5.1磁路的基本概念及定律5.1.1磁場(chǎng)的基本物理量5.1.2鐵磁性材料5.1.3磁路及其基本定律5.1磁路的基本概念及定律5.1.1磁場(chǎng)的基本物理量磁感應(yīng)強(qiáng)度B是表示磁場(chǎng)中某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量，它是一個(gè)矢量。在磁場(chǎng)中垂直于磁場(chǎng)方向放置一通電導(dǎo)體，其所受的磁場(chǎng)力F與電流I和導(dǎo)體長(zhǎng)度L的乘積IL之比稱為通電導(dǎo)體所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，即磁感應(yīng)強(qiáng)度B與電流之間的方向關(guān)系可用右手螺旋定則來(lái)確定。在國(guó)際單位制中，磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位為特斯拉（T）。如果磁場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等、方向相同，則這樣的磁場(chǎng)稱為均勻磁場(chǎng)。1磁感應(yīng)強(qiáng)度5.1磁路的基本概念及定律5.1.1磁場(chǎng)的基本物理量磁通Φ是描述磁場(chǎng)在某一范圍內(nèi)分布情況的物理量。磁感應(yīng)強(qiáng)度B與垂直于磁場(chǎng)方向的某一截面積S的乘積稱為通過(guò)該面積的磁通Φ，即由上式可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度在數(shù)值上可看作與磁場(chǎng)方向相垂直的單位面積內(nèi)所通過(guò)的磁通，因此，磁感應(yīng)強(qiáng)度又稱為磁通密度。在國(guó)際單位制中，磁通的單位為韋伯（Wb）。2磁通5.1磁路的基本概念及定律5.1.1磁場(chǎng)的基本物理量磁導(dǎo)率μ是用來(lái)表示磁場(chǎng)媒質(zhì)磁性的物理量，也就是用來(lái)衡量物質(zhì)導(dǎo)磁能力大小的物理量，其單位為亨利每米（H/m）。由實(shí)驗(yàn)可知，真空中的磁導(dǎo)率為一個(gè)常數(shù)，用μ0表示，即μ0＝4π×10-7H/m。為了比較不同物質(zhì)的導(dǎo)磁性能，我們把一種物質(zhì)的磁導(dǎo)率μ與真空的磁導(dǎo)率μ0的比值稱為相對(duì)磁導(dǎo)率，用μr表示，即3磁導(dǎo)率5.1磁路的基本概念及定律5.1.1磁場(chǎng)的基本物理量磁場(chǎng)強(qiáng)度H是計(jì)算磁場(chǎng)時(shí)所引用的一個(gè)物理量，它也是矢量，通過(guò)它可以確定磁場(chǎng)與電流之間的關(guān)系。磁場(chǎng)中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁導(dǎo)率μ的比值稱為該點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H，即4磁場(chǎng)強(qiáng)度在均勻介質(zhì)中，磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向一致。在國(guó)際單位制中，磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位為安培每米（A/m）。5.1磁路的基本概念及定律5.1.2鐵磁性材料由于鐵磁性材料具有很高的磁導(dǎo)率，因此，它們?cè)谕獯艌?chǎng)作用下會(huì)被強(qiáng)烈磁化，從而呈現(xiàn)出很高的磁性。按導(dǎo)磁性能的不同，自然界的物質(zhì)大體上可分為磁性材料（常稱為鐵磁性材料）和非磁性材料。其中，鐵磁性材料主要包括鐵、鈷、鎳及其合金，它們的導(dǎo)磁能力很強(qiáng)，相對(duì)磁導(dǎo)率μr可達(dá)幾千、幾萬(wàn)，甚至幾十萬(wàn)；非磁性材料包括自然界的大部分物質(zhì)，如銅、鋁、空氣等，它們的導(dǎo)磁能力很差，相對(duì)磁導(dǎo)率μr接近于1，其磁導(dǎo)率可看作常數(shù)。1鐵磁性材料的性能（1）高導(dǎo)磁性5.1磁路的基本概念及定律5.1.2鐵磁性材料鐵磁性材料的內(nèi)部存在許多自發(fā)磁化的小區(qū)域，這些小區(qū)域稱為磁疇。在沒(méi)有外磁場(chǎng)作用時(shí)，磁疇的方向各不相同，排列混亂，磁場(chǎng)相互抵消，對(duì)外不顯示磁性，如左圖所示。在有外磁場(chǎng)作用時(shí)，磁疇的方向?qū)⒅饾u改變到與外磁場(chǎng)方向接近或一致的方向上，使鐵磁性材料內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度大大增強(qiáng)，對(duì)外呈現(xiàn)出很強(qiáng)的磁性，如右圖所示，此時(shí)，鐵磁性材料即被強(qiáng)烈磁化了。5.1磁路的基本概念及定律5.1.2鐵磁性材料在鐵磁性材料的磁化過(guò)程中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H變化的曲線稱為磁化曲線，如下圖所示?？梢钥闯觯F磁性材料因磁化而產(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)限地增強(qiáng)。當(dāng)外磁場(chǎng)增強(qiáng)到一定值時(shí)，鐵磁性材料內(nèi)部所有磁疇的方向都已與外磁場(chǎng)方向一致，此時(shí)，磁化的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到飽和。這種特性稱為鐵磁性材料的磁飽和性。（2）磁飽和性由于B與H不成正比，所以，鐵磁性材料的磁導(dǎo)率μ＝B/H不是常數(shù)，它隨H而變。5.1磁路的基本概念及定律5.1.2鐵磁性材料可以看出，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度由Hm減小至0時(shí)，鐵芯在磁化時(shí)所獲得的磁性并未完全消失，此時(shí)，鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為剩磁Br。永久磁鐵中的磁性就是利用剩磁產(chǎn)生的。若要使鐵芯中剩磁消失，則需向線圈中通入反向電流，進(jìn)行反向磁化。使B＝0的H值稱為矯頑力Hc，它表示鐵磁材料反抗退磁的能力。（3）磁滯性上述磁化曲線只反映了鐵磁性材料在外磁場(chǎng)由零逐漸增強(qiáng)的磁化過(guò)程，而實(shí)際應(yīng)用的電氣設(shè)備中，鐵芯線圈上通有交流電時(shí)，鐵芯會(huì)受到交變磁化，一個(gè)周期內(nèi)的B―H曲線如右圖所示。5.1磁路的基本概念及定律5.1.2鐵磁性材料在這個(gè)過(guò)程中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度H的變化，這種性質(zhì)稱為磁滯性。表示B與H變化關(guān)系的閉合曲線稱為磁滯回線。（3）磁滯性不同的鐵磁性材料，其磁滯回線的形狀不同，據(jù)此可將鐵磁性材料分為軟磁材料、硬磁（永磁）材料和矩磁材料三類，其磁滯回線如下圖所示。5.1磁路的基本概念及定律5.1.2鐵磁性材料（3）磁滯性軟磁材料：如鑄鐵、硅鋼、坡莫合金及鐵氧體等，它們的磁滯特性不明顯，剩磁和矯頑力較小，磁滯回線較窄，通常用于制造變壓器、電機(jī)和電器的鐵芯。硬磁（永磁）材料：如碳鋼、鎢鋼及鋁鎳鈷合金等，它們的磁滯特性明顯，剩磁和矯頑力均較大，磁滯回線較寬，主要用做永久磁鐵。矩磁材料：如鎂錳鐵氧體及鐵鎳合金等，它們具有較大的剩磁和較小的矯頑力，磁滯回線接近矩形，穩(wěn)定性良好，常用于制造計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)中的記憶元件。5.1磁路的基本概念及定律5.1.2鐵磁性材料（1）磁滯損耗鐵磁性材料在交變磁化過(guò)程中由磁滯現(xiàn)象所引起的能量損耗稱為磁滯損耗。它是由于鐵磁性材料內(nèi)部的小磁疇在交變磁化過(guò)程中反復(fù)轉(zhuǎn)向，相互摩擦引起鐵芯發(fā)熱所造成的?？梢宰C明，交變磁化一周，在單位體積鐵芯內(nèi)所產(chǎn)生的磁滯損耗與磁滯回線所包圍的面積成正比。因此，為減小磁滯損耗，應(yīng)選用磁滯回線較窄的軟磁材料制造鐵芯。2交變磁化時(shí)的鐵芯損耗5.1磁路的基本概念及定律5.1.2鐵磁性材料（2）渦流損耗鐵磁性材料不僅能夠?qū)Т牛瑫r(shí)還能夠?qū)щ?。?dāng)線圈中通有交流電時(shí)，它所產(chǎn)生的磁通也是交變的，因此，在鐵芯內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流。這種感應(yīng)電流在垂直于磁通方向的平面內(nèi)呈旋渦狀，故稱為渦流，如右圖所示。2交變磁化時(shí)的鐵芯損耗5.1磁路的基本概念及定律5.1.2鐵磁性材料（2）渦流損耗渦流使鐵芯發(fā)熱所造成的功率損耗稱為渦流損耗。由于整塊金屬的電阻很小，因此，渦流很大，渦流損耗較嚴(yán)重。為減小渦流損耗，在順磁場(chǎng)方向鐵芯可由彼此絕緣的薄鋼片疊成，如右圖所示，這樣可將渦流限制在較小的截面內(nèi)流通，并使回路電阻增大，渦流減小，從而減小渦流損耗。2交變磁化時(shí)的鐵芯損耗5.1磁路的基本概念及定律5.1.3磁路及其基本定律一個(gè)沒(méi)有鐵芯的載流線圈所產(chǎn)生的磁通是分布在整個(gè)空間的，而當(dāng)此線圈繞在閉合鐵芯上時(shí)，由于鐵芯的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)比周圍空氣或其他非磁性材料的磁導(dǎo)率大，因此，絕大多數(shù)磁通將集中于鐵芯內(nèi)部，并構(gòu)成回路。這部分磁通稱為主磁通。另外一小部分磁通經(jīng)過(guò)鐵芯外的非磁性材料而形成回路，這部分磁通稱為漏磁通。我們把這種人為造成的主磁通的閉合路徑稱為磁路。如下圖所示為幾種鐵芯構(gòu)成的磁路。5.1磁路的基本概念及定律5.1.3磁路及其基本定律安培環(huán)路定律又稱為全電流定律，它是計(jì)算磁路的基本公式，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：1安培環(huán)路定律在電工技術(shù)中，通常只應(yīng)用安培環(huán)路定律的簡(jiǎn)單形式，即在磁場(chǎng)中，任選一磁力線作為閉合回線，若閉合回線上各點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H相等，且其方向與閉合回線的切線方向一致，則磁場(chǎng)強(qiáng)度H與閉合回線的長(zhǎng)度l的乘積就等于閉合回線內(nèi)所包圍的電流總和ΣI，其表達(dá)式為：5.1磁路的基本概念及定律5.1.3磁路及其基本定律1安培環(huán)路定律上式中，線圈匝數(shù)與電流的乘積NI稱為磁通勢(shì)，用字母F表示，即在右圖所示磁路中，應(yīng)用安培環(huán)路定律為：5.1磁路的基本概念及定律5.1.3磁路及其基本定律2磁路歐姆定律將H＝B/μ和B＝Φ/S代入式，可得上式與電路的歐姆定律在形式上相似，故稱為磁路歐姆定律。因鐵磁性材料的磁導(dǎo)率μ不是常數(shù)，因此，磁路的歐姆定律通常不能用于定量計(jì)算，只能用于定性分析。磁路和電路的比較如下表所示。式中，S——磁路的截面積，單位為m2；

Rm——磁路的磁阻，

，單位為1/H。磁

路電

路磁通勢(shì)F電動(dòng)勢(shì)E磁通Φ電流I磁感應(yīng)強(qiáng)度B電流密度J磁阻

電阻

歐姆定律

歐姆定律

5.1磁路的基本概念及定律5.1.3磁路及其基本定律表5-1

磁路和電路比較5.2交流鐵芯線圈電路5.2.1電磁關(guān)系5.2.2電壓電流關(guān)系5.2.3功率損耗5.2交流鐵芯線圈電路5.2.1電磁關(guān)系如下圖所示為交流鐵芯線圈電路，線圈匝數(shù)為N。磁通勢(shì)Ni產(chǎn)生的交變磁通分兩部分，主磁通Φ通過(guò)鐵芯閉合，漏磁通Φσ通過(guò)線圈周圍的空氣閉合。這兩個(gè)磁通在線圈中都會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即主磁通電動(dòng)勢(shì)e和漏磁通電動(dòng)勢(shì)eσ。根據(jù)電磁感應(yīng)定律可得：5.2交流鐵芯線圈電路5.2.1電磁關(guān)系

由上節(jié)內(nèi)容可知，磁通Φ與B成正比，產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流I與H也成正比。對(duì)鐵磁性材料，由于B與H不成正比，因此，Φ與I也不成正比，根據(jù)NΦ＝Li可知，鐵芯線圈的主電感L不是一個(gè)常數(shù)。對(duì)非磁性材料，由于B與H成正比，因此，Φ與I也成正比，根據(jù)NΦ＝Li可知，漏電感Lσ為一常數(shù)，于是，上式可寫為：5.2交流鐵芯線圈電路5.2.2電壓電流關(guān)系如右圖所示，設(shè)線圈電阻為R，磁通的參考方向與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的參考方向之間符合右手螺旋定則。則根據(jù)基爾霍夫電壓定律可得由于外加電壓u通常為正弦電壓，所以，其他各電流、電壓和電動(dòng)勢(shì)也都為正弦量，于是，電壓、電流關(guān)系的相量表示式為5.2交流鐵芯線圈電路5.2.2電壓電流關(guān)系設(shè)主磁通Φ＝Φmsinωt，則

上式中，Em＝2πfNΦm，為主磁通電動(dòng)勢(shì)e的最大值。e的有效值為：通常，由于線圈的電阻R和漏磁通Φσ都較小，其電壓降也較小，與主磁通電動(dòng)勢(shì)相比可忽略不計(jì)，于是5.2交流鐵芯線圈電路5.2.3功率損耗交流鐵芯線圈的功率損耗主要有銅損和鐵損兩種。其中，銅損是指線圈電阻R上的功率損耗RI2，用ΔPCu表示；鐵損是指處于交變磁化下鐵芯內(nèi)的功率損耗，用ΔPFe表示，它包括磁滯損耗ΔPh和渦流損耗ΔPe。因此，交流鐵芯線圈的功率損耗為：5.3變壓器5.3.1變壓器的分類5.3.2變壓器的結(jié)構(gòu)5.3.3變壓器的額定值5.3.4變壓器的工作原理5.3.5變壓器的運(yùn)行特性5.3.6電力變壓器的選用常識(shí)5.3.7三相變壓器5.3.8特殊變壓器5.3變壓器5.3.1變壓器的分類按用途不同，變壓器可分為電力變壓器和特殊變壓器兩類。其中，電力變壓器是應(yīng)用于電力系統(tǒng)中進(jìn)行變配電的變壓器，常用的有升壓變壓器、降壓變壓器、配電變壓器等；特殊變壓器是針對(duì)特殊需要而制造的變壓器，如整流變壓器、工頻試驗(yàn)變壓器、礦用變壓器、沖擊變壓器、電焊變壓器及電壓互感器等。1按用途分2按電源的相數(shù)分按電源的相數(shù)不同，變壓器可分為單相變壓器、三相變壓器和多相變壓器。5.3變壓器5.3.2變壓器的結(jié)構(gòu)鐵芯是變壓器的磁路部分，它由鐵芯柱和鐵軛兩部分組成。其中，鐵芯柱上裝有繞組；鐵軛用于連接鐵芯柱以使磁路閉合。為了減小磁滯損耗及渦流損耗，鐵芯通常由表面涂有絕緣漆、厚度為0.35mm或0.5mm的硅鋼片疊裝而成。根據(jù)鐵芯和繞組的組合結(jié)構(gòu)不同，通常又將變壓器分為芯式和殼式兩種。芯式變壓器的繞組套在鐵芯柱上，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，繞組的裝配和絕緣都較方便，因此多用于容量較大的變壓器，如圖5-8（a）所示。殼式變壓器的繞組被鐵芯包圍，其制造工藝復(fù)雜，僅用于小容量的變壓器，如圖5-8（b）所示。1鐵芯5.3變壓器5.3.2變壓器的結(jié)構(gòu)1鐵芯

（a）

（b）

圖5-8芯式和殼式變壓器5.3變壓器5.3.2變壓器的結(jié)構(gòu)繞組是變壓器的電路部分，它可由一個(gè)或多個(gè)線圈串聯(lián)組成。線圈用具有良好絕緣的漆包線、紗包線等繞制而成，線圈的層間和匝間、線圈和鐵芯之間及不同線圈之間都要進(jìn)行絕緣。工作時(shí)，與電源連接的繞組稱為一次繞組（或初級(jí)繞組、原邊繞組），與負(fù)載相連的繞組稱為二次繞組（或次級(jí)繞組、副邊繞組）。通常，一、二次繞組的匝數(shù)并不相等，匝數(shù)較多的繞組電壓較高，稱為高壓繞組；匝數(shù)較少的繞組電壓較低，稱為低壓繞組。為了有利于處理線圈和鐵芯之間的絕緣，通常將低壓繞組安放在靠近鐵芯的內(nèi)層，將高壓繞組套在低壓繞組外面。2繞組5.3變壓器5.3.2變壓器的結(jié)構(gòu)為了改善散熱條件，解決密封、安全等問(wèn)題，變壓器還設(shè)有油箱、儲(chǔ)油柜、安全氣道、氣體繼電器、絕緣套管、分接開關(guān)等其他附件。3其他附件5.3變壓器5.3.3變壓器的額定值變壓器的額定值是指變壓器在規(guī)定的使用環(huán)境和運(yùn)行條件下的主要技術(shù)數(shù)據(jù)的限定值。它通常標(biāo)在銘牌上，故又稱為銘牌數(shù)據(jù)。1額定電壓額定電壓包括一次額定電壓和二次額定電壓。一次額定電壓是指變壓器正常工作時(shí)一次繞組上應(yīng)加的電源電壓，用U1N表示；二次額定電壓是指一次繞組加上額定電壓時(shí)二次繞組的空載電壓，用U2N表示。對(duì)三相變壓器，額定電壓是指線電壓。例如，6000V/400V，表示一次額定電壓U1N為6000V，二次額定電壓U2N為400V。由于變壓器有內(nèi)阻抗壓降，因此，二次繞組的額定電壓一般比滿載時(shí)的電壓高5%～10%。5.3變壓器5.3.3變壓器的額定值2額定電流額定電流是指按規(guī)定工作方式（長(zhǎng)時(shí)連續(xù)工作或短時(shí)工作或間歇工作）運(yùn)行時(shí)，一、二次繞組允許通過(guò)的最大電流，包括一次額定電流I1N和二次額定電流I2N。3額定容量額定容量是指二次繞組的額定電壓與額定電流的乘積，用SN表示。它是視在功率，單位為V·A。4額定頻率額定頻率是指變壓器額定運(yùn)行時(shí)一次繞組外加交流電壓的頻率。我國(guó)規(guī)定的額定功率50Hz。5.3變壓器5.3.4變壓器的工作原理變壓器的工作原理即為電磁感應(yīng)原理。若在變壓器的一次繞組中通以交流電，一次繞組的磁通勢(shì)產(chǎn)生的交變磁通將同時(shí)穿過(guò)一次繞組和二次繞組，并分別產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如圖左所示為變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖。一次繞組的匝數(shù)為N1，輸入電壓為u1，輸入電流為i1，主磁電動(dòng)勢(shì)為e1，漏磁電動(dòng)勢(shì)為eσ1；二次繞組的匝數(shù)為N2，輸出電壓為u2，輸出電流為i2，主磁電動(dòng)勢(shì)為e2，漏磁電動(dòng)勢(shì)為eσ2。變壓器的符號(hào)如圖右所示。5.3變壓器5.3.4變壓器的工作原理對(duì)一次繞組，由基爾霍夫電壓定律可知1電壓變換忽略電阻壓降和漏磁電動(dòng)勢(shì)，則根據(jù)式可知對(duì)二次繞組，由基爾霍夫電壓定律可知5.3變壓器5.3.4變壓器的工作原理

若將開關(guān)S斷開，變壓器空載，I2＝0，則二次繞組的端電壓U20為：1電壓變換于是，一、二次繞組的電壓變換關(guān)系為：式中，K——變壓器的變比，即一、二次繞組的匝數(shù)之比。由上式可以看出，當(dāng)輸入電壓一定時(shí)，只要改變?cè)褦?shù)比，就可得到不同的輸出電壓。K＞1時(shí)，N2＞N1，U2＞U1，這種變壓器稱為升壓變壓器；反之，K＜1時(shí)，N2＜N1，U2＜U1，這種變壓器稱為降壓變壓器。5.3變壓器5.3.4變壓器的工作原理2電流變換若將開關(guān)S閉合，即變壓器接上負(fù)載，則在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，二次繞組中將有電流i2通過(guò)。二次繞組的磁通勢(shì)N2i2也會(huì)產(chǎn)生磁通，一次繞組中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，這會(huì)使得一次繞組中的電流發(fā)生變化。于是，空載時(shí)，主磁通由一次繞組的磁通勢(shì)N1i0決定；接入負(fù)載后，主磁通由一、二次繞組的合成磁通勢(shì)N1i1＋N2i2決定。當(dāng)U1和f不變時(shí)，E1和Φm也基本不變。也就是說(shuō)，不論空載或負(fù)載，鐵芯中主磁通的最大值基本不變，則有5.3變壓器5.3.4變壓器的工作原理2電流變換由于空載電流i0很小，其有效值約為一次繞組額定電流的2%～10%，可忽略不計(jì)，則上式表明，變壓器一、二次繞組的電流之比與它們的匝數(shù)成反比。其中，一次繞組的電流由變壓器所接負(fù)載的電流決定。于是，一、二次繞組的電流變換關(guān)系為：5.3變壓器5.3.4變壓器的工作原理3阻抗變換變壓器不僅能變換電壓和電流，還能變換阻抗。如左圖所示變壓器，設(shè)其一、二次繞組的內(nèi)電阻、漏磁通及空載電流均忽略不計(jì)，則負(fù)載阻抗模|Z|為：左圖所示方框部分可以用一個(gè)阻抗模|Z′|來(lái)等效代替，如右圖所示，則有5.3變壓器5.3.4變壓器的工作原理3阻抗變換由式和式可得所以上式表明，負(fù)載阻抗模|Z|經(jīng)過(guò)變壓器后，擴(kuò)大了K2倍。我們可以采用不同的變比，把負(fù)載阻抗模變換為所需要的數(shù)值，以達(dá)到電路的匹配狀態(tài)，使負(fù)載上獲得最大輸出功率，這種做法稱為阻抗匹配。例5-1有一單相變壓器，其一、二次繞組的匝數(shù)為N1＝160匝，N2＝20匝。若一次繞組上接上220V的交流電壓，求：（1）空載時(shí)，二次繞組的電壓為多少？（2）二次繞組上接上R＝5Ω的負(fù)載時(shí)，一、二次繞組的電流各為多少？5.3變壓器5.3.4變壓器的工作原理【解】（1）空載時(shí)二次繞組的電壓為：（2）若二次繞組上接上R＝5Ω的負(fù)載，忽略線圈內(nèi)電阻及漏磁通，則二次繞組的電流為：一次繞組的電流為：例5-2如下圖所示，交流信號(hào)源的電動(dòng)勢(shì)E＝120V，內(nèi)阻R0＝800Ω，負(fù)載電阻RL＝8Ω。（1）當(dāng)RL折算到一次側(cè)的等效電阻RL′＝R0時(shí)，求變壓器的匝數(shù)比和信號(hào)源輸出的功率；（2）當(dāng)將負(fù)載直接與信號(hào)源連接時(shí)，信號(hào)源輸出的功率為多少？5.3變壓器5.3.4變壓器的工作原理【解】（1）當(dāng)RL折算到一次側(cè)的等效電阻RL′＝R0時(shí)，變壓器的匝數(shù)比為：5.3變壓器5.3.4變壓器的工作原理信號(hào)源的輸出功率為：（2）當(dāng)將負(fù)載直接與信號(hào)源連接時(shí)，信號(hào)源輸出的功率為：5.3變壓器5.3.5變壓器的運(yùn)行特性1變壓器的外特性變壓器的外特性是指在電源電壓U1和負(fù)載功率因數(shù)cos

不變的條件下，二次繞組的電壓U2隨電流I2變化的規(guī)律U2＝f（I2），如下圖所示。對(duì)電阻性和電感性負(fù)載而言，電壓U2隨電流I2的增加而下降，而電容性負(fù)載則相反。通常希望電壓U2的變化越小越好。從空載到額定負(fù)載，二次繞組電壓的變化程度用電壓變化率ΔU表示，即5.3變壓器5.3.5變壓器的運(yùn)行特性2變壓器的功率、損耗與效率變壓器輸入的有功功率為：（1）變壓器的功率式中，φ1——一次繞組的電壓與電流之間的相位差，單位為（°）。變壓器輸出的有功功率為：式中，φ2——二次繞組的電壓與電流之間的相位差，單位為（°）。（2）變壓器的損耗與效率變壓器運(yùn)行過(guò)程中的功率損耗包括鐵芯中的鐵損ΔPFe和繞組上的銅損ΔPCu兩部分。鐵損的大小與鐵芯內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值Bm有關(guān)，與負(fù)載大小無(wú)關(guān)；銅損與負(fù)載大小有關(guān)。5.3變壓器5.3.5變壓器的運(yùn)行特性2變壓器的功率、損耗與效率變壓器的效率為：變壓器的效率較高，對(duì)電力變壓器，當(dāng)I2＝（0.5～0.75）I2N時(shí)，其效率可達(dá)95%～99%。效率特性是指負(fù)載功率因數(shù)不變的情況下，變壓器效率η隨負(fù)載電流I2變化的規(guī)律，如右圖所示。5.3變壓器5.3.5變壓器的運(yùn)行特性例5-3有一臺(tái)60kV·A，6600V/230V單相變壓器，測(cè)得鐵損為500W，銅損為1500W，供電爐用電，滿載時(shí)二次繞組的電壓為220V。求：（1）額定電流I1N、I2N；（2）電壓變化率ΔU；（3）額定負(fù)載時(shí)的效率。【解】（1）由式可得于是5.3變壓器5.3.5變壓器的運(yùn)行特性（2）電壓變化率為：（3）由于此變壓器供電爐用電，負(fù)載為電阻，所以，額定負(fù)載時(shí)輸出的有功功率為：于是，效率為：5.3變壓器5.3.6電力變壓器的選用常識(shí)1額定電壓的選擇變壓器額定電壓選擇的主要依據(jù)是輸電線路電壓等級(jí)和用電設(shè)備的額定電壓。在一般情況下，變壓器的一次繞組的額定電壓應(yīng)與線路額定電壓相等。因?yàn)樽儔浩髦劣秒娫O(shè)備往往需要經(jīng)過(guò)一段低壓配電線路，為計(jì)其電壓損失，變壓器二次繞組的額定電壓通常應(yīng)超過(guò)用電設(shè)備額定電壓的5%。一般中小型工廠變壓器的額定電壓通常選為10kV/400V。5.3變壓器5.3.6電力變壓器的選用常識(shí)2額定容量的選擇變壓器容量能否正確選擇，關(guān)鍵在于工廠總電力負(fù)荷（即用電量）能否正確統(tǒng)計(jì)計(jì)算。工廠總電力負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)計(jì)算是一件十分復(fù)雜和細(xì)致的工作。因?yàn)楣S設(shè)備不是同時(shí)工作（即使同時(shí)工作也不是同時(shí)滿負(fù)荷工作）的，所以工廠總負(fù)荷不是各用電設(shè)備容量的總和，而需乘以一系數(shù)，該系數(shù)可在有關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)中査到，一般為0.2～0.7。工廠的有功負(fù)荷和無(wú)功負(fù)荷計(jì)算出來(lái)以后，即可計(jì)算出視在功率，再根據(jù)它選定變壓器額定容量。例如，已知某工廠有功負(fù)荷

885.6kW，無(wú)功負(fù)荷

777.5var。則視在功率為5.3變壓器5.3.6電力變壓器的選用常識(shí)2額定容量的選擇根據(jù)變壓器的等級(jí)可選用兩臺(tái)750kV?A的三相變壓器，為了考慮短期負(fù)荷增長(zhǎng)的需要，也可選用兩臺(tái)1000kV?A的三相變壓器，在階段工作時(shí)，有時(shí)可只投入一臺(tái)運(yùn)行。3臺(tái)數(shù)的選擇當(dāng)總負(fù)荷小于1000kV?A時(shí)，一般選用一臺(tái)變壓器，當(dāng)總負(fù)荷大于1000kV?A時(shí)，可選用兩臺(tái)技術(shù)數(shù)據(jù)相同的變壓器并聯(lián)運(yùn)行。對(duì)于特別重要的負(fù)荷，一般也應(yīng)選用兩臺(tái)變壓器，當(dāng)一臺(tái)出故障或檢修時(shí)，另一臺(tái)仍能保證重要負(fù)荷的正常供電。5.3變壓器5.3.7三相變壓器正弦交流電的產(chǎn)生、輸送、變配，幾乎都采用三相制，單相電路也是由三相供電系統(tǒng)中接引出來(lái)的。其中三相電壓的升降就需要三相變壓器?？梢栽O(shè)想，把三個(gè)單相變壓器拼合在一起，如圖（a）所示，便組成了一個(gè)三相變壓器，如圖（b）所示。各相磁通都經(jīng)過(guò)中間鐵芯。由于三相磁通對(duì)稱（各相磁通幅值相等，相位互差120°），所以通過(guò)中間鐵芯的總磁通為零，故中間鐵芯柱可以取消。（a）（b）5.3變壓器5.3.7三相變壓器這樣，實(shí)際制作時(shí)，通常把三個(gè)鐵芯柱排列在同一平面，如下圖所示。這種三相變壓器比三個(gè)單相變壓器組合效率高，成本低，體積小，因此應(yīng)用廣泛。三相變壓器的額定容量為三相變壓器的結(jié)構(gòu)如右，它的一次繞組和二次繞組與三相電源、三相負(fù)載一樣，可以成星形（Y）聯(lián)結(jié)，也可以成三角形（D）聯(lián)結(jié)。一次繞組的相頭和相尾分別用大寫字母U1，V1，W1和U2，V2，W2標(biāo)記，而二次繞組相應(yīng)的用小寫字母u1，v1，w1和u2，v2，w2標(biāo)記。三相變壓器每一相的情況和單相變壓器相同，所以單相變壓器的原理及所有公式同樣適合于三相變壓器中的任何一相。5.3變壓器5.3.8特殊變壓器自耦變壓器的二次繞組是一次繞組的一部分，其原理圖如右圖所示。自耦變壓器與普通變壓器的工作原理相同，其電壓、電流關(guān)系也滿足：1自耦變壓器5.3變壓器5.3.8特殊變壓器1自耦變壓器①自耦變壓器的二次繞組是一次繞組的一部分，因此，一、二次繞組之間不僅有磁的耦合，還有電的聯(lián)系。②自耦變壓器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕，線圈的銅損較小，具有較高的效率。③自耦變壓器的變比K一般取得較?。?/p>

K＜3

）。這是因?yàn)樽择钭儔浩鞯牡蛪弘娐泛透邏弘娐分苯佑须姷年P(guān)系，兩者需采用同樣規(guī)格的絕緣，不夠安全，因此，一般變比很大的變壓器和輸出電壓為12V，36V的安全燈變壓器都不采用自耦變壓器。自耦變壓器的特點(diǎn)如下：5.3變壓器5.3.8特殊變壓器2儀用互感器在生產(chǎn)和實(shí)踐中，常用的自耦調(diào)壓器即為自耦變壓器，其外形如下圖所示，它可以得到連續(xù)可調(diào)的交流電壓。使用自耦變壓器時(shí)應(yīng)注意，輸入端接交流電源，輸出端接負(fù)載，一定不能接錯(cuò)，否則可能會(huì)燒毀變壓器；一、二次繞組的共用端應(yīng)當(dāng)和電源地線相連，以確保安全。專門用在測(cè)量?jī)x器和保護(hù)設(shè)備上的變壓器稱為儀用互感器，它可分為電壓互感器和電流互感器兩種。5.3變壓器5.3.8特殊變壓器2儀用互感器電壓互感器是用于測(cè)量電網(wǎng)高壓的一種專用變壓器。電壓互感器是一個(gè)降壓變壓器，它的一次繞組匝數(shù)較多，與被測(cè)高壓電路并聯(lián)；二次繞組匝數(shù)較少，與電壓表連接，如右圖所示。（1）電壓互感器根據(jù)變壓器的電壓變換關(guān)系可知5.3變壓器5.3.8特殊變壓器2儀用互感器（1）電壓互感器電壓互感器的額定電壓一般為100V。使用電壓互感器時(shí)應(yīng)注意，鐵芯及二次繞組的一端應(yīng)可靠接地，以防高壓竄入而發(fā)生觸電事故；二次繞組不能短路，否則會(huì)產(chǎn)生很大的短路電流。（2）電流互感器