1、电工电子技术基础,主编 宫迎新 制作 高英霞2006年7月,第6章 磁路与变压器,磁路的概念和主要物理量 交流铁心线圈电路的电磁关系 变压器的结构和工作原理,学习要点,第6章 磁路与变压器,6.1 磁路的基本知识 6.2 交流铁心线圈电路 6.3 变压器的结构和工作原理 6.4 变压器的额定值和运行特性,6.1 磁路的基本知识,实际电路中有大量电感元件的线圈中有铁心。线圈通电后铁心就构成磁路，磁路又影响电路。因此电工技术不仅有电路问题，同时也有磁路问题。,6.1.1 磁路的概念,当线圈中通过电流时，铁心即被磁化，使得其中的磁场大为增强，故通电线圈产生的磁通主要集中在由铁心构成的闭合路径内，这种
2、磁通集中的路径便称为磁路。,1磁路,2励磁电流,用于产生磁场的电流称为励磁电流。,通过励磁电流的线圈称为励磁线圈或励磁绕组。,3励磁绕组,4磁路分类,电路有直流和交流之分，磁路也分为直流磁路（如直流电磁铁和直流电动机）和交流磁路（如变压器、交流电磁铁和交流电动机），它们各具有不同的特点。此外，也有用永久磁铁构成磁路的（如磁电式仪表），它不需要励磁绕组。,6.1.2 磁路的基本物理量,1磁感应强度B,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。 B的大小等于通过垂直于磁场方向单位面积的磁力线数目，B的方向用右手螺旋定则确定。单位是特斯拉(T)。,2磁通,均匀磁场中磁通等于磁感应强度B与垂
3、直于磁场方向的面积S的乘积，单位是韦伯(Wb)。,3磁导率,磁导率表示物质的导磁性能，单位是亨/米(H/m)。,真空的磁导率,非铁磁物质的磁导率与真空极为接近，铁磁物质的磁导率远大于真空的磁导率。,相对磁导率r：物质磁导率与真空磁导率的比值。非铁磁物质r近似为1，铁磁物质的r远大于1。,4磁场强度H,磁场强度只与产生磁场的电流以及这些电流分布有关，而与磁介质的磁导率无关，单位是安米（Am）。是为了简化计算而引入的辅助物理量。,6.1.3 铁磁材料的磁性能,根据导磁性能的好坏，自然界的物质可分为两大类。一类称为铁磁材料，如铁、钢、镍、钴等，这类材料的导磁性能好，磁导率 值大；另一类为非铁磁材料，
4、如铜、铝、纸、空气等，此类材料的导磁性能差， 值小（接近真空磁导率）。,铁磁材料的磁性能主要表现为高导磁性、磁饱和性和磁滞性。,1.高导磁性：铁磁材料具有很强的导磁能力，这是因为在铁磁材料的内部存在磁化小区，称磁畴，每个磁畴就像一块小磁铁，在无外磁场作用时，这些磁畴的排列是不规则的，对外不显示磁性，在一定强度的外磁场作用下，这些磁畴将顺着外磁场的方向趋向规则的排列，产生一个附加磁场，使铁磁材料内的磁感应强度大大增强，这种现象称为磁化。非铁磁材料没有磁畴结构，所以不具有磁化特性。由铁磁材料组成的磁路磁阻很小，在线圈中通入较小的电流即可获得较大的磁通。,2.磁饱和性：在铁磁材料的磁化过程中，随着励
5、磁电流的增大，外磁场和附加磁场都将增大，但当励磁电流增大到一定值时，几乎所有的磁畴都与外磁场的方向一致，附加磁场就不再随励磁电流的增大而继续增强，这种现象称为磁饱和现象。 材料的磁化特性可用磁化曲线 表示。工程上称a点为附点，称b点为膝点，称c点为饱和点。,3.磁滞性：铁心线圈中通过交变电流时，H的大小和方向都会改变，铁心在交变磁场中反复磁化，在反复磁化的过程中，磁感应强度的变化总是落后于磁场强度的变化，这种现象称为磁滞现象，下图所示的封闭曲线称为磁滞回线。图中的Br称为剩磁；Hc称为矫顽磁力它表示铁磁材料反抗退磁的能力,铁磁材料的类型：,软磁材料：磁导率高，磁滞特性不明显，矫顽力和剩磁都小，
6、磁滞回线较窄，磁滞损耗小。 硬磁材料：剩磁和矫顽力均较大，磁滞性明显，磁滞回线较宽。 矩磁材料：只要受较小的外磁场作用就能磁化到饱和，当外磁场去掉，磁性仍保持，磁滞回线几乎成矩形。,不同类型铁磁材料的磁滞回线,6.1.4 磁场的欧姆定律,右下图为绕有线圈的铁心，当线圈通入电流，在铁心中就会有磁通通过。理论分析和实验都表明：铁心中的磁通与通过线圈的电流、线圈匝数以及磁路的截面积成正比，与磁路的长度成反比，还与组成磁路的材料磁导率成正比。即,式中 称为磁通势称为磁阻 因上式与电路中的欧姆定律相似，因而称它为磁路欧姆定律。 应该指出，磁路与电路虽然有许多相似之处，但它们的实质是不同的。而且由于铁心磁
7、路是非线性元件，其磁导率是随工作状态剧烈变化的，因此一般不宜直接用欧姆定律和磁阻公式进行定量计算，但在很多场合可以用来定性分析。,右图是交流铁心线圈电路，线圈的匝数为N，当在线圈两端加上正弦交流电压时，就有交变励磁电流流过，在交变磁通势的作用下产生交变的磁通，其绝大部分通过铁心，称为主磁通，但还有很小部分从附近空气中通过，称为漏磁通。这两种交变的磁通都将在线圈中产生感应电动势。,6.2.1 电磁关系,6.2 交流铁心线圈电路,设线圈的电阻为R，主磁通产生的感应电动势为e，漏通产生的感应电动势为e，由KVL，有：,由于线圈电阻上的电压降和漏磁通电动势都很小，与主磁通电动势比较，均可忽略不计，故上
8、式可写成,式中 是主磁通电动势的最大值，而有效值则为：,可见，外加电压的相位超前于铁心中磁通 ,而外加电压的有效值：,故,上式表明：当线圈匝数N、外加电压U和频率f都一定时，铁心中的磁通最大值将保持基本不变。这个结论对于分析交流电机、电器及变压器的工作原理是十分重要的。,6.2.2 功率损耗,交流铁心线圈电路中， 除了在线圈电阻上有功率损耗外，铁心中也会有功率损耗。线圈上损耗的功率I2R称为铜损，用PCu表示；铁心中损耗的功率称为铁损，用PFe表示。铁损又包括磁滞损耗和涡流损耗两部分。,1.磁滞损耗铁磁材料交变磁化, 由磁滞现象所产生的铁损称为磁滞损耗， 用Ph表示。 它是由铁磁材料内部磁畴反
9、复转向， 磁畴间相互摩擦引起铁心发热而造成的损耗。 为了减小磁滞损耗， 应采用磁滞回线窄小的软磁材料。 例如变压器和交流电机中的硅钢片， 其磁滞损耗就很小。 2涡流损耗铁磁材料不仅有导磁能力，同时也有导电能力， 因而在交变磁通的作用下铁心内将产生感应电动势和感应电流， 感应电流在垂直于磁通的铁心平面内围绕磁力线呈旋涡状，如下图(a)所示，故称为涡流。,涡流使铁心发热， 其功率损耗称为涡流损耗， 用Pe表示。,(a)整块铁心 (b)硅钢片叠成的铁心,为了减小涡流，可采用硅钢片叠成铁心，它不仅有较高的磁导率，还有较大的电阻率，可使铁心的电阻增大，涡流减小，同时硅钢片的两面涂有绝缘漆，使各片之间互相
10、绝缘，可把涡流限制在一些狭长的截面内流动，从而减小了涡流损失，如上图(b)所示。所以各种交流电机、电器和变压器的铁心普遍用硅钢片叠成。 综上所述，交流铁心线圈电路的功率损耗为: P=PCu+PFe=PCu+Ph+Pe,6.3 变压器的结构和工作原理,变压器是利用电磁感应原理传输电能或信号的器件，具有变压、变流、变阻抗和隔离的作用。它的种类很多，应用十分广泛，但其基本结构和工作原理是相同的。,6.3.1 变压器的结构,变压器由铁心和绕组两个基本部分组成，图6-10是它的示意图和符号。这是一个简单的双绕组变压器，在一个闭合的铁心上套有两个绕组，绕组与绕组之间以及绕组与铁心之间都是绝缘的。绕组通常用
11、绝缘的铜线或铝线绕成，一个绕组与电源相连，称为一次绕组；另一个绕组与负载相连，称为二次绕组。为了减少铁心中的磁滞损耗和涡流损耗，变压器的铁心大多用厚的硅钢片叠成，为了降低磁路的磁阻，一般采用交错叠装方式，即将每层硅钢片的拉缝错开。如图6-11所示为几种常见的铁心形状。,变压器按铁心和绕组的组合方式，可分为心式和壳式两种，如图6-12所示。心式变压器的铁心被绕组所包围，而壳式变压器的铁心则包围绕组。,心式变压器用铁量比较少，多用于大容量的变压器，壳式变压器用铁量较多，但不需要专门的变压器外壳，常用于小容量的变压器。,6.3.2 变压器的工作原理,1变压器空载运行变压器的原绕组接交流电压u1， 二
12、次侧开路，这种运行状态称为空载运行。 这时二次绕组中的电流为零，电压为开路电压u20， 原绕组通过的电流为空载电流i10， 该电流就是励磁电流， 如下图所示。 各量的方向按习惯参考方向选取， e1、 e2与符合右手螺旋法则。,变压器的空载运行,由于副边开路， 这时变压器的原边电路相当于一个交流铁心线圈电路。其磁动势i10N1在铁心中产生主磁通， 主磁通通过闭合铁心， 在原、 副绕组中分别感应出电动势e1、 e2。 根据电磁感应定律可得,根据6.2节中对交流铁心线圈的分析可知：U1 E1=4.44fN1mU20E2=4.44fN2m,上式表明，变压器空载运行时，原、副绕组上电压的比值等于两者的匝
13、数比，这个比值K称为变压器的变压比或变比。当原 副绕组匝数不同时，变压器就可以把某一数值的交流电压变换为同频率的另一数值的电压，这就是变压器的电压变换作用。当K1时，变压器为降压变压器；当K1时，变压器为升压变压器；当K=1时， 变压器为隔离变压器。,解 铁心中磁通的最大值,例6-1 已知某变压器铁心截面积S=150 cm2， 铁心中磁感应强度的最大值不能超过1.2T，或要用它把6000V的工频交流电变换为230V的同频交流电，则变压器一、二次绕组的匝数N1、 N2应各为多少?,二次绕组的匝数应为,一次绕组的匝数应为,2负载运行,变压器的原绕组接交流电压u1，副绕组接负载 ，变压器向负载供电，
14、 这种运行状态称为负载运行， 如下图所示。 负载运行后一次侧电流由i10增大到i1， 二次侧的电流为 i2。二次侧的电流越大，一次侧的电流也越大。,因为二次绕组有了电流i2时，二次侧的磁通N2i2也要在铁心中产生磁通，即这时变压器铁心中的主磁通系由一、二次绕组的磁通势共同产生。显然，N2、i2的出现，将有铁心中原有主磁通减弱的趋势。但是，在一次绕组的外加电压（电源电压）不变的情况下，主磁通基本保持不变，因而一次绕组的电流将由i10增大为i1 ，使得一次绕组的磁通势由N1i10变成N1i1 ，以抵消二次绕组磁通势N2i2的去磁作用。也就是说，变压器负载时的总磁通势应与空载时的磁通势基本相等，用公
15、式表示，即,这一关系称为变压器的磁通势平衡方程式。,由于变压器的空载电流很小，一般不到额定电流的10%， 因此当变压器额定运行时，若忽略空载电流，则于是得变压器一、二次侧电流有效值为关系为 由上式可知当变压器额定运行时，一、二侧电流之比近似等于其匝数比的倒数。改变一、二次绕组的匝数，可以改变一、二次绕组电流的比值，这就是变压器的电流变换作用。,3阻抗变换,变压器除了有变压和变流的作用外，还有变阻抗的作用。如下图所示，设接在变压器二次绕组的负载阻抗为|ZL|，则：,Z反映到原绕组的阻抗模|Z|为：通过选择合适的变比，可把实际负载阻抗变换为所需的数值，这就是变压器的阻抗变换作用。在电子电路中，为了
16、提高信号的传输功率，常用变压器将负载阻抗变换为适当的数值，这种做法即为阻抗匹配。,1. 额定电压UN：指变压器副绕组空载时各绕组的电压。三相变压器是指线电压。2. 额定电流IN：指允许绕组长时间连续工作的线电流。3. 额定容量SN：在额定工作条件下变压器的视在功率。4. 额定频率fN :额定频率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50Hz。,一、变压器的额定值,6.4 变压器的额定值和运行特性,二、变压器的外特性和电压变化率,当变压器一次绕组电压和负载功率因数一定时，二次绕组电压随负载电流变化的曲线称为变压器的外特性。特性曲线如下图所示。变压器外特性变化的程度 可用电压变化率来
17、表示。即：,电压变化率反映电压U2的变化程度。通常希望U2的变动愈小愈好，一般变压器的电压变化率约在5%左右。,三、损耗与效率,铁损PFe包括磁滞损耗和涡流损耗。,损耗：,铜损：,变压器在传输电能的过程中，一、二次绕组和铁心都要消耗一部分功率，即绕组上的铜损和铁心中的铁损耗，所以输出功率将略小于输入功率。输出功率与输入功率之比称为变压器的效率，通常用百分数表示，即：,由上式可知，变压器的效率与负载有关，变压器效率与负载电流的关系如下图所示。,【例】有一照明变压器，额定容量 SN=100VA，额定电压 U1N/U2N=220V/36V。铁心用硅钢片叠成，截面积 S=15cm2，磁感应强度的饱和值Bm=1.1T ，取二次绕组空载电压为U20为U2N的1.05倍。试求变压器一、二次绕组匝数N1、 N2及其额定电流 I1N和I2N 。,【解】由式（6-7）可得一次绕组的匝数为,二次绕组的匝数为,一、二次绕组的额定电流分别为,
