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1、5-2 变压器的结构及工作原理,5-3 变压器的应用,5-1 磁路,第5章 磁路与变压器,2. 了解变压器的基本结构、工作原理、运行特性和绕组的同极性端，理解变压器额定值的意义；,3. 掌握变压器电压、电流和阻抗变换作用；,本章要求：,1. 理解磁场的基本物理量的意义，了解磁性材料的基本知识及磁路的基本定律；,5-1 磁路,5-1-1 磁场的基本物理量,1、磁感应强度B:,磁感应强度B是一个表示磁场中各点的磁场强弱和方向的物理量（矢量）。,定义：单位正电荷以单位速度向垂直于磁场的方向运动时 所受的机械力。,磁感应强度B的单位: T(特斯拉）,均匀磁场: 磁场中各点的B：大小相等、方向相同,2、
2、磁通：,磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，称为通过该面积的磁通，既：,或：,S,用磁力线来描述磁场：磁通就是指垂直于磁场的某一面积S上所穿过的磁力线的数目，如图所示。,由于磁通的连续性，磁力线是闭合的。,磁通的单位是Wb(韦伯）,3 磁场强度H, 为了便于计算，我们引入了一个计算磁场的物理量，称为磁场强度，用H表示（矢量）。,安培环路定律（全电流定律）,磁场强度矢量沿任意闭合路线 l 的线积分,穿过该闭合路线所围面积的电流代数和,电流的正负：,+：闭合回线的绕行方向与电流方向符合右螺旋定则- ：,以环形线圈为例，计算线圈内的磁场强度。,线圈内为均匀媒质，取磁力线作为闭合回线，且以磁场
3、强度的方向为回线的绕行方向。于是,而,其中N 为线圈的匝数；Hx 是半径为 x 处的磁场强度 。,乘积 I N 是产生磁通的原因，称为磁动势，用F 表示。,单位：安（匝）,强度磁场H的单位：（安培每米）,4 磁导率,实验证明，在通电线圈中放入铁、钴、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。 ,磁导率：表示物质的导磁性能。的单位是H/m(亨/米）。,B=H,磁场强度H：只与电流、匝数、该点的几何位置有关， 而与介质无关。 ,磁感应强度B：与介质有关,空气、木
4、材、纸、铝等非磁性材料的磁导率与真空磁导率近似相等，即0。 由此可知，非磁性材料的r1。导磁性能差,相对磁导率： r=/0,实验测得真空中的磁导率为： 0 =410-7 Hm,物质的磁导率与真空磁导率0的比值称作该物质的相对磁导率，用r表示。,根据磁导率可将物质分为：,铁、钴、镍及其合金的磁导率值大， r1,导磁性能好,当磁场介质为非磁性材料：,B= 0H,B-H 成正比（线性）,成正比（线性）,磁性材料：1）高导磁性 0。 2) 磁滞性 3) 磁饱和性,H与B的区别：H代表电流本身所产生的磁场的强弱，它反映电流的励磁能力，与介质无关。,5-1-2磁性材料,一、磁性材料的磁化：,磁畴：,非磁性
5、材料没有磁畴结构，不具有磁化的特性。,铁磁物质会在外加磁场的作用下, 产生一个与外磁场同方向的附加磁场, 这种现象叫做磁化。,二、磁化曲线,1、磁饱和性：,bc段：H增大，B增长极慢，铁磁材料内部的磁场达到了 饱和值Bm，BJ不变。,B0：非磁性材料在真空中 建立磁场时 的磁化曲线,BJ：磁性材料的磁化曲线,B：合成的总磁场的磁化曲线,Oa段：随H增大，B几乎是直线上升,ab段：H增大，B的增长变慢,在铁心线圈通有交变电流时，铁心将受到交变磁化。但当H减少为零时，B 并未回到零值，出现剩磁Br。,B,H,O,1,4,2. 磁滞性（磁滞回线）,铁磁物质工作在交变磁场中： 磁化曲线？,Br,Hc,
6、-Hc,Br：剩磁,Hc：矫顽磁力。,闭合回线: 磁滞回线,B的变化始终落后于H的变化，这种现象叫磁滞现象,铁磁材料在反复磁化过程中：,几种常用铁磁材料的基本磁化曲线,根据滞回曲线和磁化曲线的不同，大致分成三类：,(1)软磁材料,其矫顽磁力较小，磁滞回线较窄。(铁心),(2)永磁材料,其矫顽磁力较大，磁滞回线较宽。(磁铁),(3)矩磁材料,其剩磁大而矫顽磁力小，磁滞回线为矩形。(记忆元件),三、铁磁材料的分类：,四、铁磁材料的磁性能(1) 高导磁性。 (2) 磁饱和性。 (3) 磁滞性。,典型磁路示意图,磁通集中通过的闭合路径称为磁路,5-1-3 磁路的概念及磁路的基本定律, 磁路的概念,一、
7、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。,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。, 磁路的基本定律,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：,磁路长度L,线圈匝数N,HL：称为磁压降。,总磁动势,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。,例：,二、 磁路的欧姆定律,环形磁路应用安培环路定律：,环内磁通：,环内磁场可视为均匀磁场：,令：,与成反比磁阻,磁动势：F=NI,磁阻的单位是 (亨-1)。,磁路的欧姆定律：,磁阻:,上式
8、与电路中的欧姆定律在形式上相似，与磁路对照如下：,磁路,电路,磁动势 F,磁通 ,磁阻 R= l / S,电动势 E,电流 I,电阻 R= l / S,磁路欧姆定律：,电磁关系,（磁通势）,主磁通 ：通过铁心闭合的磁通。,漏磁通：经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通。,线圈,铁心, i，,铁心线圈的漏磁电感, 与i不是线性关系。,5-1-4 交流铁芯线圈电路,电压电流关系,根据KVL:,式中：R是线圈导线的电阻,L 是漏磁电感,当 u 是正弦电压时，其它各电压、电流、电动势可视作正弦量，则电压、电流关系的相量式为：,设主磁通 则,有效值,由于线圈电阻 R 和感抗X（或漏磁通）较小，其电压降也较小
9、，与主磁电动势 E 相比可忽略，故有,2、功率：,交流铁心线圈电路的P、Q、S与电压、电流的关系和一般交流电路相同。即：,P=UIcos Q=UIsin S=UI,有功功率P,（功率损耗）,铁心中的损耗：,铁损(PFe),交流铁心线圈有功功率P:,（铜损）+（铁损）,铁损PFe差不多与铁心内磁感应强度的最大值Bm 的平方成正比，故Bm 不宜选得过大。,变压器,变压器应用举例,5-2 变压器的结构及工作原理,一、变压器的基本结构,单相变压器,二、变压器的工作原理,Z,i1,F,+,-,+,+,-,-,u1,e1,e1,1,2,e2,e2,+,+,-,-,i2,原理图,1. 变压器的空载运行,i0
10、N1 称为激磁磁势。,空载电流 I0,空载运行: i2=0,空载电流（激磁电流）的有效值I0一般都很小，约为额定电流的3%8% 。,i0,F,+,-,+,+,-,-,u1,e1,e1,1,+,-,i2,u20,1. 变压器的空载运行,空载运行: i2=0,空载运行电磁关系:,设主磁通按正弦规律变化，即: 0=0m sint,原边绕组回路：,一般：R1、X1很小，所以：,副边绕组回路：,变压器中,从原边到副边的能量传递过程是依靠主磁通作为媒介来实现的,空载运行,2. 变压器的负载运行,Z,i1,F,+,-,+,+,-,-,u1,e1,e1,1,2,e2,e2,+,+,-,-,i2,原边绕组回路：
11、,副边绕组回路：,R2 副边绕组等效电阻,三、磁动势的平衡关系,当电源电压U不变时， 铁心中主磁通也基本不变。,即：,而：磁路没变，则磁阻不变，所以两种情况下磁动势近似相等，,即：,相量：,磁势平衡方程式,5-2 -2变压器的功能及外特性,一、电压变换：,空载时：,（空载时电压比）,K：称为变压器的变比。,K等于原、副线圈的匝数之比,结论：改变匝数比，就能改变输出电压。,二、电流变换：,磁势平衡方程式：,空载电流I0一般都很小，约为额定电流的3%8% 。忽略,则：,若只考虑其量值：,结论：原、副边电流与匝数成反比,从原边等效：,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。,三、
12、阻抗变换：,即当: RL=RS 时, 负载RL获得最大功率.,RL获得最大功率的条件:,RL=RS,阻抗变换举例：扬声器上如何得到最大输出功率。,求：负载上得到的功率,解：（1）将负载直接接到信号源上，得到的输出功 率为：,（2）将负载通过变压器接到信号源上。,输出功率为：,结论：由此例可见加入变压器以后，输出功率提高了 很多。原因是满足了电路中获得最大输出的条 件（信号源内、外阻几乎相等）。,例1：电 路 如 图 所 示，一 交 流 信 号 源 US = 10 V，内 阻 R0 = 800 ，对 电 阻 RL = 8 的 负 载 供 电，为 使 该 负 载 获 得 最 大 功 率。求：(1)
13、 应 采 用 电 压 变 比 为 多 少 的 输 出 变 压 器 ；(2) 变 压 器 原、副 边 电 压、电 流 各 为 多 少；(3) 负 载 RL 吸 取 的 功 率 为 多 少。,解：负载获得最大功率，须阻抗匹配：,解：负载获得最大功率，须阻抗匹配：,变压器的功能小结,1、电压变换：,2、电流变换：,3、阻抗变换：,阻抗匹配,当U1、cos2为常数时；U2 = f (I2）变压器外特性,U20：原边加额定电压、副边开路时， 副边的输出电压。(空载电压),四、变压器外特性,电压变化率：,变压器工作时，一、二次绕组的视在功率为：,S1=U1I1,S2=U2I2,铭牌上给出的变压器容量：二次
14、绕组的额定视在功率,变压器的额定电压， 是指变压器在额定情况下运行时， 原线圈应加的电压及原线圈加上额定电压时副边的空载电压,五、变压器的损耗和效率（功率关系）,变压器的损耗：,（铜损）+（铁损）,变压器的损耗包括两部分：,铜损 (PCU) ：绕组导线电阻所致。,可变损耗（随 i 变）,不可变损耗,只要U、f一定，则m一定，铁损不变,变压器的效率为：,变压器的损耗：,注意：变压器几个功率的关系,容量：,原边输入功率：,输出功率：,原边额定电压 U1N：,1、额定电压,原边绕组应加的电源电压。（绝缘强度、温升允许范围）,副边额定电压 U2N：,（原绕组加额定电压时）,副绕组的空载电压。,有载运行时：U2 U2N,5-3-1 变压器使用中的问题,2、额定电流：,条件下，变压器长时间运行时原、副绕组通过的电流为额定电流,3、额定容量SN ：,（副边额定电压 U2N额定电流I2N的乘积）,SN = U2NI2N U1NI1N,SN = U2NI2N,单位：VA，KVA,
