1、第第5章章 磁路及变压器磁路及变压器5.1 磁路的基本知识磁路的基本知识5.2 交流铁芯线圈交流铁芯线圈5.3 变压器的用途、结构及工作原理变压器的用途、结构及工作原理5.4 特殊变压器及电磁铁特殊变压器及电磁铁5.1 磁路的基本知识磁路的基本知识 5.1.1磁路的概念磁路的概念电流产生磁场，即通电导体周围存在着磁场。在电磁铁、变电流产生磁场，即通电导体周围存在着磁场。在电磁铁、变压器、电机等电工设备中，为了用较小的电流产生较大的磁压器、电机等电工设备中，为了用较小的电流产生较大的磁场，通常把线圈绕在磁性材料制成的铁芯上，当有电流通过场，通常把线圈绕在磁性材料制成的铁芯上，当有电流通过线圈时，
2、电流产生的磁通绝大部分通过铁芯，通过铁芯的磁线圈时，电流产生的磁通绝大部分通过铁芯，通过铁芯的磁通称为主磁通，用字母通称为主磁通，用字母表示表示;小部分沿铁芯以外空间闭合的小部分沿铁芯以外空间闭合的磁通称为漏磁通，用磁通称为漏磁通，用表示，由于漏磁通很小，在工程中常表示，由于漏磁通很小，在工程中常略去不计。略去不计。下一页返回5.1 磁路的基本知识磁路的基本知识主磁通通过的闭合路径称为磁路，用以产生磁场的电流称为主磁通通过的闭合路径称为磁路，用以产生磁场的电流称为励磁电流。如励磁电流。如图图5-1所示为几种电气设备的磁路，图所示为几种电气设备的磁路，图5-1(a)所示是电磁铁的磁路，磁路中有很
3、短的空气隙所示是电磁铁的磁路，磁路中有很短的空气隙;图图5-1(b)所所示是变压器的一种磁路，它由同一种磁性材料组成，且各段示是变压器的一种磁路，它由同一种磁性材料组成，且各段截面积基本相等，这种磁路称为均匀磁路截面积基本相等，这种磁路称为均匀磁路;图图5-1(c)所示是所示是直流电机的磁路，磁路中也有空气隙，且磁路的磁性材料不直流电机的磁路，磁路中也有空气隙，且磁路的磁性材料不一定相同。一定相同。上一页 下一页返回5.1 磁路的基本知识磁路的基本知识5.1.2磁路的主要物理量磁路的主要物理量1.磁感应强度磁感应强度磁感应强度磁感应强度B是表示磁场内某点磁场强弱及方向的物理量，是表示磁场内某点
4、磁场强弱及方向的物理量，它是一个矢量。它是一个矢量。磁感应强度的单位是特斯拉磁感应强度的单位是特斯拉(T)，简称特。，简称特。1 T=1 Wb/m2 (5-1)若磁场中各点的磁感应强度大小相等、方向相同，则为均匀若磁场中各点的磁感应强度大小相等、方向相同，则为均匀磁场。磁场。上一页 下一页返回5.1 磁路的基本知识磁路的基本知识2.磁通磁通均匀磁场中，磁通中等于磁感应强度均匀磁场中，磁通中等于磁感应强度B与垂直方向的面积与垂直方向的面积S的的乘积，即乘积，即故故B又称磁通密度。如果不是均匀磁场，为计算方便起见，又称磁通密度。如果不是均匀磁场，为计算方便起见，可取可取B的平均值。磁通的平均值。磁
5、通的单位是韦伯的单位是韦伯(Wb)，简称韦。，简称韦。1Wb=1Vs（伏（伏秒）秒）上一页 下一页返回（5-2）5.1 磁路的基本知识磁路的基本知识3.磁导率磁导率磁导率磁导率是表示物质导磁性能的物理量，它的单位是亨是表示物质导磁性能的物理量，它的单位是亨/米米(H/m)。由实验测出真空的磁导率为。由实验测出真空的磁导率为0=410-7H/m 在说明物质的磁性能时，往往不直接用磁导率在说明物质的磁性能时，往往不直接用磁导率，而是用，而是用与真空磁导率与真空磁导率0的比值的比值r表示，即表示，即r称为相对磁导率。称为相对磁导率。上一页 下一页返回（5-3）5.1 磁路的基本知识磁路的基本知识4.
6、磁场强度磁场强度由于磁性物质的磁导率户不是常数，磁场的计算比较复杂，由于磁性物质的磁导率户不是常数，磁场的计算比较复杂，为了简化计算，引入磁场强度为了简化计算，引入磁场强度H这一辅助物理量。磁场强度这一辅助物理量。磁场强度只与产生磁场的电流以及这些电流的分布有关，而与磁介质只与产生磁场的电流以及这些电流的分布有关，而与磁介质的磁导率无关。磁场强度的单位是安的磁导率无关。磁场强度的单位是安/米米(A/m)。磁场强度磁场强度H与磁感应强度与磁感应强度B之间的关系为之间的关系为上一页 下一页返回（5-4）5.1 磁路的基本知识磁路的基本知识5.1.3磁路基本定律磁路基本定律1.安培环路定律安培环路定
7、律安培环路定律又称全电流定律，是分析磁场的基本定律。其安培环路定律又称全电流定律，是分析磁场的基本定律。其内容是内容是:磁场强度矢量在磁场中沿任何闭合回路的线积分，等磁场强度矢量在磁场中沿任何闭合回路的线积分，等于穿过该闭合回路所包围面积内电流的代数和，即于穿过该闭合回路所包围面积内电流的代数和，即计算电流代数和时，绕行方向符合右手螺旋定则的电流取正计算电流代数和时，绕行方向符合右手螺旋定则的电流取正号，反之取负号。号，反之取负号。上一页 下一页返回5.1 磁路的基本知识磁路的基本知识在电工技术中，常常遇到如在电工技术中，常常遇到如图图5-1(b)所示的情况，即闭合所示的情况，即闭合回路上各点
8、的磁场强度回路上各点的磁场强度H相等且其方向与闭合回路的切线方相等且其方向与闭合回路的切线方向一致，则安培环路定律可简化为向一致，则安培环路定律可简化为 I=Hl式中，式中，l为回路为回路(磁路磁路)长度长度.由于电流由于电流I和闭合回路绕行方向符和闭合回路绕行方向符合右手螺旋定则，线圈有合右手螺旋定则，线圈有N匝，电流就穿过回路匝，电流就穿过回路N次。次。因此因此 I=NI=F所以所以 Hl=NI=F （5-5）式中，式中，F称为磁动势，单位是安（称为磁动势，单位是安（A）。）。上一页 下一页返回5.1 磁路的基本知识磁路的基本知识2.磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律在如在如图图5-1(b)中，
9、磁通中，磁通为为式中，式中，称为磁阻，是表示磁路对磁通具有阻碍作用称为磁阻，是表示磁路对磁通具有阻碍作用的物理量，它与磁路的材料及几何尺寸有关。的物理量，它与磁路的材料及几何尺寸有关。式式(5-6)与电路中的欧姆定律在形式上相似，称为磁路的欧与电路中的欧姆定律在形式上相似，称为磁路的欧姆定律。因为磁性材料的磁阻姆定律。因为磁性材料的磁阻Rm不为常数，因此式不为常数，因此式(5-6)只只能作定性分析，不能作定量计算。能作定性分析，不能作定量计算。上一页 下一页返回5.1 磁路的基本知识磁路的基本知识 3.电磁感应定律电磁感应定律 当流过线圈的电流发生变化时，线圈中的磁通也随之变化，当流过线圈的电
10、流发生变化时，线圈中的磁通也随之变化，并在线圈中出现感应电流，这表明线圈中感应了电动势。电并在线圈中出现感应电流，这表明线圈中感应了电动势。电磁感应定律指出，感应电动势为磁感应定律指出，感应电动势为式中，式中，N为线圈匝数。感应电动势的方向由为线圈匝数。感应电动势的方向由 的符号与感的符号与感应电动势的参考方向比较而定。应电动势的参考方向比较而定。上一页 下一页返回5.1 磁路的基本知识磁路的基本知识当当 ，即穿过线圈的磁通增加时，即穿过线圈的磁通增加时，e0,这时感应电动势的方向与参考方向相同，表明感应电这时感应电动势的方向与参考方向相同，表明感应电流产生的磁场要阻止原来磁场的减少。流产生的
11、磁场要阻止原来磁场的减少。上一页返回5.2 交流铁芯线圈交流铁芯线圈所谓交流铁芯线圈，是指线圈中加入铁芯，并在线圈两端加所谓交流铁芯线圈，是指线圈中加入铁芯，并在线圈两端加正弦交流电压。正弦交流电压。5.2.1线圈感应电动势与磁通的关系线圈感应电动势与磁通的关系交流铁芯线圈是用正弦交流电来励磁的，其电磁关系与直流交流铁芯线圈是用正弦交流电来励磁的，其电磁关系与直流铁芯线圈有很大不同。在直流铁芯线圈中，因为励磁电流是铁芯线圈有很大不同。在直流铁芯线圈中，因为励磁电流是直流，其磁通是恒定的，在铁芯和线圈中不会产生感应电动直流，其磁通是恒定的，在铁芯和线圈中不会产生感应电动势。而交流铁芯线圈的电流是
12、变化的，变化的电流会产生变势。而交流铁芯线圈的电流是变化的，变化的电流会产生变化的磁通，于是会产生感应电动势。而交流铁芯线圈的电流化的磁通，于是会产生感应电动势。而交流铁芯线圈的电流关系也与磁路情况有关。关系也与磁路情况有关。下一页返回5.2 交流铁芯线圈交流铁芯线圈设线圈电压设线圈电压u、电流、电流i、磁通、磁通及感应电动势及感应电动势e的参考方向如的参考方向如图图5-2所示，有所示，有式中，式中，N为线圈匝数。为线圈匝数。在上式中，若设磁通为正弦量在上式中，若设磁通为正弦量=msint，则有，则有上一页 下一页返回5.2 交流铁芯线圈交流铁芯线圈可见，磁通可见，磁通为正弦量，感应电动势为正
13、弦量，感应电动势e也是正弦量，且感应也是正弦量，且感应电动势电动势e的相位比磁通的相位比磁通的相位滞后的相位滞后90，并且感应电动势，并且感应电动势的有效值与主磁通的最大值关系为的有效值与主磁通的最大值关系为上式是一个重要的公式，它清楚地说明铁芯线圈中的电磁转上式是一个重要的公式，它清楚地说明铁芯线圈中的电磁转换的大小关系，在电机工程的分析计算中常常用到。换的大小关系，在电机工程的分析计算中常常用到。上一页 下一页返回5.2 交流铁芯线圈交流铁芯线圈在图在图5-2中，如果忽略线圈电阻及漏磁通，则有中，如果忽略线圈电阻及漏磁通，则有从上式中可见，若电压为正弦量时，磁通也为正弦量。且电从上式中可见
14、，若电压为正弦量时，磁通也为正弦量。且电压压u的相位比磁通中的相位超前的相位比磁通中的相位超前900,即在铁芯线圈两端加上即在铁芯线圈两端加上正弦交流电压正弦交流电压u，铁芯线圈中必定产生正弦交变的磁通中，铁芯线圈中必定产生正弦交变的磁通中，以及感应电动势以及感应电动势e，且均为同频率的正弦量，并且电压及感，且均为同频率的正弦量，并且电压及感应电动势的有效值与主磁通的最大值关系为应电动势的有效值与主磁通的最大值关系为上式表明，在忽略线圈电阻上式表明，在忽略线圈电阻R及漏磁通及漏磁通的条件下，当线圈的条件下，当线圈匝数匝数N及电源频率及电源频率f一定时，主磁通的最大值一定时，主磁通的最大值m由励
15、磁线圈由励磁线圈的外加电压有效值的外加电压有效值U确定，与铁芯的材料及尺寸无关。确定，与铁芯的材料及尺寸无关。上一页 下一页返回（5-28）5.2 交流铁芯线圈交流铁芯线圈5.2.2 交流铁芯线圈的功率损耗交流铁芯线圈的功率损耗交流铁芯线圈的损耗包括铜损交流铁芯线圈的损耗包括铜损PCu，和铁损，和铁损PFe两部分。两部分。铜损铜损PCu是线圈电阻是线圈电阻R上的有功功率损耗，是由线圈导线发上的有功功率损耗，是由线圈导线发热引起的。铜损的值为热引起的。铜损的值为PCu=I2R式中，式中，I是线圈电流，是线圈电流，R是线圈电阻。是线圈电阻。铁损铁损PFe是处于交变磁化下的铁芯中的有功功率损耗，主是
16、处于交变磁化下的铁芯中的有功功率损耗，主要是由磁滞和涡流产生的。在磁化过程中产生的热损耗，称要是由磁滞和涡流产生的。在磁化过程中产生的热损耗，称为磁滞损耗。硅钢是交流铁芯的理想材料，其磁滞损耗较小。为磁滞损耗。硅钢是交流铁芯的理想材料，其磁滞损耗较小。上一页 下一页返回5.2 交流铁芯线圈交流铁芯线圈当绕在铁芯上的线圈中通有交变电流时，铁芯中的主磁通也当绕在铁芯上的线圈中通有交变电流时，铁芯中的主磁通也是交变的，磁路中交变的磁通不仅使线圈产生感应电动势，是交变的，磁路中交变的磁通不仅使线圈产生感应电动势，也会在铁芯中产生感应电动势，这个感应电动势使铁芯产生也会在铁芯中产生感应电动势，这个感应电
17、动势使铁芯产生涡旋状的感应电流，称为涡流，如涡旋状的感应电流，称为涡流，如图图5-3(a)所示。所示。涡流使铁芯发热，其产生的功率损耗称为涡流损耗。涡流使铁芯发热，其产生的功率损耗称为涡流损耗。上一页 下一页返回5.2 交流铁芯线圈交流铁芯线圈工程中常用两种方法减少涡流损耗，一是增大铁芯材料的电工程中常用两种方法减少涡流损耗，一是增大铁芯材料的电阻率，在钢中渗透硅即保持了良好的导磁性，又使电阻率大阻率，在钢中渗透硅即保持了良好的导磁性，又使电阻率大大提高大提高;二是用片型铁芯，片间涂上绝缘漆，用这种硅钢片叠二是用片型铁芯，片间涂上绝缘漆，用这种硅钢片叠成的铁芯代替整块铁芯，既加长了涡流路径，又
18、增加了涡流成的铁芯代替整块铁芯，既加长了涡流路径，又增加了涡流电阻，使涡流损耗大大减少。片状铁芯如电阻，使涡流损耗大大减少。片状铁芯如图图5-3(b)所示。所示。综上所述，交流铁芯线圈电路总的有功功率为综上所述，交流铁芯线圈电路总的有功功率为P=UIcos=PCu+PFe=I2R+I2R0式中，式中，R0是铁损对应的等效电阻。是铁损对应的等效电阻。上一页返回5.3 变压器的用途、结构及工作原理变压器的用途、结构及工作原理5.3.1变压器的用途变压器的用途变压器是根据电磁感应原理制成的一种静止的电气设备，具变压器是根据电磁感应原理制成的一种静止的电气设备，具有变换电压、变换电流、变换阻抗的功能，
19、因而在电力系统有变换电压、变换电流、变换阻抗的功能，因而在电力系统中和电子线路的各个领域得到广泛应用。中和电子线路的各个领域得到广泛应用。在输电方面，当输送功率及负载功率因数一定时，电压越高，在输电方面，当输送功率及负载功率因数一定时，电压越高，线路中的电流就越小，这样不仅可以减少输电线的截面积，线路中的电流就越小，这样不仅可以减少输电线的截面积，节省材料，还可以减少线路的功率损耗，因此输电时必须利节省材料，还可以减少线路的功率损耗，因此输电时必须利用变压器将电压升高。用变压器将电压升高。下一页返回5.3 变压器的用途、结构及工作原理变压器的用途、结构及工作原理在用电方面，从安全和制造成本考虑
20、，一般使用比较低的电在用电方面，从安全和制造成本考虑，一般使用比较低的电压，如压，如380 V,220 V,特殊的地方还要用到特殊的地方还要用到36 V,24 V或或12 V，这时需要利用变压器将电压降低到用户需要的电压，这时需要利用变压器将电压降低到用户需要的电压等级。等级。在电子线路中，变压器不仅用来变换电压，提供电源，还用在电子线路中，变压器不仅用来变换电压，提供电源，还用来藕合电路，传递信号，实现阻抗匹配。在测量方面，可利来藕合电路，传递信号，实现阻抗匹配。在测量方面，可利用电压互感器、电流互感器的变压、变流作用，打一大交流用电压互感器、电流互感器的变压、变流作用，打一大交流电压表及交
21、流电流表的测量范围。电压表及交流电流表的测量范围。此外，在工程技术领域中，还大量使用各种不同的专用变压此外，在工程技术领域中，还大量使用各种不同的专用变压器，如自藕变压器、电焊变压器、电炉变压器、整流变压器器，如自藕变压器、电焊变压器、电炉变压器、整流变压器等。虽然变压器的种类很多，用途各异，但基本结构和工作等。虽然变压器的种类很多，用途各异，但基本结构和工作原理是相同的。原理是相同的。上一页 下一页返回5.3 变压器的用途、结构及工作原理变压器的用途、结构及工作原理5.3.2变压器的结构变压器的结构变压器通常由一个公共铁芯和两个或两个以上的线圈变压器通常由一个公共铁芯和两个或两个以上的线圈(
22、又称绕又称绕组组)组成。按照铁芯和绕组结构形式的不同，分为心式变压器组成。按照铁芯和绕组结构形式的不同，分为心式变压器和壳式变压器两类，如和壳式变压器两类，如图图5-4所示。所示。铁芯是变压器的磁路部分，为减少涡流和磁滞损耗，铁芯多铁芯是变压器的磁路部分，为减少涡流和磁滞损耗，铁芯多用厚度为用厚度为0.350.55mm的硅钢片叠成，硅钢片两侧涂的硅钢片叠成，硅钢片两侧涂有绝缘漆，使片间绝缘。心式变压器的绕组套在铁芯柱上，有绝缘漆，使片间绝缘。心式变压器的绕组套在铁芯柱上，绕组装配方便，用铁量较少，多用于大容量变压器。壳式变绕组装配方便，用铁量较少，多用于大容量变压器。壳式变压器的铁芯把绕组包围
23、在中间，这种变压器制造工艺复杂，压器的铁芯把绕组包围在中间，这种变压器制造工艺复杂，用铁量也较多，但不必使用专门的变压器外壳，常用于小容用铁量也较多，但不必使用专门的变压器外壳，常用于小容量的变压器，如电子线路的变压器。铁芯的叠装一般采用交量的变压器，如电子线路的变压器。铁芯的叠装一般采用交错方式，即每层硅钢片的接缝错开，这样可降低磁路磁阻，错方式，即每层硅钢片的接缝错开，这样可降低磁路磁阻，减少励磁电流。减少励磁电流。上一页 下一页返回5.3 变压器的用途、结构及工作原理变压器的用途、结构及工作原理绕组是变压器的电路部分。与铁芯线圈不同，变压器通常有绕组是变压器的电路部分。与铁芯线圈不同，变
24、压器通常有两个或两个以上的线圈，多数还需要以一定方式联接。一般两个或两个以上的线圈，多数还需要以一定方式联接。一般小容量变压器绕组用高强度漆包线绕成，接电源的绕组称为小容量变压器绕组用高强度漆包线绕成，接电源的绕组称为原绕组原绕组(又称初级绕组或一次绕组又称初级绕组或一次绕组)，接负载的绕组称为副绕，接负载的绕组称为副绕组组(又称次级绕组或二次绕组又称次级绕组或二次绕组)。5.3.3 变压器的工作原理变压器的工作原理变压器的基本原理是电磁感应原理，现以单相双绕组变压器变压器的基本原理是电磁感应原理，现以单相双绕组变压器为例说明其基本工作原理。为例说明其基本工作原理。上一页 下一页返回5.3 变
25、压器的用途、结构及工作原理变压器的用途、结构及工作原理如如图图5-5所示，当原边绕组上加上电压所示，当原边绕组上加上电压u1时，流过电流时，流过电流i1，在铁芯中就产生交变磁通，其中绝大部分磁通经铁芯闭合，在铁芯中就产生交变磁通，其中绝大部分磁通经铁芯闭合，为主磁通为主磁通。此外还有很少一部分磁通经空气或其他非铁磁。此外还有很少一部分磁通经空气或其他非铁磁性物质闭合，为漏磁通性物质闭合，为漏磁通，这两个磁通分别在线圈中感应主，这两个磁通分别在线圈中感应主电动势电动势e和漏感电动势和漏感电动势e。两侧绕组分别感应主电动势。两侧绕组分别感应主电动势e1、e2。e1和和e2也按正弦规律变化，它们的有
26、效值分别为也按正弦规律变化，它们的有效值分别为E1=4.44fN1mE2=4.44fN2m式中，式中，f为频率，为频率，N为匝数；为匝数；m为主磁通最大值。为主磁通最大值。上一页 下一页返回5.3 变压器的用途、结构及工作原理变压器的用途、结构及工作原理 1.变压器的电压变换作用变压器的电压变换作用当变压器副边空载时当变压器副边空载时(副边开路，其电压设为副边开路，其电压设为U20),，如果忽，如果忽略漏磁通和原边绕组上的压降略漏磁通和原边绕组上的压降(空载电流很小空载电流很小)，则原、副绕，则原、副绕组的电动势近似等于原、副边电压，即组的电动势近似等于原、副边电压，即 U1E1 U20E2此
27、时，原、副边电压之比称为变压比或变比，即此时，原、副边电压之比称为变压比或变比，即可见，电压比等于原、副边线圈的匝数比。因此，只要改变可见，电压比等于原、副边线圈的匝数比。因此，只要改变线圈的匝数比，就可得到不同的输出电压，从而达到变电压线圈的匝数比，就可得到不同的输出电压，从而达到变电压的目的。的目的。上一页 下一页返回（5-10）5.3 变压器的用途、结构及工作原理变压器的用途、结构及工作原理2.变压器的电流变换作用变压器的电流变换作用当变压器负载运行时，绕组电阻、铁芯的磁滞及涡流总会产当变压器负载运行时，绕组电阻、铁芯的磁滞及涡流总会产生一定的能量损耗，但与其变压器输出功率相比，其值要小
28、生一定的能量损耗，但与其变压器输出功率相比，其值要小得多，一般情况下可以忽略不计。而将变压器视为理想变压得多，一般情况下可以忽略不计。而将变压器视为理想变压器，此时输入变压器的功率全部输出给所接的负载，即器，此时输入变压器的功率全部输出给所接的负载，即 U1I1=U2I2从前面的分析可以得出从前面的分析可以得出这表明变压器负载工作时，原、副边线圈的电流有效值这表明变压器负载工作时，原、副边线圈的电流有效值I1和和I2近似地与它们的匝数成反比。因此，变压器具有变换电流近似地与它们的匝数成反比。因此，变压器具有变换电流的作用，它在变换电压的同时也变换了电流。的作用，它在变换电压的同时也变换了电流。
29、上一页 下一页返回（5-11）5.3 变压器的用途、结构及工作原理变压器的用途、结构及工作原理3.变压器的阻抗变换作用变压器的阻抗变换作用设接在变压器绕组的负载阻抗为设接在变压器绕组的负载阻抗为Z，如，如图图5-6(a)所示，在所示，在忽略变压器漏磁压降及电阻压降的情况下，用阻抗忽略变压器漏磁压降及电阻压降的情况下，用阻抗Z代替图代替图5-6(a)中虚线框内的部分，如中虚线框内的部分，如图图5-6(b)所示。等效后原所示。等效后原绕组的电流绕组的电流I1,、电压、电压U1均不改变。均不改变。从图从图5-6(a),(b)两图，得负载阻抗的模为两图，得负载阻抗的模为|Z|反映到原绕组的阻抗模反映到
30、原绕组的阻抗模|Z|为为上一页 下一页返回（5-12）5.3 变压器的用途、结构及工作原理变压器的用途、结构及工作原理上式表明，负载上式表明，负载Z通过变比为通过变比为k的变压器接至电源，与负载的变压器接至电源，与负载Z直接接至电源的效果是一样的，从而实现了阻抗变换作用，直接接至电源的效果是一样的，从而实现了阻抗变换作用，因此采用不同的变比，可以把负载阻抗变换为所要求的值。因此采用不同的变比，可以把负载阻抗变换为所要求的值。在电子线路中，常用这种方法来实现阻抗的匹配，以提高信在电子线路中，常用这种方法来实现阻抗的匹配，以提高信号的传输功能。号的传输功能。5.3.4变压器的额定值及运行特性变压器
31、的额定值及运行特性1.变压器的额定值变压器的额定值变压器的额定值是制造厂对变压器正常使用所作的规定，变变压器的额定值是制造厂对变压器正常使用所作的规定，变压器在规定的额定值状态下运行，可以保证长期可靠的工作，压器在规定的额定值状态下运行，可以保证长期可靠的工作，并且有良好的性能主要额定值包括以下几方面。并且有良好的性能主要额定值包括以下几方面。上一页 下一页返回5.3 变压器的用途、结构及工作原理变压器的用途、结构及工作原理(1)额定容量额定容量SN(单位为单位为VA或或kVA)额定容量指铭牌规定额定运行状态下所能输送的容量额定容量指铭牌规定额定运行状态下所能输送的容量(视在功视在功率率)，它
32、等于变压器副边线圈的额定电压和额定电流的乘积。，它等于变压器副边线圈的额定电压和额定电流的乘积。SN=U2NI2N当变压器有多个副边线圈时，它的额定容量应为所有副边线当变压器有多个副边线圈时，它的额定容量应为所有副边线圈视在功率之和，即圈视在功率之和，即SN=U2NI2N需要强调的是，变压器的额定容量是视在功率，它与输出功需要强调的是，变压器的额定容量是视在功率，它与输出功率率(单位是单位是W)不同，因输出功率的大小还与负载功率因数有不同，因输出功率的大小还与负载功率因数有关。关。上一页 下一页返回5.3 变压器的用途、结构及工作原理变压器的用途、结构及工作原理(2)额定电压额定电压(单位为单
33、位为V或或kV)原边额定电压原边额定电压U1N是根据绝缘强度和允许发热所规定的应加是根据绝缘强度和允许发热所规定的应加在原边线圈上的正常工作电压有效值。副边额定电压在原边线圈上的正常工作电压有效值。副边额定电压U2N是是指指:原边加额定电压，副边线圈开路原边加额定电压，副边线圈开路(空载空载)时的端电压。三相时的端电压。三相变压器额定电压一律指线电压。变压器额定电压一律指线电压。(3)额定电流额定电流(单位为单位为A)原、副边额定电流原、副边额定电流I1N和和I2N是指变压器在额定容量和允许温是指变压器在额定容量和允许温升条件下，长时间通过线圈的最大电流。三相变压器额定电升条件下，长时间通过线
34、圈的最大电流。三相变压器额定电流一律指线电流。流一律指线电流。(4)额定频率额定频率(单位为单位为Hz)额定频率额定频率fN是指变压器应接入的电源频率。我国电力系统的是指变压器应接入的电源频率。我国电力系统的标准频率为标准频率为50Hz。上一页 下一页返回5.3 变压器的用途、结构及工作原理变压器的用途、结构及工作原理2.变压器的使用变压器的使用(1)变压器的外特性变压器的外特性当变压器原边电压当变压器原边电压U1和负载功率因素和负载功率因素cos一定时，副边电一定时，副边电压压U2随负载电流变化的关系随负载电流变化的关系U2=f(I2)称为变压器的外特性，称为变压器的外特性，如如图图5-7所
35、示。所示。由图由图5-7可知，对于电阻性和电感性负载，电压可知，对于电阻性和电感性负载，电压U2随电流随电流I2的增加而下降。且感性负载因其功率因素低，的增加而下降。且感性负载因其功率因素低，U2下降的更快。下降的更快。通常希望电压通常希望电压U2的变化越小越好，为了反映电压的变化越小越好，为了反映电压U2随负载的随负载的变化程度，引入电压变化率变化程度，引入电压变化率U。电压变化率定义为。电压变化率定义为上一页 下一页返回（5-13）5.3 变压器的用途、结构及工作原理变压器的用途、结构及工作原理式中，式中，U20为副边空载时的电压为副边空载时的电压(副边的开路电压副边的开路电压)，U2为副
36、为副边额定负载时的电压。电力变压器的电压变化率一般不应超边额定负载时的电压。电力变压器的电压变化率一般不应超过过5%，一般变压器的电压变化率在，一般变压器的电压变化率在5%左右。左右。(2)变压器的损耗和效率变压器的损耗和效率 变压器的损耗与交流铁芯线圈相似，包括铜损和铁损，即变压器的损耗与交流铁芯线圈相似，包括铜损和铁损，即P=PCu+PFe上一页 下一页返回5.3 变压器的用途、结构及工作原理变压器的用途、结构及工作原理 变压器的铜损变压器的铜损PCu是变压器运行时，电流流经原、副绕组是变压器运行时，电流流经原、副绕组电阻电阻R1，R2所消耗的功率，它与负载电流的大小有关，故所消耗的功率，
37、它与负载电流的大小有关，故称为可变损耗，即称为可变损耗，即铁损与负载电流的大小无关，称为不变损耗。铁损与负载电流的大小无关，称为不变损耗。变压器的效率是变压器输出功率变压器的效率是变压器输出功率P2与对应输入功率与对应输入功率P1的比值，的比值，即即上一页返回（5-14）5.4 特殊变压器及电磁铁特殊变压器及电磁铁1.自藕变压器自藕变压器自藕变压器只有一个绕组，其中高压绕组的一部分兼作低压自藕变压器只有一个绕组，其中高压绕组的一部分兼作低压绕组，因此高、低绕组之间不但有磁的联系，也有电的联系，绕组，因此高、低绕组之间不但有磁的联系，也有电的联系，如如图图5-8所示。所示。自藕变压器与单相双绕组
38、变压器一样，也可以用来变换电压自藕变压器与单相双绕组变压器一样，也可以用来变换电压与电流。用同样的方法分析可知，其电压比、电流比与单相与电流。用同样的方法分析可知，其电压比、电流比与单相变压器相同，即变压器相同，即下一页返回5.4 特殊变压器及电磁铁特殊变压器及电磁铁 实验室中常用的调压器就是一种可以改变副线圈匝数的自藕实验室中常用的调压器就是一种可以改变副线圈匝数的自藕变压器，其外形及电路如变压器，其外形及电路如图图5-9所示。转动手柄可改变副绕所示。转动手柄可改变副绕组匝数，从而达到调压目的。使用接线时从安全角度考虑，组匝数，从而达到调压目的。使用接线时从安全角度考虑，需把电源的零线接至需
39、把电源的零线接至1端子。若把相线接在端子。若把相线接在1端子，调压器输端子，调压器输出电压即使为零出电压即使为零(端子端子5与与4重合，重合，N2=0)，但端子，但端子5仍为高仍为高电位，用手触摸时有危险。电位，用手触摸时有危险。2.仪用互感器仪用互感器仪用互感器分为电流互感器和电压互感器，其主要作用是扩仪用互感器分为电流互感器和电压互感器，其主要作用是扩大交流仪表的量程和使仪表与高压电路隔离以保证安全仪用大交流仪表的量程和使仪表与高压电路隔离以保证安全仪用互感器的工作原理与变压器相同，但由于用途不同，安装地互感器的工作原理与变压器相同，但由于用途不同，安装地点不同，电压等级不同，在构造和外形
40、上有明显区别。点不同，电压等级不同，在构造和外形上有明显区别。上一页 下一页返回5.4 特殊变压器及电磁铁特殊变压器及电磁铁(1)电流互感器电流互感器电流互感器的原边绕组与被测电路串联，副边绕组接电流表。电流互感器的原边绕组与被测电路串联，副边绕组接电流表。原边绕组的匝数很少，一般只有一匝或几匝，用粗导线绕成。原边绕组的匝数很少，一般只有一匝或几匝，用粗导线绕成。副边绕组的匝数较多，用细导线绕成，与电流表串联，如副边绕组的匝数较多，用细导线绕成，与电流表串联，如图图5-10(a)所示。所示。根据变压器电流变换原理，电流互感器原、副绕组电流之比根据变压器电流变换原理，电流互感器原、副绕组电流之比
41、为为上一页 下一页返回5.4 特殊变压器及电磁铁特殊变压器及电磁铁式中，式中，Ki为电流互感器的电流比，也称为变换系数。可见，为电流互感器的电流比，也称为变换系数。可见，电流互感器可将大电流变为小电流。副边接上电流表，测出电流互感器可将大电流变为小电流。副边接上电流表，测出的的I2乘上变换系数乘上变换系数Ki即得被测的原线圈大电流的值即得被测的原线圈大电流的值(通常其电通常其电流表表盘上刻度直接标出被测的电流值流表表盘上刻度直接标出被测的电流值)。通常电流互感器副。通常电流互感器副线圈的额定电流规定为线圈的额定电流规定为5A。电流互感器接于高压电路，为了安全起见，副线圈的一端及电流互感器接于高
42、压电路，为了安全起见，副线圈的一端及互感器铁芯必须接地。互感器铁芯必须接地。(2)电压互感器电压互感器电压互感器的原绕组匝数很多，并联于待测电路两端，副绕电压互感器的原绕组匝数很多，并联于待测电路两端，副绕组匝数很少，与电压表及电度表、功率表、继电器的电压线组匝数很少，与电压表及电度表、功率表、继电器的电压线圈并联，如圈并联，如图图5-10(b)所示。所示。上一页 下一页返回5.4 特殊变压器及电磁铁特殊变压器及电磁铁根据变压器电压变换原理，电压互感器原、副绕组电压之比根据变压器电压变换原理，电压互感器原、副绕组电压之比为为式中，式中，Ku为电压互感器的电压比，也称为变换系数。可见，为电压互感
43、器的电压比，也称为变换系数。可见，电压互感器可将大电压变为小电压。副边接上电压表，测出电压互感器可将大电压变为小电压。副边接上电压表，测出的的U2乘上变换系数乘上变换系数Ku即得被测的原线圈两端大电压的值即得被测的原线圈两端大电压的值(通通常其电压表表盘上刻度直接标出被测的电压值常其电压表表盘上刻度直接标出被测的电压值)。通常电压互。通常电压互感器副线圈的额定电压规定为感器副线圈的额定电压规定为100V。电压互感器接于高压电路，为确保安全，副线圈的一端及互电压互感器接于高压电路，为确保安全，副线圈的一端及互感器铁芯必须接地。感器铁芯必须接地。上一页 下一页返回5.4 特殊变压器及电磁铁特殊变压
44、器及电磁铁 3.电磁铁电磁铁电磁铁是利用通电流的铁芯线圈对铁磁物质产生电磁吸力的电磁铁是利用通电流的铁芯线圈对铁磁物质产生电磁吸力的原理而制成的设备。原理而制成的设备。图图5-11所示为电磁铁的原理性结构，所示为电磁铁的原理性结构，它由绕组、铁芯和衔铁三部分组成。绕组和铁芯是固定的，它由绕组、铁芯和衔铁三部分组成。绕组和铁芯是固定的，衔铁是可动的，绕组通过电流时，磁通经过铁芯与衔铁形成衔铁是可动的，绕组通过电流时，磁通经过铁芯与衔铁形成闭合通路，因而对衔铁产生电磁吸力。断电时磁场消失，衔闭合通路，因而对衔铁产生电磁吸力。断电时磁场消失，衔铁即被释放。铁即被释放。电磁铁分为直流和交流两种。电磁铁
45、分为直流和交流两种。上一页 下一页返回5.4 特殊变压器及电磁铁特殊变压器及电磁铁直流电磁铁由于是直流励磁，当线圈的电阻及电源电压一定直流电磁铁由于是直流励磁，当线圈的电阻及电源电压一定时，励磁电流一定，磁动势也一定，在衔铁吸引过程中，气时，励磁电流一定，磁动势也一定，在衔铁吸引过程中，气隙逐渐减小，磁场便逐渐增强，吸力随之增大，衔铁吸合后隙逐渐减小，磁场便逐渐增强，吸力随之增大，衔铁吸合后的吸引力要比吸合前的大得多。的吸引力要比吸合前的大得多。交流电磁铁在电流一个周期内，吸引力两次为零。因此，交交流电磁铁在电流一个周期内，吸引力两次为零。因此，交流电磁铁工作时，会发生衔铁的振动。为了消除这种
46、现象，流电磁铁工作时，会发生衔铁的振动。为了消除这种现象，可用短路环将磁极分裂为两部分，即将磁通分为可用短路环将磁极分裂为两部分，即将磁通分为与与两两部分，如部分，如图图5-12所示，所示，与与产生的吸力不同时为零，产生的吸力不同时为零，因而可消除振荡。因而可消除振荡。上一页返回图图5-1 几种常用电工设备的磁路几种常用电工设备的磁路返回图图5-2 交流铁芯线圈交流铁芯线圈返回图图5-3 铁芯中的涡流损耗铁芯中的涡流损耗返回返回图图5-4 变压器的结构变压器的结构图图5-5 变压器的运行变压器的运行返回图图5-6 变压器的阻抗变换变压器的阻抗变换返回图图5-7 变压器的外特性变压器的外特性返回图图5-8 自藕变压器自藕变压器返回图图5-9 调压器外形及电路调压器外形及电路返回图图5-10 电流互感器和电压互感器电流互感器和电压互感器返回图图5-11 电磁铁电磁铁返回图图5-12 短路环短路环返回
