第十二章变压器

第12章变压器与电动机2常用电工设备12.1磁路3三相异步电动机磁路12.1.1磁路的基本概念用导磁能力很强的磁性材料做成一定形状的铁心，使磁通的绝大部分经过铁心而形成一个闭合的通路，这种闭合的路径称为磁路。三相变压器磁路4一、磁场的基本物理量1.磁感应强度B

表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量。单位：特斯拉（T）即韦伯/米²

1T=1Wb/m²磁感应强度B的方向与电流的方向之间符合右手螺旋定则。均匀磁场：各点的磁感应强度大小相等、方向相同。52.磁通Φ

垂直穿过某一截面积S的磁力线总数。单位：Wb(韦伯)B=Φ/S磁通Φ与磁感应强度B的关系3.磁导率衡量物质导磁能力大小的物理量。单位：H/m（亨/米）真空的磁导率0为常数0=410-7H/m6一般材料的磁导率和真空的磁导率0之比，称为这种材料的相对磁导率r。7r>>1，称为磁性材料r≈1，称为非磁性材料空气、陶瓷、玻璃、橡胶铁、镍、钴及其合金等材料名称铸铁硅钢片镍锌铁氧体坡莫合金r200-4007000-1000010-10002×104-2×10584.磁场强度H单位：安/米（A/m）注意：磁场强度H与磁感应强度B

的名称很相似，切忌混淆。H是为计算方便引入的物理量，通过它来确定磁场和电流之间的关系，不考虑磁路材料的影响。磁场中某点的磁感应强度B与同一点的磁导率的比值称为该点的磁场强度H

。H=B/9二、磁性材料的磁性能磁化曲线：磁性材料中，磁感应强度B（或磁通）与磁场强度H（或励磁电流I）之间的关系曲线。H(I)B()0非磁性材料的磁化曲线H(I)B()0磁性材料的磁化曲线10①高导磁性较小的电流可以产生较强的磁场。磁性材料的高导磁性被广泛地应用于电工设备中。如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。初始磁化曲线H(I)B()011②磁饱和性B(或)不会随着H(或I)的增加而无限增大。m磁性材料的磁导率不是常数。H(I)B()0初始磁化曲线12空心线圈的电感是常数，铁心线圈的电感不是常数，为什么？如果其它条件相同，线圈有铁心和没有铁心，哪个电感大？提示：mH(I)B()0初始磁化曲线13磁滞回线③磁滞性矫顽磁力剩磁感应强度磁性材料在交变磁化过程中B(或Φ)的变化总要滞后H(或I)的变化，这种现象称为磁滞现象。OHB••••BrHcabcdf-Br-HcHm-HmBm-Bme14③矩磁材料根据磁滞特性，磁性材料分为：①软磁材料一般用来制造永久磁铁。HBHBHB具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。②永磁材料在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性良好。1512.1.2磁路的基本定律IUR+-U=RIIΦ电流、磁通、磁性材料之间的关系？16安培环路定律（全电流律）：磁场强度沿任一闭合路径的积分等于该闭合路径所包围的电流的代数和。电流方向和磁场强度的方向符合右手螺旋定则，电流取正；否则取负。I1I2I3H=I1+I2-I317理想磁路：由一种材料构成，各处截面积相等，若取铁心中心线作为积分路径l，沿路径l各点的B和H均有相同的值，其方向处处与积分路径l的绕行方向一致。IΦl线圈匝数N线圈中电流I穿绕磁路N次。18对于均匀磁场Φ=BS=HS磁动势NI反映通电线圈励磁能力的大小。

IΦl磁阻Rm表示磁路的材料对磁通起阻碍作用的大小，只与磁路的尺寸及材料的磁导率有关。磁路的欧姆定律19对于由不同材料或不同截面组成的几段磁路IΦl1l210对于空气隙这段磁路，其l2虽小，但因0很小，故Rm2很大，从而使整个磁阻Rm大大增加。2012.1.3铁心线圈电流根据线圈所接电源的不同，线圈中的励磁电流分为直流电流和交流电流，因此铁心线圈分为直流铁心线圈和交流铁心线圈。励磁电流：在磁路中用来产生磁通的电流。211.直流铁心线圈UI恒定不变在恒定磁场中，线圈中无感应电动势，线圈在电路中相当于导线。R为线圈的电阻匝数N励磁电流I由外加电压U及励磁线圈的电阻R决定，与磁路特性无关。22UI恒定不变匝数N磁通不仅与线圈的匝数N和电流I有关，还与磁路的磁阻Rm。23UI恒定不变匝数NΔP=I²R直流铁心线圈因磁通恒定，在铁心中不会产生功率损耗。只有线圈电阻产生的损耗。线圈损耗包括铁损和铜损。铁损是铁心在交变磁通作用下产生的损耗。铜损是线圈导线电阻产生的损耗。242.交流铁心线圈-+ui交流励磁电流i产生两部分交变磁通，即主磁通和漏磁通

。主磁通漏磁通

主磁通：通过铁心闭合的磁通。漏磁通

：通过空气或其它非磁性材料闭合的磁通。主磁通>>漏磁通

①电磁关系25-+ui主磁通漏磁通

+-e-+e

26-+ui主磁通漏磁通

主磁通>>漏磁通

+-e-+e等效电路如图所示-e+-uRLL++-ei线圈导线电阻主磁通漏磁通27-+ui主磁通漏磁通

主磁通>>漏磁通

+-e-+e等效电路如图所示-e+-uRLL++-ei根据KVL:28由于线圈电阻

R

和漏磁通较小，可忽略，故有设主磁通=msint，则

当电源电压u为正弦量时，和e都为同频率的正弦量。29相量表达式在忽略线圈电阻与漏磁通的条件下，当线圈匝数与电源频率一定时，主磁通的幅值m决定于励磁线圈外加电压u的有效值U，而与铁心的材料及尺寸无关。

熟记30②功率损耗-+ui交变磁通交流铁心线圈的功率损耗包括铜损和铁损。铁损包括磁滞损耗和涡流损耗。31磁滞损耗与铁心磁滞回线所包围的面积成正比，同时还与励磁电流频率f和磁感应强度B有关，f愈高，B愈大，磁滞损耗愈大。为了减小磁滞损耗，应选用磁滞回线狭小的磁性材料制造铁心。HBHBHB32涡流:当线圈中通入交流电流时，铁心中的交变磁通在铁心中产生感应电动势和感应电流，这种电流称为涡流。Bi涡流损耗：铁心中有一定的电阻，涡流将在铁心中产生发热损耗，即为涡流损耗。涡流33BiiB减小涡流损耗为了减小涡流损耗，当线圈用于一般工频交流时，可采用由彼此绝缘且顺着磁场方向的硅钢片叠成铁心。34-+ui交流铁心线圈工作时的功率损耗为：交变磁通35直流铁心线圈交流铁心线圈励磁电流磁通功率损耗铁心直流I=U/R交流铜损铜损+铁损Ii12.2变压器363712.2.1变压器的基本结构变压器虽然种类很多，形状各异，但其基本结构是相同的，主要部件是铁心和高、低压绕组。心式铁心壳式铁心绕组绕组3812.2.2变压器的工作原理以单相变压器为例讲。为了分析方便，将高压绕组和低压绕组分别画在两边。+-u39接交流电源的绕组称为原绕组（又称原边或一次绕组）；接负载的绕组称为副绕组（又称副边或二次绕组）。原边变量的下标用“1”，副边变量的下标用“2”。术语：i1-+e1+u1-+-e2+-u2i2N1N2一次绕组二次绕组40原绕组副绕组i1(i1N1)φφ1i2(i2N2)φ2411.电压变换i0-+e1+u1-+-e2+-u20N1N2变压器空载运行时（副边绕组开路，不接负载），原边绕组中的电流称为空载电流或励磁电流，用i0表示。忽略原边绕组的电阻及漏磁通的影响，有对于副边绕组有电源电压输出电压42上两式用相量表示为K称为变压器的变比通过交流铁心线圈的学习，可知改变匝数可以改变变压器的输出电压。43当变压器副边绕组接有负载时，在e2的作用下，副边绕组中就会产生电流i2，当忽略副边绕组的电阻和漏磁通的影响时，i1-+e1+u1-+-e2+-u2N1N2ZLi2K>1为降压变压器K<1为升压变压器电源电压输出电压442.电流变换i1-+e1+u1-+-e2+-u2N1N2ZLi2接负载时当U1和f不变时，Φm也基本不变。i0N1→m(i1N1+i2N2)→m空载时则45产生主磁通抵消I2产生的磁通，保持主磁通不变。46变压器接近满载（额定负载）时，空载电流i0很小，可忽略不计。473.阻抗变换+-+-ZLN1N2负载ZL变化I2变化I1变化可等效为一个能反映副边阻抗ZL变化的等效阻抗48+-+-ZLN1N2+-49+RLRSN1N2电子电路中，例如，收音机、扩音机中扬声器（喇叭）的阻抗一般为几欧或十几欧，为了使负载获得最大输出功率，通常在电子设备功率输出级和负载（如喇叭）之间接入一个变压器。这个变压器称为输出变压器。变压器电路符号+RLRS50+RLRSN1N2适当选择输出变压器的变比，使负载折算到原边的等效阻抗与信号源内阻相等，这时负载就能获得最大输出功率。这种做法称为做阻抗匹配。51例交流信号源的US=80V，内阻RS=400，负载电阻RL=4。（1）负载直接接在信号源上，求信号源的输出功率；（2）接入输出变压器。要使折算到原边的等效电阻RL=RS

，求变压器变比K及信号源输出功率。解+RLRS（1）信号源的输出功率低52当RL=RS

时，输出变压器的变比原电路等效为+RLRS信号源的输出功率>>0.1568W（2）5312.2.3变压器的外特性和额定值i1-+e1+u1-+-e2+-u2N1N2ZLi21.变压器的外特性在电源电压U1及负载功率因数cos不变的条件下，副绕组的端电压U2随副绕组输出电流I2变化的关系，称为变压器的外特性。54电压变化率cos2<1(感性)U2I2U20I2Ncos2=1O变压器外特性曲线U2N电压变化率反映电压U2的变化程度。通常希望U2的变动愈小愈好，一般变压器的电压变化率约在5%左右。552.变压器的损耗与效率i1+u1-+-u2N1N2ZLi2变压器的功率损耗有铜损和铁损。铜损是由原、副绕组中的电阻R1和R2产生。

铜损与负载电流的大小有关。56铁损是主磁通在铁心中交变时所产生的磁滞损耗ΔPh和涡流损耗ΔPe。ΔPFe=ΔPh+ΔPe铁损与铁心的材料及电源电压、频率有关，与负载电流大小无关。变压器的效率是变压器的输出功率P2与对应的输入功率P1的比值。573.变压器的额定值原边额定电压U1N：指正常情况下原边绕组应当施加的电压副边额定电压U2N：指原边为额定电压时副边空载电压原边额定电流I1N：指在U1N作用下原边绕组允许通过的最大电流。副边额定电流I2N：指原边额定电压时副边绕组允许长期通过的最大电流。58额定频率:指电源的工作频率，我国的工业频率是50Hz。额定容量SN：指输出的额定视在功率。单相变压器三相变压器594.变压器的同名端及其绕组的接法

当电流流入(或流出）两个线圈时，若产生的磁通方向相同，则两个流入(或流出）端称为同名端。(1)同名端同名端用“•”表示。同名端和绕组的绕向有关。•

•

AXax•

AXax•

60联接

2－3

变压器原边一侧有两个额定电压为110V的绕组：（2）绕组的接法

联接1－3，2－4当电源电压为220V时：+–+–电源电压为110V时：•

•

1324••132461问题：如果两绕组的同名端接错，结果如何？答：有可能烧毁变压器两个线圈中的磁通抵消原因：电流很大烧毁变压器感应电势••13