大三上电工产品学变压器

变压器将一种交流电能转变为另一种不同电压、电流的交流电而不改变频率的静止电能转换器。作用：1）电力系统：变换电压和输配电能。

2）电子线路中：变换电压、耦合电路、传送信号和实现阻抗匹配等。

3）特殊用途的变压器：自耦变压器、电焊变压器、电炉变压器、仪用互感器。

输配电系统示意图

工厂配电系统的形式是多种多样的，下面是双回路放射式工厂配电系统。图5.29工厂配电系统示意图工厂供电变压器的分类按用途：电力变压器(电力变压器可分为升压、降压、配‍电、厂用、联络变压器)、调压器、仪用变压器、矿用变压器、试验用变压器、特殊用途变压器【整流变压器、电炉变压器、‍电气化铁路专用变压器、电焊变压器、中频变压器、大‍电流冲击变压器】；按相数：单相（D）、三相（S）、多相按绕组数目：自耦变压器（O）、双绕组变压器、三绕组变压器（S）、多绕组变压器（电子设备中的电源变压器）；按冷却方式：充气式、干式、油浸式（油浸自冷、油浸风冷F、油浸水冷S、强迫油循环水冷SP、强迫油循环风冷FP）。按绕组材料分：铜、铝（L）按调压方式分类：无励磁调压、有励磁调压（Z）。

油浸式变压器环氧树脂干式变压器电力变压器的基本结构

1、器身：铁心、绕组、绝缘、引线、分接开关等。2、油箱：油箱本体、附件（放油阀门、小车、油样活门、接地螺栓、铬牌等）。平板式油箱多用于小型变压器中，排管式油箱用于中、小型变压器，拱顶油箱用于大型电力变压器。3、冷却装置：散热器或冷却器。散热器包括片式散热器、扁管散热器、带风扇装置的扁管散热器等；冷却器有强迫油循环风冷冷却器、强迫油循环水冷却器。4、保护装置：储油柜、油表、安全气道、吸湿器、测温元件、净油器和气体继电器等；5、出线装置：高压套管、低压套管；1KV以下的用实心瓷套管；10——35KV采用空心充气或充油式套管，110KV以上有采用电容式套管。高压绝缘套管作成多级伞形，电压越高，伞形级数越多。变压器的结构三相油浸式电力变压器1—油位计2—防爆管3—瓦斯继电器4—高压套管5—低压套管6—分接开关7—吸湿器8—散热器9—铁心10—温度计11—铭牌12—绕组13—放油阀吸湿器温度计瓦斯继电器铁芯绕组10变压器的结构1.铁心

铁心是变压器的磁路，由心柱和铁轭两部分组成，心柱用来套装绕组，铁轭将心柱连接起来，使之形成闭合磁路。为减少铁心损耗，铁心用厚0.35mm或0.5mm的硅钢片叠成，片上涂以绝缘漆，以避免片间短路。在大型电力变压器中，为提高磁导率和减少铁心损耗，常采用冷轧硅钢片；为减少接缝间隙和激磁电流，有时还采用由冷轧硅钢片卷成的卷片式铁心。11变压器铁心结构(a)单相心式(b)单相壳式(c)三相心式1—铁轭2—绕组3—铁心柱4—高压绕组5—低压绕组1.铁芯铁心是变压器的磁路，由心柱和铁轭两部分组成铁心用厚0.35mm或0.5mm的硅钢片叠成，单相心式高压绕组低压绕组2.绕组绕组是变压器的电路部分，由涂有绝缘漆的铜线或铝线绕成。

变压器的铁心(a)口型；（b）EI型；(c)F型；（d）C型2．绕组绕组构成变压器的电路部分。绕组通常用绝缘的铜线或铝线绕制，其中与电源相连的绕组称为原绕组（又称原边或初级）；与负载相连的绕组称为副绕组（又称副边或次级）。一般小容量变压器的绕组用高强度漆包线绕制而成，大容量变压器可用绝缘扁铜线或铝线绕制。绕组的形状有筒型和盘型两种。筒型绕组又称同心式绕组，原、副绕组套在一起，一般低压绕组在里面，高压绕组在外面，这样排列可降低绕组对铁心的绝缘要求。盘型绕组又称交叠式绕组，原、副绕组分层交叠在一起。变压器的绕组(a)筒型；(b)盘型

按铁心和绕组的组合结构，通常又把变压器分为心式和壳式两种。心式变压器的绕组套在铁心柱上，结构较简单，绕组的装配和绝缘都比较方便，且用铁量少，因此多用于容量较大的变压器，如电力变压器。壳式变压器的铁心把绕组包围在中间，故不要专门的变压器外壳，但它的制造工艺复杂，用铁量较多，常用于小容量的变压器中，如电子线路中的变压器多采用壳式结构。

变压器的结构形式

(a)心式；(b)壳式18分接开关变压器常用改变绕组匝数的方法来调整电压比。通常从高压绕组引出若干抽头，即分接头，与切换装置连接在一起，即分接开关。分接开关分为有载调压分接开关和无载调压分接开关。调节电压范围是额定输出电压的5%22变压器各绕组引出线之间以及引出线与地（油箱）之间都需要绝缘，这种绝缘叫外绝缘。一般变压器绕组的引出线从油箱内部引到油箱外部都必须经过绝缘套管。绝缘套管非晶态合金变压器在日常生活中人们接触的材料一般有两种：一种是晶态材料，另一种是非晶态材料。所谓晶态材料，是指材料内部的原子排列遵循一定的规律。反之，则为非晶态材料,一般金属都属于晶态材料。金属在熔化后，内部原子处于活跃状态。一但金属开始冷却，原子就会随着温度的下降，慢慢地按照一定的晶态规律有序地排列起来，形成晶体。如果冷却过程很快，原子来不及重新排列就被凝固住了，由此就产生了非晶态合金，制备非晶态合金采用的正是一种快速凝固的工艺。将处于熔融状态的高温钢水喷射到高速旋转的冷却辊上。钢水以每秒百万度的速度迅速冷却，仅用千分之一秒的时间就将1300℃的钢水降到200℃以下，形成非晶带材.非晶合金变压器非晶合金铁芯变压器是用新型导磁材料——非晶合金制作铁芯而成的变压器，它比硅钢片作铁芯变压器的空载损耗下降80%左右，空载电流下降约85%，是目前节能效果较理想的配电变压器，特别适用于农村电网和发展中地区等配变利用率较低的地方。

容量：３０ｋVA～１６００ｋVA，电压６ｋＶ～１０ｋＶ／０．４ｋＶ／０．２２ｋＶ；非晶合金配电变压器

全密封式变压器取消储油柜及吸湿器，油体积的变化靠波纹油箱波纹片的弹性来补偿，变压器油不与氧气和水份接触，大大延缓绝缘材料的老化，增强了产品运行的可靠性并使寿命得到很大提高。

全密封变压器产品箱沿采用半液体状硅胶密封，不老化，密封性能优良，多年使用无需更换，因而该产品运行中维护简单，使用户节约停机维修的费用。该产品在制造中采用真空注油和不浸漆工艺，改善线圈的绝缘和散热性能，并彻底清除绝缘材料中的水份，提高产品的内在质量。全密封式变压器电焊变压器电焊变压器原理图电焊变压器一般由220V/380V降低到约为60～80V的空载电压，以保证容易点火形成电弧。在脉冲电路中，常用变压器进行电路之间的耦合、放大及阻抗变等。脉冲变压器箱式变压器XZZB系列智能中压箱式变电站产品适用于12KV、50HZ、100-1000KAV的户内外电力用户。具有智能化、模数化、结构紧凑、可靠性高、远方控制、免维修等特点引入：实际电路中有大量电感元件的线圈中有铁芯；线圈通电后铁芯就构成磁路；磁路又影响电路；电工技术不仅有电路问题同时也有磁路问题。磁路的基本性质磁路的基本物理量大家知道，电流周围存在着磁场。当直导线或线圈有电流通过时，在其周围就存在着磁场。磁场的方向与励磁电流方向之间的关系用右手螺旋定则判定。I

用右手握着直导线；伸直的拇指指向电流方向；弯曲的四指所指的方向则是磁场方向。直导线电流的磁场励磁电流IIB磁场B

伸直的拇指所指的方向则是磁场方向。励磁电流I磁场B励磁电流I磁场BNSB螺旋线圈

用右手握着线圈，弯曲的四指指向电流方向；IS1．磁感应强度B

磁感应强度B是表示磁场内某点磁场强弱及方向的物理量。B在数值上等于垂直于磁场的单位长度导体通以单位电流所受的电磁力，单位是特斯拉(T)。NBBIf2．磁通

穿过磁场中某一个面积的磁感线的条数叫做磁通。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)。BS3．磁导率磁导率表示物质的导磁性能，单位是H/m(亨/米)。真空的磁导率：非铁磁物质的磁导率与真空极为接近，铁磁物质的磁导率远大于真空的磁导率。相对磁导率

r：物质磁导率与真空磁导率的比值。非铁磁物质

r近似为1，铁磁物质的

r远大于1。4．磁场强度H

＊注意：

磁场强度只与产生磁场的电流以及这些电流分布有关，而与磁介质的磁导率无关。磁感应强度与介质有关，常使磁场分析变的复杂，为了简化计算引入磁场强度H，它等于磁感应强度与介质磁导率的比值，单位是A/m（安/米）。磁路变压器、电动机、磁电式仪表等电工设备，为了获得较强的磁场，常常将线圈缠绕在有一定形状的铁芯上。线圈通以励磁电流产生磁场，这时铁芯被线圈磁场磁化产生较强的附加磁场，它叠加在线圈磁场上，使磁场大为加强。这种在铁芯内形成的闭合路径称为磁路。磁路的基本知识1磁路的概念在电工设备中，常采用导磁性能良好的铁磁材料做成一定形状的铁心，给绕在铁心上的线圈通以较小的励磁电流，就会在铁心中产生很强的磁场。相比之下，周围非磁性材料中的磁场就显得非常弱，可以认为磁场几乎全部集中在铁心所构成的路径内。这种由铁心所限定的磁场称为磁路。常见的几种电气设备的磁路如图所示。

几种常见电气设备的磁路(a)变压器；(b)电磁铁；(c)磁电式电表2磁路欧姆定律由铁磁材料制成的一个理想磁路（无漏磁）如图所示，若线圈通过电流I，则在铁心中就会有磁通Φ通过。实验表明，铁心中的磁通Φ与通过线圈的电流I、线圈匝数N以及磁路的截面积S成正比，与磁路的长度l成反比，还与组成磁路的铁磁材料的磁导率μ成正比，即(1)磁路的欧姆定律是分析磁路的基本定律

环形线圈如图，其中媒质是均匀的，磁导率为，试计算线圈内部的磁通

。【解】根据安培环路定律，有设磁路的平均长度为l，则有一、引例Sx

HxIN匝式中：F=NI

为磁动势，由其产生磁通；

Rm

称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用；

l为磁路的平均长度；

S

为磁路的截面积。二、磁路的欧姆定律

若某磁路的磁通为，磁动势为F

，磁阻为Rm，则即有：此即磁路的欧姆定律。三、磁路与电路的比较1、形式比较

磁路磁动势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+_EIR2、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，它只能用于定性分析；（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；（5）磁路的基本物理量单位较复杂，学习时应注意。图2铁磁材料的理想磁路

对于由不同材料或不同截面的几段磁路串联而成的磁路，如有气隙的磁路，磁路的总磁阻为各段磁阻之和。由于铁心的磁导率μ比空气的磁导率μ0大许多倍，故即使空气隙的长度l0很小，其磁阻Rm仍会很大，从而使整个磁路的磁阻大大增加。若磁动势F不变，则磁路中空气隙越大，磁通Φ就越小；反之，如线圈的匝数N一定，要保持磁通Φ不变，则空气隙越大，所需的励磁电流I也越大。3、铁磁材料根据导磁性能的不同，自然界的物质可分为两大类：一类称为铁磁材料，如铁、钢、镍、钴及其合金和铁氧体等材料，这类材料的导磁性能好，磁导率很高；另一类为非铁磁材料，如铝、铜、纸、空气等，这类材料的导磁性能差，磁导率很低。任意一种物质导磁性能的好坏常用相对磁导率μr来表示，即

其中,μ为任意一种物质的磁导率，μ0为真空的磁导率，其值为常数

μ0=4π×10-7H/m

非铁磁材料的相对磁导率大多接近于1，铁磁材料的相对磁导率可达几百、几千,甚至几万，是制造变压器、电机、电器等各种电工设备的主要材料。铁磁材料的磁性能主要包括：

高导磁性、磁饱和性和磁滞性。1．高导磁性在铁磁材料的内部存在许多磁化小区，称为磁畴，每个磁畴就像一块小磁铁。在无外磁场作用时，各个磁畴排列混乱，对外不显示磁性。

随着外磁场的增强，磁畴逐渐转向外磁场的方向，呈有规则的排列，显示出很强的磁性，这就是铁磁材料的磁化现象。非铁磁材料没有磁畴结构，所以不具有磁化特性。铁磁物质的磁化

1．磁化将铁磁物质放入通电的线圈中，会使磁场大为增强，这种现象称为铁磁物质的磁化。磁化是铁磁物质特有的现象。

2．磁畴近代物理学的研究指出，铁磁物质是由许多微小的天然磁化区域组成的，这些天然磁化区域叫做磁畴。（1）磁畴内部所有的分子电流取向一致，每个磁畴都相当于一块体积极小但磁性很强的微型磁铁。没有外磁场作用时，由于各磁畴的排列杂乱无章，它们的磁场互相抵消，因而对外不显示磁性，如图所示。（2）在外磁场的作用下，铁磁物质内部磁畴的方向与外磁场方向趋于一致，形成与外磁场方向相同的附加磁场，从而使铁磁物质内部的磁场显著增强，这就是铁磁物质的磁化。

（3）外磁场愈强，与外磁场方向一致的磁畴数量愈多，附加磁场也愈强。当外磁场增大到一定程度，全部磁畴都转到与外磁场一致的方向时，附加磁场可比外磁场强几百倍，甚至数千倍。2．磁饱和性当外磁场（或励磁电流）增大到一定值时，其内部所有的磁畴已基本上均转向与外磁场方向一致的方向上，因而再增大励磁电流其磁性也不能继续增强，这就是铁磁材料的磁饱和性。铁磁材料的磁化特性可用磁化曲线即B=f(H)曲线来表示。磁化曲线磁化曲线是铁磁物质在外磁场中被磁化时，其磁感应强度B随外磁场强度H的变化而变化的曲线，即且B—H曲线。磁化曲线可由实验测定。

起始磁化曲线O①②③HB，

mabcB0

1．起始磁化曲线

从H=0、B=0开始，未经磁化过的铁磁材料的磁化曲线，称为起始磁化曲线，如图中的曲线①所示。B

(1)在Oa段，随外磁场H的增大，磁感应强度B增加较慢，这时，材料内的磁畴在微弱的外磁场作用下，只发生了微微的转向，B随H的增加近似为线性。

(2)在ab段，随H的增加，B迅速增大，材料内的磁畴在足够强的外磁场作用下，随外磁场方向发生了明显的转向，产生了明显的附加磁场。

(3)bc段，H增大，B的增加又趋缓慢。(4)c点以后，H继续增大，B则基本保持不变，曲线进入饱和阶段，这是因为外磁场增大到一定程度，磁畴已全部转向外磁场方向，外磁场再增强，附加磁场已不可能随之进一步增强的缘故。3．磁滞性实际工作时，如果铁磁材料在交变的磁场中反复磁化，则磁感应强度B的变化总是滞后于磁场强度H的变化，这种现象称为铁磁材料的磁滞现象，磁滞回线如图5所示。由图可见，当H减小时，B也随之减小，但当H=0时，B并未回到零值，而是B=Br，Br称为剩磁感应强度，简称剩磁。若要使B=0，则应使铁磁材料反向磁化，即使磁场强度为-Hc。Hc称为矫顽磁力，它表示铁磁材料反抗退磁的能力。图5铁磁材料的磁滞回线铁磁材料按其磁性能又可分为软磁材料、硬磁材料和矩磁材料三种类型。

软磁材料的剩磁和矫顽磁力较小，磁滞回线形状较窄，但磁化曲线较陡，即磁导率较高，适用于做变压器、电机和各种电器的铁心。软磁材料如纯铁、硅钢片等。

硬磁材料的剩磁和矫顽磁力较大，磁滞回线形状较宽，适用于制作永久磁铁。硬磁材料包括碳钢、钴钢及铁镍铝钴合金等。

矩磁材料的磁滞回线近似于矩形，剩磁很大，接近饱和磁感应强度，但矫顽磁力较小，易于迅速翻转，常在计算机和控制系统中用作记忆元件。矩磁材料包括镁锰铁氧体及某些铁镍合金等。

1.软磁材料：磁导率高，磁滞特性不明显，矫顽力(Hc)和剩(Br)都小，磁滞回线较窄，磁滞损耗小。

常用的软磁材料有纯铁、铸铁、铸钢、硅钢、坡莫合金、铁氧体等。OHB

变压器、电机和电工设备中的铁芯都采用硅钢片制作

（2）硬磁材料：剩磁(Br)，和矫顽力(Hc)均较大，被磁化后其剩磁不易消失，磁滞回线较宽。

常用的硬磁材料有如碳钢、钨钢、钴钢及镍钴合金等。硬磁材料适宜作永久磁铁。OHB许多电工仪器如电流表、电压表、扬声器、受话器等都是用硬磁材料制作的。

（3）矩磁材料：在较弱的磁场作用下也能磁化并达到饱和，当外磁场去掉后，磁性仍保持饱和状态，剩磁很大(Br)，矫顽磁力(Hc)较小，磁滞回线几乎成矩形。

矩磁材料稳定性良好且易于迅速翻转。OHB矩磁材料主要用来作记忆元件，如计算机、手机存储器的磁芯等。2交流铁心线圈电路1电磁关系图6是交流铁心线圈电路，线圈的匝数为N，线圈电阻为R。将交流铁心线圈的两端加交流电压u，在线圈中就产生交流励磁电流i，在交变磁动势iN的作用下产生交变的磁通。绝大部分磁通通过铁心，称为主磁通Φ，但还有很小一部分从附近的空气中通过，称为漏磁通Φσ。图6交流铁心线圈电路

这两种交变的磁通都将在线圈中产生感应电动势，即主磁电动势e和漏磁电动势eσ，它们与磁通的参考方向之间符合右手螺旋法则，如图6所示。根据基尔霍夫电压定律可得铁心线圈的电压平衡方程为

u=iR-e-eσ

（6-3）用相量表示，则可写成（6-4）

由于线圈电阻上的压降iR和漏磁电动势eσ都很小，与主磁电动势e比较均可忽略不计，故上式又可写为（6-5）

设主磁通Φ=Φmsinωt，由电磁感应定律，在规定的参考方向下，有

式中，Em=2πfNΦm是主磁通电动势的最大值，其有效值为

（6-6）用相量表示则为（6-7）

又由式(6-5)可知，有效值

U≈E=4.44fNΦm

（6-8）2功率损耗交流铁心线圈电路中，除了在线圈电阻上有功率损耗外，铁心中也会有功率损耗。线圈上损耗的功率I2R称为铜损，用ΔPCu表示；铁心中损耗的功率称为铁损，用ΔPFe表示。铁损又包括磁滞损耗和涡流损耗两部分。1．磁滞损耗铁磁材料交变磁化,由磁滞现象所产生的铁损称为磁滞损耗，用ΔPh表示。它是由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而造成的损耗。可以证明，铁心中的磁滞损耗与该铁心磁滞回线所包围的面积成正比，同时，励磁电流频率f越高，磁滞损耗也越大。当电流频率一定时，磁滞损耗与铁心磁感应强度最大值的平方成正比。为了减小磁滞损耗，应采用磁滞回线窄小的软磁材料。例如变压器和交流电机中的硅钢片，其磁滞损耗就很小。2．涡流损耗铁磁材料不仅有导磁能力，同时也有导电能力，因而在交变磁通的作用下铁心内将产生感应电