《电工与电子技术》 课件 第6章 磁路和变压器

第6

章磁路和变压器6.1磁路的概念和基本定律6.2直流和交流磁路6.3变压器磁路和变压器本章学习磁路和变压器，磁路是基础，变压器是其应用。包括磁性材料、主要物理量、磁路的概念和基本定律。交流磁路的分析，包括电磁关系、电压和电流、功率。变压器的结构、工作原理、特性、效率和功能。

N1N2第6

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磁路和变压器6.1磁路的概念和基本定律6.1.1磁路的概念

1.什么是磁路？线圈通过电流会产生磁场，将线圈绕在导磁性能良好的铁磁材料制成的铁心上，使磁通的绝大部分通过此铁心构成的闭合路径，这样的闭合路径称为磁路。在磁路中，可以利用较小的电流获得较强的磁场。

图6-1a所示为小型变压器，由铁心和线圈组成。图6-1b为变压器中电流所产生的磁通通过铁心构成的磁路。图6-1c为电磁型继电器的磁路，注意其开启时铁心不完全闭合，其缝隙称为空气隙，简称气隙。6-1变压器及磁路a）变压器b）变压器磁路c）继电器磁路铁心线圈a）b）铁心线圈磁路I1I2磁路c）铁心气隙第6

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磁路和变压器6.1磁路的概念和基本定律

2.磁场的基本物理量

磁感应强度（B）是描述磁路的重要物理量，其单位是T（特斯拉）。穿过某一截面积（S）的磁感应强度（B）称为磁通量，简称磁通（Φ），单位为韦伯（Wb），在均匀磁场中，定义为磁场强度（H）是描述磁路的重要物理量，其单位是A/m（安培/米）。与磁感应强度、磁性材料的磁导率的关系为磁导率（μ）是描述物体导磁能力的物理量，其单位是H/m（亨利/米）。真空中磁导率用μ0表示，称为真空磁导率，由实验测出，真空磁导率的数值为任意一种物质的磁导率（μ）与真空磁导率用（μ0）的比值，称为该物质的相对磁导率（μr）。很明显，真空中相对磁导率为1，铁、钴、镍以及这些金属的合金具有很高的磁导率，可以对其周围的磁场产生较大的影响，通常把这一类物质称为铁磁物质。6.1.2铁磁材料

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磁路和变压器6.1磁路的概念和基本定律

物质按其导磁性能大体上分为铁磁材料和非铁磁材料两大类。非铁磁材料对磁场强弱的影响很小，其磁导率与真空的磁导率近似相等，为一常数。

只有铁、钴、镍以及这些金属的合金具有很高的磁导率，可以对其周围的磁场产生较大的影响，通常把这一类物质称为铁磁物质。铁磁物质具有以下特点：1．磁导率高铁磁材料中的相对磁导率（μr）远远大于1，具有被强烈磁化的特性。其中铸铁材料的的相对磁导率可达200，硅钢片可达1000~10000，坡莫合金则高达20000~200000。

2．磁饱和特性

铁磁材料中，磁感应强度

B

随磁场强度

H

的磁化特性，通常用磁化曲线（或

B-H）通过实验得出。起始，B随H

增加而快速增加，到一定程度后，B

不在增加，称为磁饱和。

图中的

Bo-H

为真空状态下B-H

曲线，以示比较。μ-H曲线为磁导率随磁场强度H

变化的情况，如图6-2所示。B0

-

H

曲线

μ-H

曲线HB、μO图6-2

B-H、μ-H

曲线B-

H

曲线磁饱和第6

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磁路和变压器6.1磁路的概念和基本定律3．磁滞特性

当铁心线圈通过交流电时，铁心受到交变磁化，将一块尚未磁化的铁磁材料，放在选定的＋Hm和－Hm的幅度内多次反复交变磁化。当电流为0（即

H=0）

到，B并未回到0，称为剩磁，剩磁的强弱用剩磁感应强度±Br

表示。使

B为零的磁场强度±Hc称为矫顽力。磁感应强度

B的变化落后磁场强度

H

变化的性质称为磁滞特性。H

增加和减少时，

H-B特性的路径为不同的两条线，形成一个对称于原点的闭合曲线，称为磁滞回线，如图6-3所示。

6.1.3磁路的基本定律图6-4所示磁路中，设N为线圈匝数、l为磁路平均长度、H

为磁路铁心磁场强度，则“安培环路定律”为根据安培环路定律可知匝数与电流的乘积称为“磁通势”，单位为安培（A），即：OHBH

增加H

减小图6-3

磁滞回线IlN图6-4

磁路磁路第6

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磁路和变压器6.2直流和交流磁路6.2.1直流磁路

励磁：为利用电磁感应原理工作的电气设备（如发动机等）提供工作磁场称为励磁，磁通势恒定的作用：根据磁路欧姆定律得知，当励磁线圈的匝数、电阻不变时，若励磁电压也保持不变，磁路磁阻（或空气隙长度）变化时，磁路的磁通

Φ

相应变化，而励磁稳态电流不受影响。所以，直流磁路具有恒磁通势的性质。直流磁路：直流电流励磁的磁路称为直流磁路。直流磁路中的磁通在稳态下是不随时间变化的，不会在直流励磁线圈中产生感应电动势（而交流磁路中磁通随时间交变，因而会在励磁绕组中产生感应电动势），对励磁电流没有制约作用。IlN图6-5

直流磁路直流磁路磁通恒定直流不会产生感应电动势第6

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磁路和变压器6.2直流和交流磁路6.2.2交流磁路

交流电流励磁的磁路称为交流磁路，交流状态下励磁铁心线圈又称为交流铁心线圈。交变电流变化在线圈中产生主磁通Φ

和漏磁通Φσ，分别产生主感应电动势e和漏感应电动势eσ，如图6-6所示。主、漏感应电动势的表达式分别为：由

KVL可以得出交流铁心电路电压和电流之间的关系，即漏磁通

Φσ

和线圈电阻

R

均较小，可以忽略，上式为

由于线圈施加正弦电压

u励磁，线圈中通过的电流为

i，铁心中的主磁通

Φ

是与

u同频率的交变磁通，为了分析方便，设

得到相量形式

所以：交流铁心线圈的损耗（功率损耗）包含两个部分组成：线圈电阻损耗

I2R

称为铜损，用PCu表示；交变磁通在铁心中产生的磁滞损耗和涡轮损耗称为铁损，用

Pfe表示。图6-6

交流磁路主磁通漏磁通第6

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磁路和变压器6.3变压器变压器（Transformer）是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，由初级线圈、次级线圈和铁芯组成。变压器的主要功能有电压变换、电流变换、阻抗变换等。

变压器种类较多，广泛应用于不同的目的，在电力系统中应用的变压器容量较大，而在测量和控制中使用的变压器容量都较小，主要用于整流、传递信号和实现阻抗匹配等作用。

部分种类的变压器见图6-7

所示。b）c）d）图6-7部分种类的变压器a）我国生产的世界最高电压等级最大容量的特高压变压器b）电力变压器c）三相变压器的绕组d）小型变压器

a）第6

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磁路和变压器6.3.1变压器的基本原理

1.结构与工作原理

图

6-7a

所示为单相变压器的原理图，由闭合铁心和绕在铁心上的两个匝数不同的线圈耦合而成，即在图6-6所示的交流磁路的基础上再加一个线圈。与电源联接的线圈称为一次绕组（原边）；与负载联接的线圈称为二次绕组（副边）。一、二次绕组没有电的联系，但二者处在同一磁路上。图6-7b

为变压器的电路图。主要参数：

输入交变电压（u1），在一次绕组中产生交变电流（i1）和感应电动势（E1），以及交变磁通。经过磁路传送给二次绕组，在二次绕组中产生感应电动势E2、二次电压U2和二次电流I2，为负载Z

提供电能。此时的由一次和二次绕组共同产生的磁通称为主磁通（Φ），同时一次和二次绕组分别还产生漏磁通（Φσ）。b）N2N1a）图6-7

单相变压器a）原理图b）电路图第6

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磁路和变压器6.3变压器2.空载运行与电压变换

变压器的一次绕组接上额定的交变电压，二次绕组开路（S打开）即变压器在空载下运行。如图6-8所示。

在外加正弦电压

u1

的作用下，一次绕组中有交变电流通过，称为空载电流，用io

表示。空载电流一般都很小，约为额定电流的3%~8%，在一次绕组上产生压降。

如果忽略空载电流io

在一次绕组阻抗产生的压降和漏磁通的影响，电压与电动势的关系为其相量式为空载时变压器的二次绕组是开路的，主磁通穿过二次绕组所产生的感应电动势为所以，一次侧电压与二次侧电压的关系为Ku为变压器变压比K为变压器变比变压比=变比=匝数比N1N2图6-8

变压器空载运行S第6

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磁路和变压器6.3变压器3.带载运行与电流变换

图

6-8所示变压器输出的开关（S）闭合接入负载，称为带载运行。二次侧产生电流I2，并在负载上产生电压U2及磁通势F，与一次绕组共同产生主磁通，由安培环路定律可知，有载时的磁通Φ是由一次和二次磁通共同产生的，为了保证带载前后磁路中的磁通势维持不变，故称为磁通势平衡方程，当忽略空载电流时，平衡方程为：即:Ki为变压器变流比变流比=变压比或变比的倒数

变压器的额定容量：

变压器的额定电流I1N和I2N是按规定工作时间运行时，一、二次绕组允许通过的最大电流。二次绕组的额定电压与额定电流的乘积为变压器的额定容量，单位为伏.安（V.A），即第6

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磁路和变压器6.3变压器【例6-1】某变压器变比K=10，一次电压为220V，求空载时的二次电压和带载（R=10Ω）时的一次和二次电流。【例6-2】某变压器一次绕组额定电压为380V，N1为760；二次绕组有两个，其空载电压分别为127V和36V。（1）分别求两个二次绕组的匝数（2）二次绕组接电阻性负载，测得电流分别为2.14A和3A，求一次绕组电流和一次、二次绕组的功率。解：（1）各绕组电压如图6-9a所示，因为匝数比等于电压比，所以（2）电流如图6-9b所示，根据磁通势平衡方程：一次、二次绕组的功率为u1380Vu2127Vu336Vu1380Vu2u3RR2.14A3A图6-9

例6-2图a）b）第6

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磁路和变压器6.3变压器4.阻抗变换图6-10变压器带载运行，对电源而言，可将变压器及其负载

Z

等效为一个复数阻抗，如虚线框内等效为阻抗。

从变压器一次侧得到：根据变比的关系，用二次侧电压和电流表示一次侧电压和电流，上式为：【例6-3】图6-11电路中，电源电动势120V，内阻为800Ω，负载RL

=8Ω。（1）如果电源直接接负载，电压源输出的功率为:（2）如果电源通过变比为10的变压器接到负载，则等效负载电阻为电压源输出的功率为：图6-10

变压器的阻抗变换N1N2结论：P2远大于P1，可以证明，当等效负载与电源内阻相等时，电源输出最大功率，见图6-11所示。

通过选择变压器的变比进行阻抗变换，得到所需要的等效阻抗，称为阻抗匹配。图6-11

例6-2电路6.3.2变压器的运行特性

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磁路和变压器6.3变压器1.外特性和电压调整率

考虑变压器中漏磁通

Φσ

和绕组电阻的存在，参数

都与负载有关，当负载变化是，都会随之改变。在一次侧接额定电压

U1N并且保持不变。当二次绕组的电流I2增加时，一次和二次绕组上的压降增加，导致二次绕组的电压U2

变化，U2和I2的关系：即为变压器的外特性，见图6-12所示。其中U20为空载时二次侧电压，I2N为二次侧额定电流。对于电阻性负载和电感性负载，U2随I2增加而下降，其中感性负载下降的更快一些。OU2I2图6-12

变压器的外特性U20I2N

变压器带载工作时，二次侧电压随电流的变化程度用电压调整率

ΔU％表示，电压调整率定义为

式中U2为二次侧电流为额定值时（I2=I2N）时的二次侧电压。电阻性负载电感性负载6.3.2变压器的运行特性

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磁路和变压器6.3变压器

2.变压器的损耗与效率

在忽略了变压器的漏磁通以及包括绕组电阻在内的各种损耗后，一次和二次电压、电流关系为即变压器的输入功率等于输出功率：

实际变压器在运行过程中，其一、二次绕组和铁心总要损耗一部分电功率。变压器的损耗包括两部分（见图6-13所示）：（1）绕组由铜线制成，一、二次绕组的等效电阻R1和R2消耗的功率称为铜损，即（2）铁心由铁磁材料制成，其中磁滞损耗和涡流损耗消耗的功率称为铁损，用表示。实际的输出功率应该是输入功率减去铜损和铁损，两者的比值为变压器的效率，即铁损-铁心功率损耗铜损-绕组功率损耗图6-1