電工電子學(xué)_05變壓器

1、電工電子學(xué) 5.1 磁路 變壓器、電動(dòng)機(jī)以及繼電器接觸器等控制電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)都有鐵心和線圈，其目的都是為了當(dāng)線圈通有較小電流時(shí)，能在鐵心內(nèi)部產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)，使線圈上感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)或者對(duì)線圈產(chǎn)生電磁力。鐵心的磁導(dǎo)率比周?chē)諝饣蚱渌镔|(zhì)的磁導(dǎo)率高的多，磁通的絕大部分經(jīng)過(guò)鐵心形成閉合通路，磁通的閉合路徑稱(chēng)為磁路,如圖5.1.1所示?？梢哉f(shuō)磁路是封閉在一定范圍里的磁場(chǎng)，所以描述磁場(chǎng)的物理量也適用于磁路。5.1.1 磁場(chǎng)的基本物理量1.磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度是表示磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量，是個(gè)矢量，用符號(hào)B表示。對(duì)于電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向和電流方向滿足右手螺旋定則，其大小可用式（5.1.

2、1）表示B=F/lI （5.1.1）式（5.1.1）中F表示磁通勢(shì)，l表示磁路平均長(zhǎng)度，I表示電流。感應(yīng)強(qiáng)度的單位是特斯拉（T）即韋伯/米2。如果磁場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等，方向相同的磁場(chǎng)，這樣的稱(chēng)為勻強(qiáng)磁場(chǎng)。2. 磁通磁感應(yīng)強(qiáng)度B與垂直于磁場(chǎng)方向面積S的乘積，稱(chēng)為通過(guò)該面積的磁通。用符號(hào)表示，單位是Wb（韋伯）。在均勻磁場(chǎng)中= BS 或 （5.1.2）如果不是均勻磁場(chǎng)，式（5.1.2）則取B的平均值。由式（5.1.2）可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度B在數(shù)值上可看作是單位面積上所通過(guò)的磁通，故又稱(chēng)為磁通密度。SB3.磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率是衡量物質(zhì)導(dǎo)磁能力的物理量，用表示，單位是亨/米（H/m）。真空的磁導(dǎo)率用0表

3、示。實(shí)驗(yàn)測(cè)得 為一常數(shù)，所以其它物質(zhì)的磁導(dǎo)率和它比較是很方便的。任一種物質(zhì)的磁導(dǎo)率 和真空的磁導(dǎo)率0的比值稱(chēng)為相對(duì)磁導(dǎo)率 ，可用式（5.1.3）表示 （5.1.3）H/m104700r4.磁場(chǎng)強(qiáng)度在任何磁介質(zhì)中，磁場(chǎng)中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與同一點(diǎn)的磁導(dǎo)率的比值稱(chēng)為該點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，用符號(hào)H表示，單位是安/米（A/m）。 H=B/ （5.1.4） 磁場(chǎng)強(qiáng)度也是矢量，是為方便計(jì)算磁場(chǎng)引入的物理量，通過(guò)它來(lái)確定磁場(chǎng)與電流之間的關(guān)系。 5.1.2 磁性材料的磁性能磁性材料又稱(chēng)鐵磁材料，主要是指鐵、鎳、鈷及其合金，它們具有下列性能。1.高導(dǎo)磁性 磁性材料的磁導(dǎo)率很高，0，兩者之比可達(dá)數(shù)百到數(shù)萬(wàn)，即磁性材料具

4、有被強(qiáng)烈磁化的特性。 當(dāng)把磁性材料放在磁場(chǎng)強(qiáng)度為H的磁場(chǎng)內(nèi)時(shí)，磁性材料就會(huì)被磁化，這是由其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)決定的。磁性性材料是由許多小磁疇組成的，在沒(méi)有外磁場(chǎng)作用時(shí)，小磁疇排列無(wú)序，對(duì)外部不顯示磁性。在外磁場(chǎng)作用下，一些小磁疇就會(huì)順向外磁場(chǎng)方向而形成規(guī)則的排列，此時(shí)磁性材料對(duì)外顯示出磁性。隨著外磁場(chǎng)的增強(qiáng)，大量磁疇都轉(zhuǎn)到與外磁場(chǎng)相同的方向，這樣便產(chǎn)生了一個(gè)很強(qiáng)的與外磁場(chǎng)同方向的磁化磁場(chǎng)，使磁性材料內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大大增強(qiáng)。磁性材料的磁化如圖5.1.2所示。磁性材料的高導(dǎo)磁性能被廣泛地應(yīng)用于電工設(shè)備中，如在電機(jī)、變壓器以及各種鐵磁元件的線圈中都放有用鐵磁材料作成的鐵心。由于高導(dǎo)磁性，在具有閉合鐵心的線圈

5、中通入不大的勵(lì)磁電流，便可產(chǎn)生足夠大的磁通和磁感應(yīng)強(qiáng)度，這就解決了既要磁通大、又要?jiǎng)?lì)磁電流小的矛盾。利用這一性質(zhì)可使同一容量的電機(jī)的重量和體積大大減輕和減小。2.磁飽和性 磁性材料的磁化曲線（B-H曲線）是用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)驗(yàn)出來(lái)的，如圖5.1.3所示。其中BJ 是磁場(chǎng)內(nèi)磁性物質(zhì)的磁化磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線，B0是磁場(chǎng)內(nèi)不存在磁性物質(zhì)時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度直線，B是BJ曲線和B0直線的縱坐標(biāo)相加即磁場(chǎng)的 B-H 磁化曲線。當(dāng)H比較小時(shí)，B與H近似成正比地增加，當(dāng)H增加到一定值后，B的增加趨緩，最后趨于磁飽和。根據(jù)式（5.1.3）知=B/H，由于B與H不成正比，所以磁性材料的值不是常數(shù)，而是隨H而變，-H曲線如

6、圖5.1.4所示。由于磁通與B成正比，產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流I與H成正比，因此在存在磁性物質(zhì)的情況下， 與 I 也不成正比。3.磁滯性磁性材料被磁化時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的性質(zhì)稱(chēng)為磁性材料的磁滯性。5.1.3 磁路的基本定律 1安培環(huán)路定律(全電流定律)安培環(huán)路定律可用來(lái)確定磁場(chǎng)與電流之間的關(guān)系，是計(jì)算磁路的基本公式。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 （5.1.5）IldH2磁路的歐姆定律磁路歐姆定律是分析磁路的基本定律。以圖5.1.1鐵心線圈為例。媒質(zhì)是均勻的，磁導(dǎo)率為，根據(jù)式（5.1.5）得 （N為線圈匝數(shù)） （5.1.6） 因此，有 （5.1.7）lSlBHlNImRFSlNI5.2 交流鐵心線圈電

7、路 鐵心線圈可通入直流電，也可通入交流電來(lái)勵(lì)磁，變壓器、交流電動(dòng)機(jī)及各種交流電器的線圈都是通入交流電來(lái)勵(lì)磁的。本節(jié)中僅介紹交流鐵心線圈電路。 5.2.1 電磁關(guān)系 圖5.2.1是交流鐵心線圈電路，線圈的匝數(shù)為N。當(dāng)在線圈兩端加上交流電壓u時(shí)，就有交流電流i通過(guò)，磁通勢(shì)產(chǎn)生的磁通iN絕大部分通過(guò)鐵心而閉合，這部分磁通稱(chēng)為主磁通或工作磁通。此外還有很少的部分磁通經(jīng)過(guò)空氣或其他導(dǎo)磁物質(zhì)而閉合，這部分磁通稱(chēng)為漏磁通,由于電流i是交變的，主磁通和漏磁通也是交變的，這兩個(gè)磁通在線圈中產(chǎn)生兩個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即主磁電動(dòng)勢(shì)e和漏磁電動(dòng)勢(shì)e。電流i和主磁通的參考方向、兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)與主磁通的參考方向之間均符合右手螺旋法

8、則，電流i方向與u的參考方向一致，因而u，i，e的參考方向一致。其電磁關(guān)系表示如下 5.2.2 電壓與電流關(guān)系由圖5.2.1，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，交流鐵心線圈的電壓、電流關(guān)系為當(dāng) u 是正弦電壓時(shí)，其它各電壓、電流、電動(dòng)勢(shì)可視作正弦量，則電壓、電流關(guān)系的相量式為5.2.3 功率關(guān)系交流鐵心線圈中，功率損耗有銅損和鐵損兩種。 1. 銅損 在交流鐵心線圈中, 線圈電阻上的功率損耗稱(chēng)銅損，用 表示。 式中R是線圈的電阻，I 是線圈中電流的有效值。 2. 鐵損 在交流鐵心線圈中，處于交變磁通下的鐵心內(nèi)的功率損耗稱(chēng)鐵損，用 表示。它與鐵心內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值Bm的平方成正比。鐵損由磁滯和渦流產(chǎn)生。Cu

9、P2RIPCu5.3 變壓器 變壓器是是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的一種電氣設(shè)備，它具有變換電壓、變換電流和變換阻抗的功能。 變壓器的類(lèi)型很多，通?？砂从猛?、結(jié)構(gòu)、相數(shù)或冷卻方式進(jìn)行分類(lèi)。u按用途分，有電力變壓器、專(zhuān)用電源變壓器、調(diào)壓變壓器、測(cè)量變壓器、試驗(yàn)變壓器、安全變壓器等。u按鐵心結(jié)構(gòu)形式分，有心式和殼式兩種。按線圈繞組形式又可分為雙繞組、三繞組、多繞組變壓器以及自耦變壓器。u按相數(shù)分，有單相變壓器、三相變壓器和多相變壓器。u按冷卻方式分，有空氣自冷式(干式)、油浸自冷式、油浸風(fēng)冷式變壓器等等。雖然變壓器種類(lèi)繁多、形狀各異，但其基本結(jié)構(gòu)和工作原理是相同的。5.3.1 變壓器的結(jié)構(gòu)變壓器的主要組

10、成部分是鐵心和繞組，一般結(jié)構(gòu)如圖5.3.1所示。 鐵心的作用是構(gòu)成變壓器的磁路，是用導(dǎo)磁性能好的鐵磁材料制成，即用很小的勵(lì)磁電流產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)，以減小變壓器體積，通常用硅鋼片疊成，可減小鐵心損耗。按鐵心的構(gòu)造。變壓器可分為心式和殼式兩種。圖5.3.1（a）為心式鐵心的變壓器，其繞組套在鐵心柱上，制造工藝比較簡(jiǎn)單，容量較大的變壓器多為這種結(jié)構(gòu)。圖5.3.1（b）為殼式鐵心的變壓器，鐵心大部分在繞組外面，散熱性能較好，但制造工藝較復(fù)雜，常用于小容量的變壓器中。5.3.2 變壓器的工作原理1.電磁關(guān)系 變壓器的工作原理涉及電路、磁路及其相互間的聯(lián)系。為了分析方便，分空載和帶負(fù)載兩種情況分別討論。 變

11、壓器的原理圖如圖5.3.2和圖5.3.3所示。為了便于分析，將兩個(gè)繞組分別畫(huà)在閉合鐵心的兩邊。其中接電源的繞組為原邊繞組，匝數(shù)為Nl，接負(fù)載的繞組為副邊繞組，匝數(shù)為N2。圖中ul的正方向任取，原邊電流i1方向與u1的參考方向一致，i1、e1及 e2的參考方向與主磁通的參考方向之間符合右手螺旋法則。規(guī)定i2與 e2 的參考方向一致。（1）空載運(yùn)行變壓器的空載運(yùn)行是指副邊開(kāi)路、不接負(fù)載的情況，其原理圖如圖5.3.2所示。(2) 有載運(yùn)行圖 5.3.3所示為變壓器帶負(fù)載時(shí)的電路。2.電壓變換作用在圖5.3.3中，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可列出原邊電壓方程當(dāng)u1是正弦電壓時(shí)，電流、電動(dòng)勢(shì)均可視作正弦量，

12、則上式可用相量表示3.電流變換作用當(dāng)變壓器的原邊接電源、副邊接負(fù)載ZL時(shí)，原邊電流為i1，鐵心中的交變主磁通在副繞組中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)e2 ，由e2 又產(chǎn)生i2 及磁通勢(shì)i2N2。 由式（5.2.6）可知，無(wú)論變壓器空載還是有載，只要電源電壓U1 , N1及頻率f 一定時(shí)，m 就是一個(gè)確定不變的值。當(dāng)變壓器空載時(shí)主磁通由磁通勢(shì)i10N1 產(chǎn)生，此時(shí)的i10 稱(chēng)為空載電流，主要用于勵(lì)磁。當(dāng)變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)，主磁通由合成磁通勢(shì)（i1N1+ i2N2）產(chǎn)生。由于空載和有載時(shí)主磁通m值相同，因此變壓器在空載及有載運(yùn)行時(shí)的磁通勢(shì)應(yīng)相等，于是可得磁通勢(shì)平衡式用相量可表示為 （5.3.8）1102211NINI

13、NI4.阻抗變換作用在電子線路中，當(dāng)負(fù)載與信號(hào)源內(nèi)阻相等時(shí)，負(fù)載可獲得信號(hào)源輸出的最大功率，此時(shí)稱(chēng)為阻抗匹配。若負(fù)載與信號(hào)源內(nèi)阻不相等，而負(fù)載的阻抗不能隨便改變，此時(shí)可利用變壓器進(jìn)行阻抗變換，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。圖5.3.5為變壓器實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的示意圖。圖中變壓器視為理想變壓器，其內(nèi)部阻抗均忽略。5.3.3 變壓器的外特性和技術(shù)參數(shù)1.變壓器的外特性2.變壓器的效率 變壓器并不是百分之百地傳遞電能。變壓器的功率損耗有兩部分，銅損(PCu)與鐵損(PFe )。銅損是原、副繞組中的電流在繞組電阻上產(chǎn)生的損耗，銅損與負(fù)載大小(正比于電流平方)有關(guān)。鐵損是交變的主磁通在鐵心中產(chǎn)生的磁滯損耗及渦流損耗，由于變

14、壓器工作時(shí)，主磁通基本上不變，所以鐵損的大小與負(fù)載大小無(wú)關(guān)。變壓器的效率為 （5.3.13）FeCuPPPPPP22123.變壓器的技術(shù)參數(shù)正確地使用變壓器，不僅能保證變壓器正常工作，還能使其具有一定的使用壽命。因此，必須了解變壓器的技術(shù)指標(biāo)和額定值。（1）額定電壓U1N，U2NU1N指原邊繞組應(yīng)當(dāng)施加的正常電壓。U2N指原邊為額定電壓U1N 時(shí)副邊的空載電壓。 U1N，U2N對(duì)三相變壓器是指其線電壓。變壓器帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)因有內(nèi)阻抗壓降，變壓器副邊的輸出額定電壓應(yīng)比負(fù)載所需的額定電壓高510。（2）額定電流I1N，I2N 原邊額定電流I1N ，是指在U1N 作用下原邊繞組允許通過(guò)電流的限額。I2

15、N指原邊為額定電壓時(shí)，副邊繞組允許長(zhǎng)期通過(guò)的電流限額。 （3）額定容量SN 額定容量SN指變壓器輸出的額定視在功率 。它表示變壓器在額定工作條件下輸山最大電功率的能力，單位以VA（伏安）或KVA（千伏安）表示。 單相變壓器： 三相變壓器： （4）額定頻率fN額定頻率fN指電源的工作頻率。我國(guó)的工業(yè)頻率是50Hz。N1N1N2N2NIUIUSN1N1N2N2N33IUIUS5.3.4 常用變壓器1.三相變壓器 變換三相電壓可采用三相變壓器。圖5.3.8和圖5.3.9分別是三相組式變壓器和三相心式變壓器示意圖。2自耦變壓器實(shí)驗(yàn)室中常用自耦變壓器來(lái)平滑地變換交流電壓，其電路原理圖如圖5.3.10所示

16、。自耦變壓器只有一個(gè)繞組，其副繞組是原繞組的一部分，副繞組匝數(shù)可調(diào)，兩者同在一個(gè)磁路上，所以自耦變壓器的原、副邊電壓之比與雙繞組變壓器相同。3儀用互感器（1）電流互感器電流互感器是根據(jù)變壓器的變流原理制成的，主要是用來(lái)擴(kuò)大測(cè)量交流電流的量程。一般用來(lái)測(cè)量交流大電流，或進(jìn)行交流高電壓下電流的測(cè)量。圖5.3.12是電流互感器的接線圖和符號(hào)圖。電流互感器的原繞組的匝數(shù)很少，串接在被測(cè)電路中，副繞組的匝數(shù)很多，它與電流表或其他儀表及繼電器的電流線圈相聯(lián)接。 （2） 電壓互感器 因電壓表的量程有限，當(dāng)要測(cè)量交流電路的高電壓時(shí)可采用電壓互感器。電壓互感器是一種匝數(shù)比較大的儀用變壓器，電壓互感器的接線圖如圖