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第 五 章 磁路与变压器,第五章 磁路与变压器,5.1 磁路的基本概念,上一页,下一页,返回本章,5.2 交流铁心线圈电路,5.3 变压器,5.4 几种常用的变压器,5.1磁路的基本概念,一、铁磁材料,磁畴,铁磁材料:能被磁化的的材料。 例如：铁、钴、镍以及它们的合金和氧化物。,铁心：由铁磁材料制成,磁畴：铁心自身存在的自然磁性小区域,注意：在没有外磁场作用时，磁畴的方向杂乱无章，宏观不显磁性。,返回本章,铁心,上一页,下一页,磁化：在一定强度外磁场的作用下,磁畴将沿外磁场方向趋向规则排列，产生附加磁场，使通电线圈的磁场显著增强。,铁心,通电线圈,磁化过程,返回本章,返回本节,直线1表示空心线圈的情况；曲线2表示线圈放入铁心的情况。,上一页,下一页,磁 化 过 程 说 明,直线1,曲线2 (磁化曲线),I与成正比且增加率较小,OA段,AB段,B点以后,大部分磁畴的磁场沿外磁场方向排列, 与I成正比且增加率较大,所有磁畴的磁场最终都沿外磁场方向排列,铁心磁场从未饱和状态过渡到饱和状态,称饱和状态，铁心的增磁作用已达到极限,返回本章,返回本节,上一页,下一页,磁路：主磁通所经过的闭合路径。,二、磁路,线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏磁通。,返回本章,返回本节,上一页,下一页,磁路和电路的比较,磁 路,电 路,磁通,I,N,R,+,_,E,I,磁压降,磁动势,U,返回本章,返回本节,上一页,下一页,三、磁滞现象,磁滞：铁心线圈通入交流电，铁心中的磁畴会随交流电的变化而被反复磁化。由于磁畴本身存在“惯性”，使得磁通的变化滞后电流的变化。,外磁场不断克服磁畴的“惯性”消耗的能量，为磁滞损耗。磁滞损耗是铁心发热的原因之一。,返回本章,返回本节,上一页,下一页,四、磁导率,：表征各种材料导磁能力的物理量,（亨/米）,真空中的磁导率( )为常数,，则称为铁磁材料,，则称为非铁磁材料,返回本章,返回本节,上一页,下一页,硬磁材料,矩磁材料,铁磁材料的磁性能是：1、高导磁性 2、磁饱和性 3、磁滞性,软磁材料,返回本章,返回本节,不同材料的磁滞回线,上一页,下一页,根据磁性能，磁性材料又可分为三种：,2、硬磁材料（磁滞回线宽。常用做永久磁铁）；,1、软磁材料（磁滞回线窄长。常用做磁头、磁心等）；,3、矩磁材料（磁滞回 线接近矩形。可用做记忆元件）。,返回本章,返回本节,上一页,下一页,五、涡流,交变的磁通穿过铁心导体时，在其内部产生的旋涡状的电流。,涡流会使铁心发热并消耗能量，为了减小涡流损耗，铁心常采用涂有绝缘材料的硅钢片叠成。,由硅钢片叠成的铁心,铁磁材料的铁心,线圈,返回本章,返回本节,上一页,下一页,电路方程：,5.2 交流铁心线圈电路,：主磁通,：漏磁通,u,i,一般情况下uR 很小，漏磁通 很小,返回本章,N,上一页,下一页,假设,则,最大值,有效值,N线圈匝数；f 电源频率； 铁心中交变磁通的幅值,返回本章,返回本节,上一页,下一页,例1 有一个铁心线圈接在交流220V、50Hz的交流电源上，铁心中磁通的最大值为0.001Wb，问铁芯上的线圈至少应绕多少匝？,解,U4.44fNm,有,若铁心中的线圈只绕了100匝，线圈通电后会产生什么后果？,结果是线圈通电后会烧坏由于磁通最大值远远超过了规定的最大值，对应线圈中的电流远远超过正常值。,返回本节,返回本章,上一页,下一页,变压器功能：,变电压：电力系统,变阻抗：电子电路中的阻抗匹配 （如喇叭的输出变压器）,变电流：电流互感器,5.3 变压器,返回本章,上一页,下一页,变压器应用举例,返回本章,返回本节,上一页,下一页,单相变压器,一、变压器的基本结构,返回本章,返回本节,上一页,下一页,铁心,线圈(又称绕组),变压器的组成,铁心 变压器铁心用具有绝缘层的0.350.5mm厚的硅 钢片叠成。,线圈 小容量变压器多用高强度漆包线绕制。 大容量变压器可用绝缘铜或铝线绕制。,返回本章,返回本节,上一页,下一页,变压器的主要结构,心式结构,壳式结构,返回本章,返回本节,上一页,下一页,心式结构,壳式结构,心式结构：变压器的铁心被绕组包围。多用于电力变压器,壳式结构：变压器的铁心包围绕组。常用于小容量变压器,返回本章,返回本节,上一页,下一页,高低压绕组的一般缠绕方式,工作过程：,返回本章,返回本节,上一页,下一页,1. 空载运行 原边接入电源，副边开路。,接上交流电源,原边通过的空载电流为i10,二、变压器的工作原理,i10 产生工作磁通,（ 方向符合右手定则）,返回本章,返回本节,上一页,下一页,结论：改变匝数比，就能改变输出电压。,K为变比,原、副边电压关 系,根据交流磁路的分析可得：,时,变电压,返回本章,返回本节,上一页,下一页,2. 负载运行,Z,副边带负载后对磁路的 影响：在副边感应电压的 作用下，副边线圈中有了 电流 i2 。此电流在磁路中 也会产生磁通，从而影响原边电流 i1。根据 当外加电压、频率不变时，铁芯中主磁通的最大值在变压器空载或有负载运行时基本不变 。带负载后磁动势的平衡关系为：,返回本章,返回本节,上一页,下一页,结论：原、副边电流与匝数成反比,由于变压器铁芯材料的磁导率高、空载励磁电流 ( i10) 很小，一般不到额定电流的10%，常可忽略 。,原、副边电流关系,变电流,返回本章,返回本节,上一页,下一页,原、副边阻抗关系,从副边等效：,返回本章,从原边等效：,返回本节,上一页,下一页,结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以 变比的平方。,返回本章,返回本节,上一页,下一页,例2 有一台降压变压器，原绕组电压为220V，副绕组电压为110V，原绕组为2200匝，若副绕组接入阻抗值为10的阻抗，问变压器的变比、副绕组匝数、原绕组中电流各为多少？,解,变压器变比,副绕组匝数,副绕组电流,原绕组电流,返回本章,返回本节,上一页,下一页,例3 扬声器上如何得到最大输出功率,设：,信号源电压的有效值:,Us= 120V;,信号源内阻：R0=800;,负载为扬声器，其等效电阻： RL=8。,1、将负载与信号源直接相连，得到的输出功率为：,返回本章,返回本节,上一页,下一页,2、将负载通过变压器接到信号源上。,变压器把负载RL 变换为等效电阻,若要信号源输出给负载的功率达到最大，用变压器进行阻抗变换，通过变压器把负载RL变换为等效电阻,变压器变比,返回本章,返回本节,上一页,下一页,输出功率为：,结论：由此例可见经变压器“匹配”后，输出功率增大了许多 。原因是满足了电路中获得最大功率输出的条件（信号源内、外阻抗相等）。,信号源,返回本章,返回本节,上一页,下一页,1、为什么变压器的铁心要用硅钢片叠成？用整块的铁心行不行？,2、有一台变压器在修理后，铁心出现气隙，这对于铁心的磁阻、工作磁通以及励磁电流有何影响？,答：变压器铁心用硅钢片的目的是为了减小涡流损耗。如果用整块的铁心，变压器会由于过热而损坏。,答：铁心出现气隙，铁心的磁阻增大，根据 电压不变，工作磁通不变，但由于磁阻增大，因而励磁电流增大。,3、变压器能否用来变换直流电压？如果将变压器接到与它的额定电压相同的直流电源上，会产生什么后果？,答：不能；将变压器接到直流电源上，由于额定电压高而线圈电阻小，使得变压器上产生很大的电流，而烧毁变压器。,返回本章,返回本节,上一页,下一页,三、变压器的外特性,U20：原边加额定电压、 副边开路时，副边的输 出电压。,变压器的外特性：在电源电压和负载功率因数不变的条件下，副边输出电压和输出电流的关系。,返回本章,即： U2 = f (I2),返回本节,上一页,下一页,变压器外特性变化的程度用电压变化率U%表示,大容量的电力变压器的电压变化率5%。 小型号变压器的电压变化率20%。,电压变化率 是一个重要技术指标，直接影响到供电质量。电压变化率越小，变压器性能越好。,返回本章,返回本节,上一页,下一页,四、变压器的损耗及效率(),变压器的损耗,铜损 ( PCu ) ：绕组导线电阻所致。,铜损-可变损耗,铁损-固定损耗,返回本章,返回本节,上一页,下一页,变压器的效率,P2为输出功率，P1为输入功率,一般变压器的效率在95% 大型变压器的效率可达99%以上,返回本章,返回本节,上一页,下一页,五、变压器的额定值,变压器负荷运行状态称额定运行。额定运行时各电量值为变压器的额定值。,U2N 一次侧施加额定电压时的二次侧空载电压。, 额定电压U1N、U2N U1N 加在一次绕组上的正常工作电压。,返回本章,返回本节,上一页,下一页, 额定容量 SN 变压器传送电功率的最大能力。, 额定频率 fN 变压器应接入的电源频率。我国电力系统的标准频率为50Hz。,以上额定值是以单相变压器为例,返回本章,返回本节,上一页,下一页,容量 SN 输出功率 P2,变压器的输出功率是否决定于变压器的容量？,变压器的容量：,变压器输出功率：,负载的功 率因数,变压器的输出功率不仅与变压器的容量有关，还与所带负载的功率因数有关。,原边输入功率,原边输入功率 = 输出功率 +变压器损耗,返回本章,返回本节,上一页,下一页,当电流分别流入两个线圈（或流出）时，若两线圈产生的磁通方向相同，则这两个线圈流入端称为同极性端（同名端）。也是各绕组电位瞬时极性相同的端点。,同极性端（同名端）,六、变压器绕组极性及连接方法,(a)图 A、a为同名端；(b)图 A、x为同名端,返回本章,返回本节,上一页,下一页,小功率电源变压器在使用中有时需要把绕组串连起来以提高电压；或把绕组并联起来以增大电流。在连接时必须认清绕组的极性，否则不仅达不到预期的目的，反而可能烧坏变压器。,正确的串联接法 ：应把两个绕组的一对异名端联在一起。,正确的并联接法：应把两个绕组的两对同名端 分别联结在一起（还需注意并联绕组的电压必须相等）。,返回本章,返回本节,上一页,下一页,电器使用时两种电压（220V/110V）的切换：,220V： 联结 2 3,110V： 联结 1 3，2 4,线圈的接法,返回本章,返回本节,上一页,下一页,220V：联结 2 3,励 磁,两种接法下线圈工作情况的分析,返回本章,返回本节,上一页,下一页,110V：联结 1 3，2 4,220V：联结 2 3,说明：两种接法下m 不变，所以铁芯磁路的设计相同,返回本章,返回本节,上一页,下一页,问题1：在110V 情况下，如果只用一个绕组（N），行不行？,答：不行（两绕组必须并绕）,原边有两个相同绕组的电源变压器（220 / 110），使用中应注意的问题：,返回本章,返回本节,上一页,下一页,问题2：如果两绕组的极性端接错，结果如何？,结论：在极性不明确时，一定要先测定极性再通电。,答：有可能烧毁变压器,两个线圈中的磁通抵消,烧毁,感应电势,电流 很大,原因：,返回本章,返回本节,上一页,下一页,5.4 几种常用的变压器,一、三相电力变压器,电力工业中，输配电都采用三相制。变换三相交流电电压，则用三相变压器。 把三个单相变压器拼合在一起， 便组成了一个三相变压器。,三相变压器工作原理与单相变压器相同,返回本章,上一页,下一页,高压绕组分别用 U1U2、V1V2、W1W2表示。,低压绕组分别用 u1u2、v1v2、w1w2表示。,根据电力网的线电压及原绕组额定电压的大小，可以将原绕组分别接成星形或三角形。,根据供电需要，副绕组也可以接成三相四线制星形或三角形。,返回本节,返回本章,上一页,下一页,三相变压器的原副绕组的常用接法有Y，yn、Y，d、YN，d三种。大写字母表示高压绕组的接法，小写字母表示低压绕组的接法，Y与y表示星形接法，D与d表示三角形连接，N与n表示有中线。,例如三相变压器的联接组 Y，yn0,高压绕组联结为星形,低压绕组联结为星形有中线,表示高、低压对应两侧线电压的相位关系,返回本章,返回本节,上一页,下一页,二、自耦变压器,使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的输出电压。实验室中用的调压器就是根据此原理制作的。注意：原、副边千万不能对调使用，以防变压器损坏。因为N变小时，磁通增大，电流会迅速增加。,下一页,返回本章,返回本节,上一页,三、电压互感器 用低量程的电压表测高电压,1. 副边不能短路，以 防产生过流； 2. 铁心、低压绕组的 一端接地，以防在 绝缘损时，在副边 出现高压。,使用注意：,被测电压= 电压表读数 N1/N2,返回本章,返回本节,上一页,下一页,四、电流互感器 用低量程的电流表测大电流,被测电流=电流表读数 N2/N1,1. 副边不能开路，以防产生高电压； 2. 铁心、低压绕组的一端接 地，以防在绝缘损坏时，在副 边出现过压。,使用注意事项：,下一页,返回本章,返回本节,上一页,
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