第5章 磁路和变压器

5.2
铁心线圈
励磁电流：在磁路中用来产生磁通的电流。（线圈中的电流） 励磁电流：在磁路中用来产生磁通的电流
5.2.1 直流铁芯线圈电路
U 励磁电流为直流： 励磁电流为直流： I = R
U 一定 磁动势恒定： 磁动势恒定：F=N I
（R 为线圈的电阻） 为线圈的电阻）
一定，与磁路特性无关； I 一定，与磁路特性无关；
6. 仪用互感器
电压互感器和电流互感器又称为仪用互感器，是电力系统 电压互感器和电流互感器又称为 中使用的测量设备，其工作原理与变压器基本相同 其工作原理与变压器基本相同。
5.4 特殊变压器
1. 自耦变压器
i1
u1 N1
N2 U2 = U1 N1
P
N2
i2 u2
RL
使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的输出电压。 使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的输出电压。 N2连续可调，U2连续可调。 连续可调， 连续可调。
注意 副边千万不能对调使用。 原、副边千万不能对调使用。 公共绕组部分不能断开。 公共绕组部分不能断开。 公共端不能接火线。 公共端不能接火线。
e1 = − N 1 e2 = − N 2 dt dφ
N1
注意
N2
e,Φ方向符合右 e,Φ
螺旋法则
根据交流铁心线圈的电磁关系 分析可得： 分析可得：
E1 = 4.44 f N1Φm ≈U1 E2 = 4.44 f N2Φm ≈U2
E1 N 1 = =K E2 N 2
u1
i10 e1
i2 e2 u20
变压器功能： 变压器功能： 变电压：电力系统 变电压： 变电流： 变电流：电流互感器 变阻抗： 变阻抗：电子电路中的阻抗匹配 如喇叭的输出变压器） （如喇叭的输出变压器）
5.3.1 单相变压器
铁心：变压器的磁路。 铁心：变压器的磁路。 原边（一次绕组）： 原边（一次绕组）： 接电源的绕组 副边（二次绕组）： 副边（二次绕组）： 接负载的绕组 变压器符号：
2. 小型电源变压器
小型电源变压器广泛地应用于工业生产中，如在机床电路中 小型电源变压器广泛地应用于工业生产中 输入220V的交流电，通过电源变压器可以得到 通过电源变压器可以得到36V的安全电压， 12V或6V的指示灯电压等。
3. 电压互感器
电压互感器是用来测量高压电网的一种专用变压器，它能把高 电压互感器是用来测量高压电网的一种专用变压器
铁芯
i1
u1
原边 绕组
Φ
u2
i2
R
i1 Φ u1
i2 u2
RL
副边 绕组
单相变压器
1. 变压器的空载运行和变压比
原边接入电源，副边开路。 空载运行 ：原边接入电源，副边开路。
接上交流电源 接上交流电源
u1
i1
u1 e1
原边电流 i1等 于励磁电流 i10
Φ
e2
i10 产生磁通φ
（交变） 交变）
产生感应电动势 dφ
1. 变压器的功率
当变压器带上负载后，原边输入功率为 原边输入功率为
P = U1 I1 cos ϕ1 1
副边的输出功率，即负载获得的功率为 即负载获得的功率为
ϕ1和 ϕ2分别为原、副两绕组电压与电流的相位差 副两绕组电压与电流的相位差。
P2 = U 2 I 2 cos ϕ2
2. 变压器的效率
变压器在实际使用时，由于电流的热效应 由于电流的热效应，绕组上有铜损 P Cu 即磁滞损耗与涡流损耗。 PFe，即磁滞损耗与涡流损耗
5.1 5.2 5.3 5.4
磁路的基本概念、 磁路的基本概念、物理量和基本定律 铁芯线圈电路 变压器的结构和工作原理 特殊变压器
学习目的与要求
电工技术中不仅要讨论电路问题，还将讨论磁路问题。 电工技术中不仅要讨论电路问题，还将讨论磁路问题。 因为很多电工设备与磁路都有关系， 因为很多电工设备与磁路都有关系，如电力系统中广泛 应用的变压器、电动机、发电机、电磁铁及电工测量仪 应用的变压器、电动机、发电机、 表等。 表等。 为了更好的学习变压器、电机、 为了更好的学习变压器、电机、电器的工作特性及 应用，首先在理解有关磁路的问题。 应用，首先在理解有关磁路的问题。磁路问题与磁场有 与磁介质有关，而且磁场往往还与电流相关联， 关，与磁介质有关，而且磁场往往还与电流相关联，因 此本章要先从磁路、磁场及其基本物理量进行研究。 此本章要先从磁路、磁场及其基本物理量进行研究。 通过本章学习，要求了解变压器的基本结构组成， 通过本章学习，要求了解变压器的基本结构组成， 熟悉变压器的用途，理解和掌握变压器变换电压、 熟悉变压器的用途，理解和掌握变压器变换电压、变换 电流及变换阻抗的作用；了解常用的特殊变压器。 电流及变换阻抗的作用；了解常用的特殊变压器。
Φ
I
(Φ = F ) 磁通： 磁通： Rm 一定，恒定磁通，无感应电动势产生； Rm 一定 Φ 一定，恒定磁通，无感应电动势产生；
功率损耗： 功率损耗：P= I2R
U
.2.2 交流铁芯线圈电路
交流励磁：线圈中上加正弦交流电压， 交流励磁：线圈中上加正弦交流电压，励磁电流为交流电 流 产生交变磁通 在线圈中产生感应电动势
5.1 磁路的基本概念、物理量和基本定律 磁路的基本概念、
磁路：主磁通所经过的闭合路径 主磁通所经过的闭合路径。
i
Φ
线圈通入电流后，产生磁通， 线圈通入电流后，产生磁通， 分主磁通和漏磁通。 分主磁通和漏磁通。
u1
线圈
Fσ
u2
铁心
F
：主磁通
F σ ：漏磁通
（导磁性能好 的铁磁性材料） 的铁磁性材料）
心
i2
电抗器 变压器 u1
手柄
u2
60～70V ～ 焊钳 25～30V ～ 工件
70 30 0 i2/A IN 电焊变压器外特性
对电焊变压器的要求：空载时要有约为 空载时要有约为60~70V足够大的引 弧电压；焊接时要求电压陡降 焊接时要求电压陡降，额定负载下电压约25~30V 。在焊条与工件相碰不起弧、 、即副边短路时，短路电流要求 不能过大。此外，还要求能够调节焊接电流的大小 还要求能够调节焊接电流的大小。
（匝数少） 匝数少）
（匝数多） 匝数多）
N2
2） 铁心、低压绕组 铁心、
i2
A 电ห้องสมุดไป่ตู้表
的一端接地， 的一端接地，以防在 绝缘损坏时，在副边 绝缘损坏时， 出现过压。 出现过压。
被测电流= 被测电流=电流表读数 × N2/N1
5. 电焊变压器
电焊变压器是专供电焊机使用的特殊变压器。工厂和施 电焊变压器是专供电焊机使用的特殊变压器 工工地广泛使用的交流电焊机就是由一个电焊变压器和一 个可变电抗器构成的。其中电焊变压器是一个降压变压器 其中电焊变压器是一个降压变压器 。 u2/V 可 动 铁
i
Φ Φs Φ u i （ i N） Φs
e=
u
e es
dΦ -N dt
es=
dΦ s -N dt
Φ ：主磁通 Φ ：漏磁通 σ
电流与磁通方向符合右螺旋法则
电磁应用:
接触器
电磁应用:
时间继电器
电磁应用: 电磁应用
★近代电磁现象研究工作进展 ★电磁铁应用 ★磁悬浮列车
5.3 变压器的结构和原理
Φ B=
S
磁导率： 磁导率：
F =Ν Ι
ΝΙ H=
l
H=µ
B
单位： H/m） µ：单位：亨/米（H/m）
表征各种材料导磁能力的物理量
2.
磁路的欧姆定律
对于均匀磁路
I N
S L Rm 称为磁阻 注意！ 注意！ 不常数， 由于磁性材料 的 µ 不常数，磁路欧姆 分析，不做定量计算。 定律只用作定性 分析，不做定量计算。
2）阻抗匹配时变压器的变比及输出功率功率。 阻抗匹配时变压器的变比及输出功率功率。
解： 1）将负载直接接到信号源上，得到的输出功率为： 将负载直接接到信号源上，得到的输出功率为：
E 80 2 2 P=( ) × RL = ( ) × 4 = 0.16W RL + R0 4 + 400
2）阻抗匹配时应使RL=R0 将负载通过变压器接到信号源上变换阻抗。 将负载通过变压器接到信号源上变换阻抗。
电压变成低电压进行测量，它的构造与双绕组变压器相同 它的构造与双绕组变压器相同。在使
用时，原绕组并联在高压电源上，副绕组接低压电压表 副绕组接低压电压表。
4. 电流互感器
用低量程的电流表测大电流
i1 被测电流） （被测电流）
N1
R
使用注意事项： 使用注意事项： 1） 副边不能开路， 副边不能开路， 以防产生高电压； 以防产生高电压；
´= K2R =400Ω Ω RL L 则变比： 则变比： R0
i1
N1 N2
i2
N1 =10 K≈ N2
输出功率为： 输出功率为：
E
u2 RL
E 80 2 2 ´=( P=( ) × RL ) × 400 = 40W ´ RL + R0 400 + 400
.3.2
三相变压器
电力生产一般采用三相发电机，则对应的电力传输采用三相三线 则对应的电力传输采用三相三线 制或三相四线制。为了减少电能的传输损耗 为了减少电能的传输损耗，需把生产出来的电能 用三相变压器升压后再输送出去，到了用户后 到了用户后，再用三相变压器降 压后供用户使用。
U1 I1 = U 2 I 2
I1 U 2 N 2 1 = = = I 2 U1 N1 K
变压器带负载工作时，原、 、副边的电流有效值与它们的 电压或匝数成反比。变压器在变换了电压的同时 变压器在变换了电压的同时，电流也跟 着变换。
3. 变压器的阻抗变换作用
u1
i1
N1 N2
i2
ZL
u1
i1
′ Z
A X a x
* *
A X a x
*
i1
*
Φ
i2
e2
u1 e1
*
*
2）. 变压器绕组的连接
串联
顺串：两异名端相连，相当于两匝数相加； 顺串：两异名端相连，相当于两匝数相加； 反串：两同名端相连，相当于两匝数相减； 反串：两同名端相连，相当于两匝数相减； 1
* *
联结 2－3，顺串
3 联结 1－3，反串 2 4 并联 同名端两两相连。 同名端两两相连。 1-3连，2-4连
4. 变压器的同极性端与变压器绕组的连接
1）.同极性端(同名端) 同极性端(同名端)
当电流流入(或流出）两个线圈时， 当电流流入(或流出）两个线圈时，若产生的磁通方向相 同， 则两个流入(或流出）端称为同极性端（同名端）。或者说， ）。或者说 则两个流入(或流出）端称为同极性端（同名端）。或者说，当 铁芯中磁通变化（增大或减小） 铁芯中磁通变化（增大或减小）时，在两线圈中产生的感应电 动势极性相同的两端为同极性端。 动势极性相同的两端为同极性端。
1.
磁路的基本物理量及相互间的关系
磁感应强度（磁通密度）： 单位：特斯拉（ 磁感应强度（磁通密度）： ：单位：特斯拉（T） B 磁通： 磁通： 磁动势： 磁动势： 磁场强度： 磁场强度：
F
：单位：韦伯（Wb） 单位：韦伯（Wb）
单位： F：单位：安（A） 单位： A/m） H：单位：安/米（A/m）
K为变比
结论：改变匝数比，就能改变输出电压。 结论：改变匝数比，就能改变输出电压。
副边接入负载。 有载运行 ：副边接入负载。 忽略线圈电阻和漏磁通的影响
E 1 ≈U 1 E 2 ≈U 2
所以， 所以，电压比为
U1 N 1 = =K U2 N2
2. 变压器的负载运行时的变流比 • 当变压器接上负载后，副绕组中的电流为i2 ，原绕组上的电 副绕组中的电流为 流将变为i1 ，原、副绕组的电阻 副绕组的电阻、铁心的磁滞损耗、涡流损 耗都会损耗一定的能量，但该能量通常都远小于负载消耗的 但该能量通常都远小于负载消耗的 电能，可以忽略。这样，可以认为变压器输入功率等于负载 可以认为变压器输入功率等于负载 消耗的功率，即
（理想） 理想）
变压器副边开路（空载） 副边绕组允许的电压值。 变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允许的电压值。
2） 额定电流 3） 额定容量
变压器满载运行时， 副边绕组允许的电流值。 变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。
变压器输出的额定视在功率。 变压器输出的额定视在功率。
S N = U 1N I1N = U 2 N I2 N 4） 额定频 率 fN
铁心中有铁损
由于铜损与铁损，变压器的输入与输出功率不再相等 变压器的输入与输出功率不再相等 把输出功率与输入功率比值的百分数称为变压器的效率， 把输出功率与输入功率比值的百分数称为变压器的效率 用 表示
η
P2 η = × 100% P 1
3. 变压器的铭牌
1） 额定电压
U1N/U2N I1N/I2N SN
L
u2
U2 ZL = I2 U 1 = KU 2 = U 2 2 = ′ 2 ZL = K ZL K I2 I1 I2 K
Z′
=K Z
2
例
信号源电动势E= 80V ， 内阻R0=400 Ω，负 =4Ω 载电阻RL=4Ω。
求： 1）负载直接接在信号源上时，信号源的输出功率。 负载直接接在信号源上时，信号源的输出功率。