《电工电子技术基础教学资料》第5章--磁路和变压器

1、电工电子技术基础第5章 磁路和变压器1ppt课件 某小区的变压器发生故障，需要找出故障原因，及时修理。本章就来介绍变压器的工作原理，帮助读者分析故障原因。2ppt课件学习目标：1.了解铁磁材料的磁性能、分类以及应用；2.掌握主磁通原理；3.理解磁路基本定律；4.熟悉变压器的基本结构、工作原理、损耗及功率；5.了解某些特殊用途的变压器；6.熟悉变压器的额定值。第5章 磁路和变压器3ppt课件第5章 磁路和变压器5.1 磁路的基本概念5.1.1 磁路用强磁材料构成的在其中产生一定强度的磁场的闭合回路称为磁路。磁路问题是局限在一定路径内的磁场问题。磁场是物质存在的基本属性之一，是由电流产生的。通常人

2、们用磁感线形象地表示磁场的方向和强弱，习惯上人们用磁通这一物理量来表示通过某一截面积的磁感线总数。磁感线是闭合的曲线，磁感线的方向与产生该磁场电流的方向符合右螺旋定则。如下是关于磁场的基本物理特性。4ppt课件第5章 磁路和变压器1. 磁感应强度B磁感应强度B是表示空间某点磁场强弱和方向的物理量，是一个矢量。其大小可用通过垂直于磁场方向的单位面积内磁感线数目来表示，也可用某点磁场作用于1 m长、通有1 A电流的导体上的力来衡量，可表示为式中：F是电磁力；L是导体的长度；I是通过导体的电流。磁感应强度的方向可用右手螺旋定则来确定。磁感应强度的国际单位为特斯拉，简称特，符号T。5.1 磁路的基本概

3、念5ppt课件第5章 磁路和变压器2. 磁通在均匀磁场中，磁通等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，单位是韦伯（Wb），即3.磁场强度H安培环路定律Hdl=I将流过线圈的电流I与其产生的磁场强度联系起来。当磁感线闭合回路中媒质处处均匀时，有Hl=IN,其中N是线圈匝数；l是线圈的平均长度；IN称为磁动势。H的方向符合右手螺旋定则，单位为安/米(A/m)。5.1 磁路的基本概念磁通反映穿过截面S的磁感线的条数，因此常把磁通称为磁通量。6ppt课件第5章 磁路和变压器4.磁导率不同的物质，其导磁能力不同。磁导率是用来表示物质导磁能力的物理量，单位为亨利/米(H/m)。实验测得，真空的磁导

4、率为一常数，其值为0=410-7H/m。为了便于比较不同磁介质的导磁性能，常把它们的磁导率与真空磁导率0相比较，其比值称为相对磁导率，用r表示。即：r越大，介质的导磁性能就越好。 r远大于1的物质称为铁磁性物质。铁、钴、镍及其合金即为铁磁性物质，其r值很大，从几百到几万。铁磁性物质的r不是常数，它随磁路的饱和而减小。5.1 磁路的基本概念7ppt课件第5章 磁路和变压器5.1.2 磁性材料及磁性能1. 磁性材料物质按其导磁性能大体可分为顺磁性物质、逆磁性物质和铁磁性物质三大类。空气为顺磁性物质，r 1，且接近于1；铜为逆磁性物质，r 1，且接近于1；铁、钴、镍及其合金为铁磁性物质，其r值很大，

5、远大于1，其值可达几百、几千甚至几万。因此，在具有铁磁性材料的铁心线圈中，通入不大的电流，就可产生足够强的磁场，即产生足够大的磁感应强度。5.1 磁路的基本概念电气设备和电磁元件中的导磁系统都是由磁性材料制成的，常用的磁性材料有铁、镍、钴及其合金等。8ppt课件第5章 磁路和变压器（1）高磁导率5.1 磁路的基本概念2. 磁性能磁性材料具有很强的导磁能力，相对磁导率可达102104，由铁磁材料组成的磁路磁阻很小，在线圈中通入较小的电流即可获得较大的磁通。由于磁性材料具有高导磁性，所以各种电机、变压器和电器的电磁系统的铁心都由磁性材料构成。与空心线圈相比，铁心线圈达到一定的磁通或磁感应强度所需的

6、“磁化力”（励磁电流）会大大降低。因此，利用优质的磁芯材料，可使同一电机、变压器的质量和体积大大减轻和减小。（2）磁滞性当铁心线圈中通有大小和方向都变化的电流时，铁心就发生交变磁化，磁感应强度B随磁场强度H变化的关系如图5-1所示。9ppt课件第5章 磁路和变压器5.1 磁路的基本概念（3）磁饱和性磁性材料的导磁性能是在其受磁化后表现出来的，随着磁化作用的加强，磁性材料所产生的磁场强度不会无限制增加。从图5-1曲线可以看出：在Oa段中，B与H几乎按正比例增长；在ab段中，随着H的增长，B增长缓慢，此段称为曲线的膝部；在b段以上，随着H的进一步增长，B几乎不增长，达到饱和状态。几乎所有的磁性材料

7、都具有磁饱和性，由于B与H不成正比例，所以其磁导率不是常数，而是按图5-1曲线变化。由图5-2可知，当H回到零时，B还未回到零，这种磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为铁磁性材料的磁滞性。图5-2曲线称为磁滞回线。在磁滞回线中，Oc段B随H增加而增加，当磁化曲线达到c时，减小电流使H由Hm逐渐减小，B将沿另一条位置较高的曲线b下降。当H=0时，仍有B=Br，Br为剩余磁感应强度，简称剩磁。欲使B=0，需施加反向磁场-Hc，Hc称为矫顽力。当达到-Hm时，磁性材料达到反向磁饱和。再令H反向减小，曲线回升；到H=0时有-Br，为反向剩磁。再使H从零正向增加到Hm，即又正向磁化到饱和，便得到一条闭

8、合的对称于坐标原点的回线，即磁滞回线。10ppt课件第5章 磁路和变压器5.1 磁路的基本概念11ppt课件第5章 磁路和变压器5.1 磁路的基本概念5.1.3磁路计算的基本定律1.安培环路定律任何磁场都是由电流产生的，磁路中的磁场也不例外。安培环路定律说明了产生磁场的电流与所产生的磁场强度之间的定量关系，它表述为：在磁场中沿任何闭合回路的磁场强度H的线积分等于通过闭合回路内各电流的代数和。用数学式表示为式中l的单位为m，I就是该磁路所包围的全电流，即闭合回路内全部电流的代数和。这个定律又称全电流定律，它是计算磁路时极为重要的定律。应用时，要注意当选取的回路中各电流的方向与所选回路绕向之间符合

9、右手螺旋关系时，该电流为正，否则为负。12ppt课件第5章 磁路和变压器5.1 磁路的基本概念2.磁路欧姆定律励磁线圈通过励磁电流会产生磁通（即电生磁），通过实验发现，励磁电流I越大，产生的磁通就越大；线圈的匝数越多，产生的磁通也越大。把励磁电流I和线圈匝数N的乘积NI称为磁通势F，它是磁路中产生磁通的源泉。单位为A(安培)。磁通由磁通势F产生，它的大小除与磁通势有关外，还与什么因素有关呢？由实验得知，当磁通势一定时： 铁心材质的磁导率越高，磁通就越多； 铁心磁路截面积S越大，磁通也越多； 铁心磁路l越长，磁通越少。13ppt课件第5章 磁路和变压器5.1 磁路的基本概念可以证明，当磁通势F一

10、定时，磁通与、S成正比，而与l成反比。它们间的关系是14ppt课件第5章 磁路和变压器5.1 磁路的基本概念3.磁路基尔霍夫定律磁感线是闭合的，因此磁通是连续的，对于磁路中任一闭合面、任一时刻穿入的磁通，必定等于穿出的磁通，在一个有分支的磁路中的节点处取一闭合面，磁通的代数和为零，这就是磁路基尔霍夫第一定律。如图5-3所示为一分支磁路，在节点A处作一闭合面，若设穿入闭合面的磁通为正，穿出闭合面的磁通为负，则有上式和电路中的基尔霍夫电流定律相似。此外，考虑到在磁路的任一闭合路径中，磁场强度与磁通势的关系应符合安培环路定律，故有15ppt课件第5章 磁路和变压器5.1 磁路的基本概念上式和电路中的

11、基尔霍夫电压定律相似，称为磁路基尔霍夫第二定律。当磁通势与路径方向一致或符合右手螺旋法则关系时将其取正，反之取负。16ppt课件第5章 磁路和变压器5.1 磁路的基本概念5.1.4 电磁铁电磁铁是利用通电的铁心线圈对铁磁物质产生电磁吸引力的设备。它一般由励磁线圈、铁心和衔铁三部分组成，如图5-4所示。电磁铁广泛地应用在继电器、接触器及自动装置中。当线圈通过电流时，便产生磁场，铁心和衔铁都被磁化。衔铁受到电磁力的作用而被吸向铁心。将衔铁拉脱铁心所需的外力称做“拉脱力”F，也就是在衔铁吸合时的吸力。电磁铁有直流、交流两种。17ppt课件第5章 磁路和变压器5.1 磁路的基本概念1.直流电磁铁直流电

12、磁铁的励磁电流为直流电流。可以证明，直流电磁铁的衔铁所受的吸引力为式中，B0为气隙的磁感应强度（T）；S为空气隙磁场的截面积（m2）；F为吸引力（N）。由于是直流励磁，线圈的电阻及直流电压源电压一定时，励磁电流一定，磁通势也一定，与空气隙的大小无关，但电磁力与空气隙的大小关系甚大。在磁通势一定的条件下，如空气隙大，则磁路的磁阻大，根据磁路的欧姆定律，磁通和磁通密度就要减小，而吸力F与B0成正比，所以电磁吸力将随空气隙的增大而显著减小；如空气隙减小，吸力就会显著增加。（5-6）18ppt课件第5章 磁路和变压器5.1 磁路的基本概念2.交流电磁铁交流电磁铁、交流电机、变压器与其他交流电器的磁路是

13、由交流励磁的，这些磁路都具有铁心。在研究它们的原理之前，有必要先研究交流铁心线路中外加电压与磁通的关系。（1）电压与磁通的关系。则有（5-8）19ppt课件第5章 磁路和变压器5.1 磁路的基本概念上式说明：当交流铁心线圈的匝数与电压频率为一定时，磁通的最大值（主磁通）只由线圈外加电压确定，与磁路有无空气隙无关；若电源电压U不变，主磁通的幅值m也基本不变。这个关系又称恒磁通原理。（2）工作机理。根据式（5-8），电磁吸力的瞬时值为交流电磁铁的示意图与图5-4相似。设交流电磁铁线圈接上电源后，线圈里的主磁通为=msint，而空气隙的磁感应强度为我们在计算时，只考虑吸力的平均值20ppt课件第5章

14、 磁路和变压器5.1 磁路的基本概念由于50 Hz的工频交流电的作用，交流电磁铁的电磁吸力每秒100次为零，100次为最大值，因此会引起衔铁的振动，产生噪声并造成机械磨损，降低电磁铁的使用寿命。为了克服这些缺点，在交流电磁铁铁心的一个端面嵌一个铜环（称为短路环），如图5-7所示。由于磁通的交变，在短路环中产生感应电流并阻碍这部分磁通的变化，使得在铁心端面部分磁通与之间产生相位差。这样，铁心端面两部分磁通不是同时达到零值，也就不会有吸力为零的时候，从而消除了衔铁的振动和噪声。交流电磁铁的f（t）曲线如图5-6所示，瞬时吸引力在电源的一个周期内两次为零，但吸引力方向不变，平均吸引力为最大吸引力的一

15、半。21ppt课件第5章 磁路和变压器5.1 磁路的基本概念交流电磁铁在吸合过程中电流和吸力变化的情况与直流电磁铁工作过程有很大的区别。对于电磁吸力，由于交流电磁铁磁路的磁通只与线圈的外加电压、频率及匝数有关，与衔铁位置无关，根据式（5-6），可得在衔铁吸合过程中，电磁吸力大致不变，这是与直流电磁铁不同之处。对于电流，在直流电磁铁的吸合过程中，励磁电流仅与线圈电阻有关，不因气隙大小而变。但在交流电磁铁的吸合过程中，线圈中的电流（有效值）变化很大。在吸合过程中，随着气隙的减小，磁阻也会减小，线圈的电感和感抗增大，因而电流逐渐减小。因此，如果由于机械故障（如衔铁被卡住），通电后衔铁吸合不上，线圈中

16、将会通过很大的电流而使线圈严重发热，甚至烧毁。这一点必须引起注意。22ppt课件第5章 磁路和变压器5.2 变压器5.2.1 变压器的结构变压器具有变换电压、电流、阻抗的功能，在电力系统和电子电路中有很广泛的应用。在电力系统中，传输电能的变压器称为电力变压器。它是电力系统中的重要设备，在远距离输电中，当输送一定功率时，输电电压越高，则电流越小，输电导线截面、线路的能量损耗及电压损失也越小。为此，大功率远距离输电，都将输出电压升高。而用电设备的电压又较低，为了安全可靠用电，需要把电压降下来。因此变压器对电力系统的经济输送、灵活分配及安全用电有着极其重要的意义。变压器因使用场合、工作需求不同，其结

17、构也有所不同，但是各种变压器的结构大体相同，主要是由铁心和绕组组成。23ppt课件第5章 磁路和变压器5.2 变压器1. 铁心变压器的铁心，通常用磁导率较高的铁磁材料硅钢片叠加而成，片间涂以绝缘漆予以绝缘。某些通信器材使用的变压器铁心通常采用铁氧体或铝铁合金等磁性材料制作。铁心按照结构形式分为心式和壳式两种。心式铁心呈“口”字形，绕组包着铁心；壳式铁心呈横“日”字形，铁心包着绕组，如图5-8所示。24ppt课件第5章 磁路和变压器5.2 变压器2. 绕组变压器的绕组通常用具有良好绝缘性能的漆包线、纱包线或丝包线绕成。在工作时和交流电源相连的绕组称为一次绕组，又称原绕组或初级绕组，而与负载相连的

18、绕组称为二次绕组，也叫副绕组或次级绕组。在变压器中绝缘是一个重要问题。不仅绕组的匝间和层间要保持良好的绝缘，绕组和铁心、绕组和绕组之间也要保证良好绝缘。5.2.2 变压器的类别变压器按用途不同可分为用于远距离输配电的电力变压器，用于机床局部照明和控制的控制变压器，用于电子设备和仪器供电电源的电源变压器，用于平滑调压的自耦变压器，用于信号传递的耦合变压器等。变压器按输入端电源的相数可分为单相变压器和三相变压器，本节主要介绍单相变压器。25ppt课件第5章 磁路和变压器5.2 变压器5.2.3 变压器的工作原理变压器的原理示意图如图5-9所示，为便于说明问题，把变压器与电源相接的一侧绕组叫一次绕组

19、（或称为初级绕组、原边等），把变压器与负载相接的绕组叫二次绕组（或称为次级绕组、副边等）。通常一次绕组的各物理量都用下标“1”表示，二次绕组的各物理量用下标“2”表示。设变压器一次绕组和二次绕组的匝数分别为N1、N2。26ppt课件第5章 磁路和变压器5.2 变压器1. 变压器空载运行变压器的一次绕组接上交流电压，二次侧开路，这种运行状态称为变压器空载运行。在外加电压u1的作用下，一次绕组内通过的电流称为励磁电流i10，二次绕组中的电流i20，二次电压为开路电压uo。不计线圈电阻及漏感，可以证明有以下结论成立：式中k为变压器的变比。式（5-11）表明，变压器空载运行时，一、二次的电压有效值之比

20、等于一、二次绕组的匝数比。当变压器一、二次绕组匝数不同时，可以把某一数值的交流电压变换为同频率的另一数值的交流电压，这就是变压器的电压变换作用。当变压器的N1N2，即k1时，称为降压变压器；反之，当N1N2，即k1时，称为升压变压器。27ppt课件第5章 磁路和变压器5.2 变压器2. 变压器负载运行变压器的一次绕组接上交流电源，二次绕组接有负载的运行状态称为负载运行。由于二次绕组接有负载，二次绕组中就有电流i2流过。因当电源电压U1和电源频率f一定时，m近似为常数。因此，空载时的磁动势N1i0和负载状态下铁心中的合成磁动势（N1i1N2i2）应近似相等。即在额定状态下可以将i10忽略不计，则

21、有用其有效值可以表示为（5-12）28ppt课件第5章 磁路和变压器5.2 变压器式（5-12）表明变压器一、二次绕组的电流有效值之比与它们的匝数比成反比。由于二次绕组的内阻抗很小，在二次侧带负载时的电压u2与空载时的电压基本相等，即根据式（5-11）和式（5-12）可得即由式（5-14）可看出，变压器一、二次绕组中电压高的一侧电流小，而电压低的一侧电流大。变压器可以把一次侧绕组的能量通过的联系传到二次侧，从而实现能量的传输。（5-14）（5-13）29ppt课件第5章 磁路和变压器5.2 变压器【例5-1】一台220 V/36V的行灯变压器，已知一次线圈匝数N11100匝，试求二次线圈匝数。

22、若在二次线圈侧接一盏36V、100W的白炽灯，则一次侧电流为多少？（忽略空载电流和漏阻抗压降）解：由变压器的变比公式可得二次侧通过白炽灯的电流为根据变压器的变流规律可得30ppt课件第5章 磁路和变压器5.2 变压器3. 阻抗变换在电子线路中，为了使负载能从信号源获取最大功率，要求阻抗匹配，即要求负载的阻抗与信号源内阻抗相等。而在实际电路中两者往往不相等，这时可利用变压器的阻抗变换功能使之匹配，从而使负载获得最大功率。如图5-10所示，负载电流和漏磁通等可忽略不计，当二次绕组接入负载阻抗ZL时，有31ppt课件第5章 磁路和变压器5.2 变压器但从一次绕组侧看入的阻抗为（5-15）式（5-15

23、）表明当二次侧接入负载ZL时，从原边看入就相当于在原边接入了一个阻抗Zi，它的大小是k2ZL，且通过改变k可使Zi的大小变化，以满足匹配要求，这就是变压器的阻抗变换功能。32ppt课件第5章 磁路和变压器5.2 变压器为使阻抗匹配，即要求R0=k2RL，则【例5-2】已知信号源电压为12 V，内阻为800 ，负载电阻RL8 ，为了使负载获得最大功率，需要在信号源和负载之间接入一变压器进行阻抗匹配。试求该变压器的变比，一、二次绕组的电流、电压和负载获取的功率。解：电路如图5-11所示33ppt课件第5章 磁路和变压器5.2 变压器一、二次绕组端电压分别为负载获取的功率为则k=10。由图5-11可

24、得一、二次绕组电流分别为34ppt课件第5章 磁路和变压器5.2 变压器5.2.4 变压器的外特性和电压变化率当变压器负载运行时，二次绕组的端电压不再是U20而是U2，大小由二次绕组的电压平衡方程决定，即（5-16）上式中的R2为二次绕阻的电阻，X2L为二次绕阻的漏电抗，Z2R2jX2为二次绕阻的漏阻抗。从式中可见，当负载电流I2增大时，I2Z2增大。当U1和负载的功率因数cos2不变时，U2随着I2增加而下降的关系称为变压器的外特性，如图5-12所示。35ppt课件第5章 磁路和变压器5.2 变压器从图5-12可以看出，随着负载功率因数的降低，外特性曲线向下倾斜的程度增大，而U2随着I2增加

25、而下降的程度增大。通常用电压变化率U来描述U2变化的程度，定义为变压器从空载到额定负载（I2I2N）时，二次绕组端电压的差值与空载电压之比，即（5-17）电压变化率是电力变压器的主要性能指标之一，这个数字越小，说明变压器的负载性能越强。一般变压器的电压变化率约在5%以下。5.2.5 变压器的损耗和效率变压器的损耗主要有铜损耗PCu和铁损耗PFe两部分，其中铁损耗是指铁心中的磁滞损耗和涡流损耗，大小与铁心中的磁感应强度最大值Bm和频率f有关，而与负载电流大小无关。由于运行时，电源电压U1和频率f都基本不变，主磁通的幅值大小不变，故铁损耗也基本不变，将这部分损耗称为不变损耗。铜损耗是指一、二次绕组

26、有电流流过时在一、二次绕组的电阻上产生的损耗之和，即有36ppt课件第5章 磁路和变压器5.2 变压器负载改变时，I1、I2变化，故PCu也变化，故称铜损耗为可变损耗。变压器的效率是指输出功率P2与输入功率P1之比，由于小型变压器的效率为7080，大容量变压器的效率可达9899。37ppt课件第5章 磁路和变压器5.2 变压器【例5-3】有一单相变压器，U1220 V，f50 Hz，空载时U20126 V，I01 A，一次绕组输入功率P060 W；二次绕组接电阻性额定负载时，I18.2 A，I216 A，U2120 V，一次绕组输入功率P12 000 W。试求： （1）变压器的电压比k； （2

27、）电压变化率； （3）效率、铜损耗PCu及铁损耗PFe。38ppt课件第5章 磁路和变压器5.2 变压器5.2.6 变压器的额定值在变压器额定运行情况下，根据其绝缘等级和允许温升所规定的一次绕组的电压值称为一次绕组额定电压U1N。二次绕组的额定电压U2N是指变压器空载、一次绕组加上额定电压U1N时，二次绕组两端的空载电压U20。三相变压器的额定电压是指其线电压。1. 额定电压U1N、U2N额定电流是根据额定容量和额定电压计算出来的线电流，单位符号为A。2. 额定电流I1N、I2N额定容量为在铭牌所规定的额定工作状态下，变压器输出的视在功率，单位符号为VA或kVA。3. 额定容量SN39ppt课

28、件第5章 磁路和变压器5.2 变压器温升是指变压器在额定运行时允许超出周围环境温度（+40）的数值，它取决于变压器所用绝缘材料的等级。绝缘材料的等级简称绝缘等级，通常分为7个等级，绝缘等级与其所对应的允许工作温度见表5-1。4. 温升我国规定标准工业用电频率为50 Hz。5. 额定频率f40ppt课件第5章 磁路和变压器1.通过空载和短路实验测定变压器的变比和参数；2.通过负载实验测取变压器的运行特性。本章实训 单相变压器空载和负载实验实训目的1.空载实验测取空载特性U0=f(I0)，P0=f(U0) ,cos0=f(U0)。2.负载实验 （1）纯电阻负载保持U1=UN，cos2=1的条件下，

29、测取U2=f(I2)。 （2）阻感性负载保持U1=UN，cos2=0.8的条件下，测取U2=f(I2)。实训内容41ppt课件第5章 磁路和变压器本章实训 单相变压器空载和负载实验实验设备42ppt课件第5章 磁路和变压器本章实训 单相变压器空载和负载实验（1）在三相调压交流电源断电的条件下，按图5-13接线。被测变压器选用三相组式变压器DJ11中的一只作为单相变压器，其额定容量PN=77 W，U1N/U2N=220 V/55 V，I1N/I2N=0.35 A/1.4 A。变压器的低压线圈a、x接电源，高压线圈A、X开路。空载实验43ppt课件第5章 磁路和变压器本章实训 单相变压器空载和负载

30、实验（2）选好所有电表量程。将控制屏左侧调压器旋钮向逆时针方向旋转到底，即将其调到输出电压为零的位置。（3）合上交流电源总开关，按下“开”按钮，便接通了三相交流电源。调节三相调压器旋钮，使变压器空载电压U0=1.2UN ，然后逐次降低电源电压，在（0.21.2）UN 的范围内，测取变压器的U0、I0、P0。（4）测取数据时，U=UN点必须测，并在该点附近测的点较密，共测取数据78组，记录于表5-3中。（5）为了计算变压器的变比，在UN以下测取一次侧电压的同时也测出二次侧电压数据，并记录于表5-3中。44ppt课件第5章 磁路和变压器本章实训 单相变压器空载和负载实验45ppt课件第5章 磁路和变压器本章实训 单相变压器空载和负载实验实验线路如图5-14所示。变压器低压线圈接电源，高压线圈经过开关S1和S2，接到负载电阻RL和电抗XL上。RL由D42调到1800，XL选用D43，功率因数表选用D34-3，开关S1和S2选用D51挂箱。负载实验46ppt课件第