电工学 第六章 铁心线圈与变压器

1、学习内容学习内容n 交流、直流铁心线圈交流、直流铁心线圈n 变压器变压器1第六章第六章 铁心线圈和变压器铁心线圈和变压器由磁性材料组成的、使磁感线集中通过的路径称由磁性材料组成的、使磁感线集中通过的路径称为磁路。为磁路。 磁性材料也称铁磁物质，以铁、钴、镍为代表，磁性材料也称铁磁物质，以铁、钴、镍为代表，或是他们的合金。或是他们的合金。 由铁磁材料制作成一定形状的铁心，铁心的磁由铁磁材料制作成一定形状的铁心，铁心的磁导率比周围空气导率比周围空气 或其他物质磁导率高得多，磁或其他物质磁导率高得多，磁感线大部分汇聚于铁心中。感线大部分汇聚于铁心中。 26.1 交流、直流铁心线圈交流、直流铁心线圈

2、磁性物质的分类：磁性物质的分类： 硬磁物质、软磁物质、矩磁物质硬磁物质、软磁物质、矩磁物质。 铁磁物质的磁化曲线是磁感应强度铁磁物质的磁化曲线是磁感应强度B与磁场强度与磁场强度H之间的关系曲线。之间的关系曲线。 36.1 交流、直流铁心线圈交流、直流铁心线圈 铸铁和硅铸铁和硅钢的磁化钢的磁化曲线曲线 H H 与与 B B 的区别：的区别： (1)(1) H H I I，与介质的性质无关。单位：，与介质的性质无关。单位：A / mA / m(2)(2) B B 与电流的大小和介质的性质均有关。与电流的大小和介质的性质均有关。 单位：特斯拉（单位：特斯拉（T T）。）。 磁感应强度磁感应强度B描述

3、描述磁场磁场强弱和方向的强弱和方向的物理量物理量，是，是矢量矢量，常用符，常用符号号B B表示。磁感应强度也被称为表示。磁感应强度也被称为磁通量磁通量密度或密度或磁通磁通密度密度。 磁场强度磁场强度H单位正电荷在磁场中所受的力被称为磁场强度单位正电荷在磁场中所受的力被称为磁场强度46.1 交流、直流铁心线圈交流、直流铁心线圈 非铁磁材料的磁导率接近此值，而且不变。非铁磁材料的磁导率接近此值，而且不变。 而铁磁材料的磁导率则远大于此值，而且可变。而铁磁材料的磁导率则远大于此值，而且可变。 磁导率磁导率 是用来表示媒质导磁能力的物理量。是用来表示媒质导磁能力的物理量。 BH = （H / m） 真

4、空中的磁导率：真空中的磁导率： 0 = 4 107 H / m 56.1 交流、直流铁心线圈交流、直流铁心线圈 i 0 ， r 1 常用磁性材料的磁导率常用磁性材料的磁导率 铸钢：铸钢： 1 000 0 硅钢片：硅钢片： (6 000 7 000) 0 坡莫合金：坡莫合金： (20 000 200 000) 0 磁性物质的高导磁性磁性物质的高导磁性 被广泛应用于变压器被广泛应用于变压器 和电机中。和电机中。u主磁通主磁通 漏磁通漏磁通 铁心铁心 励磁绕组励磁绕组 主磁通主磁通 漏磁通。漏磁通。 66.1 交流、直流铁心线圈交流、直流铁心线圈B HO 初始磁化曲线初始磁化曲线 剩磁剩磁 矫顽矫顽

5、 磁力磁力 HmHm Hc Hc B HOBrBr 磁滞回线磁滞回线BHO 基本磁基本磁 化曲线化曲线 76.1 交流、直流铁心线圈交流、直流铁心线圈lH d IlH d86.1 交流、直流铁心线圈交流、直流铁心线圈lINH 或或96.1 交流、直流铁心线圈交流、直流铁心线圈x xHdlH lNII NIHx l IlH d106.1 交流、直流铁心线圈交流、直流铁心线圈xxlNIH 116.1 交流、直流铁心线圈交流、直流铁心线圈lSlHlNI B IlH d126.1 交流、直流铁心线圈交流、直流铁心线圈mRF SlNI mRF 136.1 交流、直流铁心线圈交流、直流铁心线圈SlR mS

6、lNIRF mSlR SlEREI 146.1 交流、直流铁心线圈交流、直流铁心线圈156.1 交流、直流铁心线圈交流、直流铁心线圈 磁路中的空气隙磁路中的空气隙因为磁路中铁心磁导率因为磁路中铁心磁导率远大于空气磁导率，即：远大于空气磁导率，即： 1 1 0 0 ，所以空气中的所以空气中的磁阻磁阻 R Rm0m0 铁心的磁阻铁心的磁阻R Rm1m1。当当F F 一定时，一定时， 因空气隙因空气隙的磁阻的磁阻 R Rm0 m0 的存在，使的存在，使 大大减小。大大减小。 若要保持若要保持 一定，则需一定，则需增大磁通势增大磁通势 F F 。166.1 交流、直流铁心线圈交流、直流铁心线圈 U S

7、 N N SIF U I N I URI =(1) 电压与电流的关系电压与电流的关系 (2) 线圈的功率：线圈的功率： P = R I 2 衔铁吸合后衔铁吸合后磁阻磁阻 I 不变不变 B 0mINRR 176.1 交流、直流铁心线圈交流、直流铁心线圈 u i Ni e d dt=N d dte =N didt=L (1) 电压与电流关系电压与电流关系设设 = m sin t则则 e =N m cos t = N m sin( t90o) Em = N m = 2 f N m u i f e 186.1 交流、直流铁心线圈交流、直流铁心线圈E = 4.44 f N m 漏磁通磁路对应的电感漏磁通

8、磁路对应的电感 N iL = 漏感抗（漏电抗）漏感抗（漏电抗） X =L = 2 f L U = URE E =Ej L IRI =E(Rj L ) I =EZ I 漏阻抗漏阻抗 E =j4.44 f Nm u i e 196.1 交流、直流铁心线圈交流、直流铁心线圈U =E 忽略漏阻抗，有忽略漏阻抗，有U4.44 f N m= 则则 当当 U 、f 一定时，一定时， m 基本不变。基本不变。 (2) 功率功率视在功率视在功率: S = U I无功功率无功功率: Q = S sin 有功功率有功功率: P = S cos = PCuPFe 铜损耗铜损耗 铁损耗铁损耗= RI2 +( PhPe

9、)磁滞损耗磁滞损耗 涡流损耗涡流损耗 206.1 交流、直流铁心线圈交流、直流铁心线圈 磁滞损耗磁滞损耗 Ph 涡流损耗涡流损耗 Pe 铁损耗使铁心发热。铁损耗使铁心发热。 减小铁损耗的方法减小铁损耗的方法 使用软磁材料减小使用软磁材料减小Ph ； 增大铁心的电阻率，增大铁心的电阻率， 减小涡流及其损耗减小涡流及其损耗 ；用很薄的硅钢片叠成铁心，用很薄的硅钢片叠成铁心， 减小涡流及其损耗减小涡流及其损耗 。(a) (b) 216.1 交流、直流铁心线圈交流、直流铁心线圈 变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛。子线路中应用广泛。变电

10、压：变电压：电力系统电力系统 变阻抗：变阻抗：电子线路中的阻抗匹配电子线路中的阻抗匹配变电流：变电流：电流互感器电流互感器 ： 在能量传输过程中，当输送功率在能量传输过程中，当输送功率P =UI cos 及及负载功率因数负载功率因数cos 一定时：一定时：电能损耗小电能损耗小节省金属材料（经济）节省金属材料（经济）U I P = I RlI S226.2 变压器变压器 发电厂发电厂10.5kV输电线输电线220kV升压升压仪器仪器36V降压降压实验室实验室380 / 220V降压降压变电站变电站 10kV降压降压降压降压236.2 变压器变压器 1、变压器的基本结构、变压器的基本结构 用硅钢片

11、叠成。用硅钢片叠成。 一次绕组和二次绕组同心地套在铁心上。一次绕组和二次绕组同心地套在铁心上。 油箱、油、储油柜、绝缘套管、保护设备等。油箱、油、储油柜、绝缘套管、保护设备等。 一、变压器的基本结构与工作原理一、变压器的基本结构与工作原理246.2 变压器变压器变压器的磁路变压器的磁路1u2uLZ1i2i单相变压器单相变压器+由高导磁硅钢片叠成由高导磁硅钢片叠成厚厚0.35mm 或或 0.5mm铁心铁心一次一次绕组绕组N1二次二次绕组绕组N2铁心铁心256.2 变压器变压器 u2 e1 e2 u1ZL i2i1 1 2 电磁关系电磁关系 一次绕组一次绕组 二次绕组二次绕组 用图形符号表示用图形

12、符号表示 的变压器电路的变压器电路 ZL U1I1 I2 U2 E1 E2 2、变压器的工作原理、变压器的工作原理266.2 变压器变压器= E1Z1I1U2 = ZLI2 E1 =j4.44 f N1 m U1 =E1(R1jX1 ) I1 2. 二次侧电压方程二次侧电压方程 E2 =j4.44 f N2 m = E2Z2I2 U2 = E2(R2jX2 ) I2 U1E1U2E2276.2 变压器变压器 规定规定 U1 = U1N 时时， U20 = U2N 。 如铭牌上标注：如铭牌上标注： 10000 / 230 V U1N / U2N= N1 N2E1 E2k = I2 = 0I1 =

13、 I010% I1N U2 = U20 = E2U1E1 = = k U1U2 N1N2变压器空载时变压器空载时 ： 一般一般 U2N 比满载时的比满载时的 电压高电压高 5% 10% 。 286.2 变压器变压器U1NE1 = 4.44 f N1m U1N4.44 f N1m N1I1N2I2 = N1I0 磁通势平衡方程：磁通势平衡方程： I1 = I2 N2N1N1I1N2I2 = 0 忽略忽略 I0： I1I2N2N1= =1k296.2 变压器变压器忽略忽略 Z1、Z2 、I0 ，则，则 = U1U2I2I1 = N1N2= k = kU2I2/ kU2I2= k2|Ze | = U

14、1I1|Ze | = k2 | ZL |U1I1I2U2ZLZeU1I1306.2 变压器变压器信号源信号源IER0RL+IE1N2U2ILR2N+如图，交流信号源的电动势如图，交流信号源的电动势 E= 120V，内阻，内阻 R 0=800 ，负载为扬声器，其等效电阻为负载为扬声器，其等效电阻为RL=8 。要求要求:（1）当）当RL折算到原边的等效电阻折算到原边的等效电阻 时，时， 求变压器的匝数比和信号源输出的功率；（求变压器的匝数比和信号源输出的功率；（2）当）当将负载直接与信号源联接时将负载直接与信号源联接时,信号源输出多大功率？信号源输出多大功率？0RR L316.2 变压器变压器：1

15、08800LL21 RRNNK326.2 变压器变压器 W548008008001202L2L0.RRREP 信号源信号源IER0RL+0LRR 20212080.176 8008LLEPRRRW （2，为：为：336.2 变压器变压器信号源信号源IER0RL+U2 = E2Z2I2 当当 U1 = U1N，cos 2 不变时：不变时： U2 = f ( I2) U2 I2OU2Ncos 2 =1cos 2 = 0.8 (感性感性)cos 2 = 0.8 (容性容性)U = U2NU2 U2N100% 电力变压器：电力变压器： U U 5% 电压调整率电压调整率 346.2 变压器变压器 U1

16、N ，U2N I1N，I2N SN = U2NI2N = U1NI1N P2 = U2I2cos 2 可变损耗可变损耗 (1) 铜损耗铜损耗 PCu = R1I12 + R2I22(2) 铁损耗铁损耗 PFe = PhPe P1P2 =100%不变损耗不变损耗 小型电力变压器小型电力变压器 = 80% 90% 大型电力变压器大型电力变压器 = 98% 99% P = PFePCu 356.2 变压器变压器1.绕组的极性与连接绕组的极性与连接 (a) 绕向相同绕向相同 U1 与与 u1 是同极性端是同极性端 (同名端同名端) U1 与与 u2 是异极性端是异极性端 (异名端异名端) U1 U2

17、u1u2 (b) 绕向相反绕向相反 U1 与与 u2 是同极性端是同极性端 (同名端同名端) U1 与与 u1 是异极性端是异极性端 (异名端异名端) U1 U2 u1u2三、变压器的使用三、变压器的使用366.2 变压器变压器 (a) 绕向相同绕向相同 (b) 绕向相反绕向相反 绕组极性的标注方法绕组极性的标注方法 U1U2u1u2U1U2u2u1376.2 变压器变压器110V110V220V (a) 绕组的串联绕组的串联 (b) 绕组的并联绕组的并联 绕组的正确接法绕组的正确接法 110V110V110V386.2 变压器变压器axAaAXUUU、测量：测量： 若若 说明说明 A 与与

18、x 或或 X 与与 a 是是同极性端同极性端.axAXAaUUU axAXAaUUU VaAXxVAXu+2.极性的测定方法极性的测定方法396.2 变压器变压器Xx电流表电流表+_A a+SAXax+_S2e+406.2 变压器变压器 三相变压器、单相变压器。三相变压器、单相变压器。 双绕组变压器、三绕组变压器、自耦变压器。双绕组变压器、三绕组变压器、自耦变压器。 心式变压器、壳式变压器。心式变压器、壳式变压器。 干式干式变压器变压器、油浸式、油浸式变压器变压器。416.2 变压器变压器 心式变压器心式变压器 铁心铁心 绕组绕组 壳式变压器壳式变压器 铁心铁心 绕组绕组 426.2 变压器变

19、压器 S9 型型 10 kV 三相油浸配电变压器三相油浸配电变压器 436.2 变压器变压器 树脂浇注干式变压器树脂浇注干式变压器 446.2 变压器变压器三相变压器三相变压器 U1 U2u1 u2V1 V2v1 v2W1 W2w1 w2 特点：三相之间只有电的联系，没有磁的联系。特点：三相之间只有电的联系，没有磁的联系。 45U1U2u1u2V1V2v1v2W1W2w1w2 特点：三相之间既有电的联系，又有磁的联系。特点：三相之间既有电的联系，又有磁的联系。 46 连接方式连接方式 高压绕组高压绕组 低压绕组低压绕组 星形有中性线星形有中性线 YN yn 星形无中性线星形无中性线 Y y 三角形三角形 D dGB: Yyn、Yd、YNd、Yy、YNy最常用的三种最常用的三种 47U1 U2= = ku N1 N2 国产互感器：国产互感器： U2N = 100 V(1) 二次绕组禁止短路。二次绕组禁止短路。(2) 二次绕组与铁心必须接地。二次绕组与铁心必须接地。 空载运行的降压变压器。空载运行的降压变压器。 u1 Vu1u2特殊用途的变压器特殊用途的变压器486.2 变压器变压器 E2 短路运行的升压变压器。短路运行的升压变压器。 I1 I2 = = ki N2 N1 国产互感器：国产互感器： I2N = 5 A (1) 二次绕组禁止开路。二次绕组禁止开