電工基礎(chǔ)變壓器

1、第 5 章 磁路與變壓器5.1磁路的基本概念一、鐵磁材料鐵磁材料：能被磁化的的材料。例如：鐵、鈷、鎳以及它們的合金和氧化物。鐵心：由鐵磁材料制成。磁疇：鐵心自身存在的自然磁性小區(qū)域。注意：在沒有外磁場作用時，磁疇的方向雜亂無章，宏觀不顯磁性。圖5.1 磁疇和鐵心的磁化磁化：在一定強度外磁場的作用下，磁疇將沿外磁場方向趨向規(guī)則排列，產(chǎn)生附加磁場，使通電線圈的磁場顯著增強。圖5.2磁化過程直線1 表示空心線圈的情況；曲線2 表示線圈放入鐵心的情況。磁化過程說明：直線1: I與成正比且增加率較小曲線2 (磁化曲線): OA段大部分磁疇的磁場沿外磁場方向排列，與I成正比且增加率較大；AB段所有磁疇的磁

2、場最終都沿外磁場方向排列，鐵心磁場從未飽和狀態(tài)過渡到飽和狀態(tài)；B點以后稱飽和狀態(tài)，鐵心的增磁作用已達到極限。二、磁導(dǎo)率µ：表征各種材料導(dǎo)磁能力的物理量真空中的磁導(dǎo)率(µ0 )為常數(shù) （亨/米）一般材料的磁導(dǎo)率µ和真空中的磁導(dǎo)率µ0之比，稱為這種材料的相對磁導(dǎo)率µr ，則稱為鐵磁材料 ，則稱為非鐵磁材料 三、磁滯現(xiàn)象磁滯：鐵心線圈通入交流電，鐵心中的磁疇會隨交流電的變化而被反復(fù)磁化。由于磁疇本身存在“慣性”，使得磁通的變化滯后電流的變化。磁滯損耗：為外磁場不斷克服磁疇的“慣性”消耗的能量。磁滯損耗是鐵心發(fā)熱的原因之一。鐵磁材料的磁性能：1、高導(dǎo)磁

3、性 2、磁飽和性 3、磁滯性軟磁材料 硬磁材料 矩磁材料圖5.3鐵磁材料的磁滯回線根據(jù)磁性能，磁性材料又可分為三種：軟磁材料（磁滯回線窄長。常用做磁頭、磁心等）、硬磁材料（磁滯回線寬。常用做永久磁鐵）、矩磁材料（磁滯回線接近矩形?？捎米鲇洃浽Ｋ?、磁路 線圈通入電流后，產(chǎn)生磁通，分主磁通和漏磁通。 ：主磁通 ：漏磁通圖5.4交流鐵心線圈電路磁路：主磁通所經(jīng)過的閉合路徑。磁路和電路的比較:五、渦流交變的磁通穿過鐵心導(dǎo)體時，在其內(nèi)部產(chǎn)生的旋渦狀的電流。(a)整塊鐵心 (b)有硅鋼片疊成的鐵心圖5.4渦流渦流會使鐵心發(fā)熱并消耗能量，為了減小渦流損耗，鐵心常采用涂有絕緣材料的硅鋼片疊成。5.2 交

4、流鐵心線圈電路交流激勵 線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢 電路方程： 一般情況下uR很小，漏磁通很小 ：主磁通 ：漏磁通圖5.5交流鐵心電路 和 產(chǎn)生的感應(yīng)電勢分別為el和e假設(shè) 則最大值有效值N線圈匝數(shù)；f 電源頻率； 鐵心中交變磁通的幅值例1、有一個鐵心線圈接在交流220V、50Hz的交流電源上，鐵心中磁通的最大值為0.001Wb，問鐵心上的線圈至少應(yīng)繞多少匝？解U4.44fNm有若鐵心中的線圈只繞了100匝，線圈通電后會產(chǎn)生什么后果？結(jié)果是線圈通電后會燒壞由于磁通最大值遠遠超過了規(guī)定的最大值，對應(yīng)線圈中的電流遠遠超過正常值。5.3 變壓器變壓器功能： 變電壓：電力系統(tǒng) 變電流：電流互感器 變阻抗：電子

5、電路中的阻抗匹配（如喇叭的輸出變壓器） 二、變壓器的工作原理1. 空載運行 原邊接入電源，副邊開路。接上交流電源 原邊通過的空載電流為i10 i10 產(chǎn)生工作磁通 產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 （ 方向符合右手定則） 圖5.6變壓器的空載運行原、副邊電壓關(guān)系根據(jù)交流磁路的分析可得：圖5.7變壓器的空載運行工作原理 時 變電壓 K為變比結(jié)論：改變匝數(shù)比，就能改變輸出電壓。2. 負載運行副邊帶負載后對磁路的影響：在副邊感應(yīng)電壓的作用下，副邊線圈中有了電流 i2 。此電流在磁路中也會產(chǎn)生磁通，從而影響原邊電流 i1。根據(jù) ，當(dāng)外加電壓、頻率不變時，鐵芯中主磁通的最大值在變壓器空載或有負載運行時基本不變 。帶負載后

6、磁動勢的平衡關(guān)系為：圖5.8變壓器的有載運行由于變壓器鐵芯材料的磁導(dǎo)率高、空載勵磁電流 很小，一般不到額定電流的10%，?？珊雎?。根據(jù)原、副邊電流關(guān)系變電流結(jié)論：原、副邊電流與匝數(shù)成反比原、副邊阻抗關(guān)系圖5.9變壓器的阻抗變換從原邊等效：變阻抗結(jié)論：變壓器原邊的等效負載，為副邊所帶負載乘以變比的平方。 例2 有一臺降壓變壓器，原繞組電壓為220V，副繞組電壓為110V，原繞組為2200匝，若副繞組接入阻抗值為10的阻抗，問變壓器的變比、副繞組匝數(shù)、原繞組中電流各為多少？解：變壓器變比副繞組匝數(shù)副繞組電流原繞組電流例3：揚聲器上如何得到最大輸出功率。設(shè)：信號源電壓的有效值:Us= 120V;

7、信號源內(nèi)阻： 負載為揚聲器，其等效電阻： RL=8W。 1、將負載與信號源直接相連，得到的輸出功率為： 信號源 圖5.10 例3 (a圖)2、將負載通過變壓器接到信號源上。若要信號源輸出給負載的功率達到最大，用變壓器進行阻抗變換，通過變壓器把負載RL變換為等效電阻變壓器把負載RL 變換為等效電阻變壓器變比 圖5.11 例3 (b圖)輸出功率為：結(jié)論：由此例可見經(jīng)變壓器“匹配”后，輸出功率增大了許多 。原因是滿足了電路中獲得最大功率輸出的條件（信號源內(nèi)、外阻抗相等）。三、變壓器的外特性變壓器的外特性：在電源電壓和負載功率因數(shù)不變的條件下，副邊輸出電壓和輸出電流的關(guān)系。即： 圖5.12變壓器的外特

8、性U20：原邊加額定電壓、副邊開路時，副邊的輸出電壓。 變壓器外特性變化的程度用電壓變化率U% 表示大容量的電力變壓器的電壓變化率5%。小型號變壓器的電壓變化率20%。電壓變化率是一個重要技術(shù)指標(biāo)，直接影響到供電質(zhì)量。電壓變化率越小，變壓器性能越好。四、變壓器的損耗及效率(h) 銅損-可變損耗變壓器的損耗 鐵損-固定損耗 銅損 ( PCu ) ：繞組導(dǎo)線電阻所致。 磁滯損失：磁滯現(xiàn)象引起鐵芯發(fā)熱，造成的損失。鐵損( PFe )： 渦流損失：交變磁通在鐵芯中產(chǎn)生的感應(yīng)電流（渦流），造成的損失。變壓器的效率P2為輸出功率，P1為輸入功率一般變壓器的效率在95%，大型變壓器的效率可達99%以上。五、

9、變壓器的額定值變壓器負荷運行狀態(tài)稱額定運行。額定運行時各電量值為變壓器的額定值。額定電壓 U1N U2NU1N：加在一次繞組上的正常工作電壓。U2N：一次側(cè)施加額定電壓時的二次側(cè)空載電壓。額定電流 I1N I1N 變壓器滿載運行時，原、副邊繞組允許通過的電流值。額定容量 SN 變壓器傳送電功率的最大能力。額定頻率fN 變壓器應(yīng)接入的電源頻率。我國電力系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率為50Hz。以上額定值是以單相變壓器為例六、變壓器繞組極性及連接方法同極性端（同名端）當(dāng)電流分別流入兩個線圈（或流出）時，若兩線圈產(chǎn)生的磁通方向相同，則這兩個線圈流入端稱為同極性端（同名端）。也是各繞組電位瞬時極性相同的端點。圖5.1

10、3變壓器繞組極性及連接(a)圖 A、a為同名端；(b)圖 A、x為同名端小功率電源變壓器在使用中有時需要把繞組串連起來以提高電壓；或把繞組并聯(lián)起來以增大電流。在連接時必須認清繞組的極性，否則不僅達不到預(yù)期的目的，反而可能燒壞變壓器。正確的串聯(lián)接法 ：應(yīng)把兩個繞組的一對異名端聯(lián)在一起。正確的并聯(lián)接法：應(yīng)把兩個繞組的兩對同名端分別聯(lián)結(jié)在一起（還需注意 并聯(lián)繞組的電壓必須相等）。 線圈的接法 電器使用時兩種電壓（220V/110V）的切換： 220V： 聯(lián)結(jié) 2 3 110V： 聯(lián)結(jié) 1 3，2 4圖5.14線圈的兩種接法說明：兩種接法下 不變， 所以鐵芯磁路的設(shè)計相同原邊有兩個相同繞組的電源變壓器

11、（220 / 110），使用中應(yīng)注意的問題：問題1：在110V 情況下，如果只用一個繞組（N），行不行？若兩種接法鐵芯中的磁通相等，則：答：不行（兩繞組必須并繞） 問題2：如果兩繞組的極性端接錯，結(jié)果如何？ 因為 兩個線圈中的磁通抵消 感應(yīng)電勢e=0 電流 很大 燒毀圖5.15線圈的錯誤接法答：有可能燒毀變壓器結(jié)論：在極性不明確時，一定要先測定極性再通電。5.4幾種常用的變壓器一、三相電力變壓器電力工業(yè)中，輸配電都采用三相制。變換三相交流電電壓，則用三相變壓器。 把三個單相變壓器拼合在一起， 便組成了一個三相變壓器。 高壓繞組分別用U1U2、V1V2、W1W2表示。 低壓繞組分別用u1u2、v

12、1v2、w1w2表示。 根據(jù)電力網(wǎng)的線電壓及原繞組額定電壓的大小，可以將原繞組分別接成星形或三角形。圖5.16三相電力變壓器根據(jù)供電需要，副繞組也可以接成三相四線制星形或三角形。三相變壓器的原副繞組的常用接法有Y，yn、Y，d、YN，d三種。大寫字母表示高壓繞組的接法，小寫字母表示低壓繞組的接法，Y與y表示星形接法，D與d表示三角形連接，N與n表示有中線。例如三相變壓器的聯(lián)接組 Y，yn0Y 高壓繞組聯(lián)結(jié)為星形Yn低壓繞組聯(lián)結(jié)為星形有中線0 表示高、低壓對應(yīng)兩側(cè)線電壓的相位關(guān)系二、自耦變壓器圖5.17自耦變壓器使用時，改變滑動端的位置，便可得到不同的輸出電壓。實驗室中用的調(diào)壓器就是根據(jù)此原理制

13、作的。注意：原、副邊千萬不能對調(diào)使用，以防變壓器損壞。因為N變小時，磁通增大，電流會迅速增加。三、電壓互感器 用低量程的電壓表測高電壓圖5.18電壓互感器被測電壓= 電壓表讀數(shù) ´ N1/N2使用注意：1. 副邊不能短路，以防產(chǎn)生過流；2. 鐵心、低壓繞組的一端接地，以防在絕緣損時，在副邊出現(xiàn)高壓。四、電流互感器 用低量程的電流表測大電流圖5.19電流互感器被測電流=電流表讀數(shù) ´ N2/N1使用注意事項：1. 副邊不能開路，以防產(chǎn)生高電壓；2. 鐵心、低壓繞組的一端接地，以防在絕緣損壞時，在副邊出現(xiàn)過壓。本 章 小 結(jié) 磁路是由鐵磁材料制成的、磁通集中通過的路徑，可根據(jù)需

14、要制成一定的形狀。將磁路和電路進行比較，進一步理解磁路的基本物理量和基本規(guī)律。 交流鐵心線圈的磁通取決與外加正弦交流電壓，其基本關(guān)系式為U=4.44fNm，當(dāng)外加電壓一定時，磁通的幅值不變。 理想變壓器的變壓、變流、變阻抗的關(guān)系式為 三相電力變壓器、儀用互感器、自耦調(diào)壓器、電焊變壓器的結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用。 第五章自測題1. 鐵磁性物質(zhì)的B與H的關(guān)系由 _ 表達，B和H的關(guān)系是 _ 關(guān)系，鐵磁性物質(zhì)的主要特性表現(xiàn)為 _ 現(xiàn)象。2. 一鐵心線圈匝數(shù)為N，接在頻率為f的正弦電壓U下工作，當(dāng)U及f不變時，N增加時磁通將 _ (填增大或減小)；3. 一臺變壓器的鐵芯上有兩個線圈，已知鐵心的磁通的最大值為8&

15、#215;10-3wb，線圈的額定電壓分別為6000V，220V，額定頻率為50Hz，則這兩個線圈的匝數(shù)分別為 N1= _ ，N2= _。4. 一臺單相雙繞組變壓器額定容量為10KVA，額定電壓為220/110V，原副邊額定電流為_ _A。5. 有一匝數(shù)為100匝，電流為40A的交流接觸器的線圈被燒毀，檢測時手頭上只有允許通過電流為25A的較細導(dǎo)線，若鐵心窗口面積允許，重繞的線圈匝數(shù)為 匝。6. 有一交流鐵心線圈，電源電壓為220V，電路中電流為4A，功率表讀數(shù)為100W，頻率為50HZ，線圈漏阻抗壓降忽略不計，試求： （1） 鐵心線圈的功率因數(shù)； （2） 鐵心線圈的等效電阻和等效電抗。 7. 一臺220/36V的行燈變壓器，已知一次側(cè)線圈匝數(shù)為1100匝，試求二次測線圈匝數(shù)？若在二次測接一盞36V、100W的白熾燈，問一次側(cè)電流為多少？ 8. 一臺額定容量為50kVA、額定電壓為3300/220V單相照明變壓器，現(xiàn)要在在二次測接220V、60