學習情境3認識變壓器3.1

鐵芯線圈、磁路3.2變壓器3.3實用中的常見變壓器主要內容了解變壓器的基本結構組成；了解變壓器的用途；了解變壓器變換電壓、變換電流及變換阻抗的工作原理。基本要求學習情境3認識變壓器學習情境3認識變壓器變壓器：是一種靜止電器,它通過線圈間的電磁感應,將一種電壓等級的交流電能轉換成同頻率的另一種電壓等級的交流電能3.1鐵芯線圈、磁路3.1.1磁路的基本物理量電流→磁場→用磁力線描述磁路：磁場中磁力作用的通路。磁場的強弱和方向：在磁路中可以用磁力線定性描述。磁路的基本物理量：磁感應強度、磁通、磁導率和磁場強度。3.1.1磁路的基本物理量磁感應強度B:

表示磁場內某點磁場強弱和方向的物理量。B的方向:

與電流的方向之間符合右手螺旋定則。B的單位:

特斯拉(T)，和高斯（Gs）均勻磁場:

各點磁感應強度大小相等，方向相同的

磁場，也稱勻強磁場。1T=104Gs

磁感應強度3.1.1磁路的基本物理量磁通φ：垂直穿過某一面積S的磁力線的總根數。單位：韋伯(Wb)和麥克斯韋(簡稱麥，Mx)。1Wb=108MxSF

或

BS=F磁通3.1.1磁路的基本物理量磁導率

：用來衡量物質導磁性能的物理量。

的單位：亨/米（H/m）真空的磁導率為常數，用

0表示，有：相對磁導率

r：非鐵磁材料的相對磁導率約等于1；而鐵磁材料的

r?1。磁場強度磁場強度H：磁感應強度B與該處物質的磁導率之比：H的單位：安/米(A/m)或安/厘米(A/cm)磁導率3.1.2磁路歐姆定律＋u－i磁通鐵芯鐵芯的磁導率比周圍空氣或其它物質的磁導率高的多，磁通的絕大部分經過鐵芯形成閉合通路，磁通的閉合路徑稱為磁路。磁通勢:電流i與線圈匝數的乘積（磁動勢）Fm=IN電路部分:由電源和繞組構成磁路部分:由鐵芯構成。3.1.2磁路歐姆定律磁路歐姆定律把電路與磁路進行比較：電路中的電流I、電動勢E和電阻R對應于磁路中磁通Φ、磁動勢Fm和磁阻Rm。因此，磁路中的磁動勢、磁通和磁阻三者之間的關系可比照電路歐姆定律寫作：上式表明，磁通Φ與磁動勢Fm成正比，與磁阻Rm成反比。磁阻Rm因磁導率μ是一個變量，因此磁阻Rm不是常數。3.1.3鐵磁材料的磁性能1、高導磁性外磁場磁疇磁疇：鐵磁材料內部的小天然磁性區(qū)域。在沒有外磁場作用的普通磁性物質中，各個磁疇排列雜亂無章，磁場互相抵消，整體對外不顯磁性。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，物質整體顯示出磁性來，稱為磁化。鐵磁材料的磁疇與磁化3.1.3鐵磁材料的磁性能由實驗測出鐵磁材料的磁化曲線B-HbcBHao3.1.3鐵磁材料的磁性能高導磁性：在外磁場的作用下，鐵磁材料被強烈磁化而呈現(xiàn)出很強的磁性。如曲線的ab

段。高導磁性被廣泛地應用于電機、變壓器等電工設備中。2、磁飽和性：

H

增加，B幾乎不再增加的現(xiàn)象。如曲線的過c段。B-HbcBHao3.1.3鐵磁材料的磁性能磁滯回線OHB????BrHc3、磁滯性：

B的變化滯后于H的變化。磁滯回線：鐵磁材料在交變磁場中反復磁化，其B-H關系曲線是一條回形閉合曲線，這條閉合線稱為磁滯回線。剩磁性：當線圈中電流減小到零(H=0)時，鐵磁材料中的B并不為零的現(xiàn)象。剩磁：用

Br表示，圖中的oc段和of段。嬌頑磁力Hc：使B=0所需的H值。圖中的od段和og段。abcdefg3.1.4鐵磁材料的分類和用途磁性材料分為三種類型：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、電器及變壓器等的鐵心。常用的有鑄鐵、硅鋼片、鐵氧體等。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。矩磁材料

只要受較小的外磁場作用就能磁化到飽和，當外磁場去掉，磁性仍保持，磁滯回線幾乎成矩形。在計算機和控制系統(tǒng)中用作記憶元件、開關元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體及1J51型鐵鎳合金等。3.1.5鐵芯損耗磁滯損耗：因磁滯現(xiàn)象而產生一些功率損耗，從而使鐵磁材料發(fā)熱，這種損耗叫磁滯損耗。渦流損耗：由于渦流引起的功率損耗。減少渦流損耗措施：提高鐵心的電阻率；鐵芯用彼此絕緣的鋼片疊成；把渦流限制在較小的截面內。3.1.6主磁通原理＋u－i線圈兩端所加電壓為正弦量，根據法拉第電磁感應定率，線圈上的感應電壓：電源電壓有效值與自感電壓有效值近似相等。因此：主磁通原理：對交流鐵芯線圈而言，當外加電壓有效值U與頻率f一定時，鐵芯中工作主磁通的最大值φm將始終維持不變。電磁鐵銜鐵鐵心鐵心線圈線圈銜鐵結構：線圈、鐵心、銜鐵利用電磁力實現(xiàn)某一機械發(fā)生動作的電磁元件。3.1.6主磁通原理【例3.1】一個交流電磁鐵，因出現(xiàn)機械故障，造成通電后銜鐵不能吸合，結果把線圈燒壞，試分析其原因。【解】由主磁通原理可知，當線圈兩端電壓有效值U及電源頻率f不變時，鐵芯磁路中工作主磁通的最大值φm基本保持不變。因此，根據磁路歐姆定律進行分析：銜鐵不能吸合使磁路中始終存在一個氣隙，氣隙雖小卻造成磁路的磁阻Rm大大增加，電源必須增大電流以產生足夠的磁動勢IN，以保持φm基本不變。這種情況下，線圈中的電流要超出正常值很多倍，將很快導致線圈過熱而燒壞。3．功率損耗Nie

–+u–+e–+

(1)鐵心損耗磁滯損耗：鐵心反復磁化時所消耗的功率。渦流損耗

在鐵心中產生的感應電流而引起的損耗。

鐵心損耗=磁滯損耗+渦流損耗(2)銅損耗線圈電阻產生的損耗PCu

=I2R思考與練習1.磁通Φ、磁導率μ、磁感應強度B和磁場強度H分別表征了磁路的哪些特征？這些描述磁場的物理量單位上有何不同？其中B和H的概念有何異同？2.根據物質導磁性能的不同，自然界中的物質可分為幾類？它們在相對磁導率上的區(qū)別是什么？鐵磁材料具有哪些磁性能？3.銅和鋁能夠被磁化嗎？為什么？4.根據工程上用途的不同，鐵磁材料可分為幾類?試述他們的特點和用途。5.何謂鐵損？什么是磁滯損耗？什么是渦流損耗？6.電機、電器的鐵芯通常為什么做成閉合的？如果鐵芯回路中存在間隙，對電機、電器有何影響？3.2變壓器3.2.1變壓器的基本結構鐵心

繞組

鐵心

繞組

變壓器由鐵心和繞組構成心式變壓器殼式變壓器u203.2.1變壓器的基本結構N1i1原繞組副繞組Axu1axS|ZL|i2N2變壓器的繞組構成其電路部分：與電源相接的繞組稱為原邊（或原繞組，一次繞組），原邊的首、尾端通常用“A”、“X”表示；與負載相接的繞組稱為副邊（或副繞組，二次繞組），用“a”、“x”表示。原邊各量一般采用下標“1”，副邊各量采用下標“2”。3.2.1變壓器的基本結構u20N1i1Axu1axSi2N2鐵芯構成變壓器的磁路部分。為減少鐵芯中的磁滯損耗和渦流損耗，常用0.35～0.5mm厚的硅鋼片疊壓制成變壓器鐵芯。變壓器磁路的作用是利用磁耦合關系實現(xiàn)能量的傳遞。鐵芯AXax|ZL|變壓器符號3.2.2變壓器的工作原理1.變壓器的空載運行與變換電壓的作用空載運行：原繞組接交流電源，副繞組開路的運行狀態(tài)。原繞組接交流電源u1→原邊通過的電流為空載電流i10很小為額定電流的3%～8%。→產生磁通→產生自感電壓uL1

，其有效值為：常可認為電源電壓U1≈UL1。鐵芯中的主磁通Φ穿過副邊時產生互感電壓uM2，互感電壓的有效值為：副邊開路電流為零，因此空載時副邊不存在損耗，有U20=UM2。3.2.2變壓器的工作原理變壓器空載情況下原、副邊電壓的比值為：式中k稱為變壓比，簡稱變比。結論：變壓器有變換電壓的作用，且電壓大小與匝數成正比。

當k>1時為降壓變壓器；當k<1時為升壓變壓器。3.2.2變壓器的工作原理【例4-2】一臺SN=600kVA的單相變壓器，接在U1=10kV的交流電源上，空載運行時它的副邊電壓U20=400V。試求變比k=?若已知N2=32匝，求N1=?【解】

根據變比公式可得：3.2.2變壓器的工作原理【例4-3】一臺35kV的單相變壓器接于工頻交流電源上，已知副邊空載電壓U20=6.6kV,鐵芯截面積為1120cm2，若選取鐵芯中磁感應強度Bm=1.5T時，求變壓器的變比及原、副邊的匝數N1和N2。【解】變比為：主磁通為：匝數為：3.2.2變壓器的工作原理2.變壓器的負載運行與變換電流的作用u2N1i1Axu1axSi2N2|ZL|變壓器在負載運行狀況下，副邊感應電壓u2將在負載回路中激發(fā)電流i2,由于i2的大小和相位主要取決于負載的大小和性質，因此常把i2稱為負載電流。3.2.2變壓器的工作原理2.變壓器的負載運行與變換電流的作用若U1、f不變，則鐵心中主磁通的最大值m在變壓器空載和有載時近似保持不變。即有空載：；有載：則有磁勢平衡式：由于i10很小可忽略不計可推出變壓器負載運行時的原、副邊電流有效值的關系為：結論：變壓器有變換電流作用，且電流大小與匝數成反比。3.2.2變壓器的工作原理3.變壓器的變換阻抗作用+–+–|ZL|+–|Z1|結論：變壓器原邊的等效阻抗，為副邊所帶阻抗的K2

倍。3.2.2變壓器的工作原理【例3.4】已知某收音機輸出變壓器的原邊匝數N1=600匝，副邊匝數N2=30匝，原來接有阻抗為16Ω的揚聲器，現(xiàn)要改裝成4Ω的揚聲器，求副邊匝數應改為多少？【解】分析接=16Ω揚聲器時，已達到阻抗匹配，原變比為：k=N1/N2=600/30=20改裝成=4Ω的揚聲器后，新變比為：因此3.2.3變壓器的外特性變壓器的外特性：描述輸出電壓u2隨負載電流i2變化的關系。當負載性質為純電阻時，功率因數cosφ2=1,u2隨i2的增加略有下降；若功率因數cosφ2=0.8為感性負載時，u2隨i2增加下降的程度加大；當cos（-φ2）=0.8為容性負載時，u2隨i2的增加反而有所增加。由此可見，負載的功率因數對變壓器外特性的影響是很大的。3.2.4電壓調整率電壓調整率：變壓器由空載到滿載（額定I2N）時，副邊輸出電壓u2的變化程度，即滿載電壓空載電壓一般變壓器的漏阻抗很小，故電壓調整率不大，約為2%～3%。若負載的功率因數過低時，會使電壓調整率大為增加，負載電流此時的波動必將引起供電電壓較大的波動，給負載運行帶來不良的影響。3.2.5變壓器的損耗和效率變壓器的損耗：主要包括鐵損耗和銅損耗，即鐵損耗（固定損耗）：變壓器鐵心中的磁滯損耗和渦流損耗。銅損耗（可變損耗）：電流通過變壓器繞組時會產生損耗。效率：變壓器的輸出功率P2與輸入功率P1之比，即控制裝置中的小型電源變壓器效率通常都在80%以上，而電力變壓器的效率一般可達95%以上。

3.3實用中的常見變壓器3.3.1電力變壓器及其用途3.3實用中的常見變壓器3.3.1電力變壓器及其用途電力系統(tǒng)中為了輸電、供電、用電的需要，采用電力變壓器把同一頻率的交流電壓變換成各種不同等級的電壓，以滿足不同用戶的需求。電力變壓器主要用于電力輸配系統(tǒng)中起功率傳送、電壓變換和絕緣隔離作用。我國發(fā)電機輸出電壓，一般有6.3kV、10.5kV、12.5kV幾個等級我國交流輸電電壓，有35kV、110kV、220kV、550kV幾個等級3.3.2自耦變壓器自耦變壓器：只有一個繞組，原繞組的一部分兼做副繞組。兩者之間不僅有磁的耦合，而且還有電的直接聯(lián)系。工作原理：自耦變壓器的原理與普通變壓器相同。實驗室使用的自耦變壓器通常做成可調式的自耦調壓器自耦調壓器外形圖手柄自耦調壓器的最大優(yōu)點是可以通過轉動手柄來獲得所需要的各種電壓，它不僅用于降壓，而且輸出端還可以稍高于原邊的電壓。實驗室中廣泛使用的單相自耦調壓器，輸入電壓為220V，輸出電壓可在0～250V任意調節(jié)。注意：原、副邊千萬不能對調使用，以防損壞。3.3.3電焊變壓器電焊變壓器：一種特殊的降壓變壓器，用于交流電焊機生產中。電焊變壓器的空載電壓為60-80V，當電弧起燃后，焊接電流通過電抗器產生電壓降，使焊接電壓降至25-30V維持電弧工作。交流電焊機示意圖電焊變壓器的外特性3.3.4儀用互感器儀用互感器：專門用來傳遞電壓或電流信息，以供測量或繼電保護裝置使用的特種變壓器，稱為儀用變壓器或儀用互感器。儀用互感器按其用途分類：電壓互感器和電流互感器。電壓互感器：用于測量高電壓的互感器。電流互感器：用于測量大電流的互感器。3.3.4儀用互感器⑴電壓互感器實質上是一種變壓比比較大的降壓變壓器V

N1

N2RLu1u2使用電壓互感器時應注意一下幾點：二次側不允許短路；互感器的鐵芯和二次繞組的一端必須可靠接地；使用時，在二次側并接的電壓線圈或電壓表不宜過多，以免二次側負載阻抗過小，導致一、二次側電流增大，使電壓互感器內阻抗壓降增大，影響測