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1、项目五 变压器原理及其应用,5.1 磁路 5. 2 变压器 5. 3 几种常见的变压器,返回,5.1 磁路,5.1.1磁场的基本物理量 1)磁通 磁通就是指垂直穿过磁场某一面积的磁力线的根数，如图5一1所示。磁通用表示，在国际单位制中，磁通的单位是韦伯(Wb)，简称韦。实用中还用麦克斯韦(简称麦，Mx)作为磁通的单位。它们之间的关系是:1 Mx = 10-8 Wb 2)磁感应强度B 磁感应强度是一个表示磁场中各点的磁场强弱和方向的物理量，用B表示。它是一个矢量。磁感应强度的方向与该点磁力线切线方向一致，也可用右手螺旋定则来确定。如果磁场内各点的B大小相等，方向相同，则称该磁场为均匀磁场。在均匀
2、磁场中，磁感应强度等于垂直穿过单位面积的磁力线数，故又称磁通密度，即,下一页,返回,5.1 磁路,3)磁导率 实验证明，在通电线圈中放入铁、钻、镍等物质后，通电线圈周围的磁场将大为增强，磁感应强度B增大;若通电线圈空芯或放入铜、铝、木材等物质，通电线圈周围的磁场几乎没有什么变化。这个现象表明，磁感应强度B与磁场中的介质的导磁性质有关。我们用磁导率拜来表示物质的导磁性能，的单位是H/m(亨/米)。 磁导率值大的材料，导磁性能好。所谓的导磁性能好，指的是这类材料被磁化后能产生很大的附加磁场。 不同的物质有不同的磁导率真空中的磁导率为0，由实验测得为一常数，即0=4 x 10-7 H/m,其他材料的
3、磁导率和真空中的磁导率0的比值，称为该物质的相对磁导率，用r表示，即,上一页,下一页,返回,5.1 磁路,表5 -1列出了几种常用的铁磁性物质的相对磁导率。 4)磁场强度H 在通电线圈中因放入的物质的导磁率不同，使得磁感应强度不同。这样磁感应强度的计算就很复杂，为此引出另一个与磁导率无关的物理量叫磁场强度，用H表示。磁场中某点磁场强度的大小等于该处的磁感应强度的大小除以介质的磁导率，磁场强度的方向与该点磁感应强度的方向相同，磁场强度只与产生磁场电流及电流的分布有关而与介质无关，即 磁场强度的大小只决定于励磁电流、导线的几何形状、匝数及位置，而与磁介质的性质无关。磁场强度H是矢量，在国际单位制中
4、，磁场强度的单位是A/m(安/米)。,上一页,下一页,返回,5.1 磁路,5)磁化曲线与磁滞回线 磁滞回线:如图5 -2所示，当铁芯中通有电流时，铁芯被磁化。如果改变电路中的电流I的大小及方向，可得磁感应强度B随磁场强度H变化的关系如图5一3所示。 铁磁材料根据磁滞回线的不同形状，铁磁材料基本上分为软磁材料、硬磁材料和矩磁材料三大类。 软磁材料:如纯铁、铸铁、硅钢。这类材料的磁滞回线狭窄如图5 -4 (a)所示，剩磁和矫顽磁力均较小，撤去外磁场后，磁性大部分消失，在交变磁场作用下，磁滞损耗小，所以适用于交变磁场下工作的电气。例如一些电子设备中的电感组件，或变压器、电动机、发电机的铁芯都必须用软
5、磁材料制造，交流电磁铁、继电器、接触器也必须用软磁材料，以使在切断电流后没有剩磁。软磁材料也可做计算机的磁芯、磁鼓以及录音机的磁带、磁头等。,上一页,下一页,返回,5.1 磁路,硬磁材料:如碳钢、钨钢、钻钢及铁镍合金等，这类材料的磁滞回线较宽如图5 -4(b)所示，剩磁和矫顽磁力都较大，必须用较强的外加磁场，才能使它磁化。而且一经磁化，磁性不易消失。这类材料适宜制造永久磁铁。 矩磁材料:如镁锰铁氧体、1J51型铁镍合金等，磁滞回线接近矩形如图5-4(c)所示，在计算机和控制系统中，用于计算机存储器的磁芯，用作记忆组件、开关组件和逻辑组件等。,上一页,下一页,返回,5.1.2磁路和磁路欧姆定律
6、1)磁路的概念 在电气设备中，为了增强磁场，常把线圈绕在铁芯上，当线圈通电后产生很强的磁场，铁芯的磁导率比周围空气或其他物质的磁导率高得多，使得大部分磁通(磁力线)集中在铁芯中形成闭合回路，集中在铁芯中的磁通称为主磁通。还有一部分磁通，没有经过气隙和衔铁，而是经空气自成回路，这部分磁通称为漏磁通。一般情况下，漏磁通很少，常略去不计。 磁通经过的闭合路径叫磁路。磁路分为有分支磁路和无分支磁路两种类型。图5一5(a)给出了无分支磁路，图5-5 (b)给出了有分支磁路。在无分支磁路中，通过每一个横截面的磁通都相等。,上一页,下一页,返回,5.1 磁路,5.1 磁路,2)磁路的欧姆定律 磁动势。 要使
7、磁路中产生一定大小的磁通，就必须在具有一定匝数N的线圈中，通入一定大小的电流I，该电流称励磁电流。改变励磁电流I或线圈匝N,磁通的大小就要变化，由此可见NI乃是建立磁通的根源。所以把乘积NI称作磁路的磁动势，简称磁势。磁势的符号是F，单位是安(A)。 磁阻。 如果把相同的磁动势加到不同的磁路中去，获得的磁通也不相同。这说明磁通除了与磁动势F有关外，还与组成磁路的物质及尺寸有关。这里我们引出一个磁阻的概念，磁阻表示磁路对磁动势建立磁通所呈现的阻力，用Rm表示,上一页,下一页,返回,5.1 磁路,如果在磁路上有气隙等不同的磁路，则可以把尺寸介质不同的磁阻相加，磁通为 磁路欧姆定律。 若某磁路的磁通
8、为，磁通势为F,磁阻为Rm，则 式(5 -7)与电路的欧姆定律相似，故也称为磁路的欧姆定律，是磁路分析和计算的基础。它表明，在磁路中，磁通与磁动势NI成正比，与磁阻Rm成反比。磁路的欧姆定律是分析磁路的基本定律空气隙的磁导率0很小，而且是常数，所以空气隙中的磁阻是线性的，数值很大;铁磁材料的磁导率不是常数，它随励磁电流而变，所以铁磁材料的磁阻是非线性的，数值很小。由于铁磁材料的磁阻是非线性的，因此不能直接用式(5一7)进行定量分析，而只能进行定性分析。,上一页,下一页,返回,5.1 磁路,3)磁路与电路的比较 表5 -2列出了电路与磁路对应的物理量及其关系式。 4)交流铁芯线圈电路及功率损耗
9、在交流铁芯线圈中，除了在线圈电阻上有功率损耗I2R(称为铜损)外，处于交变磁化下的铁芯也有功率损耗(称为铁损)，它有磁滞损耗和涡流损耗两部分。 减小磁滞损耗，铁芯选用磁滞回线狭小的软磁材料制造，硅钢就是变压器和电动机中常用的铁芯材料。 减小涡流损耗的方法是采用表面彼此相互绝缘的硅钢片叠合，做成电气设备的铁芯。,上一页,下一页,返回,5.1 磁路,涡流虽然在很多电气中会引起不良后果，但在另一些场合下，人们却利用涡流为生产、生活服务。例如，利用涡流的热效应来冶炼金属，日常生活中的电磁灶也是利用涡流的原理制成的，它给人们的生活带来很大的便利。 铜损和铁损都要从电源吸取能量，并转化为热能而使线圈和铁芯
10、发热。因此，大容量的变压器和交流电动机需采用各种相应的冷却措施。,上一页,返回,5. 2 变压器,变压器是根据电磁感应原理工作的一种常见的静止电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛，如图5一6所示。它的基本作用是将一种等级的交流电变换成另外一种等级的交流电。在电力和电子线路中，变压器都有广泛应用。变压器种类很多，但基本原理和结构是一样的。 按其用途分:电源变压器、控制变压器、电焊变压器、自藕变压器和仪用互感器等;按绕组数目分:单绕组变压器、双绕组变压器、三绕组变压器和多绕组变压器;按相数分:单相变压器、三相变压器和多相变压器;按铁芯结构分:心式变压器和壳式变压器;按冷却方式分:干式变压器和油
11、浸式变压器。,下一页,返回,5. 2 变压器,5. 2. 1变压器的结构 1)变压器的基本结构 由铁芯和套在铁芯上的两个或多个线圈(绕组)构成，如图5 -7所示。铁芯和线圈是变压器的基本组成部分。 铁芯。铁芯构成变压器的磁路，为了减少磁通变化时所引起的涡流损失，提高磁路的导磁性能，一般由0. 35 0. 55 mm的表面绝缘的硅钢片交错叠压而成。根据铁芯的结构不同，变压器可分为壳式(小功率)和心式(容量较大)两种。 绕组。即线圈，绕组采用高强度漆包线绕成，它是变压器的电路部分，要求各部分之间相互绝缘，绕组与绕组及绕组与铁芯之间都是互相绝缘的。,上一页,下一页,返回,绕组有原边绕组、副边绕组之分
12、。与电源相连的称为原边绕组(或称初级绕组、一次绕组)，与负载相连的称为副边绕组(或称次级绕组、二次绕组)。 较大容量的变压器还有冷却系统、保护装置以及绝缘套管等。小容量变压器采用自冷式而中大容量的变压器采用油冷式。 2)变压器的型号 型号表示一台变压器的结构、额定容量、电压等级、冷却方式等内容，表示方法如下。,上一页,下一页,返回,5. 2 变压器,5. 2 变压器,其中，短横线前是用字母表示的变压器基本类型信息，如表5一3所示;短横线后第一组数字为额定容量(kVA)，第二组数字为高压侧额定电压(KV).,上一页,下一页,返回,5. 2 变压器,5. 2. 2变压器的工作原理 变压器处于空载运
13、行时，由于二次绕组开路，变压器的一次绕组相当于一个交流铁芯线圈电路，励磁电流越大，一次线圈匝数越多，所产生的磁通也越大。于是由i1N1产生的主磁通通过铁芯闭合，既穿过一次绕组，又穿过二次绕组，在一次和二次绕组内分别产生感应电压u1, u2，在忽略漏磁通产生的电动势和线圈电阻上压降的情况下，一次电压的有效值为 同样，在的作用下，二次绕组产生的感应电压有效值为 由式(5一8)和式(5 -9)可得,上一页,下一页,返回,5. 2 变压器,变压器负载时，由于二次绕组的电阻压降和漏电动势都比较小，则有 此时仍然有 由此可知，在变压器运行时，当一次、二次绕组匝数不同时，变压器就可以把某一数值的交流电压变换
14、为同频率的另一数值的交流电压，这就是变压器的电压变换作用。当变压器的N1 N2，即Ku1时，变压器实现降压称为降压变压器;反之，当N1 N2，即Ku1时，变压器实现升压称为升压变压器。 在变压器的铭牌上注明，它通常以“6 000/4 00 V”的形式表示原、副绕组的额定电压之比，即变比。此例表明这台变压器的原绕组的额定电压U1N = 6 000 V，副绕组的额定电压U2N=400 V。,上一页,下一页,返回,5. 2 变压器,5. 2. 3电流变换 变压器的一次绕组接电源上、二次绕组接有负载的运行状态称为负载运行状态如图5一8所示。 二次绕组接上负载Z后，经过一次、二次绕组交链形成的磁藕合，产
15、生电压u2，二次绕组就有电流i2流过，从而有电能输出。 变压器二次侧电流的大小是由负载决定的，但二次测的能源来源于一次侧，两侧电路并没有直接的电联系，而是通过磁藕合把能量从一次侧传递到二次侧。在不考虑变压器本身损耗的情况下(理想状态)，变压器原绕组输入的功率等于副绕组输出的功率。由U1I1=U2I2,可得:,上一页,下一页,返回,5. 2 变压器,5. 2. 4变压器的阻抗变换作用 变压器除了变换电压和电流外，还可以进行阻抗变换，以实现阻抗“匹配”，如图5一9 ( a)所示。负载阻抗|Z|接在变压器二次绕组，对电源u1来说其外部可用另一个阻抗|Z|来等效代替，如图5一8 ( b)所示。 从原边
16、两端来看，等效阻抗为z ,而 所以Z反映到原绕组的阻抗模|z|为,上一页,下一页,返回,5. 2 变压器,|Z|又称为拆算阻抗。式(5一15)表明，在忽略漏磁的情况下，只要改变匝数比，负载阻抗ZL拆算到(反映到)原边的等效阻抗ZL也不同。我们就可利用不同的匝数比，把负载阻抗变换为所需要的、比较合适的数值，且负载性质不变。这种变换通常称为阻抗变换，或阻抗匹配。 变压器的阻抗变换功能可实现负载阻抗与信号源阻抗相匹配，从而使负载得到最大输出功率。,上一页,下一页,返回,5. 2 变压器,5. 2. 5变压器的额定值、损耗和效率 为了正确、合理地使用变压器，应当熟悉其额定值及效率。变压器正常运行的状态和条件称为变压器的额定工作情况。表征变压器额定工作情况下的电压、电流和功率，称为变压器的额定值，它标在变压器的铭牌上。 变压器的主要额定值如下: 1)额定电压U1N和U2N 一次额定电压U1N是指根据绝缘材料和允许发热所规定的应加在一次绕组上的正常工作电压有效值。 二次额定电压U2N是指一次绕组上加额定电压时二次绕组
