电工技术第二版(席时达)第6章

1第六章磁路与变压器电工技术第二节交流铁心线圈电路第一节磁路的基本知识第六章磁路与变压器第三节变压器的结构和工作原理第四节变压器的额定值和运行特性第五节常用变压器第一节磁路的基本知识一、磁路的概念二、磁路的主要物理量三、铁磁材料四、磁路欧姆定律4第一节、磁路的基本知识一、磁路的概念通电的线圈周围和内部存在着磁场。磁路——是磁通集中经过的路径

由于铁磁材料导磁系数很大，在电机、变压器等电气设备中，为了用较小的电流得到较多的磁通，常用铁磁物质做成一定形状的铁心。

将线圈绕在铁心上，当线圈通过电流时，铁心被磁化，磁场大为增强，所产生的磁通主要集中在铁心构成的闭合路径内。励磁线圈——是通过励磁电流的线圈励磁电流——是产生磁场的电流5第一节、磁路的基本知识磁路分直流磁路和交流磁路，其形式多种多样，常见的电气设备的磁路有：单相变压器的磁路电磁铁的磁路磁电式仪表的磁路（不需要励磁绕组）直流电机的磁路6第一节、磁路的基本知识二、磁路的主要物理量（一）磁感应强度B表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。方向：与电流的方向之间符合右手螺旋定则。单位:

特斯拉（Tesla，简写T）

1T=1Wb/m2Wb——韦[伯]均匀磁场——各点磁感应强度大小相等，方向相同的磁场。7第一节、磁路的基本知识（二）磁通

磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，称为通过该面积的磁通Φ。①如果不是均匀磁场，则取B的平均值。在均匀磁场中

=BS或

B=/S

②磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通，故又称磁通密度。单位:

韦[伯]（Wb）说明:8表示衡量物质的导磁能力的物理量单位：亨/米（H/m）（三）磁导率

第一节、磁路的基本知识真空中的磁导率（）为常数。一般材料的磁导率和真空中的磁导率之比，称为这种材料的相对磁导率。，则称为磁性材料，则称为非磁性材料9第一节、磁路的基本知识

其大小为介质中某点的磁感应强度B与介质磁导率

之比。单位：安培/米（A/m)（四）磁场强度H

磁场强度是进行磁场分析时引用的一个辅助物理量。10三、铁磁材料第一节、磁路的基本知识根据导磁性能的好坏，自然界的物质可分为:铁磁材料

——导磁性能好，磁导率μ大如铁、钢、镍、钴等非铁磁材料——导磁性能差，磁导率μ小如铜、铝、纸、空气等

铁磁物质对电气设备的影响很大。采用优质的铁磁物质，可使同样容量的电机、变压器体积大大缩小，重量大大减轻。（一）概述11（二）铁磁材料的磁性能1.高导磁性

磁畴——磁性物质内部形成许多小区域。其分子间存在的一种特殊的作用力使每一区域内的分子磁场排列整齐，显示磁性。

没有外磁场作用时：各个磁畴排列杂乱无章，磁场互相抵消，整体对外不显磁性。磁畴第一节、磁路的基本知识12

在外磁场作用下：磁畴方向发生变化，使之与外磁场方向趋于一致，物质整体显示磁性，称为磁化。外磁场磁畴第一节、磁路的基本知识

磁性物质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。

在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度。132.磁饱和性第一节、磁路的基本知识磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。当外磁场增大到一定程度时，磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值，这种特性称为磁饱和性。14第一节、磁路的基本知识BJ

——磁场内存在磁性物质的磁化磁场的磁感应强度曲线。B0——磁场内不存在磁性物质时的磁感应强度直线。B

——BJ曲线和B0直线的纵坐标相加即磁场的

B-H

磁化曲线。OHBB0BJB磁化曲线15第一节、磁路的基本知识

B-H

磁化曲线的特征：

Oa段：B与H几乎成正比地增加。

ab段：

B的增加缓慢下来。

b点以后：B增加很少，达到饱和。OHBB0BJB•a•b

有磁性物质存在时，B与H不成正比，磁性物质的磁导率

不是常数，随H而变。

因为

与B

成正比，所以

与I不成正比。OHB,

B

磁化曲线B和

与H的关系16第一节、磁路的基本知识

几种常见磁性物质的磁化曲线a

铸铁b

铸钢c硅钢片00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0103H/(A/m)H/(A/m)12345678910103B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2ababcc173.磁滞性第一节、磁路的基本知识磁滞回线——磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B-H是一条回形闭合曲线。

磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于磁场强度H变化的性质，当H减到0，B未减到0。OHB•18磁滞回线OHB第一节、磁路的基本知识••••BrHc

剩磁感应强度Br

(剩磁)：

当线圈中电流减小到零(H=0)时，铁心中的磁感应强度B。

矫顽磁力Hc：使B=0，反相磁化所需的H值。

磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。剩磁矫顽磁力19（三）铁磁材料的分类根据磁性能，磁性材料又可分为3种：软磁材料——剩磁和矫顽力较小，磁滞回线窄长，但磁导率较高。常用做磁头、磁心等。硬磁材料——剩磁和矫顽力较大，磁滞回线较宽。常用做永久磁铁。矩磁材料——滞回线接近矩形，剩磁较大但矫顽磁力较小。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。第一节、磁路的基本知识20四、磁路欧姆定律ФSlIN第一节、磁路的基本知识（一）磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律是分析磁路的基本定律。21第一节、磁路的基本知识式中：F=NI

——磁通势，由其产生磁通。

Rm——磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用。

设绕有线圈的铁心，当线圈通过电流I，在铁心中就会有磁通的长度为l，截面积为S，磁路介质的磁导率为μ。则磁路中有:22第一节、磁路的基本知识（二）磁路与电路的比较

磁路磁通势F磁通

磁阻电路电动势E电流密度J

电阻磁感应强度B电流I

NI+_EIR23第一节、磁路的基本知识（三）磁路分析的特点

1.在处理电路时不涉及电场问题，在处理磁路时离不开磁场的概念。

2.在处理电路时一般可以不考虑漏电流，在处理磁路时一般都要考虑漏磁通。

3.磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似。由于

不是常数，其随励磁电流而变，磁路欧姆定律不能直接用来计算，只能用于定性分析。

4.在电路中，当E=0时，I=0；但在磁路中，由于有剩磁，当F=0时，

不为零。第二节交流铁心线圈电路一、电磁关系二、功率损耗25第二节、交流铁心线圈电路铁心线圈直流铁心线圈交流铁心线圈

直流铁心线圈：由直流电励磁，磁通恒定，线圈中的电流由外加电压和线圈本身的电阻决定，功率损耗只有线圈电阻R上的损耗，分析比较简单。

交流铁心线圈：由交流电励磁，磁通是交变的，其电磁关系和功率损耗比较复杂。概述26第二节、交流铁心线圈电路一、电磁关系

–+e–+e

+–uNi（磁通势）

主磁通

：通过铁心闭合的磁通(大部分)。

漏磁通

：经过空气闭合的磁通(很小部分)。线圈铁心

与i不是线性关系。27第二节、交流铁心线圈电路

–+e–+e

+–uNi铁心线圈是非线性电感元件根据基尔霍夫定律

线圈电阻

R

和漏感抗X

较小，所产生的电压降Ri和漏磁通电动势e

与主磁电动势E相比可忽略则有：28第二节、交流铁心线圈电路设主磁通则有效值则有

–+e–+e

+–uNi29第二节、交流铁心线圈电路式中：S是铁心截面积，单位[m2]。可见，外加电压的相位超前于铁心中磁通900，而外加电压的有效值为：

当线圈匝数N、外加电压U和频率ƒ一定时，铁心中的磁通最大值Φm将保持不变Φm单位是韦[伯]（Wb）。f单位是赫[兹]（Hz）。30第二节、交流铁心线圈电路二、功率损耗第1种：铜损（

Pcu）

线圈电阻R上的功率损耗称铜损，用

Pcu表示。

Pcu=RI2第2种：铁损（

PFe）

铁心内的功率损耗称铁损，用

PFe

表示。

+–ui

交流铁心线圈的功率损耗:铜损铁损磁滞损耗涡流损耗铁损（

PFe）31第二节、交流铁心线圈电路（一）磁滞损耗（

Ph）由磁滞产生的铁损称为磁滞损耗（

Ph）。

1.大小

单位体积内的磁滞损耗正比于磁滞回线的面积。OHB

2.产生原因铁磁材料内部磁畴反复转向，磁畴间相互摩擦引起铁心发热所造成的损耗。

3.减少磁滞损耗的措施

选用软磁材料制作铁心。32第二节、交流铁心线圈电路（二）涡流损耗（

Pe）

2.涡流损耗:

涡流使铁心发热所产生的功率损耗。

1.涡流：交变磁通在铁心内产生的感应电动势和电流。感应电流在垂直于磁通的平面内呈螺旋状。涡流33第二节、交流铁心线圈电路3.减少涡流损耗措施

①提高铁心的电阻率，减小涡流。②铁心用彼此绝缘的硅钢片叠成，把涡流限制在较小的截面内。交流铁心线圈电路的功率损耗为：综上所述：硅钢片第三节变压器的结构和工作原理一、变压器的结构二、变压器的工作原理35第三节、变压器的结构和工作原理概述

变压器：利用电磁感应原理传输电能或信号的器件，具有变压、变流、变阻抗和隔离的作用。

应用：电力系统中远距离输电；实验室中改变电源电压；测量上扩大对交流电压、电流的测量范围；在电子设备中提供多种电压等。

种类：种类很多，大小悬殊，用途各异，但基本结构和工作原理相同。36第三节、变压器的结构和工作原理一、变压器的结构铁心：由硅钢片叠成厚0.35mm至0.5mmi1+–u1i2+–u2二次绕组N2变压器的符号结构示意图N1一次绕组

一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。37几种常见的铁心形状第三节、变压器的结构和工作原理38按铁心和绕组的组合方式来分第三节、变压器的结构和工作原理心式壳式39第三节、变压器的结构和工作原理（一）空载运行

一次绕组接上交流电源，二次绕组侧开路，这种运行状态称为空载运行。+–+–

i0(i0N1)

1空载时，铁心中主磁通

是由一次绕组磁通势产生的i10i2=0+–u20+–u1二、变压器的工作原理+–

140K为变压比根据交流磁路的分析可得：+–

1第三节、变压器的结构和工作原理

电压变换作用：改变匝数比，就能改变输出电压+–+–

i10i2=0+–u20+–u1略去漏磁通影响41第四节、三相电路的功率可见，变压器空载运行时：

1.一、二次绕组上电压的比值等于两者的匝数比。

2.一、二次绕组匝数不同时，变压器就可以把某一数值的交流电压变换成同频率的另一数值的电压，这就是变压器的电压变换作用。

3.当一次绕组匝数N1比二次绕组匝数N2多时，K＞1，此为降压变压器；反之，若N1＜N2，K＜1，则为升压变压器。42[例6-3-1]

变压器铁心截面积为150cm2，铁心中磁感应强度的最大值不能超过1.2T，若要用它把6000V工频交流电变换为230V的同频率交流电，则应配多少匝数的一、二次绕组？解:

铁心中磁通的最大值一次绕组的匝数为二次绕组的匝数为第四节、三相电路的功率43第三节、变压器的结构和工作原理

一次绕组接上交流电源，二次绕组侧接负载，这种运行状态称为负载运行。

+–e2（二）负载运行+–u1

ZL

i1i2

二次绕组侧接负载，在二次绕组感应电势e2的作用下，产生二次绕组i2，一次绕组的i10增大为i1。

因二次绕组有了电流i2

，二次侧磁通势也在铁心中产生磁通

。

铁心中主磁通

是由一次、二次绕组磁通势共同产生的合成磁通。44第三节、变压器的结构和工作原理+–+–

1

1i1(i1N1)i2(i2N2)

2有载时，铁心中主磁通

是由一次、二次绕组磁通势共同产生的合成磁通

2+–e2+–e2+–u1+–u2i1i2

ZL

45

由于变压器铁芯材料的导磁率高、空载励磁电流很小，可忽略。即：带负载后磁动势的平衡关系式：第三节、变压器的结构和工作原理空载磁势有载磁势结论：一、二次侧电流与匝数成反比46第三节、变压器的结构和工作原理可见，变压器负载运行时：1.一、二侧电流与匝数成反比。

2.改变一、二次绕组的匝数，可以改变一、二次绕组电流的比值，这就是变压器的电流变换作用。

3.二次绕组负载输出的电能越多，一次绕组向电源吸取的电能越多，因此，二次侧电流变化时，一次侧电流也会相应变化。

4.远距离输电，线路损耗Pl与电流的平方I2和线路电阻Rl的乘积成正比。所用电压越高，电流越小，输电线上的损耗越小。第四节变压器的额定值和运行特性一、变压器的额定值二、变压器的外特性和电压变化率三、变压器的损耗和效率48一、变压器的额定值

（一）额定电压

U1N、U2N

（二）额定电流I1N、I2N

变压器连续运行时，一次、二次侧绕组允许通过的最大电流有效值。第四节、变压器的额定值和运行特性

一次侧额定电压U1N是根据绝缘程度和允许发热所规定的加在一次绕组上的工作电压有效值。

二次侧额定电压U2N是指在电力系统中一次侧施加额定电压时的二次侧空载电压有效值。

在仪器仪表中是指一次侧施加额定电压时，二次侧接额定负载输出电压有效值。49第四节、变压器的额定值和运行特性容量SN

输出功率P（理想）反映了变压器传送电功率的最大能力变压器运行时的功率取决于负载的大小和性质

（四）额定频率fN变压器应接入的电源频率

fN=50Hz

（三）额定容量SN二次侧额定电压和额定电流的乘积，即二次侧的额定视在功率。50第四节、变压器的额定值和运行特性二、变压器的外特性和电压变化率

当一次侧电压U1和负载功率因数cos

2保持不变时，二次侧输出电压U2随负载电流变化的曲线称变压器的外特性。U20I2NU2I2O（一）变压器的外特性

分析时，忽略线圈电阻和漏磁通，突出主要物理量。空载时二次侧的电压cos

2=1cos

2=0.8(感性）51第四节、变压器的额定值和运行特性

一般供电系统希望随负载电流I2的变化，U2

变化不大。电力变压器的电压变化率约在5%左右，这是一个重要技术指标，直接影响供电质量。（二）电压变化率表示变压器的外特性变化U20：一次侧加额定电压、二次侧开路时，二次侧的输出电压。从空载到满载52第四节、变压器的额定值和运行特性三、变压器的损耗和效率(

)铜损(

PCu)：绕组导线电阻的损耗。涡流损耗：交变磁通在铁心中产生的感

应电流(涡流)造成的损耗。磁滞损耗：磁滞现象引起铁心发热。

铁损(

PFe)变压器的效率

(

)输出功率输入功率53第四节、变压器的额定值和运行特性在额定负载时，小型变压器

在60%∼90%,大型变压器

在96%∼99%，但轻载时效率都很低。

变压器效率

与负载的关系在不到额定负载时，出现

的最大值。应避免长期轻载运行或空载运行。第五节常用变压器和电磁铁一、自耦变压器和调压器二、小功率电源变压器三、三相电力变压器五、电磁铁四、仪用互感器55第五节、常用变压器和电磁铁一、自耦变压器和调压器+–u1N1+–u2N2一、二次侧共用一个绕组，使低压绕组成为高压绕组的一部分，称为自耦变压器。因为N1、N2为绕组匝数，同一主磁通穿过绕组，所以电压仍与匝数成正比，电流仍与匝数成反比。56第五节、常用变压器和电磁铁

实用中，常将铁心做成圆形，二次侧抽头做成滑动的，改变滑动端的位置，可得到不同的输出电压。这种自耦变压器又称为自耦调压器。57第五节、常用变压器和电磁铁使用自耦调压器应注意：（1）一次、二次侧不能对调使用，以防变压器损坏。因为N变小时，电流会迅速增加。（2）使用前先将滑动触头归零，使用后也归零。（3）输出电流不允许大于额定电流。58第五节、常用变压器和电磁铁二、小功率电源变压器+–+–+–+–各绕组之间的变压比仍等于各匝数比它有多个二次绕组，可获得多个不同的电压。59第五节、常用变压器和电磁铁二次侧电流分别是：磁通势是：一次侧电流是（忽略空载电流I10）：60同极性端（同名端）：是指变压器各绕组电位瞬时极性相同的端点。••Φ1Φ2Φ3Φ4•Φ1Φ2Φ3Φ4

铁心中主磁通变化时，每个绕组都产生感应电动势，瞬间同是高电位或同是低电位（1、3端点和2、4端点）的两个端点就是同极性端。

同极性端用“•”表示。+–+++–––•第五节、常用变压器和电磁铁需提高电压时绕组串联。需增大电流时，绕组并联。联接时必须认清绕组的同极性端。61第五节、常用变压器和电磁铁

正确的串联接法：把两个绕组的一对异名端联在一起。这样在另一对异名端得到的电压即为两个绕组电压之和。图（a）

正确的并联接法：把两个绕组的两对同名端分别联在一起。这时可以负载提供更大的电流。图（b）2、3端联接1、4和2、3端联接62第五节、常用变压器和电磁铁三、三相电力变压器在电力系统中，用于变换三相交流电压、输送电能的变压器（一）结构3个心柱，各套一相的一、二绕组，以及油箱，油柜，油位表，防爆管。63第五节、常用变压器和电磁铁U1V1W1U2V2W2u1v1w1w2v2u2高压绕组：U1-U2V1-V2W1-W2低压绕组：u1-u2v1-v2w1-w2U2、V2

、W2

：尾端U1、V1、W1

：首端u1、v1、w1

：首端u2、v2

、w2

：尾端64（二）联结方式Y，yn():三相配电变压器线电压之比：线电压之比：第五节、常用变压器和电磁铁常见2种：Y，d():变电站升、降压用。65第五节、常用变压器和电磁铁1.三相电力变压器的额定容量是指三相总额定容量：2.三相电力变压器的额定电压U1N/U2N是指线电压。3.三相电力变压器的额定电流I1N/I2N是指线电流。

U2N(U20):二次侧额定电压,是指变压器一次侧施加额定电压U1N时二次侧的空载电压。（三）额定值66第五节、常用变压器和电磁铁四、仪用互感器是电工测量中经常使用的一种专用双绕组变压器。扩大测量仪表的量程。使测量仪表与高压电路隔离以保证安全。电压互感器电流互感器主要作用分类67第五节、常用变压器和电磁铁（一）电压互感器

u2<<u1实现用低量程的电压表测量高电压。（被测电压）高电压变低电压

变压比电压表V

保险丝

ZL

+–u1u2N1（匝数多）N2（匝数少）68第五节、常用变压器和电磁铁（被测电压）V

保险丝

ZL

+–u1u21、二次侧不能短路，否则烧毁互感器，一、二次侧接熔断器保护。2、铁心、低压绕组的一端接地。使用注意事项：69第五节、常用变压器和电磁铁（二）电流互感器实现用低量程的电流表测量大电流。（被测电流）大电流变小电流Ai1i2

ZL

电流表

N1（匝数少）

N2（匝数多）

变流比70第五节、常用变压器和电磁铁二次侧不能开路。2.铁心、低压绕组的一端接地。使用注意事项：钳形电流表导线成为电流互感器的一次绕组,匝数N=1可动铁心可打开,使被测导线穿过铁心电流表直接测电流71第五节、常用变压器和电磁铁五、电磁铁（一）概述

电磁铁是利用通电线圈铁心吸引衔铁而工作的一种电器。

电磁铁又是构成各种电磁型开关、电磁阀门和继电器的基本部件

常用来操纵、牵引机械装置，或保持某种机械零件、工件于固定位置。72第五节、常用变压器和电磁铁（二）基本结构铁心衔铁衔铁

有时是机械零件、工件充当衔铁。FFFF线圈线圈衔铁铁心线圈铁心线圈铁心衔铁73第五节、常用变压器和电磁铁根据使用电源类型分为：直流电磁铁：用直流电源励磁。交流电磁铁：用交流电源励磁。

工作时，线圈通入励磁电流，在铁心中产生磁场，衔铁被吸引。（四）工作原理（三）分类断电时，磁场消失，衔铁即被释放。第六章磁路与变压器小结75磁路与变压器具体应用基本概念磁路的主要物理量铁磁材料铁磁材料的磁性能铁心线圈变压器常用变压器和电磁铁磁路欧姆定律一、知识结构图76基本概念磁路的主要物理量铁磁材料铁磁材料的磁性能磁感应强度B磁通Φ磁导率μ磁场强度H软磁材料硬磁材料矩磁材料高导磁性磁饱和性磁滞性77具体应用铁心线圈变压器常用变压器和电磁铁磁路欧姆定律直流铁心线圈交流铁心线圈电压电流关系额定值极性判定自耦变压器仪器仪表中的小功率电源变压器三相电力变压器电压互感器电压变化率三个变换功能电磁铁吸力公式78二、需掌握的知识要点一、磁路的基本知识（一）磁路在电气设备中，为了得到较强的磁场，常采用导磁性能良好的铁磁材料做成铁心，使磁场集中分布于由铁心构成的闭合路径内，形成磁路。（二）磁路的主要物理量磁感应强度B，磁通Ф，磁导率μ和磁场强度H。（三）铁磁材料分软磁、硬磁、矩磁3种类型材料。主要性能为高导磁性、磁饱和性、磁滞性。79（四）磁路欧姆定律Ф＝F/