磁路與變壓器

磁路與變壓器1磁路在工程實(shí)際中，很多電工設(shè)備與電路和磁路都有關(guān)系，如變壓器、電動(dòng)機(jī)、電磁鐵以及繼電器等。實(shí)際電路中有大量電感元件，電感線圈中有鐵心，線圈通電后鐵心就構(gòu)成磁路，磁路受電路影響，同時(shí)磁路又影響電路。因此在電工技術(shù)中不僅要討論電路問(wèn)題，還要討論磁路問(wèn)題。我們知道，通電導(dǎo)體周圍存在磁場(chǎng)。在變壓器、電動(dòng)機(jī)、電磁鐵以及繼電器等電氣設(shè)備中，為了用較小的電流產(chǎn)生較大的磁場(chǎng)，一般把采用磁性能良好的鐵磁材料做成一定形狀的鐵心。當(dāng)有電流通過(guò)線圈時(shí)，電流產(chǎn)生的磁通絕大部分通過(guò)鐵心而形成一個(gè)閉合的通路，通過(guò)鐵心的磁通稱為主磁通（mainflux）；還有一少部分通過(guò)空氣等非磁性材料而閉合，這部分磁通稱為漏磁通（leakflux），由于漏磁通很小，常省略。(a)電磁鐵的磁路(b)變壓器的磁路(c)直流電機(jī)的磁路圖1.1常見(jiàn)的幾種電氣設(shè)備的磁路主磁通通過(guò)的閉合路徑稱為磁路，用以產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流稱為勵(lì)磁電流。常見(jiàn)的幾種電氣設(shè)備的磁路如圖1.1所示。1.1磁路的基本物理量1.磁感應(yīng)強(qiáng)度B（magneticinductionintensity）磁感應(yīng)強(qiáng)度B是表示磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)弱及方向的物理量。B的大小可以用通過(guò)垂直于磁場(chǎng)方向單位面積的磁力線的數(shù)目表示，也可以用通電直導(dǎo)體在該處所受的力的大小來(lái)衡量。B是一個(gè)矢量，它的方向與勵(lì)磁電流的方向之間符合右手螺旋定則。在國(guó)際單位制中，磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位是特斯拉（T），簡(jiǎn)稱特。1T=1Wb/m22.磁通Φ（magneticflux）均勻磁場(chǎng)中磁通Φ等于磁感應(yīng)強(qiáng)度B與垂直于磁場(chǎng)方向的面積S的乘積，或所以磁感應(yīng)強(qiáng)度B又稱為磁通密度。在國(guó)際單位制中，磁通的單位是韋伯（Wb）。3.磁場(chǎng)強(qiáng)度H（magneticfielintensity）磁場(chǎng)強(qiáng)度H是計(jì)算磁場(chǎng)時(shí)引入的一個(gè)物理量，也是矢量。磁場(chǎng)中任意一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與該點(diǎn)的磁導(dǎo)率的比值定義為該點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H，即在國(guó)際單位制中，磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位是安培/每米（A/m）。4.磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率是表示物質(zhì)的導(dǎo)磁性能的物理量，在國(guó)際單位制中，磁導(dǎo)率的單位是亨/米（H/m）。的單位實(shí)驗(yàn)證明：真空中的磁導(dǎo)率為為了便于比較各種物質(zhì)的導(dǎo)磁能力，通常把任一物質(zhì)的磁導(dǎo)率與真空磁導(dǎo)率的比值，稱為該物質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率，即上式說(shuō)明，在同樣電流的情況下，磁場(chǎng)空間某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與該點(diǎn)媒質(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān)。1.2磁路基本定律磁路和電路一樣它的分析與計(jì)算，也需要通過(guò)一些基本定律來(lái)進(jìn)行。1.安培環(huán)路定律（Ampere’scircuitallaw）安培環(huán)路定律，又稱為全電流定律，是對(duì)磁路進(jìn)行分析與計(jì)算的基本定律。安培環(huán)路定律指出：在磁場(chǎng)中，沿任一個(gè)閉合路徑，磁場(chǎng)強(qiáng)度的線積分等于該閉合路經(jīng)所包圍面的電流的代數(shù)和，即式中電流的正負(fù)是這樣規(guī)定的：電流參考方向與繞行方向符合右手螺旋定則的電流取正號(hào)，反之取負(fù)號(hào)。在均勻磁場(chǎng)中，常常遇到閉合回路上各點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度相等并且其方向與閉合回路的切線方向一致的情況，這時(shí)安培環(huán)路定律可簡(jiǎn)化為：其中，l為磁路的平均長(zhǎng)度。由于電流和閉合回路繞行方向符合右手螺旋定則，線圈有N匝，電流就穿過(guò)回路N次，因此則稱為磁動(dòng)勢(shì)，單位是安（A）。2.磁路歐姆定律（Ohm’slawofmagneticcircuit）磁路的歐姆定律是分析與計(jì)算磁場(chǎng)的基本定律。設(shè)磁路由單一鐵磁材料構(gòu)成，其橫截面為S，磁路的平均長(zhǎng)度為l，因此通過(guò)截面的磁通為：對(duì)于均勻磁路，或代入可得：該式在形式上與電路的歐姆定律相似，稱為磁路歐姆定律。其中稱為磁阻（magneticresistance），表示對(duì)磁通的阻礙作用，單位是亨-1（H-1）。磁路與電路有很多相似之處，為便于比較，列表如下：表1磁路與電路的比較項(xiàng)目磁路電路基本結(jié)構(gòu)基本物理量磁動(dòng)勢(shì)F磁通磁感應(yīng)強(qiáng)度B磁阻電動(dòng)勢(shì)E電流I電流密度電阻歐姆定律形式3.電磁感應(yīng)定律當(dāng)通過(guò)線圈的電流發(fā)生變化時(shí)，線圈中的磁通也隨之變化，并在線圈中出現(xiàn)感應(yīng)電流，這表明線圈中感應(yīng)了電動(dòng)勢(shì)。即當(dāng)，即穿過(guò)線圈的磁通增加時(shí)，e<0，這時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與參考方向相反，表明感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)要阻止原磁場(chǎng)的增加；當(dāng)，即穿過(guò)線圈的磁通減少時(shí)，e>0，這時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與參考方向相同，表明感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)要阻止原磁場(chǎng)的減少。1.3物質(zhì)的磁性能自然界的所有物質(zhì)可根據(jù)磁導(dǎo)率的大小分為磁性材料和非磁性材料兩大類，一類是磁性材料，如鐵、鈷等，磁性材料的相對(duì)磁導(dǎo)率，導(dǎo)磁性能遠(yuǎn)比真空好，常用來(lái)做成鐵心；另一類是非磁性材料，如各種氣體、非金屬材料等，非磁性材料的相對(duì)磁導(dǎo)率，導(dǎo)磁性能與真空接近。其中磁性材料具有下列磁性能：1.高導(dǎo)磁性磁導(dǎo)率可達(dá)102~104，由鐵磁材料組成的磁路磁阻很小，在線圈中通入較小的電流即可獲得較大的磁通。在實(shí)際工程中通常利用磁性材料的高導(dǎo)磁性，如在變壓器、電動(dòng)機(jī)、電磁鐵等電氣設(shè)備的線圈中放入鐵心，這樣只要在線圈中通入較小的勵(lì)磁電流，就可產(chǎn)生足夠大的磁通和磁感應(yīng)強(qiáng)度。2.磁飽和性磁性物質(zhì)因磁化產(chǎn)生的磁場(chǎng)是不會(huì)無(wú)限制增加的，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H（或勵(lì)磁電流I）增大到一定程度時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B不會(huì)隨H的增大而無(wú)限增大，這時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B將達(dá)到飽和值。磁性材料的磁化特性通常用磁化曲線表示，即B-H曲線，如圖1.2所示。圖1.2磁化曲線磁化曲線可分為三段：在oa段曲線，磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度H的增大而幾乎是線性增大，磁導(dǎo)率很大；在ab段曲線，隨著H的增大，B的增大緩慢，趨向飽和，在b點(diǎn)附近，達(dá)最大值；在b點(diǎn)以后的曲線，H增大，B幾乎不再增大，這說(shuō)明磁路已達(dá)飽和。磁性物質(zhì)不同，磁化曲線也不同，幾種常用磁性材料的磁化曲線如圖1.3所示。圖1.3磁化曲線3.磁滯性實(shí)際工程中的勵(lì)磁電流是大小和方向都隨時(shí)間往復(fù)變化的交流電流，線圈中通過(guò)交變電流時(shí)，H的大小和方向都會(huì)改變，這時(shí)鐵心在交變磁場(chǎng)中反復(fù)磁化，在反復(fù)磁化的過(guò)程中，B的變化總是滯后于H的變化，鐵磁材料的這種特性稱為磁滯性，其曲線稱為磁滯回線如圖1.4所示。圖1.4磁滯回線由圖可見(jiàn)，當(dāng)H減小時(shí)，B也隨之減小。但當(dāng)H=0時(shí)，鐵心在磁化時(shí)所獲得的磁性還未完全消失，這時(shí)鐵心中所保留的磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為剩磁Br。若要去掉剩磁，需要在反方向增加外磁場(chǎng)，通常是加反向勵(lì)磁電流。這種使B=0的磁場(chǎng)強(qiáng)度HC稱為稱為矯頑磁力。根據(jù)鐵磁物質(zhì)的磁滯回線和磁化曲線，鐵磁材料可分為三種：（1）軟磁材料：矯頑力和剩磁都小，磁滯回線較窄，磁滯損耗小。常用來(lái)制造變壓器、電機(jī)和接觸器等的鐵心。（2）硬磁材料：剩磁和矯頑力均較大，磁滯性明顯，磁滯回線較寬。常用來(lái)制造永久磁鐵。（3）矩磁材料：只要受較小的外磁場(chǎng)作用就能磁化到飽和，當(dāng)外磁場(chǎng)去掉，磁性仍保持，磁滯回線幾乎成矩形。剩磁大，矯頑力小，常在電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)中用作記憶元件、開(kāi)關(guān)元件和邏輯元件。（a）（b）（c）圖1.5不同材料的磁滯回線2電磁鐵一個(gè)繞有線圈的閉合鐵心稱為鐵心線圈電路，其中既有電路又有磁路，相互影響。工作時(shí)線圈中通入勵(lì)磁電流以產(chǎn)生磁場(chǎng)，按勵(lì)磁電流種類的不同可分為直流鐵心線圈電路和交流鐵心線圈電路。鐵心線圈電路是研究電磁鐵、變壓器、電機(jī)等電器設(shè)備的基礎(chǔ)。2.1直流電磁鐵電磁鐵電路的分析比較簡(jiǎn)單，因?yàn)閯?lì)磁是直流，產(chǎn)生的磁通是恒定的，所以不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在一定的電壓U下，線圈電流I只與線圈的R有關(guān)，即電流通過(guò)線圈時(shí)，將在電阻上產(chǎn)生功率損耗，稱為銅損。即由此可見(jiàn)，銅損也只與有關(guān)。2.2交流電磁鐵交流電磁鐵電路的分析比直流電磁鐵電路復(fù)雜得多，因?yàn)殍F心線圈電路中的勵(lì)磁電流為交流，產(chǎn)生的磁通是交變的，所以會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。下面我們就來(lái)討論交流鐵心線圈電路。1.電磁關(guān)系在如圖2.1所示交流鐵心線圈電路中，當(dāng)它接入交流電壓u時(shí)，線圈中將產(chǎn)生電流i，若線圈的匝數(shù)為N，則磁動(dòng)勢(shì)將在線圈中產(chǎn)生磁通、，這兩個(gè)磁通將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和，其中為主磁電動(dòng)勢(shì)（mainemf），為漏磁電動(dòng)勢(shì)（leakemf）。圖2.1交流鐵心線圈電路設(shè)電壓u、電流i、磁通Φ、電動(dòng)勢(shì)和的參考方向如圖所示。則由KVL得：其中R為鐵心線圈的電阻。先來(lái)分析漏磁通產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：由于漏磁通經(jīng)過(guò)的路徑主要是非鐵磁材料，其磁導(dǎo)率和磁阻一般為常數(shù)，則漏磁通產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：其中漏磁通對(duì)應(yīng)的電感為在交流電路中的漏磁感抗為它是由漏磁通產(chǎn)生的。因此，電壓方程變?yōu)橛蒏VL的相量形式得其中，，稱為漏磁阻抗。然后再來(lái)分析主磁通產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：感抗不是常數(shù)應(yīng)按以下方法計(jì)算：設(shè)，則式中是主磁電動(dòng)勢(shì)的最大值，則有效值為通常線圈的電阻R很小，漏磁通也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主磁通，因此可忽略它們的影響。則其有效值該式是分析研究電磁鐵變壓器和交流電動(dòng)機(jī)等電氣設(shè)備常用的重要公式。在U和f一定時(shí)，交流鐵心線圈電路中基本不變。2.功率損耗交流鐵心線圈中消耗的損耗有兩種：一部分是線圈電阻上消耗的功率，稱為銅損；另一部分是鐵心上消耗的損耗，稱為鐵損，它包括磁滯損耗和渦流損耗。（1）銅損(copperloss)式中R為線圈的電阻，I是線圈的電流。（2）鐵損(coreloss)在交變電路中的鐵損主要是由磁滯和渦流產(chǎn)生的。①磁滯損耗(hysteresisloss)由磁滯所產(chǎn)生的鐵損稱為磁滯損耗。它是由于在反復(fù)磁化過(guò)程中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B落后于磁場(chǎng)強(qiáng)度H的變化而產(chǎn)生的。實(shí)驗(yàn)證明：磁滯損耗與鐵心磁滯損耗回線包圍的面積成正比。為了減小磁滯損耗，應(yīng)選用磁滯回線狹小的鐵磁材料制造鐵心，其中硅鋼就是變壓器和電機(jī)中常用的鐵心材料，其磁滯損耗較小。②渦流損耗(eddycurrentloss)由渦流所產(chǎn)生的鐵損稱為渦流損耗。當(dāng)線圈繞在鐵心上并且通有交變電流時(shí)，鐵心在交變磁通作用下產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而在鐵心平面內(nèi)產(chǎn)生漩渦狀的感應(yīng)電流，稱為渦流，它在垂直于磁通方向的平面內(nèi)環(huán)流著。渦流損耗可引起鐵心嚴(yán)重發(fā)熱，因此為減小渦流損耗，多數(shù)電氣設(shè)備的鐵心都采用電祖率較大的硅鋼片疊成，同時(shí)兩面涂有絕緣漆，以限制渦流。在交流磁通的作用下，鐵心內(nèi)的這兩種損耗合稱鐵損。鐵損與鐵心內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值Bm的平方成正比，因此Bm不宜選得過(guò)大。3變壓器變壓器（transformer）是一種利用電磁感應(yīng)原理傳遞交流信號(hào)和能量的電氣設(shè)備。它的功能是變換電壓、變換電流和變換阻抗，在電力系統(tǒng)和電子技術(shù)中的各個(gè)領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。在電力系統(tǒng)中，發(fā)電廠的電功率要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的輸送，在、為一定值時(shí)，若采用的電壓U越高，輸電線路中的電流I越小，所以在輸電方面利用變壓器升高電壓可以減小輸電線路上的損耗，節(jié)約導(dǎo)電材料。目前，我國(guó)交流輸電的電壓最高已達(dá)500kV。這樣高的電壓，無(wú)論從發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行方面或是從制造成本方面考慮，都不允許由發(fā)電機(jī)直接生產(chǎn)。發(fā)電機(jī)的輸出電壓一般有3.15kV、6.3kV、10.5kV、175kV等幾種，因此必須用升壓變壓器將電壓升高才能遠(yuǎn)距離輸送。在配電方面，為了適應(yīng)用電設(shè)備的電壓要求，可以利用變壓器降低電壓為各類電氣設(shè)備所需要的電壓值。在電子技術(shù)中，測(cè)量和控制系統(tǒng)中也廣泛使用一些專用變壓器，如整流變壓器等。此外，還可以用變壓器傳遞信號(hào)和變換阻抗等。變壓器種類很多，按其用途分：電力變壓器、控制變壓器、電焊變壓器、自耦變壓器、儀用互感器等；按其功能分：電力變壓器、電源變壓器、音頻變壓器、脈沖變壓器、高頻變壓器、特殊變壓器等；按其電壓高低分：升壓變壓器、降壓變壓器；按其鐵心或線圈結(jié)構(gòu)分：心式、殼式；按其相數(shù)分：?jiǎn)蜗嘧儔浩?、三相變壓器、多相變壓器?.1變壓器的基本結(jié)構(gòu)變壓器種類雖多，但結(jié)構(gòu)和基本原理是一樣的，主要由鐵心和繞組兩個(gè)基本部分組成。（a）心式（b）殼式圖3.1變壓器外形結(jié)構(gòu)圖1.鐵心鐵心是變壓器的磁路部分，為了減少磁通變化時(shí)所引起的鐵損以及提高磁路的導(dǎo)磁能力，變壓器的鐵心要用厚度為0.35～0.5mm的硅鋼片交錯(cuò)疊裝而成，片間用絕緣漆隔開(kāi)。2.繞組繞組即線圈，是變壓器的電路部分，其中與電源相連的線圈稱為原繞組（或原邊、初級(jí)繞組），用下標(biāo)1表示；和負(fù)載相連的線圈稱為副繞組（或副邊、次級(jí)繞組），用下標(biāo)2表示。繞組通常用絕緣的圓形銅線或扁形鋁線繞制而成，繞組與繞組及繞組與鐵心之間都是互相絕緣的。3.其它此外，變壓器一般都有一個(gè)外殼，用來(lái)保護(hù)繞組以及散熱和屏蔽的作用。變壓器工作時(shí)，鐵心和繞組都要發(fā)熱，為防止變壓器過(guò)熱，必須采用適當(dāng)?shù)睦鋮s方式。小容量的變壓器可以通過(guò)直接散熱到空氣中，稱為空氣自冷式。較大容量的變壓器，還具有冷卻系統(tǒng)。大容量變壓器通常都是三相變壓器。3.2變壓器的工作原理如圖3.2所示為變壓器原理圖，為便于分析，圖中把原繞組和副繞組分別畫(huà)在鐵心的兩側(cè)。（a）變壓器結(jié)構(gòu)示意圖（b）變壓器的符號(hào)圖3.2變壓器原理圖當(dāng)原繞組兩端加上交流電壓u1時(shí)，繞組中便會(huì)產(chǎn)生交流電流i1，在鐵心中產(chǎn)生既與原繞組交鏈，又與副繞組交鏈的主磁通。還會(huì)產(chǎn)生少量的漏磁通。主磁通除了在原繞組中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)e1，還會(huì)在副繞組中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)e2，從而在副繞組中產(chǎn)生電流i2，電流i2通過(guò)負(fù)載時(shí)產(chǎn)生壓將u2，通過(guò)副繞組時(shí)產(chǎn)生漏磁通。1.電壓變換（1）電壓關(guān)系由交流鐵心線圈電路分析得：原繞組的電壓方程：其相量形式為：其中R1、、Z1是原繞組的電阻、漏磁感抗和漏磁阻抗。副繞組的電壓方程：其相量形式為：其中R2、、Z2是副繞組的電阻、漏磁感抗和漏磁阻抗，ZL是副繞組的阻抗。（2）變換電壓變壓器原、副繞組電動(dòng)勢(shì)的有效值為：變壓器原、副繞組的電動(dòng)勢(shì)的之比稱為變壓器的電壓比（volatageradio），用k表示。在忽略Z1、Z2的情況下，因此原、副繞組的電壓比近似等于電動(dòng)勢(shì)的比，特別是當(dāng)變壓器空載運(yùn)行，即副繞組開(kāi)路時(shí)，此時(shí)副繞組中的電流I2=0，變壓器原繞組電流稱為空載電流I0，它的數(shù)值一般不超過(guò)額定電流的10%，可忽略。這時(shí)原、副繞組的電壓之比更接近于電壓比，即其中k稱為變壓器原、副繞組的變比。該式表明，變壓器原、副繞組的電壓比等于匝數(shù)比，k>1，變壓器起降壓作用，稱為降壓變壓器；k<1，變壓器起升壓作用，稱為升壓變壓器。2.電流變換當(dāng)變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)，副繞組接有負(fù)載。由可知，U1和f不變時(shí)，鐵心中主磁通的最大值基本保持不變，磁動(dòng)勢(shì)F也基本不變。因此，有負(fù)載時(shí)產(chǎn)生主磁通的原、副繞組的合成磁通勢(shì)和空載時(shí)原繞組的磁通勢(shì)基本相等，即：其相量形式為：由于空載電流很小，所以可忽略不計(jì)。則其有效值的關(guān)系為：該式表明，變壓器原副繞組的電流比與匝數(shù)比成反比，3.阻抗變換變壓器不僅可以變換電壓和變換電流，還可以變換阻抗。在電子技術(shù)中為了獲得最大功率，常用變壓器來(lái)變換阻抗。在圖3.3所示電路中，變壓器原繞組接電源U1，副繞組接負(fù)載阻抗，其阻抗模為，對(duì)于電源來(lái)說(shuō)，圖中虛線框中的電路可以等效為一個(gè)阻抗，其阻抗模為，下面來(lái)分析兩者間的關(guān)系。（a）變壓器電路（b）等效電路圖3.3變壓器的阻抗變換由圖（a）得：由圖（b）得：由前面電壓和電流變換分析可得：，則由此可見(jiàn)，通過(guò)選擇合適的變比k可以把實(shí)際的負(fù)載阻抗變換為所需要的、比較合適的數(shù)值，這種變換阻抗的方法稱為阻抗匹配?！纠?】一只揚(yáng)聲器電阻為10Ω，通過(guò)變壓器接到電動(dòng)勢(shì)，內(nèi)阻Ω的交流信號(hào)源上，為了使負(fù)載獲得最大功率，阻抗需要匹配，求（1）變壓器變比是多少？（2）將負(fù)載直接和信號(hào)源連接，負(fù)載獲得的功率是多少？（3）經(jīng)變壓器進(jìn)行阻抗匹配，求負(fù)載獲得的最大功率是多少？（1）變壓器變比（2）將負(fù)載直接和信號(hào)源連接，負(fù)載獲得的功率（3）經(jīng)變壓器進(jìn)行阻抗匹配后，求負(fù)載獲得的最大功率是多少？3.3變壓器的額定值及型號(hào)變壓器的外殼上都有一個(gè)銘牌，上面標(biāo)注出了變壓器的型號(hào)和額定值，是合理、安全地使用變壓器的主要依據(jù)。1.型號(hào)變壓器的型號(hào)表示變壓器的結(jié)構(gòu)和規(guī)格，我國(guó)電力變壓器主要有SJL1、SJ1、SJ6、SJ7、SLZ7、S6、S9。如SJL―500/10，其中S表示三相（D表示單相），J表示油浸自冷式，L表示鋁線，500表示容量為500kVA，10表示高壓側(cè)線電壓為10kV。2.額定值（1）額定電壓額定電壓U1N是指原繞組上應(yīng)加的電源電壓或輸入電壓，U2N是指原繞組加上額定電壓時(shí)副繞組的空載電壓，即三相變壓器銘牌上給出的額定電壓是指線電壓。（2）額定電流額定電流是原繞組加額定電壓U1N時(shí)，原、副繞組允許長(zhǎng)期通過(guò)的最大電流值。三相變壓器銘牌上給出的額定電流是指線電流。（3）額定容量變壓器的額定容量是指在額定工作條件下，變壓器輸出能力的最大值。忽略變壓器的損耗，對(duì)于單相變壓器，；對(duì)于三相變壓器，。（4）額定頻率額定頻率是指變壓器接入的電源頻率，我國(guó)規(guī)定的額定頻率為50HZ。3.4變壓器的外特性變壓器的外特性是指電源電壓U1為額定電壓、負(fù)載功率因數(shù)一定時(shí)，副繞組輸出電壓U2和電流I2的關(guān)系，即，稱為變壓器的外特性（externalcharacteristic），外特性曲線如圖3.4所示圖3.4外特性曲線由圖可知，對(duì)于電阻性或電感性負(fù)載來(lái)說(shuō)，U2隨著I2的增加而下降，其下降程度與負(fù)載的功率因數(shù)有關(guān)，功率因數(shù)越低，U2下降越大。U2隨著I2變化的程度用電壓變化率表示，電壓變化率是指變壓器原繞組接額定電壓，負(fù)載功率因數(shù)一定，空載與負(fù)載時(shí)副繞組額定電壓之差與副繞組額定電壓之比的百分?jǐn)?shù)。電壓變化率表征了電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性，是變壓器的主要性能指標(biāo)之一。一般希望U2的變動(dòng)愈小愈好，一般變壓器的電壓變化率約在5%左右。3.5變壓器的功率與效率1.功率變壓器工作時(shí)是有損耗的，損耗主要是由鐵心和繞組產(chǎn)生的，即鐵損和銅損，即：鐵損是主磁通在鐵心中交變時(shí)所產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損耗，它與鐵心材料、電源電壓U1頻率f有關(guān)，與負(fù)載電流無(wú)關(guān)。銅損是變壓器運(yùn)行時(shí)電流流經(jīng)繞組電阻R1、R2所消耗的功率，它與負(fù)載電流大小有關(guān)。2.效率因?yàn)樽儔浩饔袚p耗，變壓器從電源輸入的有功功率比變壓器輸出給負(fù)載的有功功率大，所以變壓器的效率為一般變壓器的效率很高，在95%以上，小容量變壓器效率約為70%～80%，大容量變壓器可高達(dá)99%。另外，變壓器還與負(fù)載有關(guān)，輕載或空載時(shí)效率低，因此應(yīng)合理選用變壓器的容量，避免輕載或空載運(yùn)行。3.6變壓器繞組的極性變壓器一般有兩個(gè)或兩個(gè)以上的繞組，在使用時(shí)會(huì)遇到繞組的連接問(wèn)題，為了正確使用變壓器，必須清楚地了解變壓器繞組的同極性端，并掌握其測(cè)定方法。1.同極性端的概念當(dāng)變壓器繞組兩端加交變電壓時(shí)，原、副繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流也是交變的。當(dāng)電流流入（或流出）兩個(gè)繞組時(shí)，若產(chǎn)生的磁通方向相同，則兩個(gè)流入端（或兩個(gè)流出端）稱為同極性端（同名端）?；蛘哒f(shuō)，當(dāng)鐵心中磁通增大或減小時(shí)，在兩繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)極性相同的兩端為同極性端。通常在同極性端旁標(biāo)注符號(hào)“·”或“*”若產(chǎn)生的磁通方向相反，則兩端為異極性端（異名端）。如圖3.5（a）所示電路中，變壓器的兩個(gè)繞組繞在同一個(gè)鐵心柱上，并且繞制方向相同。當(dāng)交變電流從1、3端流入，用右手螺旋法則可知它們產(chǎn)生的磁通方向一致，因此1、3端為同極性端，2、4端也為同極性端。如圖3.5（b）所示電路中，變壓器的兩個(gè)繞組繞在同一個(gè)鐵心柱上，并且繞制方向相反。由上述分析可知，1、4端為同極性端，2、3端也為同極性端?？梢?jiàn)，同極性端與繞組在鐵心柱上的繞向有關(guān)。（a）繞向相同時(shí)（b）繞向相反時(shí)圖3.5變壓器繞組的同極性端2.繞組的連接變壓器在使用時(shí)有時(shí)需要串聯(lián)、并聯(lián)以提高電壓和電流，應(yīng)根據(jù)同極性端正確連接。串聯(lián)時(shí)應(yīng)將異極性端相連；并聯(lián)時(shí)應(yīng)將同極性端分別相連，如圖3.6所示。但只有額定電流相同的繞組才能串聯(lián)，否則額定電流小的就會(huì)過(guò)載；額定電壓相同的繞組才能并聯(lián)，否則額定電壓低的就會(huì)過(guò)載。（a）串聯(lián)（b）并聯(lián)圖3.6變壓器繞組的連接若連接錯(cuò)誤，兩繞組中的磁動(dòng)勢(shì)方向相反，相互抵消，鐵心磁通為零，兩個(gè)繞組均不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，繞組中會(huì)產(chǎn)生很大的電流，燒壞繞組。3.同極性端的測(cè)定方法對(duì)于一臺(tái)已經(jīng)制造好的變壓器，由于經(jīng)過(guò)浸漆或其他工藝處理，從外觀上不能辨認(rèn)繞組的具體繞向，如果引出線上沒(méi)有標(biāo)明，就無(wú)法確定同極性端，因此可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法。（1）直流法圖3.7直流法測(cè)定繞組極性如圖3.7所示電路中，1、2繞組通過(guò)開(kāi)關(guān)S接一個(gè)直流電源，當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合瞬間，若毫安表的指針正向偏轉(zhuǎn)，則1、3是同極性端；反向偏轉(zhuǎn)則2、4是同極性端。這是因?yàn)镾閉合瞬間，1、2繞組中的電流由1流向2并逐漸增長(zhǎng)，則該繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向應(yīng)該從2指向1，與電流方向相反。若毫安表的指針正向偏轉(zhuǎn)，表明3、4繞組中的電流由4流向3端，繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的實(shí)際方向與電流的方向一致，也是由4指向3端。（2）交流法如圖3.8所示電路中，將兩個(gè)繞組的任意兩端（如2和4）連在一起，在其中一個(gè)繞組的兩端加一個(gè)較低的交流電壓，用交流電壓表分別測(cè)量U13、U12、U34，若，則1、3是同極性端，2、4也是同極性端；若，則1、4是同極性端，2、3也是同極性端。圖3.8交流法測(cè)定繞組極性3.8特殊變壓器變壓器的種類很多，在實(shí)際應(yīng)用中還有一些特殊用途的變壓器，它們的工作原理與一般變壓器相似，但各自具有不同的特點(diǎn)，下面來(lái)分析常用的特殊變壓器。1.自耦變壓器前面分析的普通變壓器有兩個(gè)繞組，稱為雙繞組變壓器，它的原繞組和副繞組是相互絕緣的，它們之間沒(méi)有電的直接關(guān)系。而這里要介紹的自耦變壓器只有一個(gè)繞組，副繞組取自原繞組的一部分，原、副壓繞組不但有磁的聯(lián)系，也有電的聯(lián)系，如圖3.9所示。實(shí)驗(yàn)室里常用的調(diào)壓器就是一種利用滑動(dòng)觸頭可改變副繞組匝數(shù)的自耦變壓器。圖3.9自耦變壓器自耦變壓器的工作原理與普通變壓器基本相同，即只不過(guò)這里的變比k>1。使用自耦變壓器時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）原、副繞組不能對(duì)調(diào)使用。若電源接到副繞組上，由于副繞組匝數(shù)少，會(huì)使電源短路或燒壞自耦變壓器。（2）調(diào)壓器在接通電源前，應(yīng)將滑動(dòng)觸頭調(diào)至零位，以免接通電源瞬間產(chǎn)生高電壓。（3）接電源時(shí)，原繞組火線和地線不能接錯(cuò)。若將地線誤接到火線時(shí)，當(dāng)人觸及到副繞組的任一端時(shí)均有觸電的危險(xiǎn)。因此，自耦變壓器不允許作為安全變壓器使用。2.儀用互感器在直流電路中，測(cè)量較大的電流常并聯(lián)分流電阻，測(cè)量較高的電壓常串聯(lián)分壓電阻。在交流電路中，測(cè)量大電流和高電壓要用儀用互感器。儀用互感器的工作原理與變壓器相同，但它們的外形結(jié)構(gòu)、電壓等級(jí)和用途等不同。（1）電流互感器電流互感器是一種用小電流測(cè)量大電流的特殊變壓器。其原理圖如圖3.10所示。它的原繞組線徑較粗，匝數(shù)很少，有時(shí)只有一匝，與被測(cè)量的負(fù)載串聯(lián)；副繞組線徑較細(xì)，匝數(shù)很多，與電流表、功率表等的電流線圈串聯(lián)，通常副繞組額定電流設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)值5A。圖3.10電流互感器一般電流表線圈電阻很小，所以電流互感器副繞組相當(dāng)于短路。則或式中稱為電流互感器的變流比。當(dāng)時(shí)，很大，，因此利用電流互感器可以用小電流來(lái)測(cè)量大電流。如果選用與電流互感器變流比相配合的專用電流表，可以直接將對(duì)應(yīng)的值標(biāo)于電流表刻度盤上。就可以直接從表盤上讀出被測(cè)大電流的數(shù)值。使用電流互感器時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①正常運(yùn)行時(shí)副繞組不允許開(kāi)路，以防產(chǎn)生高電壓。因?yàn)檎＿\(yùn)行時(shí)，原繞組的磁動(dòng)勢(shì)和副繞組的磁動(dòng)勢(shì)基本相互抵消。當(dāng)副繞組開(kāi)路時(shí)，副繞組的電流和磁動(dòng)勢(shì)立即消失，主磁通將急劇增加，鐵損巨增，使鐵心過(guò)熱而燒壞繞組，同時(shí)由于，副繞組會(huì)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，危及人身和設(shè)備安全。②鐵心、副繞組的一端接地，以防在絕緣損壞時(shí)，在副繞組出現(xiàn)高電壓。在實(shí)際工作中，經(jīng)常使用鉗形電流表，它是電流互感器的另一種形式，如圖3.11。圖3.11鉗形電流表它的副繞組繞在鐵心上并與電流表接成閉合回路，其鐵心像把鉗子，可以開(kāi)合。測(cè)量時(shí)，先按下扳手，張開(kāi)可動(dòng)鐵心，納入待測(cè)電流的一根導(dǎo)線后閉合鐵心，則待測(cè)導(dǎo)線稱為電流互感器的原繞組，只有一匝，從電流表讀出待測(cè)導(dǎo)線的電流數(shù)值，十分方便。（2）電壓互感器電壓互感器是一種用低電壓測(cè)量高電壓的特殊變壓器。其原理圖如圖3.12所示。它的原繞組的導(dǎo)線細(xì)且匝數(shù)很多，并聯(lián)在所測(cè)的高壓電路中；副繞組匝數(shù)較少，與電壓表、功率表等的電壓線圈并聯(lián)，通常副繞組的額定電壓規(guī)定為100V。圖3.12電壓互感器由于電壓表的阻抗很大，所以在正常運(yùn)行時(shí)，電壓互感器副繞組電流很小，相當(dāng)于工作在空載運(yùn)行狀態(tài)。則或式中，稱為電壓互感器的變壓比。當(dāng)時(shí)，很大，，因此利用電壓互感器可以用低電壓來(lái)測(cè)量高電壓。如果選用與電壓互感器變壓比相配合的專用電壓表，可以直接將對(duì)應(yīng)的值標(biāo)于電壓表刻度盤上。就可以直接從表盤上讀出被測(cè)高電壓的數(shù)值。使用電流