鐵心勵(lì)磁線圈銜鐵銜鐵鐵心勵(lì)磁線圈圖：電磁鐵的結(jié)構(gòu)

電磁鐵的種類：直流電磁鐵、交流電磁鐵。如果按照用途來劃分電磁鐵，主要可分成以下五種：（1）牽引電磁鐵——主要用來牽引機(jī)械裝置、開啟或關(guān)閉各種閥門，以執(zhí)行自動(dòng)控制任務(wù)。（2）起重電磁鐵——用作起重裝置來吊運(yùn)鋼錠、鋼材、鐵砂等鐵磁性材料。（3）制動(dòng)電磁鐵——主要用于對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)以達(dá)到準(zhǔn)確停車的目的。（4）自動(dòng)電器的電磁系統(tǒng)——如電磁繼電器和接觸器的電磁系統(tǒng)、自動(dòng)開關(guān)的電磁脫扣器及操作電磁鐵等。（5）其他用途的電磁鐵——如磨床的電磁吸盤以及電磁振動(dòng)器等。46一、直流電磁鐵Φ＋U－SNNSI電磁吸力

U→I→N

I→

URI=(1)電壓與電流的關(guān)系(2)

線圈的功率：P=R

I21）直流鐵心線圈電路47直流電磁鐵一般使用24V直流電壓，因此需要專用直流電源。其優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)因鐵芯卡住而燒壞(其圓筒形外殼上沒有散熱筋)，體積小，工作可靠，允許切換頻率為120次／min，換向沖擊小，使用壽命較長。但啟動(dòng)力比交流電磁鐵小。2）電磁吸力

銜鐵吸合后→磁阻

I

不變

→電磁吸力

48直流電磁鐵工作原理圖49直流電磁鐵的應(yīng)用一方面是它作為獨(dú)立電磁元件廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)裝置和系統(tǒng)中，多是用它“牽引”其它機(jī)構(gòu)完成預(yù)定的動(dòng)作。另一方面它也是許多電磁元件的主要組成部分。用電磁鐵作為主要組成部分的電磁元件有各種電磁繼電器、接觸器、電磁閥和電磁離合器等51二、交流電磁鐵

1)交流鐵心線圈電路u→i→Ni→

→ed

dt=－Nd

dt→e

=－Ndidt=－L

Φ＋u－ife

磁導(dǎo)率μ不是常數(shù)，

與i不是線性關(guān)系。經(jīng)過空氣或其它非導(dǎo)磁媒質(zhì)閉合的磁通則X

=ωL

=2

fL

鐵心線圈的漏磁電抗設(shè)

=

msin

t則

e

=－N

mcos

t=N

msin(

t－90o)

Φ＋u－ife

52d

dte=－N即Em=N

m

=

2

N

f

m實(shí)際鐵心線圈電路線圈內(nèi)電阻漏磁感抗

+––+–+ee

ui+––+uiRX

++––uRu

X0

R0

等效電路當(dāng)不考慮鐵芯中的功率損耗時(shí)：53即54U=－E

U4.44fN

m=則

由于電阻

R

和感抗X

（或漏磁通

）較小，其電壓降也較小，與主磁電動(dòng)勢E相比可忽略，故有：Φ＋u－ie當(dāng)外施電壓及其頻率不變時(shí)，且線圈匝數(shù)N一定時(shí)，則主磁通的最大值幾乎是不變的（恒磁通原理）思考：線圈的電抗與對應(yīng)磁路的磁阻有什么關(guān)系電感與線圈匝數(shù)的平方成正比，與磁場介質(zhì)的

磁導(dǎo)成正比。交流線圈的電抗

電抗

X

隨著頻率

f

、匝數(shù)

N

、磁阻

的變化而變化。

隨著鐵心磁路飽和的增加，鐵心磁導(dǎo)率減小，相應(yīng)的電抗也要減小。

《磁鏈與磁通的一般關(guān)系》_張永照《磁鏈的探討》_劉美希2）功率損耗

交流鐵心線圈的功率損耗主要有銅損和鐵損兩種。銅損（

Pcu）

在交流鐵心線圈中,線圈電阻R上的功率損耗稱銅損，用

Pcu表示。

Pcu=RI2鐵損（

PFe）處于交變磁通下的鐵心內(nèi)的功率損耗稱鐵損，用

PFe

表示。鐵損由磁滯和渦流產(chǎn)生。

+–ui56（1）磁滯損耗（

Ph）單位體積內(nèi)的磁滯損耗正比與磁滯回線的面積和磁場交變的頻率f。OHB

磁滯損耗轉(zhuǎn)化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。

減少磁滯損耗的措施：選用磁滯回線狹小的磁性材料制作鐵心。57(2)渦流損耗（

Pe）

渦流：交變磁通在鐵心內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和電流，稱為渦流。渦流在垂直于磁通的平面內(nèi)環(huán)流。渦流損耗轉(zhuǎn)化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。減少渦流損耗措施：

提高鐵心的電阻率。鐵心用彼此絕緣的鋼片疊成，把渦流限制在較小的截面內(nèi)。

5859即有功功率損耗:

△P=PCu＋PFe

銅耗

鐵損耗=RI2+(Ph＋Pe)磁滯損耗:磁性材料被交變磁化時(shí)消耗的能量渦流在鐵芯內(nèi)所產(chǎn)生的功率損耗因此大容量的變壓器需要采取各種相應(yīng)的冷卻措施。例1:

有一交流鐵心線圈，電源電壓U=220V電路中電流I=4A，功率表讀數(shù)P=100W，頻率f=50Hz，漏磁通和線圈電阻上的電壓降可忽略不計(jì)，試求:(1)鐵心線圈的功率因數(shù)；（2）鐵心線圈的等效電阻和感抗。解:(1)(2)鐵心線圈的等效阻抗模為等效電阻為等效感抗為60課外例1:

要繞制一個(gè)鐵心線圈，已知電源電壓U=220V，頻率f=50Hz，今量得鐵心截面為30.2cm2,鐵心由硅鋼片疊成，設(shè)疊片間隙系數(shù)為0.91(一般取0.9~0.93)。（1）如取

Bm=1.2T，問線圈匝數(shù)應(yīng)為多少?(2)如磁路平均長度為60cm,問勵(lì)磁電流應(yīng)多大?鐵心的有效面積為(1)線圈匝數(shù)為(2)查磁化曲線圖，Bｍ=1.2T時(shí),Ｈｍ=700Ａ／ｍ，則解:61U=－E

62(1)

變化→f變化電磁吸力用平均值衡量。

m不變→fm不變。(2)銜鐵吸合后→磁阻

起動(dòng)電流

工作電流。3）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(1)鐵心和銜鐵用硅鋼片疊成。(2)加短路環(huán)消除銜鐵的振動(dòng)。3）電磁吸力（自學(xué)）

m不變

磁通勢

→勵(lì)磁電流

Of

t

ffm

平均吸力63[課外例2]一鐵心線圈，加上12V直流電壓時(shí)，電流為1A；加上110V交流電壓時(shí)，電流為2A，消耗的功率為88W。求后一種情況下線圈的銅損耗、鐵損耗和功率因數(shù)。[解]由直流電壓和電流求得線圈的電阻為由交流電流求得線圈的銅損耗為

PCu=RI2

=12×22

W

=48W由有功功率和銅損耗求得線圈的鐵損耗為

PFe=P－PCu=(88－48)W=40W功率因數(shù)為R==

=12

UI121

=cos===0.4PUI88110×2646.3變壓器的分類與結(jié)構(gòu)電力變壓器發(fā)明于19世紀(jì)末，1884年9月16日匈牙利崗茨（Ganz）工廠制成了第一臺(tái)變壓器。在那個(gè)年代，輸電距離僅達(dá)1.16km～3.22km。

華生電器制造廠創(chuàng)辦于1916年4月。主要生產(chǎn)電風(fēng)扇、電流表、電氣開關(guān)等電工產(chǎn)品，變壓器產(chǎn)量不大。1917年該廠自行設(shè)計(jì)制造出中國第一臺(tái)變壓器。1936年生產(chǎn)出一臺(tái)當(dāng)時(shí)容量最大的2000kVA變壓器，安裝在西安電廠。新中國建立后變壓器單臺(tái)容量和電壓等級增長情況年份變壓器容量（kVA）變壓器電壓（kV）生產(chǎn)廠家1950195119511952195319541955195619571958195919604000560150005600135002000031500405002000060000900001200002235（11）66110154（110）（154）220（110）（220）（220）上海電機(jī)廠東北電工五廠上海電機(jī)廠東北電工五廠沈陽變壓器廠沈陽變壓器廠沈陽變壓器廠沈陽變壓器廠沈陽變壓器廠沈陽變壓器廠沈陽變壓器廠上海電機(jī)廠年份變壓器容量（kVA）變壓器電壓（kV）生產(chǎn)廠家196019701970197019701979198126000036000090000150000360000250000360000（220）（220）330（330）（330）500(500)沈陽變壓器廠西安變壓器電爐廠西安變壓器電爐廠西安變壓器電爐廠沈陽變壓器廠沈陽變壓器廠沈陽變壓器廠續(xù)上表68

電力工業(yè)中常采用高壓輸電低壓配電，實(shí)現(xiàn)節(jié)能并保證用電安全。具體如下：

發(fā)電廠10.5kV輸電網(wǎng)絡(luò)220kV及以上升壓儀器36V降壓配電網(wǎng)絡(luò)110kV及以下用戶380/220V降壓升壓降壓輸電網(wǎng)絡(luò)220kV及以上6970風(fēng)機(jī)出口的變壓器一般歸屬于風(fēng)電機(jī)組，需要將電能匯集后送給升壓站，也稱為集電變壓器。升壓站中的升壓變壓器，其功能是將風(fēng)電場的電能送給電力系統(tǒng)，因此也被稱為主變壓器為滿足風(fēng)電場和升壓站自身用電需求，還設(shè)置有場用變壓器或所用變壓器高壓輸電？

在能量傳輸過程中，當(dāng)輸送功率P=UIcos

及負(fù)載功率因數(shù)cos

一定時(shí)：電能損耗小節(jié)省金屬材料（經(jīng)濟(jì)）U

I

P=I2RlI

S71按用途分：有升壓和降壓變壓器；按相數(shù)分：有單相和三相變壓器；按繞組材料分：有銅繞組和鋁繞組變壓器；按繞組型式分：有雙繞組、三繞組和自耦變壓器；按調(diào)壓方式分：有無載調(diào)壓和有載調(diào)壓變壓器；按繞組絕緣和冷卻方式分：有油浸式、干式（環(huán)氧樹脂澆注絕緣）和充氣式（SF6氣體）變壓器;按容量系列分：有R8系列和R10系列等。*72一、電力變壓器的常用類型連接發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的升壓變壓器連接發(fā)電機(jī)的封閉母線

與電網(wǎng)相連的高壓出線端三相干式變壓器接觸調(diào)壓器電源變壓器環(huán)形變壓器控制變壓器電力變壓器的型號76干式變壓器油浸式變壓器一、電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)1.鐵心

用硅鋼片疊成。鐵芯是變壓器中主要的磁路部分。通常由含硅量較高，厚度分別為0.35mm\0.3mm\0.27mm，由表面涂有絕緣漆的熱軋或冷軋硅鋼片疊裝而成。鐵芯分為鐵芯柱和橫片兩部分，鐵芯柱套有繞組；橫片是閉合磁路之用。782.繞組（線圈）高壓繞組和低壓繞組同心地套在鐵心上。繞組是變壓器的電路部分，它是用雙絲包絕緣扁線或漆包圓線繞成79

心式變壓器鐵心繞組

殼式變壓器鐵心繞組80油位計(jì)氣體繼電器低壓側(cè)套管壓力釋放閥溫度計(jì)（油）溫度計(jì)（繞組）風(fēng)扇高壓側(cè)套管套管CT放油閥門吸濕器3.其它油箱、油、儲(chǔ)油柜、絕緣套管、保護(hù)設(shè)備等。利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)一個(gè)電壓等級的交流電能到另一個(gè)電壓等級交流電能的變換。變壓器的鐵芯用于提供磁路，繞組構(gòu)成電路。*變壓器的工作原理816.4變壓器的工作原理單相變壓器+–+–一次繞組N1二次繞組N2鐵心82原線圈接交流電在鐵芯中產(chǎn)生變化的磁通量在鐵芯中產(chǎn)生變化的磁通量副線圈有交流電原線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢副線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢84＋u2－e1e2＋u1－ZLi2i1ΦΦ

1Φ

2變壓器的電路變壓器的磁路變壓器等值電路ZL＋U1－I1I2

＋U2

－

E1

E2一、空載運(yùn)行情況電磁關(guān)系一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)開路。+–+–+–+–+–

1

i0(i0N1)

1空載時(shí)，鐵心中主磁通

是由一次繞組磁通勢產(chǎn)生的。85設(shè)主磁通則變壓器等值電路＋U1－I1I2

＋U20

－

E1

E2變比、電壓變換作用忽略原方繞組電阻和漏電抗有變壓器等值電路＋U1－I1I2

＋U20

－

E1

E2變壓器的變比結(jié)論：改變匝數(shù)比，就能改變輸出電壓。

規(guī)定

U1=U1N時(shí)，U20=U2N。

如銘牌上標(biāo)注：10/0.4kV（降壓變）

10.5/242kV（升壓變）※一般U2N比滿載時(shí)的電壓高5%~10%。88變壓器一次側(cè)接受電能，相當(dāng)于用電設(shè)備，若直接與發(fā)電機(jī)相聯(lián)，則其額定電壓等于發(fā)電機(jī)的額定電壓；若與電力線路相聯(lián)，則其額定電壓等于所接線路的額定電壓；變壓器二次側(cè)的額定電壓定義為空載時(shí)的電壓。變壓器的二次側(cè)向負(fù)荷供電，則相當(dāng)于電源：

a考慮變壓器帶額定負(fù)荷時(shí)其內(nèi)部的電壓降落約為5％和線路首端的+5％的電壓偏移：此時(shí)二次側(cè)的電壓應(yīng)比線路的額定電壓高10％；b若變壓器阻抗較?。ǎ﹦t內(nèi)部電壓降落也較小，變壓器二次側(cè)直接帶負(fù)荷，此時(shí)其二次側(cè)的額定電壓僅比線路的額定電壓高5％。*變壓器額定電壓的確定*我國交流電力網(wǎng)和電氣設(shè)備的額定電壓（線電壓，單位kV）用電設(shè)備額定電壓與電力網(wǎng)額定電壓發(fā)電機(jī)額定電壓變壓器額定電壓原邊繞組副邊繞組接電力網(wǎng)接發(fā)電機(jī)0.230.220.230.230.400.380.400.4033.1533.153.15及3.366.366.36.3及6.61010.51010.510.5及1113.813.813.815.7515.7515.75181818202020353538.5（60）（60）（66）110110121（154）（154）（169）220220242330330363500500550750750825二、帶負(fù)載運(yùn)行情況一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)接負(fù)載。+–+–+–

1

i1有載時(shí)，鐵心中主磁通

是由一次、二次繞組磁通勢共同產(chǎn)生的合成磁通。

2i2+–e2+–e2+–u2

Z

91一）電磁關(guān)系+–+–+–

1

1i1

i1i2

2

2i2+–e2+–e2+–u2

Z

9293二）電壓平衡方程=－E1＋Z1I1

1）一次側(cè)電壓方程※R1、X1和Z1——

一次繞組的電阻、漏電抗和漏阻抗。E1=－j4.44f

N1

mU1=－E1＋(R1＋jX1

)I1

ZL＋U1－I1I2

＋U2

－

E1

E2+-=－E1＋Z1I1

U1=－E1＋(R1＋jX1

)I1

94U2=ZLI22）二次側(cè)電壓方程E2=－j4.44f

N2

m=E2－Z2I2U2=E2－(R2＋jX2

)I2

※R2、X2和Z2——

二次繞組的電阻、漏電抗和漏阻抗。ZL＋U1－I1I2

＋U2

－

E1

E295=E2－Z2I2U2ZL＋U1－I1I2

＋U2

－

E1

E2Z1和Z2很小，有－E1＋Z1I1

U1=－E1

U1

≈≈

E2U23）電壓變換

可見，鐵心中主磁通的最大值

m在變壓器空載和有載時(shí)近似保持不變。Z1很小，空載和有載情況下由上式，若U1、f不變，則

m基本不變，近于常數(shù)。|Z|+–+–96－E1＋Z1I1

U1=(一次、二次側(cè)電流關(guān)系)三）電流變換或：磁勢平衡式：空載磁勢有載磁勢空載：有載：9798一般情況下：I0(2~3)%I1N很小可忽略?；蚪Y(jié)論：一次、二次側(cè)電流與匝數(shù)成反比。

互感器是一次回路與二次回路的聯(lián)絡(luò)元件。

用以向測量儀表、繼電器的電流線圈和電壓線圈供電，正確反映電氣設(shè)備的正常運(yùn)行和故障情況。

是一種特殊變壓器，由鐵芯、原繞組和副繞組構(gòu)成。主要為測量和保護(hù)服務(wù)。負(fù)荷WVA電源TVTA應(yīng)用舉例：互感器將一次回路的高電壓和大電流變?yōu)槎位芈窐?biāo)準(zhǔn)的低電壓（100V或100/3V或100/V）和小電流（5A或1A）。互感器的作用是：使測量儀表、繼電器等二次設(shè)備與主電路隔離，且互感器二次測均接地，保證了設(shè)備和人身的安全；使測量儀表、繼電器等標(biāo)準(zhǔn)化，有利于大批量生產(chǎn)；所有二次設(shè)備可用低電壓、小電流的控制電纜連接，為實(shí)現(xiàn)集中管理、遠(yuǎn)方控制和測量提供了方便。使測量儀表、繼電器等二次設(shè)備的使用范圍擴(kuò)大。例如一只5A的電流表通過TA就可以測量任意大的電流*100101四）阻抗變換忽略Z1、Z2、I0，則＋U1－I1I2＋U2－ZLZe＋U1－I1信號源R0RL+–例:

如圖，交流信號源的電動(dòng)勢E=120V，內(nèi)阻R0=800

，負(fù)載為揚(yáng)聲器，其等效電阻為RL=8

。要求:（1）當(dāng)RL折算到原邊的等效電阻時(shí)，求變壓器的匝數(shù)比和信號源輸出的功率；（2）當(dāng)將負(fù)載直接與信號源聯(lián)接時(shí),信號源輸出多大功率？102(1)

變壓器的匝數(shù)比應(yīng)為：解:R0+–+–信號源的輸出功率：電子線路中，常利用阻抗匹配實(shí)現(xiàn)最大輸出功率。結(jié)論：接入變壓器以后，輸出功率大大提高。（2）將負(fù)載直接接到信號源上時(shí)，輸出功率為：信號源R0RL+–104105

U2

I2OU2Ncos

2=1cos

2=0.8(感性)cos

2=0.8(容性)6.5變壓器的外特性及技術(shù)參數(shù)

I2N

U2一、變壓器的外特性和電壓調(diào)整率變壓器在負(fù)載運(yùn)行中，隨著負(fù)載的增加，負(fù)載電流隨之增加，一、二次繞組上的電阻壓降之增加，二次繞組的端電壓U2將會(huì)發(fā)生變化。106當(dāng)U1=U1N，cos

2不變時(shí)：

U2=f(I2)

U2

I2OU2Ncos

2=1cos

2=0.8(感性)cos

2=0.8(容性)⊿UR%=U2N－U2U2N×100%常見的電力變壓器，在cos

2=0.8（感性）時(shí)：

⊿UR≈5%

電壓調(diào)整率：U2隨I2變化的程度

I2N

U2二、變壓器的效率1)一次繞組的視在功率

S1=U1I12)二次繞組的視在功率

S2=U2I23)輸入功率

P1=U1I1cos

14)輸出功率

P2=U2I2cos

2

鐵損耗包括基本鐵損耗和附加鐵損耗?；捐F損耗為磁滯損耗和渦流損耗。附加損耗包括由鐵心疊片間絕緣損傷引起的局部渦流損耗、主磁通在結(jié)構(gòu)部件中引起的渦流損耗等。

鐵損耗與外加電壓大小有關(guān)，而與負(fù)載大小基本無關(guān)，故也稱為不變損耗。

銅損耗分基本銅損耗和附加銅損耗?；俱~損耗是在電流在一、二次繞組直流電阻上的損耗；附加損耗包括因集膚效應(yīng)引起的損耗以及漏磁場在結(jié)構(gòu)部件中引起的渦流損耗等。

銅損耗大小與負(fù)載電流平方成正比，故也稱為可變損耗。5)變壓器的損耗

P=PFe＋PCu

PCu=R1I12+R2I221096）效率

P1P2

=×100%※

小型電力變壓器

=80%～90%

※大型電力變壓器

=98%～99%反映變壓器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性能的好壞，是表征變壓器運(yùn)行性能的重要指標(biāo)之一。效率特性：在功率因數(shù)一定時(shí)，變壓器的效率與負(fù)載電流之間的關(guān)系η=f(I2),稱為變壓器的效率特性。特性分析：1）空載時(shí)輸出功率為零，所以η=0。2）負(fù)載較小時(shí)，損耗相對較大，功率η較低。3）負(fù)載增加，效率η亦隨之增加。超過某一負(fù)載時(shí)，因銅耗與負(fù)載電流的平方成正比增大，效率η反而降低，最大效率η不一定出現(xiàn)在額定負(fù)載處，最高效率ηmax出現(xiàn)在變壓器的不變損耗等于可變損耗。為了提高變壓器的運(yùn)行效益，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使變壓器的鐵損耗小些。112[例]某變壓器的額定電壓為10000/400V接在10000V的交流電源上向一電感性負(fù)載供電，電壓調(diào)整率為0.03，求變壓器的電壓比、空載和滿載時(shí)的二次電壓。[解]變壓器的電壓比為空載時(shí)的二次電壓為U20=U2N=400V滿載時(shí)的二次電壓為

U2=U2N(1－⊿

UR)=400×(1－0.03)V=388Vk==

=25U1N

U2N

10000400113[例]在上例中，

ZL

=0.966

時(shí)正好滿載，求該變壓器一次側(cè)的電流。[解]變壓器的二次側(cè)電流為I2==A=401.7AU2

ZL

3880.966I1==A=16.1AI2

k

401.725114[解]忽略電壓調(diào)整率，則

P2=

SNcos

2=10×103×0.8W=8kWP

=

PFe＋PCu=(300＋400)W=700WP1=

P2＋P

=(8000＋700)W=8.7kW[例]一變壓器容量為10kV·A，鐵損耗為300W，滿載時(shí)銅損耗為400W，求該變壓器在滿載情況下向功率因數(shù)為0.8的負(fù)載供電時(shí)輸入和輸出的有功功率及效率。P1P2

=×100%88.7=×100%=92%電力變壓器產(chǎn)品型號SL7－315/10產(chǎn)品編號額定容量315kV·A使用條件戶外式額定電壓10000/400V冷卻條件ONAN額定電流18.2/454.7A短路電壓4%額定頻率50Hz器身吊重765kg相數(shù)三相油重380kg聯(lián)接組別Yyno總重1525kg制造廠生產(chǎn)日期圖1－4電力變壓器銘牌示意圖三、變壓器的技術(shù)數(shù)據(jù)

每臺(tái)變壓器都有一銘牌，上面標(biāo)注著型號、額定值及其它數(shù)據(jù)，便于用戶了解變壓器的運(yùn)行性能。額定容量額定容量是表觀容量的慣用值，表征傳輸電能的大小。我國現(xiàn)在變壓器的額定容量等級是R10系列；1967年以前變壓器的額定容量等級是按R8系列。R8容量系列指容量等級是按R8≈1.33倍數(shù)遞增的，我國老的變壓器容量等級采用此系列，如：100kvA、135kvA、180kvA、240kvA、320kvA、420kvA、560kvA、750kvA、1000kvA等。R10容量系列指容量等級是按R10≈1.26倍數(shù)遞增的。R10系列的容量等級較密，便于合理選用，是IEC（國際電工委員會(huì)）推薦采用的。我國新的變壓器容量等級采用此系列，如：100KVA、125kvA、160kvA、200kvA、250kvA、315kvA、400kvA、500kvA、630kvA、800kvA、1000kvA。額定頻率

變壓器額定頻率是所設(shè)計(jì)的運(yùn)行頻率，我國為50Hz，美國等國家采用60Hz。

額定電流

變壓器在正常運(yùn)行時(shí)允許通過的最大電流。三相變壓器中額定電流為線電流。118

例：某變壓器的型號為SFPZ5-120000/220，簡述該變壓器的基本型式和參數(shù)。解析：對照上表可知，該變壓器是“三相”變壓器（S），繞組外絕緣介質(zhì)是“油”（缺?。鋮s方式是“風(fēng)冷”（F），油循環(huán)方式是“強(qiáng)迫油循環(huán)”（P），繞組數(shù)為“雙繞組”（缺?。?，調(diào)壓方式為“有載調(diào)壓”（Z）。設(shè)計(jì)序號為5，表示該產(chǎn)品在同類產(chǎn)品系列中的設(shè)計(jì)序號?！?20000”表示該變壓器的額定容量為120000kVA，“220”表示該變壓器的高壓繞組電壓等級為220kV。1196.6三相變壓器與自耦變壓器一、三相變壓器的種類

1.三單相變壓器組U1U2u1u2V1V2v1v2W1W2w1w2

特點(diǎn)：三相之間只有電的聯(lián)系，沒有磁的聯(lián)系。1202.三相心式變壓器U1U2u1u2V1V2v1v2W1W2w1w2

特點(diǎn)：三相之間既有電的聯(lián)系，又有磁的聯(lián)系。121

連接方式高壓繞組低壓繞組

星形中性點(diǎn)接地YN