3磁路與變壓器3.1磁路3.2變壓器3.3常用變壓器3.1

磁路3.1.1磁體、磁極與磁感線3.1.2磁場(chǎng)的基本物理量3.1.3磁性材料的磁性能3.1.4磁路及其基本定律3.1.5交流鐵芯線圈3.1.1磁體、磁極與磁感線把能夠吸引鐵、鈷、鎳等磁性材料的物質(zhì)稱為磁體。把磁體具有吸引磁性材料的性質(zhì)稱為磁性，磁體上磁性最強(qiáng)的部分稱為磁極。磁場(chǎng)可以用磁感線來(lái)表示，磁感線存在于磁極之向的空間中，是閉合曲線，磁鐵中（內(nèi)部）的磁感線始終是從S極指向N極，磁鐵的外部的磁感線通過(guò)空氣從N極回到S極（如圖3-1所示）。圖3-1(a)條形磁鐵(b)蹄形磁鐵3.1.2磁場(chǎng)的基本物理量表示磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量。方向：與電流的方向之間符合右手螺旋定則。1.磁感應(yīng)強(qiáng)度B大?。?jiǎn)挝?特斯拉（Tesla，簡(jiǎn)寫T）1T=1Wb/m2Wb——韋[伯]均勻磁場(chǎng)——各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等，方向相同的磁場(chǎng)。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(guò)該面積的磁通Φ。2.磁通

單位:韋[伯]（Wb）1Wb=1V·s（伏.秒）①如果不是均勻磁場(chǎng)，則取B的平均值。②磁感應(yīng)強(qiáng)度B在數(shù)值上可以看成為與磁場(chǎng)方向垂直的單位面積所通過(guò)的磁通，故又稱磁通密度。在均勻磁場(chǎng)中=BS或

B=/S說(shuō)明:磁場(chǎng)強(qiáng)度是進(jìn)行磁場(chǎng)分析時(shí)引用的一個(gè)輔助物理量。其大小為介質(zhì)中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與介質(zhì)磁導(dǎo)率

之比。3.磁場(chǎng)強(qiáng)度H

單位:安培/米（A/m)H與Ｂ的主要區(qū)別是：H代表電流本身所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，只與產(chǎn)生該磁場(chǎng)的電流有關(guān)，而與磁介質(zhì)無(wú)關(guān)；Ｂ代表電流所產(chǎn)生的以及介質(zhì)被磁化后所產(chǎn)生的總磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，其大小不僅與電流有關(guān)，而且還與磁介質(zhì)有關(guān)。3.1.3磁性材料的磁性能鐵磁材料——導(dǎo)磁性能好，磁導(dǎo)率μ大如鐵、鋼、鎳、鈷等根據(jù)導(dǎo)磁性能的好壞，自然界的物質(zhì)可分為:非鐵磁材料——導(dǎo)磁性能差，磁導(dǎo)率μ小如鐵、鋼、鎳、鈷等

鐵磁物質(zhì)對(duì)電氣設(shè)備的影響很大。采用優(yōu)的鐵磁物質(zhì)，可使同樣容量的電機(jī)、變壓器體積大大縮小，重量大大減輕。

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(chǎng)排列整齊，顯示磁性。1.高導(dǎo)磁性

沒(méi)有外磁場(chǎng)作用時(shí)：各個(gè)磁疇排列雜亂無(wú)章，磁場(chǎng)互相抵消，整體對(duì)外不顯磁性。磁疇磁疇外磁場(chǎng)在外磁場(chǎng)作用下：磁疇方向發(fā)生變化，使之與外磁場(chǎng)方向趨于一致，物質(zhì)整體顯示磁性，稱為磁化。當(dāng)外磁場(chǎng)增大到一定程度時(shí)，磁性物質(zhì)的全部磁疇的磁場(chǎng)方向都轉(zhuǎn)向與外部磁場(chǎng)方向一致，磁化磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度將趨向某一定值。這種特性稱為磁飽和性。

磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場(chǎng)不會(huì)隨著外磁場(chǎng)的增強(qiáng)而無(wú)限的增強(qiáng)。2.磁飽和性

當(dāng)外磁場(chǎng)增大到一定程度時(shí)，磁性物質(zhì)的全部磁疇的磁場(chǎng)方向都轉(zhuǎn)向與外部磁場(chǎng)方向一致，磁化磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度將趨向某一定值。這種特性稱為磁飽和性。

右圖3可以看出，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。因?yàn)?/p>

與B

成正比，所以

與I不成正比。

2.磁飽和性

磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率，由于與不成正比，所以不是常數(shù)，而是隨的變化而改變，如右圖所示。

磁滯回線——磁性材料在交變磁場(chǎng)中反復(fù)磁化，其B-H是一條回形閉合曲線。

3.磁滯性

磁性材料中磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化總是滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度H變化的性質(zhì)，當(dāng)H減到0，B未減到0。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B。矯頑磁力Hc：使B=0，反相磁化所需的H值。3.磁滯性

磁性物質(zhì)不同，其磁滯回線和磁化曲線也不同。幾種常見(jiàn)磁性物質(zhì)的磁化曲線3.1.4磁路及其基本定律通電的線圈周圍和內(nèi)部存在著磁場(chǎng)。由于鐵磁材料導(dǎo)磁系數(shù)很大，在電機(jī)、變壓器等電氣設(shè)備中，為了用較小的電流得到較多的磁通，常用鐵磁物質(zhì)做成一定形狀的鐵心。

將線圈繞在鐵心上，當(dāng)線圈通過(guò)電流時(shí)，鐵心被磁化，磁場(chǎng)大為增強(qiáng)，所產(chǎn)生的磁通主要集中在鐵心構(gòu)成的閉合路徑內(nèi)。1.磁路

磁路

磁通經(jīng)過(guò)的閉合路徑稱為磁路。1.磁路

圖3.5所示是變壓器的磁路，磁通經(jīng)過(guò)鐵芯閉合，鐵芯中磁場(chǎng)均勻分布，這種磁路也稱為均勻磁路；圖3.6所示的交流發(fā)電機(jī)和接觸器的磁路中，磁通都經(jīng)過(guò)鐵芯和空氣隙閉合，磁場(chǎng)分布不均，所以又稱為不均勻磁路。圖3.5變壓器的磁路圖3.6(a)交流發(fā)電機(jī)的磁路(b)接觸器的磁路磁路的歐姆定律是分析磁路的基本定律。設(shè)繞有線圈的鐵心，當(dāng)線圈通過(guò)電流I，在鐵心中就會(huì)有磁通的長(zhǎng)度為l，截面積為S，磁路介質(zhì)的磁導(dǎo)率為μ。

式中：F=NI——磁通勢(shì)，由其產(chǎn)生磁通。

Rm——磁阻，表示磁路對(duì)磁通的阻礙作用。2.磁路的歐姆定律

磁路與電路的比較

磁路磁通勢(shì)F磁通

磁阻電路電動(dòng)勢(shì)E電流密度J

電阻磁感應(yīng)強(qiáng)度B電流I

NI+_EIR磁路的全電流定律又稱為安培環(huán)路定律，是磁場(chǎng)計(jì)算中的一個(gè)重要定律。具體內(nèi)容為：沿空間任意閉合回路，磁場(chǎng)強(qiáng)度的線積分等于該閉合回路所包圍的電流的代數(shù)和，即式中：磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位是安培每米，符號(hào)為A/m;：是穿過(guò)閉合回線所圍面積的電流的代數(shù)和。3.磁路的全電流定律（安培環(huán)路定律）

例3-1一閉合的均勻鐵芯線圈，匝數(shù)為600匝，鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.8T，磁路的平均長(zhǎng)度為55cm，試求：（1）鐵芯材料為鑄鐵時(shí)線圈中的電流；（2）鐵芯材料為鑄鋼時(shí)線圈中的電流；解

（1）查圖3.4所示鑄鐵材料的磁化曲線，當(dāng)時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度，則

（1）查圖3.4所示鑄鋼材料的磁化曲線，當(dāng)時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度，則由例3-1可見(jiàn)，如果要得到相等的磁感應(yīng)強(qiáng)度，采用磁導(dǎo)率高的鐵芯材料，可以降低線圈電流，減少用銅量。3.1.5交流鐵芯線圈

鐵芯線圈通入交流電來(lái)勵(lì)磁（變壓器、交流電動(dòng)機(jī)及各種交流電器的線圓都是由交流電勵(lì)磁的）。圖3.8是交流鐵芯線圈電路，線圈的匝數(shù)為N，線圈的電阻為R，當(dāng)在線圈兩端加上交流電壓時(shí)，磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的磁通絕大部分通過(guò)鐵芯而閉合，此外還有很少的一部分磁通經(jīng)過(guò)空氣或其他非導(dǎo)磁介質(zhì)而閉合，這部分磁通稱為漏磁通。1.交流鐵芯線圈

圖3.8交流鐵芯線圈電路

交流鐵心線圈的功率損耗:銅損、鐵損

2.功率損耗

線圈電阻R上的功率損耗稱銅損，用

Pcu表示。第1種：銅損（

Pcu）

Pcu=RI2第2種：鐵損（

PFe）

鐵心內(nèi)的功率損耗稱鐵損，用

PFe

表示。磁滯損耗渦流損耗鐵損（

PFe）1.渦流：交變磁通在鐵心內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流。感應(yīng)電流在垂直于磁通的平面內(nèi)呈螺旋狀。

渦流損耗（

Pe）

2.渦流損耗:

渦流使鐵心發(fā)熱所產(chǎn)生的功率損耗。渦流3.減少渦流損耗措施：①提高鐵心的電阻率，減小渦流。②鐵心用彼此絕緣的硅鋼片疊成，把渦流限制在較小的截面內(nèi)。1.大小：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)的磁滯損耗正比于磁滯回線的面積。

磁滯損耗（

Ph）

2.產(chǎn)生原因：鐵磁材料內(nèi)部磁疇反復(fù)轉(zhuǎn)向，磁疇間相互摩擦引起鐵心發(fā)熱所造成的損耗。3.減少磁滯損耗的措施：選用軟磁材料制作鐵心。綜上所述：交流鐵心線圈電路的功率損耗為：3.2

變壓器3.2.1變壓器的分類3.2.2變壓器的基本結(jié)構(gòu)3.2.3變壓器的工作原理變壓器的類型很多，根據(jù)用途分類有：用于遠(yuǎn)距離輸電、配電的電力變壓器，用于機(jī)床局部照明和控制用的控制變壓器，用于電子設(shè)備和儀表供電的電源變壓器，用于傳輸信息的耦合變壓器等；根據(jù)變壓器輸入端電源的相數(shù)分有：?jiǎn)蜗嘧儔浩骱腿嘧儔浩鲀深悾焊鶕?jù)變壓器電壓的升降分有：升壓變壓器和降壓變壓器兩類。3.2.1變壓器的的分類3.2.2變壓器的基本結(jié)構(gòu)

一次、二次繞組互不相連，能量的傳遞靠磁耦合。i1+–u1i2+–u2二次繞組N2變壓器的符號(hào)結(jié)構(gòu)示意圖一次繞組N1鐵心：由硅鋼片疊成厚0.35mm至0.5mm幾種常見(jiàn)的鐵心形狀按鐵心和繞組的組合方式來(lái)分心式殼式3.2.3變壓器的工作原理

變壓器的空載運(yùn)行是指一次繞組與電源相連，二次繞組開(kāi)路（不接負(fù)載）的運(yùn)行方式，如圖3.11所示。1.空載運(yùn)行圖3.11變壓器的空載運(yùn)行

K為變壓比

電壓變換作用：改變?cè)褦?shù)比，就能改變輸出電壓1.一、二次繞組上電壓的比值等于兩者的匝數(shù)比。2.一、二次繞組匝數(shù)不同時(shí)，變壓器就可以把某一數(shù)值的交流電壓變換成同頻率的另一數(shù)值的電壓，這就是變壓器的電壓變換作用。3.當(dāng)一次繞組匝數(shù)N1比二次繞組匝數(shù)N2多時(shí)，K＞1，此為降壓變壓器；反之，若N1＜N2，K＜1，則為升壓變壓器?？梢?jiàn)，變壓器空載運(yùn)行時(shí)：例3-2變壓器鐵心截面積為150cm2，鐵心中磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值不能超過(guò)1.2T，若要用它把6000V工頻交流電變換為230V的同頻率交流電，則應(yīng)配多少匝數(shù)的一、二次繞組？解:

鐵心中磁通的最大值一次繞組的匝數(shù)為二次繞組的匝數(shù)為3.2.3變壓器的工作原理

變壓器的負(fù)載運(yùn)行是指一次繞組與電源相連，二次繞組接負(fù)載的運(yùn)行方式，如圖3.12所示。2.負(fù)載運(yùn)行圖3.12變壓器的負(fù)載運(yùn)行

結(jié)論：一、二次側(cè)電流與匝數(shù)成反比3.2.3變壓器的工作原理

一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)接負(fù)載。3.阻抗變換圖3.11變壓器的負(fù)載運(yùn)行

3.2.3變壓器的工作原理3.阻抗變換

阻抗變換作用：變壓器一次側(cè)的等效阻抗，為二次側(cè)所帶負(fù)載阻抗的K

2

倍

。通過(guò)選擇合適的K，可把實(shí)際負(fù)載阻抗變換為所需的數(shù)值例3-3交流信號(hào)源的電壓US=120V，內(nèi)阻R0=800

，負(fù)載電阻為RL=8

。試求:（1）當(dāng)折算到一次側(cè)的等效電阻時(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)載直接接到信號(hào)源時(shí)，信號(hào)源輸出功率是多少?解:

（1）變壓器的匝數(shù)比應(yīng)為信號(hào)源的輸出功率為（2）當(dāng)將負(fù)載直接接到信號(hào)源上時(shí)3.2.3變壓器的工作原理

當(dāng)一次側(cè)電壓U1和負(fù)載功率因數(shù)cos

2保持不變時(shí)，二次側(cè)輸出電壓U2隨負(fù)載電流變化的曲線稱變壓器的外特性。4.變壓器的外特性在一定程度上，電壓調(diào)整率可以反映出變壓器的供電品質(zhì)，是衡量變壓器性能的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。不同性質(zhì)的負(fù)載的

曲線如圖3.14所示。

圖3.14變壓器的外特性3.2.3變壓器的工作原理

銅損(

PCu)：繞組導(dǎo)線電阻的損耗。5.變壓器的損耗與效率

鐵損(

PFe)磁滯損耗：磁滯現(xiàn)象引起鐵心發(fā)熱。渦流損耗：交變磁通在鐵心中產(chǎn)生的感

應(yīng)電流(渦流)造成的損耗。變壓器的效率

(

)輸出功率輸入功率在額定負(fù)載時(shí)，小型變壓器

在60%～90%,大型變壓器

在96%～99%，但輕載時(shí)效率都很低。變壓器效率

與負(fù)載的關(guān)系在不到額定負(fù)載時(shí)，出現(xiàn)

的最大值。應(yīng)避免長(zhǎng)期輕載運(yùn)行或空載運(yùn)行。3.2.3變壓器的工作原理

（1）額定電壓U1N、U2N

6.變壓器的額定值

一次定電壓U1N是根據(jù)絕緣程度和允許發(fā)熱所規(guī)定的加在一次繞組上的工作電壓有效值。二次額定電壓U2N是指在電力系統(tǒng)中一次側(cè)施加額定電壓時(shí)的二次側(cè)空載電壓有效值。

在儀器儀表中是指一次側(cè)施加額定電壓時(shí)，二次側(cè)接額定負(fù)載輸出電壓有效值。3.2.3變壓器的工作原理

（2）額定電流I1N、I2N

6.變壓器的額定值

變壓器連續(xù)運(yùn)行時(shí)，一次、二次繞組允許通過(guò)的最大電流有效值。

額定容量是指變壓器二次額定電壓和額定電流的乘積，即二次額定視在功率

（3）額定容量反映了變壓器傳送電功率的最大能力實(shí)際允許輸出的最大功率還與負(fù)載的功率因數(shù)有關(guān)3.2.3變壓器的工作原理

（4）額定頻率

fN6.變壓器的額定值

變壓器應(yīng)接入的電源頻率，我國(guó)：fN=50Hz

選用變壓器時(shí)，必須使一次側(cè)額定電壓符合電源電壓，二次側(cè)額定電壓滿足負(fù)載要求，額定容量等于或稍大于負(fù)載所需的視在功率，額定頻率符合電源的頻率和負(fù)載的要求。例如要購(gòu)買一只變壓器，必須明確額定容量和一、二次側(cè)的額定電壓，還要知道額定頻率。

選用變壓器的基本方法例3-4有一臺(tái)照明變壓器，額定容量SN=100V·A，額定電壓U1N/U2N=220V/36V。鐵心用硅鋼片疊成，截面積A＝15cm2，磁感應(yīng)強(qiáng)度的飽和值Bm=1.1T，取二次繞組空載電壓Ｕ20為U2N的1.05倍。試求變壓器一、二次繞組匝數(shù)Ｎ1、Ｎ2及其額定電流Ｉ1N和Ｉ2N。解:

變壓器主磁通最大值二次繞組的匝數(shù)為一次繞組的額定電流為一次繞組的匝數(shù)為二次繞組的額定電流為3.2.3變壓器的工作原理

變壓器繞組的極性是指變壓器原、副邊繞組在同一磁通的作用下所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之間的相位關(guān)系，取決于繞組的繞向，繞向的改變，極性也會(huì)改變。7.變壓器繞組的極性同極性端（同名端）：是指變壓器各繞組電位瞬時(shí)極性相同的端點(diǎn)。1、3（或2、4）端為同名端1、4（或2、3）端為異名端

異極性端（異名端）：是指變壓器各繞組電位瞬時(shí)極性相反的端點(diǎn)。判定同名端方法：(1)假設(shè)主磁通向某方向增大，根據(jù)楞次定律判斷出每個(gè)繞組產(chǎn)生感應(yīng)電流的方向，同為流出（或流入）端為同名端。

同極性端用“?”表示。同名端與繞組繞向有關(guān)。(2)假設(shè)電流從每個(gè)繞組的同名端流入（或流出），則根據(jù)右螺旋定則判斷出在鐵心中產(chǎn)生的磁通方向應(yīng)該相同。(3)若繞組繞向看不清，同名端可用實(shí)驗(yàn)判定。3.3

常用變壓器3.3.1三相變壓器3.3.2自耦變壓器3.3.3電壓互感器3.3.4電流互感器3.3.1三相變壓器3個(gè)心柱，各套一相的一、二繞組，以及油箱，油柜，油位表，防爆管。另有干式不浸油中。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

高壓繞組：U1-U2V1-V2W1-W2低壓繞組：u1-u2v1-v2w1-w2U2、V2

、W2

：尾端U1、V1、W1

：首端u1、v1、w1

：首端u2、v2

、w2

：尾端連接方式星形連接：用Y、y表示；三角形連接：用D、d表示。高壓側(cè)：用大寫字母表示；低壓側(cè)：用小寫字母表示。星形連接并有中線引出：用YN、yn表示；常見(jiàn)2種：（a）Y,yn聯(lián)結(jié)（b）Y,d聯(lián)結(jié)Y，yn聯(lián)結(jié):線電壓之比：Y，d聯(lián)結(jié):（a）Y,yn聯(lián)結(jié)（b）Y,d聯(lián)結(jié)(3)三相電力變壓器的額定容量是指三相總額定容量：(1)三相電力變壓器的額定電壓U1N/U2N是和額定電流I1N/I2N是指線電壓和線電流。

(2)三相電力變壓器的二次側(cè)額定電壓是指變壓器一次側(cè)施加額定電壓U1N時(shí)二次側(cè)的空載電壓。額定值例3-5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50KV·A,問(wèn)是否允許接入一臺(tái)額定電壓為400V,額定功率為45KW,額定功率因數(shù)為0.87的三相負(fù)載？解：變壓器二次額定電流為負(fù)載所需電流為IL>I2N,已超載，不允許接入該負(fù)載3.3.2自耦變壓器一、二次側(cè)共用一個(gè)繞組，低壓繞組為高壓繞組的一部分。因?yàn)镹1、N2為一、二次繞組匝數(shù)，被同一主磁通穿過(guò)，所以電壓仍與匝數(shù)成正比，滿載時(shí)電流仍與匝數(shù)成反比T圖形符號(hào)圖3.20自耦變壓器的工作原理

缺點(diǎn):一、二次繞組之間既有磁的聯(lián)系又有電的聯(lián)系，要注意安全。

自耦變壓器給攜帶式行燈提供36V接線圖。優(yōu)點(diǎn):用料少，體積小，重量輕，成本低與普通變壓器相比：

分為單相和三相兩種。2.自耦調(diào)壓器單相自耦調(diào)壓器

實(shí)用中，常將鐵心做成圓形，二次側(cè)抽頭做成滑動(dòng)的，改變滑動(dòng)端的位置，可得到不同的輸出電壓。這種自耦變壓器又稱為自耦調(diào)壓器。將220V調(diào)到0~