第5章磁路和变压器

e2
u 20
i2 0 时 u2 u20
K为变比
U1 E1 N1 K U 2 E2 N 2
结论：改变匝数比，就能改变输出电压。
26
2、负载运行
副边带负载后对磁路的 影响：在副边感应电压的 u1 作用下，副边线圈中有了
i1
e1
Φ
N1
N2
i2
e2
Z
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。但当外加电压、 频率不变时，铁芯中主磁通的最大值在变压器空载或 有负载时基本不变 势的平衡关系为：
29
三、变压器的使用
1、变压器的铭牌数据（以单相变压器为例） 额定电压 U U 2N 1N 、
变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允 许的电压值。
额定电流
I1N I 2 N
变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。

额定容量 S N
传送功率的最大能力。
S N U1N I1N U 2 N I 2 N （理想）
32
注意：变压器几个功率的关系
容量： S N
U1N I1N
变压器功 率因数
输出功率： P 2
U 2 I 2 cos
P 2 P 1
2
原边输入功率：

效率
容量 SN
输出功率 P 原边输入功率 P 输出功率 P
1
2
33
2、变压器的效率()
变压器的损耗包括两部分： 铜损 (PCU) ：绕组导线电阻所致。 磁滞损失：磁滞现象引起铁芯发热， 铁损( PFE)： 造成的损失。 涡流损失：交变磁通在铁芯中产生 的感应电流（涡流）， 造成的损失。
二、磁路计算中的基本物理量
1、磁感应强度 （磁通密度） 与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通（磁 力线）
B S
B 的单位：特斯拉（Tesla）
1 Tesla = 104 高斯

单位：韦伯
4
2、磁导率

：表征各种材料导磁能力的物理量
真空中的磁导率(
0 )为常数
7
0 4π 10
一、自耦变压器
U 1 N1 K U 2 N2 I1 N 2 1 I 2 N1 K
i1 u1 N1
B
A
P
i2 u2 RL
N2
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。
(U1 4.44 f N。带负载后磁动 1Φ m)
i1'N1 i2 N 2 i10 N
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原、副边电流关系（变电流）
i1 N1 i2 N 2 i10 N1
由于变压器铁芯材料的导磁率高、空载励磁电流
(i10 ) 很小，可忽略 。即：I1 N1 I2 N 2 0
N I N I 1 1 2 2
I1
I2
I3
H
8
在无分支的均匀磁路（磁路的材料和截面积相同， 各处的磁场强度相等）中，安培环路定律可写成：
NI HL
NI：称为磁动势。一般
用 F 表示。 F=NI HL：称为磁压降。
9
线圈 匝数N
磁路 长度L
I
在非均匀磁路（磁路的材料或截面积不同，或磁场 强度不等）中，总磁动势等于各段磁压降之和。
( I 随 Rm 变化）
20
Φm
基本不变）
5-2 变压器的工作原理与应用
变压器功能： 变电压：电力系统 变电流：电流互感器 变阻抗：电子电路中的阻抗匹配 （如喇叭的输出变压器）
21
变压器应用举例
发电厂 1.05万伏 升压 输电线 22万伏 降压 变电站 1万伏 降压
…
降压
实验室 380 / 220伏 降压
U m 2π fNΦm
有效值
Um U 4.44 fNΦ m 2
17
i u
Φ
U 4.44 f Nm
交流磁路的特点:
当外加电压U、频率 f 与 线圈匝数N一定时， Φm 便 确定下来。根据磁路欧姆 定律 IN
Φ
e
eL
Φ Rm ，当Φ m
一定时磁动势IN随磁阻 Rm 的变化而变化。
第5章 磁路与变压器
1
第 5 章 磁路与变压器
5-1 磁路 5-2 变压器的工作原理与应用 5-3 专用变压器
2
5-1 磁路
一、磁路的基本概念
线圈通入电流后，产 生磁通，分主磁通和漏 磁通。
i

u1
线圈
s
u2
Φ ：主磁通 Φs ：漏磁通
铁心
（导磁性能好 的磁性材料）
3
磁路：主磁通所经过的闭合路径。
为防止涡流损失，铁芯 一般由一片片导磁材料 叠合而成。
P2 P 1P CU P FE P P 1 1
34
3、变压器的外特性
副边输出电压和输出电流的关系。即：
U2 f (I 2 )
U2 U20
U20：原边加额定电压、 副边开路时，副边的输
出电压。
I2
一般供电系统希望要硬特性（随I2的变化，U2 变化不多）
电磁铁吸合后(气隙小） 注意：

电磁铁吸合前(气隙大）
如果气隙中有异物卡住，电磁铁长时间吸不上，线
19
圈中的电流一直很大，将会导致过热，把线圈烧坏。
磁路小结
直流磁路
U I R
(U不变，I不变）
IN Φ Rm
（ Φ 随Rm变化）
交流磁路
U Φm 4.44 fN
（ U不变时，
IN Φ Rm
46
二、电压互感器
~u （被测电压） 保险丝 N1 （匝数多）
用低量程的电压表测高电压 R 使用注意： 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Biblioteka N2 （匝数少）V
绝缘损时，在副边
电压表
出现高压。
被测电压=电压表读数 N1/N2
47
三、电流互感器 i（被测电流） 1
极性端。
42
方法二：直流法
K
+ _ X
A
a +
mA表
+ _
K * A X
Φ
x
e2
* a x
结论：
如果当 K 闭合时，mA 表正 偏，则 A－a 为同极性端; 如果当 K 闭合时，mA 表反 偏，则 A－x 为同极性端
设K闭合时 增加。 感应电动势的方向， 阻止 的增加。
43
5-3 专用变压器
（匝数少） （匝数多）
用低量程的电流表测大电流
R
使用注意事项：
1、副边不能开路， 以 防产生高电压；
N1
N2
i2
A 电流表
2、铁心、低压绕组
的 一端 接地，以防在
被测电流=电流表读数 N2/N1 绝缘损坏时，在副
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边出现过压。
i1
e1
Φ
e2
i10 产生磁通
（交变）
产生感应电动势
N1
N2
dΦ e1 N1 dt
（ e、

dΦ e2 N 2 dt
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方向符合右手定则）
原、副边电压关系 （变电压）
根据交流磁路的分析 可得：
E1 4.44 f N1Φm E2 4.44 f N 2Φm
u1
i10 e1
i2
一般材料的磁导率
（亨/米）

和真空中的磁导率之比，
称为这种材料的相对磁导率
r
r 0
r 1 ，则称为磁性材料
r 1 ，则称为非磁性材料
5
磁性材料的磁性能：
B ( )
大 小
H (I)
B
B
H 2. 磁饱和性 3. 磁滞性
H
1. 非线性
根据磁性能，磁性材料又可分为三种：软磁材料（磁 滞回线窄长。常用做磁头、磁心等）、永磁材料（磁 滞回线宽。常用做永久磁铁）、矩磁材料（磁滞回 线接近矩形。可用做记忆元件）。
6
3、磁场强度 H
磁场强度是计算磁场所用的物理量，其大小为磁 感应强度和导磁率之比。
H
单位：
B

B ：特斯拉

H
：亨/米 ：安/米
7
三、磁路的基本定律
1、安培环路定律（全电流律）
磁场中任何闭合回路磁场强度的线积分，等于 通过这个闭合路径内电流的代数和。
H d l I
电流方向和磁场强度的方向 符合右手定则，电流取正； 否则取负。
I1 N 2 1 I 2 N1 K
结论：原、副边电流与匝数成反比
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原、副边阻抗关系（变阻抗） N1 N 2 i
u1
i1
2
u2
RL
U2 RL I2
U1 KU 2 U 2 2 2 K RL K 从原边等效： RL I1 I 2 I2 K
K RL RL
2
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。
交流磁路和电路中的恒流源类似
F Φ Rm 直流电路中： U I S R
直流磁路中：
固定 Φ
F随 Rm 变化
U 随 R 变化18
IS固定
交流磁路中磁阻 Rm 对电流的影响
电磁铁吸合过程的分析： 在吸合过程中若外加电压 不变, 则 Φ 基本不变。
Φ
i
u
Rm 大 Rm 小
起动电流大