模塊4磁路與變壓器4.1鐵心線圈及磁路4.2變壓器4.3實(shí)際工程中的常見變壓器學(xué)習(xí)引導(dǎo)磁通經(jīng)過(guò)的閉合路徑稱為磁路，與磁路相關(guān)的物理量包括磁通、磁動(dòng)勢(shì)和磁阻，磁路與電路類似：磁通對(duì)應(yīng)電流，磁動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，磁阻對(duì)應(yīng)電阻。但由于磁導(dǎo)率是變量，磁阻也是變量，所以磁路歐姆定律不如電路歐姆定律應(yīng)用的那么廣泛，通常只適用于定性分析磁路；主磁通原理常用于分析實(shí)際工程中的磁路問(wèn)題。

變壓器是能變換電壓、電流和阻抗的關(guān)鍵電氣設(shè)備，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)和電子電路。分析變壓器需同時(shí)涉及到電路知識(shí)與磁路知識(shí)，也是后續(xù)學(xué)習(xí)電機(jī)、電器的重要前提。

學(xué)習(xí)磁路和變壓器應(yīng)建立新的概念和新的分析方法，以應(yīng)對(duì)和解決磁路中的新問(wèn)題。學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：了解磁路的基本物理量，理解磁路歐姆定律；掌握鐵磁材料的磁性能、分類及用途，了解鐵損耗，深入理解主磁通原理；了解變壓器的核心結(jié)構(gòu)，理解其工作原理，熟悉外特性及性能指標(biāo)；知曉實(shí)際中常見變壓器的用途。技能目標(biāo)：掌握線圈參數(shù)的測(cè)試方法；學(xué)會(huì)單相變壓器空載、短路實(shí)驗(yàn)的操作；理解并掌握變壓器同極性端的測(cè)試與判別技能；能規(guī)范操作常見變壓器。素養(yǎng)目標(biāo)：通過(guò)實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)合，培養(yǎng)對(duì)磁路與變壓器知識(shí)的應(yīng)用能力；提高解決實(shí)際電氣設(shè)備磁路問(wèn)題的邏輯思維；增強(qiáng)安全用電與規(guī)范操作意識(shí)，樹立工程實(shí)踐中的責(zé)任擔(dān)當(dāng)。4.1

鐵心線圈及磁路提出問(wèn)題什么是磁路？磁路與電路的相似點(diǎn)和不同點(diǎn)是什么？磁路的基本物理量分別描述什么？磁路歐姆定律與電路歐姆定律有何差異？鐵磁材料有哪些獨(dú)特磁性能？工程中如何根據(jù)用途選擇鐵磁材料？鐵損耗的來(lái)源是什么？如何用主磁通原理分析實(shí)際問(wèn)題？核心提示：理解磁路基本物理量的含義、磁路歐姆定律與電路歐姆定律的差異，掌握鐵磁材料的磁性能及用途、鐵損耗的構(gòu)成，并能運(yùn)用主磁通原理分析實(shí)際工程磁路問(wèn)題。知識(shí)準(zhǔn)備變壓器作為一種關(guān)鍵的電氣設(shè)備，不僅能夠改變電壓和電流，還能改變阻抗，因此在電力系統(tǒng)和電子電路中應(yīng)用極為廣泛。變壓器的運(yùn)作基于電磁感應(yīng)原理，所以在探討變壓器時(shí)，我們會(huì)同時(shí)涉及電路和磁路問(wèn)題。其中，磁路問(wèn)題不僅是理解變壓器原理的基礎(chǔ)知識(shí)，也是深入學(xué)習(xí)電機(jī)和電器理論的重要基石。鐵芯線圈、磁路

工程實(shí)際應(yīng)用中，大量的電氣設(shè)備都含有線圈和鐵心。當(dāng)繞在鐵芯上的線圈通電后，鐵芯就會(huì)被磁化而形成鐵芯磁路，磁路又會(huì)影響線圈的電路。

電氣設(shè)備鐵芯示意圖中的紅色虛線表示磁路中工作主磁通的路徑；紫色虛線則表示通過(guò)空氣閉合的極少部分漏磁通。一般分析時(shí)，通常忽略掉小小于主磁通的漏磁通。4.1.1磁路的基本物理量uiΦ描述磁場(chǎng)某點(diǎn)強(qiáng)弱和方向的物理量稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度，用B表示。單位是特斯拉[T]。1.磁感應(yīng)強(qiáng)度式中：電磁力F的單位是牛頓[N]、電流的單位是安培[A]、導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度(與磁場(chǎng)方向相垂直方向的長(zhǎng)度投影)單位是米[m]時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位是特斯拉[T]。

磁感應(yīng)強(qiáng)度B是矢量，其方向就是置于磁場(chǎng)中該點(diǎn)小磁針N極的指向。勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，B的大小可用載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中所受到的電磁力來(lái)定義。即：uiΦ磁通Φ

通過(guò)磁路橫截面的磁力線總量稱為磁通，用“Φ”來(lái)表示。單位是韋伯[Wb]。磁通是標(biāo)量。其大小反映了與磁場(chǎng)相垂直的某個(gè)截面上的磁場(chǎng)強(qiáng)弱情況。磁通的較小單位還有麥克斯韋[Mx]，韋伯和麥克斯韋之間的換算關(guān)系為：1Wb=108Mx2.磁通因之磁感應(yīng)強(qiáng)度又稱作磁通密度。磁感應(yīng)強(qiáng)度的國(guó)際單位制中較小的還有高斯[Gs]，特斯拉和高斯之間的換算關(guān)系為：1T=104Gs均強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁通Φ、磁感應(yīng)強(qiáng)度B之間的關(guān)系為：

磁導(dǎo)率是反映自然界物質(zhì)導(dǎo)磁能力的物理量，用希臘字母“μ”表示。物質(zhì)的種類很多，且導(dǎo)磁能力也各不相同，為了有效地區(qū)別它們各自的導(dǎo)磁能力，我們引入一個(gè)參照標(biāo)準(zhǔn)—真空的磁導(dǎo)率μ0:

自然界中各種物質(zhì)的磁導(dǎo)率均與真空的磁導(dǎo)率相比，可得到不同的比值，我們把這個(gè)比值稱為相對(duì)磁導(dǎo)率，用“μr”表示，即：

顯然，相對(duì)磁導(dǎo)率無(wú)量綱，其值越大，表明該類物質(zhì)的導(dǎo)磁性能越好；反之，導(dǎo)磁性能越差。3.磁導(dǎo)率μ

根據(jù)相對(duì)磁導(dǎo)率μr值的不同，自然界的物質(zhì)大致可分為兩大類：（1）非磁性物質(zhì)

如空氣、塑料、銅、鋁、橡膠等。這些物質(zhì)的導(dǎo)磁能力很差，磁導(dǎo)率均與真空的磁導(dǎo)率非常接近，它們的相對(duì)磁導(dǎo)率均約等于1。非磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率可認(rèn)為是常量。

如鐵、鎳、鈷、鋼及其合金等。這些物質(zhì)的導(dǎo)磁能力非常強(qiáng)，其磁導(dǎo)率一般為真空的幾百、幾千乃至幾萬(wàn)、幾十萬(wàn)倍。如鑄鐵，其相對(duì)磁導(dǎo)率μr≈200～400；鑄鋼的相對(duì)磁導(dǎo)率μr≈500～2200；硅鋼的μr≈7000~10000；坡莫合金的μr≈20000~200000。顯然，鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率不是常量，而且是一個(gè)隨外部條件變化的范圍。鐵磁性物質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率大大于1。（2）鐵磁性物質(zhì)4.磁場(chǎng)強(qiáng)度

磁場(chǎng)強(qiáng)度也是表征磁場(chǎng)中某點(diǎn)強(qiáng)弱和方向的物理量，用大寫字母“H”表示。H也是矢量，H的方向也是置于磁場(chǎng)中該點(diǎn)小磁針N極的指向。磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度有何區(qū)別和聯(lián)系？

磁感應(yīng)強(qiáng)度是描述磁路介質(zhì)的磁場(chǎng)某點(diǎn)強(qiáng)弱和方向的物理量，與介質(zhì)的導(dǎo)磁率有關(guān)；磁場(chǎng)強(qiáng)度是描述電流的磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量，與介質(zhì)的導(dǎo)磁率無(wú)關(guān)。它們之間的聯(lián)系為：

磁場(chǎng)強(qiáng)度H的單位有安每米和安每厘米，二者之間的換算關(guān)系為：1A/m=10-2A/cm4.1.2磁路歐姆定律

交流鐵芯線圈磁路通常由硅鋼片疊壓制成，導(dǎo)磁率很高。當(dāng)套在鐵芯上的線圈通電后，鐵芯迅速被磁化，成為一個(gè)人為集中的強(qiáng)磁場(chǎng)。磁路部分電路部分交流鐵芯線圈示意圖

電流通過(guò)N匝線圈所形成的磁動(dòng)勢(shì)用Fm=NI表示，磁路對(duì)磁通所呈現(xiàn)的阻礙作用用磁阻Rm表示，磁動(dòng)勢(shì)、磁通和磁阻三者之間的關(guān)系可表述為：磁路歐姆定律

磁路歐姆定律中的磁阻Rm與磁導(dǎo)率μ有關(guān)，因此對(duì)鐵芯磁路來(lái)講是一個(gè)變量，定量計(jì)算很復(fù)雜，通常磁路歐姆定律只用來(lái)定性分析磁路的情況。鐵磁材料內(nèi)部往往有相鄰的幾百個(gè)分子電流圈流向一致，這些分子電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加起來(lái)，就形成了一個(gè)個(gè)天然的小磁性區(qū)域—磁疇。不同鐵磁物質(zhì)內(nèi)部磁疇的數(shù)量不同。通常情況下，鐵磁材料內(nèi)部的磁疇排列雜亂無(wú)章，其磁性相互抵消，因此對(duì)外不顯示磁性。

鐵磁材料之所以具有高導(dǎo)磁性。是因?yàn)樵谄鋬?nèi)部具有一種特殊的物質(zhì)結(jié)構(gòu)—磁疇。這些磁疇相當(dāng)于一個(gè)個(gè)小磁鐵。磁疇是怎么形成的？顯然，磁疇是由分子電流產(chǎn)生的。1.高導(dǎo)磁性有外磁場(chǎng)作用時(shí)受外界磁場(chǎng)的影響，磁疇會(huì)發(fā)生歸順性轉(zhuǎn)向，使得鐵磁材料內(nèi)部形成一個(gè)很強(qiáng)的附加磁場(chǎng)。4.1.3

鐵磁物質(zhì)的磁性能磁滯回線中H為零時(shí)B并不為零的現(xiàn)象說(shuō)明鐵磁材料具有剩磁性。BH0cba起始磁化曲線oa段是線性段ab段是上升段bc段是磁化曲線的膝部C點(diǎn)以后是飽和段起始磁化曲線反映了什么？

起始磁化曲線的ab段反映了鐵磁材料的高導(dǎo)磁性；c點(diǎn)以后說(shuō)明鐵磁材料具有磁飽和性。磁滯回線中B的變化總是落后于H的變化說(shuō)明鐵磁材料具有磁滯性。鐵磁材料反復(fù)磁化一周所構(gòu)成的曲線稱為磁滯回線。2.鐵磁物質(zhì)的磁飽和性、磁滯性和剩磁性實(shí)踐1：鐵磁物質(zhì)與磁路特性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)器材：空心線圈（匝數(shù)固定）、直流電源、小磁針、硅鋼片疊塊、鑄鐵塊、銅棒、鋁棒等。2.實(shí)驗(yàn)步驟：（1）將空心線圈接直流電源（電壓調(diào)至5V），手持線圈靠近小磁針，觀察小磁針偏轉(zhuǎn)不同角度（記錄）；（2）分別將硅鋼片疊塊、鑄鐵塊、銅棒、鋁棒依次插入線圈（保持電源電壓不變），每次觀察并記錄小磁針偏轉(zhuǎn)角度。3.現(xiàn)象分析：對(duì)比不同的偏置角度，硅鋼片組偏轉(zhuǎn)角度最大，鑄鐵組次之，銅棒、鋁棒組與空心線圈接近；4.結(jié)論：鐵磁材料（硅鋼片、鑄鐵）的導(dǎo)磁能力遠(yuǎn)優(yōu)于非鐵磁材料（銅、鋁），且硅鋼片的導(dǎo)磁性能優(yōu)于鑄鐵。實(shí)踐2：鐵心氣隙對(duì)磁路的影響實(shí)驗(yàn)器材：帶可調(diào)氣隙的鐵心線圈、220V交流電源、電流表、溫度傳感器。2.實(shí)驗(yàn)步驟：（1）調(diào)節(jié)鐵心氣隙為0，將線圈接220V交流電源，記錄線圈電流I?和10分鐘后鐵心溫度T?；（2）調(diào)節(jié)氣隙至1mm，保持電源電壓不變，記錄電流I?和溫度T?；（3）調(diào)節(jié)氣隙至3mm，重復(fù)記錄I?和T?。3.現(xiàn)象分析：氣隙增大時(shí)，電流I?<I?<I?，溫度T?<T?<T?；4.結(jié)論：氣隙增大導(dǎo)致磁路磁阻增加，為維持主磁通不變，線圈電流需增大，銅損耗增加，鐵心溫度升高。軟磁材料具有磁導(dǎo)率很高、易磁化、易去磁的顯著特點(diǎn)，適用于制作各種電機(jī)、電器的鐵心。軟磁材料4.1.4

鐵磁物質(zhì)的分類和用途

鐵磁材料根據(jù)工程上用途的不同可以分為三大類：硬磁材料的磁導(dǎo)率不太高、但一經(jīng)磁化能保留很大剩磁且不易去磁，適用于制作各種永久磁體。硬磁材料矩磁材料磁導(dǎo)率極高、磁化過(guò)程中只有正、負(fù)兩個(gè)飽和點(diǎn)，適用于制作各類存儲(chǔ)器中記憶元件的磁芯。矩磁材料BH0軟磁性材料磁滯回線包圍的面積很小。BH0硬磁性材料磁滯回線包圍的面積很寬大。BH04.1.5鐵損耗

根據(jù)電流的熱效應(yīng)原理，渦流通過(guò)鐵芯時(shí)將使鐵芯發(fā)熱，顯然渦流增加設(shè)備絕緣設(shè)計(jì)的難度，渦流嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成設(shè)備絕緣破壞線圈燒損的事故。φ在交變磁場(chǎng)作用下，整塊鐵芯中產(chǎn)生的旋渦狀感應(yīng)電流稱為渦流。渦流對(duì)電氣設(shè)備有何影響？為減小渦流損耗，常用硅鋼片疊壓制成電機(jī)電器的鐵芯。磁滯損耗

鐵磁材料反復(fù)磁化時(shí)，內(nèi)部磁疇的極性取向隨著外磁場(chǎng)的交變來(lái)回翻轉(zhuǎn)，在翻轉(zhuǎn)的過(guò)程中，由于磁疇間相互摩擦而引起的能量損耗稱為磁滯損耗。磁滯損耗使鐵芯發(fā)熱。渦流損耗

主磁通原理告訴我們:只要外加電壓有效值及電源頻率不變，鐵芯中工作主磁通最大值Φm也將維持不變。4.1.6

主磁通原理

對(duì)交流鐵芯線圈而言，設(shè)工作主磁通為：

可得：

交變磁通穿過(guò)線圈時(shí)，在線圈中感應(yīng)電壓，其值為：主磁通原理例分析某含有氣隙的鐵芯線圈，線圈兩端加有效值為U的交流電壓，當(dāng)氣隙增大時(shí)，鐵芯中的主磁通是增大還是減?。烤€圈中的電流如何變化？氣隙增大時(shí)，鐵芯磁路中的磁阻增加，但由于電源電壓效值為U和頻率f并無(wú)改變，根據(jù)主磁通原理可知，鐵芯磁路中的工作主磁通Φ并不發(fā)生改變。根據(jù)磁路歐姆定律：

磁通不變，則上式中的比值也應(yīng)不變。因此，當(dāng)磁阻Rm增大時(shí)，線圈中通過(guò)的電流必定增大。主磁通原理的應(yīng)用［案例］工程實(shí)際中的一個(gè)交流電磁鐵因出現(xiàn)機(jī)械故障，造成通電后銜鐵不能吸合，結(jié)果把線圈燒壞，試分析其原因。［案例分析］電磁鐵線圈中的額定電流是根據(jù)吸合后的電流限值設(shè)定的。當(dāng)通電后不能吸合時(shí)，鐵芯和銜鐵之間就會(huì)存在氣隙，造成鐵芯磁路中的磁阻大大增加。由主磁通原理可知，此時(shí)鐵芯磁路中的工作主磁通Φ并不發(fā)生改變。若要滿足磁路歐姆定律：就必須增大線圈中的電流。而且氣隙雖小，但磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯中的磁阻，此時(shí)線圈電流將是額定電流的許多倍，從而造成線圈燒毀。工程實(shí)例［結(jié)論］交流電磁鐵的銜鐵被卡住不能吸合時(shí)，由于磁阻的大大增加而造成激磁電流急劇增大，因此導(dǎo)致線圈過(guò)熱損壞。4.1.7磁路歐姆定律的應(yīng)用1.磁路的核心物理量中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B反映的是磁場(chǎng)強(qiáng)弱，磁通Φ是B與面積的綜合體現(xiàn)，磁導(dǎo)率μ決定材料導(dǎo)磁能力，磁場(chǎng)強(qiáng)度H與介質(zhì)無(wú)關(guān)；2.鐵磁材料的高導(dǎo)磁性、磁飽和性、磁滯性是其核心特性，也是電工設(shè)備鐵心設(shè)計(jì)的依據(jù)，如硅鋼片選作變壓器鐵心，正是利用其高導(dǎo)磁性和低損耗；3.主磁通原理是交流磁路的“黃金法則”：電壓和頻率不變時(shí)，主磁通不變，這是分析氣隙影響、線圈電流變化的關(guān)鍵。核心提示你能說(shuō)出根據(jù)導(dǎo)磁性能的不同自然界中物質(zhì)的分類嗎？你會(huì)做嗎？您能很快說(shuō)出磁場(chǎng)幾個(gè)物理量的單位嗎？能否說(shuō)出B和H的區(qū)別和聯(lián)系？

磁通Φ、導(dǎo)磁率μ、磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H分別表征了磁路的哪些特征？

鐵磁物質(zhì)具有哪些磁性能？鐵芯中存在哪些損耗？銅和鋁能被磁化嗎？檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果根據(jù)工程上用途的不同？鐵磁性材料可分為幾類？能否說(shuō)出它們的特點(diǎn)和用途？4.2

變壓器提出問(wèn)題變壓器屬于什么性質(zhì)的電器？你理解和掌握變壓器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理嗎？變壓器的變換電壓作用如何理解？變壓器的變換電流作用如何理解？變壓器變換阻抗的作用如何理解？你對(duì)變壓器的外特性與性能指標(biāo)有什么了解？核心提示：明確變壓器的靜止電器屬性，掌握其鐵心+繞組的基本結(jié)構(gòu)與電磁感應(yīng)工作原理，理解電壓、電流、阻抗的變換規(guī)律，熟悉外特性及電壓調(diào)整率、效率等性能指標(biāo)。知識(shí)準(zhǔn)備變壓器是一種靜止的電氣設(shè)備，它依靠電磁感應(yīng)原理，將一種電壓、電流的交流電能轉(zhuǎn)換成同頻率的另一種電壓、電流的電能。

輸送一定的電能時(shí)，輸電線路的電壓越高，線路中的電流和相應(yīng)的損耗就越小，為此，交流發(fā)電機(jī)的出口電壓需要通過(guò)升壓變壓器才能經(jīng)高壓輸電線將電能經(jīng)濟(jì)地送到用電地區(qū)；被送到用電地區(qū)的高壓電又需經(jīng)過(guò)降壓變壓器降為用戶所需的電壓，供各種動(dòng)力和照明設(shè)備安全而方便地使用。4.2.1變壓器的基本結(jié)構(gòu)u1i10AXΦN1N2u20axS用硅鋼片疊壓制成的變壓器鐵芯。與電源相接的一次側(cè)繞組。|ZL|與負(fù)載相接的二次側(cè)繞組。

變壓器的主體結(jié)構(gòu)是由鐵芯和繞組兩大部分構(gòu)成的。變壓器的繞組與繞組之間、繞組與鐵芯之間均相互絕緣。u204.2.2變壓器的工作原理u1i10ΦN1N21.變壓器的空載運(yùn)行與變換電壓原理

交變的磁通穿過(guò)N1和N2時(shí)，分別在兩個(gè)線圈中感應(yīng)電壓：

計(jì)算它們的比值：有：

顯然，改變線圈繞組的匝數(shù)即可實(shí)現(xiàn)電壓的變換。且k>1時(shí)為降壓變壓器；k<1時(shí)為升壓變壓器。變壓比，簡(jiǎn)稱變比u2u1i1Φ2.變壓器的有載運(yùn)行與變換電流原理

變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)，一次側(cè)電流由i0變?yōu)閕1，二次側(cè)則產(chǎn)生負(fù)載電流i2，而電壓u20相應(yīng)變?yōu)閡2。

變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)，二次側(cè)電流i2產(chǎn)生副邊磁動(dòng)勢(shì)I2N2，該磁動(dòng)勢(shì)對(duì)I0N1起削弱作用。i2

根據(jù)主磁通原理，只要電源電壓和頻率不變，鐵芯中的工作主磁通Φ的數(shù)值將維持不變。因此，原邊電流i0相應(yīng)增大為i1，原邊磁動(dòng)勢(shì)也增大為I1N1，增大的部分恰好與二次側(cè)磁動(dòng)勢(shì)相平衡。此時(shí)的磁動(dòng)勢(shì)方程式為：

磁動(dòng)勢(shì)平衡方程式告訴我們：變壓器二次測(cè)電流i2的大小是由負(fù)載決定的，但二次側(cè)的能量來(lái)源于一次側(cè)，兩側(cè)電路并沒(méi)有直接的電的聯(lián)系，而是通過(guò)磁耦合把能量從原邊傳遞到副邊。

由上式可得：

變壓器鐵芯的導(dǎo)磁率很高，因此滿足工作主磁通需要的磁動(dòng)勢(shì)I0N1很小，和I1N1相比可忽略不計(jì)，所以磁動(dòng)勢(shì)平衡方程式又可改為：

變壓器在能量傳遞的過(guò)程中損耗很小，因此一次側(cè)和二次側(cè)的容量近似相等，有：變流比能量傳遞過(guò)程中，變壓器在變換電壓的同時(shí)也變換了電流。3.變壓器的阻抗變換作用

設(shè)變壓器副邊所接負(fù)載為|ZL|，原邊等效輸入阻抗為|Z1|，則有：將變壓器的變壓比公式和變流比公式代入上式得：

上式告訴我們：只要改變變壓器的匝數(shù)比，即可獲得合適的二次側(cè)對(duì)一次側(cè)的反射阻抗|Z1|。式中k2稱為負(fù)載阻抗折算到一次側(cè)時(shí)的變換系數(shù)。已知某收音機(jī)輸出變壓器的原邊匝數(shù)為600，副邊匝數(shù)為30，原邊原來(lái)接有16Ω的揚(yáng)聲器?，F(xiàn)因故要改接成4Ω揚(yáng)聲器，問(wèn)輸出變壓器的匝數(shù)N2應(yīng)改為多少？例解收音機(jī)電路中，輸出變壓器所起的作用是：讓揚(yáng)聲器阻抗與晶體管的輸出端阻抗匹配，以使負(fù)荷上獲得最大功率，從而驅(qū)動(dòng)喇叭振動(dòng)發(fā)出聲音。收音機(jī)原阻抗變換系數(shù)為：反射阻抗：改換成4Ω揚(yáng)聲器后：設(shè)交流信號(hào)源電壓U=100V，內(nèi)阻R0=800Ω，負(fù)載RL=8Ω。(1)將負(fù)載直接接至信號(hào)源，負(fù)載獲得多大功率？(2)經(jīng)變壓器阻抗匹配，求負(fù)載獲得的最大功率是多少？此時(shí)變壓器變比是多少？例解負(fù)載直接與信號(hào)源相接時(shí)，負(fù)載上獲得的功率為：

阻抗匹配時(shí)，負(fù)載折算到原繞組的反射阻抗等于800Ω。因此負(fù)載上獲得的最大功率為：變壓器的變比為：

變壓器輸出電壓u2隨負(fù)載電流i2變化的關(guān)系稱為它的外特性，即：u2U2Ni2I2N0cos(-φ2)=0.8超前cosφ2=1cosφ2=0.8滯后4.2.3變壓器的外特性u(píng)2＝f（i2）外特性可用右圖所示曲線描述。(1)負(fù)載為純電阻性質(zhì)時(shí)，cosφ=1，輸出電壓u2隨負(fù)載電流i2的增加略有下降；

結(jié)論負(fù)載的功率因數(shù)對(duì)變壓器的外特性影響很大。(2)負(fù)載為感性時(shí)，u2隨i2的增加下降的程度加大；(3)負(fù)載為容性時(shí)，輸出特性曲線呈上翹狀態(tài)，說(shuō)明u2隨

i2的增加反而加大。變壓器外特性變化的程度，可以用電壓調(diào)整率ΔU%來(lái)表示。電壓調(diào)整率定義為：變壓器由空載到滿載時(shí)，二次側(cè)輸出電壓U2的變化程度，即：4.2.4電壓調(diào)整率電壓調(diào)整率反映了變壓器運(yùn)行時(shí)輸出電壓的穩(wěn)定性，是變壓器的主要性能指標(biāo)之一。一般變壓器的漏阻抗很小，故電壓調(diào)整率不高，為2%～3%。當(dāng)負(fù)載的功率因數(shù)過(guò)低時(shí)，會(huì)使電壓調(diào)整率大為升高，負(fù)載電流此時(shí)的波動(dòng)必將引起供電電壓的較大波動(dòng)，給負(fù)載運(yùn)行帶來(lái)不良的影響。為此，當(dāng)電壓波動(dòng)超過(guò)用電的允許范圍時(shí)必須進(jìn)行調(diào)整。提高線路的功率因數(shù)，也能起到降低電壓調(diào)整率的作用。4.2.5

變壓器的損耗和效率在能量傳遞的過(guò)程中，變壓器內(nèi)部將產(chǎn)生損耗。變壓器內(nèi)部的損耗包括銅損耗和鐵損耗兩部分，即：在電源電壓有效值U1和頻率f不變的情況下，由于工作主磁通Φm始終維持不變，因此無(wú)論是空載還是滿載，變壓器的鐵損耗ΔPFe幾乎是一個(gè)固定值，故稱ΔPFe?為不變損耗。變壓器的銅損耗隨負(fù)載電流變化，隨負(fù)載電流變化，且與一、二次側(cè)電流的平方成正比，即ΔPCu隨負(fù)載的大小變化而變化，故稱可變損耗。

變壓器的效率是指變壓器的輸出功率P2與輸入功率P1的比值，通常用百分?jǐn)?shù)表示，即：

由于變壓器沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部分，因此效率比較高?？刂蒲b置中的小型電源變壓器的效率通常在80%以上；電力變壓器的效率一般可達(dá)95%以上。

變壓器在運(yùn)行中需注意，并非運(yùn)行在額定負(fù)載時(shí)效率最高。實(shí)踐證明，變壓器所帶負(fù)載為滿載的70%左右時(shí)效率最高。因此，應(yīng)根據(jù)負(fù)載情況采用最好的運(yùn)行方式。譬如控制變壓器運(yùn)行臺(tái)數(shù)，投入適當(dāng)容量的變壓器等，以使變壓器能夠處在高效率情況下運(yùn)行。實(shí)踐3：電壓與電流的變換驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)器材：220V/110V單相雙繞組變壓器、220V交流電源、0-250V交流電壓表、0-2A交流電流表、0-200Ω可變電阻負(fù)載。2.實(shí)驗(yàn)步驟：（1）分別將二次側(cè)接電阻負(fù)載、電感負(fù)載、電容負(fù)載，保持負(fù)載電流均為0.5A（額定電流的50%）；（2）用電壓表測(cè)三種負(fù)載下的二次側(cè)電壓U?，記錄數(shù)據(jù)。3.現(xiàn)象分析：電阻負(fù)載時(shí)U?≈108V，電感負(fù)載時(shí)U?≈105V，電容負(fù)載時(shí)U?≈112V；4.結(jié)論：負(fù)載功率因數(shù)越低（感性越強(qiáng)），輸出電壓越低；容性負(fù)載會(huì)使輸出電壓略有升高，驗(yàn)證外特性規(guī)律。核心提示：1.變壓器的核心是鐵心磁耦合，一次側(cè)與二次側(cè)無(wú)電的直接聯(lián)系，通過(guò)主磁通傳遞能量；2.電壓、電流、阻抗變換均由匝數(shù)比決定：電壓比=匝數(shù)比，電流比=匝數(shù)反比，阻抗變換比=匝數(shù)比的平方；3.外特性受負(fù)載性質(zhì)影響大，電壓調(diào)整率反映輸出穩(wěn)定性，效率在70%額定負(fù)載時(shí)最高，這些是變壓器選型與運(yùn)行的重要依據(jù)。［案例］一臺(tái)35kV的單相變壓器接在工頻交流電源上，已知副邊空載電壓U20＝6.6kV，鐵心截面積為1120cm2，若選取鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm＝1.5T，分析求得變壓器的變比及其原邊、副邊匝數(shù)N1和N2。［案例分析］根據(jù)變比公式可得：鐵芯中工作主磁通的最大值為：［結(jié)論］根據(jù)變壓器的變換作用，可求得單相變壓器的原、副邊匝數(shù)。原、副邊匝數(shù)分別為：4.2.6變壓器的實(shí)例分析變壓器能否變換直流電壓？為什么？你會(huì)做嗎？已知變壓器UIN=220V，為使鐵心不致飽和，規(guī)定Φm≤0.001Wb，問(wèn)變壓器原線圈至少應(yīng)繞多少匝？

欲制作一個(gè)220/110V的小型變壓器，能否原邊繞2匝，副邊繞1匝？為什么？

若不慎將額定值110/36V的小容量變壓器原邊接到110V直流電源上，副邊會(huì)產(chǎn)生什么情況？原邊呢？檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果一個(gè)交流電磁鐵，額定值為工頻電220V，現(xiàn)不慎接在了220V的直流電源上，問(wèn)會(huì)不會(huì)燒壞？為什么？4.3

實(shí)際工程中的常見變壓器提出問(wèn)題電力變壓器在電力系統(tǒng)中如何實(shí)現(xiàn)電能的經(jīng)濟(jì)傳輸？自耦變壓器與普通雙繞組變壓器有何區(qū)別？電焊變壓器的外特性為何特殊？?jī)x用互感器使用時(shí)需遵守哪些安全規(guī)定？核心提示：需明確電力變壓器在電力系統(tǒng)中的輸電、配電作用，掌握自耦變壓器與普通變壓器的結(jié)構(gòu)差異，熟悉電焊變壓器的特殊外特性，牢記儀用互感器的安全使用規(guī)則。知識(shí)準(zhǔn)備電力變壓器是電力系統(tǒng)的心臟，用于實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)的變換，保障電能經(jīng)濟(jì)傳輸與安全使用：輸電環(huán)節(jié)：發(fā)電機(jī)出口電壓較低，通常為6.3kV、10.5kV，若直接遠(yuǎn)距離輸電，電流大、線路損耗大、導(dǎo)線截面需很大不經(jīng)濟(jì)。通過(guò)升壓變壓器將電壓升至35kV、110kV、220kV甚至1000kV，可大幅減小輸電電流，降低線路損耗與成本；配電環(huán)節(jié)：輸電線路的高電壓無(wú)法直接供用戶使用如居民用電220V、工業(yè)用電380V，需通過(guò)降壓變壓器將電壓降至用戶所需等級(jí)。我國(guó)遠(yuǎn)距離交流輸電電壓等級(jí)主要有35kV、110kV、220kV、500kV、750kV、1000kV，直流輸電最高達(dá)±1100kV如昌吉—古泉工程。4.3.1電力變壓器電力變壓器的結(jié)構(gòu)圖(1)目前，我國(guó)遠(yuǎn)距離交流輸電的電壓等級(jí)主要有35kV、110kV、220kV、500kV、750kV和1000kV其中，1000kV特高壓交流輸電系統(tǒng)是國(guó)際上已投入實(shí)際運(yùn)行的最高電壓等級(jí)之一。此外，我國(guó)還建成了±1100kV特高壓直流輸電工程，為目前全球最高的直流輸電電壓。(2)如此高的電壓是無(wú)法直接用于電氣設(shè)備的。一方面用電設(shè)備的絕緣材料不可能具備如此高的耐壓等級(jí)，另一方面使用也不安全，所以需要通過(guò)降壓變壓器將高電壓降到用戶需要的低電壓后方能使用。通常，電能從發(fā)電廠到用戶的整個(gè)輸送過(guò)程中，需要經(jīng)過(guò)3～5次電壓變換。

由此可見，在電力系統(tǒng)中，電力變壓器的應(yīng)用是非常廣泛的，而且它對(duì)電能的經(jīng)濟(jì)傳輸、合理分配和安全使用也具有十分重要的意義。定義：把普通雙繞組變壓器的高壓側(cè)繞組和低壓側(cè)繞組相串聯(lián)，即可構(gòu)成一臺(tái)自耦變壓器，如下圖所示。連成自耦變壓器實(shí)際自耦變壓器4.3.2

自耦變壓器(自耦調(diào)壓器)

實(shí)際應(yīng)用中，自耦變壓器只用一個(gè)繞組，原繞組匝數(shù)較多，原繞組的一部分兼作副繞組。兩者之間不僅有磁的耦合，而且還有電的直接聯(lián)系。普通雙繞組變壓器AXaxN1N2AN1XaxN2AXaxN1N2

自耦變壓器的工作原理和普通雙繞組變壓器相同。因此，其變比公式與雙繞組變壓器一樣，即：實(shí)驗(yàn)室中單相調(diào)壓器結(jié)構(gòu)原理圖實(shí)驗(yàn)室中單相和三相調(diào)壓器的實(shí)物圖優(yōu)點(diǎn)：額定容量相同時(shí)，自耦變壓器與雙繞組變壓器相比，其單位容量所消耗的材料少、變壓器的體種小、造價(jià)低，而且銅耗和鐵耗都小，因而效率較高。自耦調(diào)壓器的特點(diǎn)缺點(diǎn)：由于原、副邊共用一個(gè)繞組，因此當(dāng)高壓側(cè)遭受過(guò)電壓時(shí)，會(huì)波及低壓側(cè)，為避免危險(xiǎn)，需在自耦變壓器的原、副邊都裝設(shè)避雷器。結(jié)論自耦調(diào)壓器不能當(dāng)作安全變壓器來(lái)使用。安全注意事項(xiàng)：自耦變壓器由于一次側(cè)與二次側(cè)有電的直接聯(lián)系，若高壓側(cè)絕緣損壞，高電壓會(huì)直接傳到低壓側(cè)，存在安全隱患。因此，自耦變壓器嚴(yán)禁作為安全變壓器使用（如不用于機(jī)床照明、手持工具供電），且通電前必須將調(diào)壓手柄調(diào)至零位。4.3.3電焊變壓器

電焊變壓器是專供電焊機(jī)使用的特殊變壓器。工廠和施工工地廣泛使用的交流電焊機(jī)就是由一個(gè)電焊變壓器和一個(gè)可變電抗器構(gòu)成的。其中電焊變壓器是一個(gè)降壓變壓器。對(duì)電焊變壓器的要求：空載時(shí)要有約為60~70V足夠大的引弧電壓；焊接時(shí)要求電壓陡降，額定負(fù)載下電壓約25~30V。在焊條與工件相碰不起弧、即副邊短路時(shí)，短路電流要求不能過(guò)大。此外，還要求能夠調(diào)節(jié)焊接電流的大小。變壓器電抗器可動(dòng)鐵心u2/Vi2/A07030IN電焊變壓器外特性電焊變壓器的外特性呈“陡降”趨勢(shì)——負(fù)載電流增大時(shí)，輸出電壓急劇下降，這是區(qū)別于普通變壓器的核心特征。

電壓互感器和電流互感器又稱為儀用互感器，是電力系統(tǒng)中使用的測(cè)量設(shè)備，其工作原理與變壓器基本相同。1.與小量程的標(biāo)準(zhǔn)化電表配合測(cè)量高電壓、大電流；2.使測(cè)量回路與被測(cè)回路隔離，以保障人員和設(shè)備的安全；3.為各類繼電保護(hù)和控制系統(tǒng)提供控制信號(hào)。4.3.4

儀用互感器使用儀用互感器的目的電壓互感器產(chǎn)品圖電流互感器產(chǎn)品圖

電壓互感器的原繞組匝數(shù)很多，并聯(lián)于待測(cè)電路兩端；副繞組匝數(shù)較少，與電壓表及電度表、功率表、繼電器的電壓線圈并聯(lián)。用于將高電壓變換成低電壓。1.電壓互感器電壓互感器示意圖電壓互感器使用注意事項(xiàng)

*

電壓互感器的副邊不允許短路。因?yàn)橐坏┌l(fā)生短路，副邊將產(chǎn)生一個(gè)很大的電流，導(dǎo)致原邊電流隨之激增，由此將燒壞互感器的繞組。*

電壓互感器的副邊應(yīng)當(dāng)可靠接地。*

電壓互感器的副邊阻抗不得小于規(guī)定值，以減小誤差。2.電流互感器

電流互感器的原繞組線徑較粗，匝數(shù)少與待測(cè)電路負(fù)載串聯(lián)；副繞組線徑細(xì)且匝數(shù)多，與電流表及電度表、功率表、繼電器的電流線圈串聯(lián)。用于將大電流變換為小電流。電流互感器示意圖電流互感器使用注意事項(xiàng)

*

電流互感器的副邊不允許開路。因其原邊電流是由被測(cè)電路決定的。正常運(yùn)行時(shí)副邊相當(dāng)于短路，具有強(qiáng)烈的去磁作用，所以鐵芯中工作主磁通所需的勵(lì)磁電流相應(yīng)很小。若副邊開路，原邊電流全部成為勵(lì)磁電流而導(dǎo)致鐵芯中工作磁通劇增，致鐵芯嚴(yán)重飽和過(guò)熱而燒損，同時(shí)因副繞組匝數(shù)很多，又會(huì)感應(yīng)出危險(xiǎn)的高電壓，危及操作人員和測(cè)量設(shè)備的安全。*

電壓互感器的副邊應(yīng)當(dāng)可靠接地。*

副邊阻抗不得超過(guò)規(guī)定值，以免增大誤差。實(shí)踐4：自耦調(diào)壓器的使用實(shí)驗(yàn)器材：輸入220V，輸出0-250V的單相自耦調(diào)壓器、0-300V交流電壓表、220V/100W燈泡負(fù)載。2.實(shí)驗(yàn)步驟：（1）檢查調(diào)壓器手柄是否在零位，確認(rèn)后將輸入端接220V電源；（2）緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，觀察電壓表讀數(shù)從0升至250V的過(guò)程，同時(shí)觀察燈泡亮度變化；（3）嘗試將輸出電壓調(diào)至220V（燈泡正常發(fā)光），再調(diào)至250V（燈泡過(guò)亮），最后調(diào)回零位后斷電。3.安全強(qiáng)調(diào)：通電前必須將手柄調(diào)至零位，防止輸出電壓過(guò)高燒毀負(fù)載；嚴(yán)禁作為安全變壓器給低壓設(shè)備供電；4.結(jié)論：自耦調(diào)壓器可平滑調(diào)節(jié)輸出電壓，但其一次側(cè)與二次側(cè)有電的聯(lián)系，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)踐5：儀用互感器安全操作模擬實(shí)驗(yàn)器材：220V/100V電壓互感器、5A/5A電流互感器、0-100V標(biāo)準(zhǔn)電壓表、0-5A標(biāo)準(zhǔn)電流表、模擬高壓指示燈、警示裝置。2.實(shí)驗(yàn)步驟：（1）電壓互感器