磁路及變壓器要點

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1、 19 第七章磁路及變壓器 ［教學(xué)目標(biāo)］ 1、了解磁路的基本知識，鐵磁材料主要特性、分類及磁路歐姆定律。 2、了解變壓器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及主要參數(shù)。 3、掌握變壓器變換電壓、變換電流、變換阻抗的作用。 4、了解幾種特殊用途變壓器的特點及應(yīng)用。 7.1 磁路的基本知識 在工程實踐中，廣泛地應(yīng)用著機電能量變換的器件和設(shè)備， 如電動機、變壓器及電 工儀表等，它們都是利用電磁現(xiàn)象的規(guī)律制成的。 因此，研究磁與電之間的關(guān)系，掌握 磁路十分有用。 磁路問題是局限于一定路徑內(nèi)的磁場問題， 因此磁場的各個基本物理量也適用于磁 路。 7.1.1 磁路的概念

2、磁路就是磁通的路徑。磁路實質(zhì)上是局限在一定路徑內(nèi)的磁場。工程上為 了得到較強的磁場并有效的加以運用， 常采用導(dǎo)磁性能良好的鐵磁物質(zhì)作成一定形狀的 鐵心，以便使磁場集中分布于由鐵心構(gòu)成的閉合路徑內(nèi)， 這種磁場通路才是我們要分析 的磁路。很多電工設(shè)備，如變壓器、電機、電器和電工儀表等，在工作時都要有磁場參 與作用。常見的磁路如圖 7-1-1所示，磁路中的磁通由勵磁線圈中的勵磁電流產(chǎn)生，經(jīng) (a) (c)磁電式電表 過鐵心和空氣隙而閉合，如圖 7-1-1(a)、(b);也可由永久磁鐵產(chǎn)生，如圖 7-1-1(c)。磁 路中可以有空氣隙，如圖 7-1-1(b)、(c);也可以沒有空氣隙，

3、如圖 7-1-1(a)。 (a)變壓器 (b)電磁鐵 圖7-1-1常見電氣設(shè)備的磁路 7.1.2 磁場的主要物理量 表示磁場特性的主要物理量包括磁感應(yīng)強度、磁通、磁場強度和磁導(dǎo)率。 1、磁場強度 磁場弓II度H是一個用來確定磁場與電流之間關(guān)系的矢量，滿足安培環(huán)流定律: (7-1-1) Hdl =NI 其中N為線圈匝數(shù)，L為磁路的平均長度；在國際單位制中，磁場強度的單位是 A/m （安每米）。 2、磁感應(yīng)強度 F,則該 磁感應(yīng)強度 B是一個表示磁場內(nèi)某點的磁場強弱和方向的矢量，其方向可用小磁 針N極在磁場中某點的指向確定，磁針 N極的指向就是磁場的方向。在磁場中某點放

4、 一個長度為l ,電流為I并與磁場方向垂直的導(dǎo)體，如果導(dǎo)體所受的電磁力為 點磁感應(yīng)強度的量值為 B =FO在國際單位制中, II 如果磁場內(nèi)各點的磁感應(yīng)強度大小相等、方向相同 磁感應(yīng)強度的單位為 T （特斯拉）。 ，這樣的磁場稱為均勻磁場。 3、磁通 在均勻磁場中，若垂直于磁場方向的面積為 S,則通過該面積的磁通 9 S 式中B為磁感應(yīng)強度，又稱為磁通密度， 在國際單位制中， 磁通的單位是伏 通常稱為韋伯（Wb）。 (7-1-2) 秒（V3）, 4、磁導(dǎo)率 處在磁場中的任何物質(zhì)均會或多或少地影響磁場的強弱， 影響的程度則與該物質(zhì)的 導(dǎo)磁性能有關(guān)。磁

5、導(dǎo)率 N與磁場強度的乘積就等于磁感應(yīng)強度，即 B = ^H （7-1-3） 磁導(dǎo)率N的國際單位制單位為 H/m（亨每米）。 通過實驗可測出，真空的磁導(dǎo)率 L二4二 10H.m 任意一種物質(zhì)的磁導(dǎo)率 與真空的磁導(dǎo)率 人的比值，稱為該物質(zhì)的相對磁導(dǎo)率 W ,即 (7-1-4) 非磁性材料中 卜電匕，即* &1 ,磁性材料中N 5，即^r 1 。 7.1.3 鐵磁材料 磁性材料的相對磁導(dǎo)率很大， 具有高導(dǎo)磁、磁飽和以及磁滯等磁性能， 是制造電機、 變壓器和電器設(shè)備鐵心的主要材料。 1、高導(dǎo)磁性 鐵磁材料被放人磁場內(nèi)， 其內(nèi)部的磁感應(yīng)強度大大增強， 即鐵磁材料受到強烈的磁

6、 化，其導(dǎo)磁率很高（N可達(dá)102?104數(shù)量級）。磁感應(yīng)強度 B隨磁場強度H變化的曲 線為磁化曲線，如圖 7-1-2所示?？梢姶呕€是非線性曲線，所以鐵磁性物質(zhì)的 N不 是常數(shù)。 圖7-1-2 磁化曲線 2、磁飽和性 鐵磁材料的磁飽和性體現(xiàn)在因磁化所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度 B j不會隨外磁場的增強而 無限的增強。當(dāng)外磁場（或勵磁電流）增大到一定值時，其內(nèi)部所有的磁疇已基本上轉(zhuǎn) 向與外磁場一致的方向。因而，當(dāng)外部磁場再增大時，其磁化磁感應(yīng)強度 BJ不再繼續(xù) 增加，如圖7-1-3所示。 圖7-1-3 B~H曲線 從圖7-1-3所示鐵磁材料的磁化曲線 B- f

7、 （H）可知，該曲線經(jīng)過原點，在 oa 段，B隨 H近似線性增加；在 ab段，B增長趨勢緩慢下來； b點以后，B增加 的很少，達(dá)到飽和狀態(tài)。由于鐵磁材料的磁化率不是常數(shù)， B和H的關(guān)系是非線性的， 無法用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)表達(dá)式表示，只能用 B?H曲線（即磁化曲線）表示。圖 7-1-2為使 用實驗方法，在反復(fù)磁化的情況下測得的幾種常見鐵磁材料的磁化曲線。 3、磁滯性 磁滯性表現(xiàn)在鐵磁材料在交變磁場中反復(fù)磁化時， 磁感應(yīng)強度的變化滯后于磁場強 度的變化。當(dāng)鐵磁材料被磁化，磁場強度 H由零增加到某值（H=+Hm）后，如果再減 少H,此時B并不沿著原來的曲線返回，而是沿著位于其上部的另一條曲線

8、減弱，如 圖7-1-4所示。當(dāng)H=0時，B=Br, Br稱為剩磁感應(yīng)強度，簡稱剩磁。只有當(dāng) H反方向 變化到-Hc時，B才下降到零，Hc稱為矯頑力。由此可見，磁感應(yīng)強度 B的變化滯后 于磁場強度H的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。 圖7-1-4所示的回線表現(xiàn)了鐵磁材料的 磁滯性，故稱為磁滯回線。磁滯性是由于分子熱運動所產(chǎn)生的。 圖7-1-4 磁滯回線 4、鐵磁性物質(zhì)的分類和用途 依據(jù)各種鐵磁材料具有不同的磁滯回線， 其剩磁及矯頑力各不相同的特性， 磁性材 料通常可以分成三種類型，各具有不同的用途。 1）軟磁材料 軟磁材料比較容易磁化，當(dāng)外磁場消失后，磁性大都消失。反映在磁滯回線

9、上是剩 磁和矯頑磁力均較小，磁滯回線窄而陡，包圍的面積較小，磁滯損耗小，磁導(dǎo)率高。軟 磁材料適用于交變磁場或要求剩磁特別小的場合。 一般用來制造電機、變壓器和各種電 器的鐵心，如靈敏繼電器、接觸器、磁放大器等。 軟磁材料中的鐵氧體在電子技術(shù)中應(yīng) 用很廣泛，例如做計算機的磁心、磁鼓及錄音設(shè)備的磁帶、磁頭、高頻磁路中的鐵心、 濾波器、脈沖變壓器等。 2）硬磁材料 硬磁材料的特點是， 必須用較強的外磁場才能使它磁化， 但是一經(jīng)磁后，能保留很 大的剩磁。反映在磁滯回線上是具有較高的剩磁和較大的矯頑磁力， 磁滯回線較寬。硬 磁材料適用于制造永久磁鐵及磁電式儀表和各種揚聲器及小型直流電機中的永

10、磁鐵心 等。 3）矩磁材料 該種鐵磁性物質(zhì)具有較小的矯頑磁力和較大的剩磁， 磁滯回線接近矩形，所以又稱 矩磁材料常用來制造計算機和控 之為矩磁材料。該種材料穩(wěn)定性良好且易于迅速翻轉(zhuǎn)。 制系統(tǒng)中的記憶元件和邏輯元件，其磁滯回線接近矩形（圖 7-1-5)。 圖7-1-5 矩磁材料的磁滯回線 圖7-1-6 帶繞組的鐵心 7.1.4 磁路歐姆定律 圖7-1-6為繞有線圈的鐵心，當(dāng)線圈中通人電流I時，在鐵心中就會有磁通 中通過。 實驗可知，鐵心中的磁通 中與通過線圈的電流I、線圈匝數(shù) N以及磁路的截面積 S成 INS」 l IN F Rm (7-1-5) 正比，與磁路的

11、長度l成反比，還與磁導(dǎo)率 N成正比，即 」S 式中F =IN稱為磁動勢，由此而產(chǎn)生磁通； Rm =— 稱為磁阻，是表示磁路對 」S 磁通具有阻礙作用的物理量。式 7-1-5可以與電路中的歐姆定律（I = U）對應(yīng)，因而 R 稱為磁路歐姆定律。 例7-1有一環(huán)行鐵心線圈，其內(nèi)徑為 10cm,外徑為15cm,鐵心材料為鑄鐵。磁 路中含有一空氣隙，其長度等于 0.2cm。設(shè)線圈中通有1A的電流，如要得到0.9T的磁 感應(yīng)強度，試求線圈匝數(shù)。 解磁路的平均長度為 =39.2 cm 從磁化曲線查出，當(dāng) B = 0.9T時，H1 = 500A/m ,所以鑄鋼的磁壓降為: HI =5

12、00 39.2 -0.2 10，=195A 空氣隙中的磁場強度為: = 7.2 105 Am 一 Bo 0.9 H 0 = — = 7 二0 4二 10 所以 - 5 2 . H 010 =7.2 10 0.2 10 =1440A 總磁動勢為： NI =" Hl =H111 H010 =195 1440 =1635A 線圈匝數(shù)為： N』 I 1635 1 = 1635 可見，當(dāng)磁路中含有空氣隙時，由于其磁阻較大，磁動勢差不多都用在空氣隙上 面。 7.2 單相變壓器 變壓器是一種十分常見的電氣設(shè)備。 按其用途的不同可分為電力變壓器和特殊變壓

13、 器兩大類。如果是針對某種特殊需要而制造的變壓器， 成為特殊變壓器。根據(jù)變壓器的 鐵心結(jié)構(gòu)，可分為殼式和心式兩種；根據(jù)電源的相數(shù)可分為單相變壓器和三相變壓器， 按冷卻方式分油冷變壓器和空氣變壓器等。 上述各種變壓器有不同的用途。但其作用都相同 一一改變交流電壓、交流電流、交 換阻抗以及改變相位等。 作用相同的原因在于變壓器的結(jié)構(gòu)原理基本相同。 本節(jié)重點學(xué) 習(xí)單相變壓器。 7.2.1 單相變壓器的基本結(jié)構(gòu) 單相變壓器的基本構(gòu)造如圖 7-2-1所示。它由閉合鐵心和一次、二次繞組等組成。 為了減少磁滯和渦流引起的能量損耗，變壓器的鐵心一般用 0.35mm或0.5mm厚的硅 鋼片迭成

14、，迭片間互相絕緣。 （a）單相心式 （b）單相殼式 （c）單相變壓器符號 圖7-2-1單相變壓器的基本構(gòu)造 工作時，連接電源的線圈稱為一次繞組，匝數(shù)用 Ni表示；連接負(fù)載的線圈稱為二 次繞組，匝數(shù)用心表示。 7.2.2 變壓器的工作原理 1、變壓器的空載運行 若變壓器一次繞組接交流電壓 Ui,而副繞組 開路（i2=0）,稱為變壓器的空載運行。這時 一次繞組通過的電流為空載電流 i。。如圖 7-2-2所示，圖中各電量的正方向按照關(guān)聯(lián)方 向標(biāo)定。電流io在磁路中變化，產(chǎn)生交變主 磁通 ①，引起一次、二次繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電 壓e1和金。 圖7-2-2變壓器空載運行 Ei

15、 Emi = =4.44fNiPm --- 2 (7-2-1) 設(shè)主磁通G=Gmsineot,根據(jù)推導(dǎo)，e1和e2的有效值分別為 E2 =4.44 fN 件 m （7-2-2） 如果忽略一次繞組中的阻抗不計，則 Ui = H U20"宓 Ui=4.44fN@m 、 即 加 > （7-2-3） U20 =4.44fN26m] 由（7-2-3）式可以看出，只要電源電壓不變， 鐵心中的主要磁通最大值 ①m也不變。 由上式可得 Ui Ni (7-2-4) U 20 N 2 N 其中k L，稱為變壓器的電壓比，也是一次繞組與二次繞組之間的匝數(shù)比?？梢娮? N2

16、 壓器有電壓變換作用。 例7-2 變壓器一次繞組的匝數(shù)為 400匝，電源電壓為 5000V,頻率為50Hz,求鐵 心中的最大磁通①m。 解：根據(jù)（7-2-3）式得 , U i 5000 /m 二 二 二 0.565Wb 4.44 fiNi 4.44 50 400 2、變壓器的有載運行 如果變壓器的二次繞組接上負(fù)載， 則在感應(yīng) 電動勢的作用下，二次繞組將產(chǎn)生電流i2W&這 種情況稱為變壓器的有載運行， 如圖7-2-3所示。 圖中電量的正方向亦為關(guān)聯(lián)方向。 圖7-2-3變壓器的有載運行 由于二次繞組有電流通過，一次繞組的電流 由空載電流io變?yōu)樨?fù)載時的電流ii。但當(dāng)外加 電壓

17、Ui一定，不論空載或有載，鐵心中的主磁 一. ^、 Ui 、 通①m不變(①m = ), 4.44 fNi 即 NiIiN2l2 所以 Ii =N2I 2 = - |2 (7-2-5) Ni k 即變壓器有電流變換作用。 變壓器不僅有變換電壓和變換電流的作用， 它還具有阻抗變換作用。如圖7-2-4 ( a) 所示，在變壓器的二次側(cè)接上負(fù)載阻抗 Z,則在一次側(cè)看進(jìn)去，可用一個阻抗 Z來等 U2 1Z I 2 (a)變壓器的阻抗變換作用 (b)用阻抗Z來等效 兩式相比，得 圖 7-2-4 變壓器的等效電路 一 Z Ui I 2 = = * Z U 2 I

18、i 根據(jù)(7-2-4)式和(7-2-5)式得 =k2 Z (7-2-6) 效，如圖7-2-4 (b)。其等效的條件是：電壓、電流及功率不變。 匝數(shù)不同，變換后的阻抗不同。 我們可以采用適當(dāng)?shù)脑褦?shù)比， 使變換后的阻抗等于 電源的內(nèi)阻，稱之為阻抗匹配。這時，負(fù)載上可獲得最大功率。 例7-3 在圖7-2-5中，正弦交流電源的端電壓 U S =20V ,內(nèi)阻R0 =180 Q,負(fù) 載阻抗Rl =50(1)當(dāng)?shù)刃щ娮?RL= Ro時，求變壓器的電壓比及電源的輸出功率。 (2)求負(fù)載直接與電源聯(lián)接時，電源的輸出功率。 圖7-2-5 例7-3圖 解(1)變壓器的電壓比為 Ni

19、R l 180 k 6 N2 , Rl . 5 電源輸出功率為 US Rl ^)2"80 =0.55W <180+180 J (2)當(dāng)負(fù)載直接接在電源上時，輸出功率為 Us 2 20 、2 P =———Rl = 父 5 = 0.058W (Ro+Rl) <180+5 J 7.2.3 變壓器的使用 1、變壓器的外特性 運行中的變壓器，當(dāng)電源電壓有效值 5及負(fù)載功率因數(shù) cos &為常數(shù)時，二次繞組 輸出電壓有效值 U2隨負(fù)載電流有效值I2的變化關(guān)系可用曲線 U2=f(I2)來表示，該曲線 稱為變壓器的外特性曲線(如圖 7-2-6所示)。圖中表明，當(dāng)負(fù)載為電阻性和電感性

20、時， U2隨I2的增加而下降，且感性負(fù)載比阻性負(fù)載下降更明顯；對于容性負(fù)載， U2隨I2的 增加而上升。 我們還可用電壓變化率 4U%來表示變壓器二次側(cè)電壓隨負(fù)載電流的變化。即 U 2N (7-2-7) 式中 U2N ——變壓器二次側(cè)的額定電壓，即空載電壓; U2——當(dāng)負(fù)載為額定負(fù)載(即電流為額定電流)時的二次側(cè)電壓。 電壓變化率越小，變壓器的穩(wěn)定性越好。一般變壓器的電壓變化率約為 4%?6%。 2、損耗與效率 當(dāng)變壓器二次繞阻接負(fù)載后，在電壓 U2的作用下，有電流通過，負(fù)載吸收功率。 對于單相變壓器，負(fù)載吸收的有功功率為 (7-2-8) P2 =U 2I2 c

21、os 2 式中cos 6為負(fù)載的功率因數(shù)。這時一次繞組從電源吸收的有功功率為 Pi =UiI〔COS 5 1 (7-2-9) 式中6是ui與ii的相位差。 變壓器從電源得到的有功功率 P1不會全部由負(fù)載吸收。因傳輸過程中有能量損耗， 即銅損ZkPcu和鐵損APFe o這些損耗均變?yōu)闊崃?，使變壓器溫度升高。根?jù)能量守恒 定律 Pl=P2+APcu+APFe (7-2-10) 則變壓器的效率為 P2 … P2 … 1 =一父100% = M00% (7-2-11) Pi P2 Pcu PFe 變壓器的效率很高，對于大容量的變壓器，其效率一般可達(dá) 95%?99%。 3、主要額

22、定值 i)額定電壓 一次側(cè)額定電壓指根據(jù)變壓器的絕緣強度和允許發(fā)熱而規(guī)定的一 次繞組的正常工作電壓； 二次側(cè)額定電壓指一次繞組加額定電壓時， 二次繞組的開路電 2)額定電流 壓。 根據(jù)變壓器的允許發(fā)熱條件而規(guī)定的繞組長期工作允許通過的最 大電流值。 3)額定容量 指變壓器在額定工作狀態(tài)下， 二次繞組的視在功率，單位為KVA。 忽略變壓器的損耗，額定容量為 例7-4 有一臺50KVA, 6600/230V的單相變壓器供照明負(fù)載用電，測得鐵損 △PFe =500W ,額定負(fù)載時銅損 妒cu =1486W ,滿載時副邊電壓為 220V。求(1)額 定電流I 解 1N,I2

23、N； (2)電壓變化率 加％; (3)額定負(fù)載時的效率 (1)根據(jù) Sn = I2N U 2N 得 I 2N Sn 50000 ——= =217A U2N 230 I 2N U2N 230 I— =|2n — =217 230 -7.56A ⑵，U% = U 2N (3)根據(jù)(7-2-8)式得 Uin 6600 U2N -U2 230-220 d 100% = 100% ： 4.3% 230 P2 = I2NU2NCOS 2 =217 220 =47 74 根據(jù)(7-2-11)式得 P2 P2 100% 100% Pi P2 PCu PFe

24、 47740 47740 1486 500 100% =96% 7.3 電力變壓器 應(yīng)用于電力系統(tǒng)變配電的變壓器稱為電力變壓器， 三相變壓器是電力系統(tǒng)的重要設(shè) 備，本節(jié)主要介紹三相變壓器。 7.3.1 電力變壓器的結(jié)構(gòu) 前面我們講過，在電力上常利用變壓器進(jìn)行電壓變換， 將低電壓變換成高電壓進(jìn)行 遠(yuǎn)距離傳輸，以便減少線路損耗和提高傳輸效率。 對于三相電源進(jìn)行電壓變換， 可用三 臺單相變壓器組成的三相變壓器組， 或用一臺三相變壓器來完成?；窘Y(jié)構(gòu)(如圖7-3-1 所示)與單向變壓器相似，閉合的鐵心上共有六個線圈，三個一次繞組(高壓繞組) ， 分別記為AX、BY、CZ;另三

25、個為二次繞組(低壓繞組)，分別記為ax、by、cz。AX、 ax稱為A相繞組，BY、by稱為B相繞組，CZ、cz稱為C相繞組。A (a)、B(b)、C(c) 稱為首端，其余稱為末端。 三相變壓器在電力系統(tǒng)中主要用作傳輸電能， 故它的容量較大。一般大容量電力變 壓器的鐵心和繞組都要浸入裝滿變壓器油的油箱中， 以改善其散熱條件。除此之外，變 壓器還設(shè)有儲油柜、安全氣道和氣體繼電器等一些其它附件。 7.3.2 電力變壓器的主要參數(shù) 圖7-3-1三相變壓器基本構(gòu)造 使用變壓器時，必須掌握其銘牌上的技術(shù)數(shù) 據(jù)。圖7-3-2是一臺三相電力變壓器的銘牌。變壓 器銘牌上一般注明下列內(nèi)容：型號、聯(lián)

26、接組別、容 量、使用條件、冷卻方式、電壓等級等。 1、型號 由字母和數(shù)字組成，字母表示的意義為： S—表示三相，D—表示單相，K—表示防爆， F —表示風(fēng)冷等。例如變壓器型號為 S9— 500/10 , 其中S9——表示三相變壓器的系列，它是我國統(tǒng) 一設(shè)計的高效節(jié)能變壓器； 500——表示變壓器容 量，單位為千伏安（kVA）; 10——表示高壓側(cè)的 電壓，單位為千伏（kV）。 2、聯(lián)接組別 表示三相變壓器的接法及高低壓繞組線電壓之間的相位關(guān)系。 S7-500 10 I I 高壓側(cè)電壓等級（kV）; 額定容量（kV-A） 產(chǎn)品設(shè)計序號; 基本型號（S ——三相）

27、三相變壓器或三個單相變壓器的一次繞組都可分別接成星形或三角形。 實際上變壓 器常用的接法有 丫/丫。、Y/A、Y0/A三種，符號丫。表示有中線的星形接法，分子表 示高壓繞組的接法，分母表示低壓繞組的接法。 電力變壓器 并關(guān) 性篁 商正 低壓 電壓網(wǎng) 電任川 電乳” 1 10500 400 T21.7 D 10000 祝9 III 950。 30.4 型號召7-5。0門0 各直CfcT - A ） 頻率5函工 迷鐐組 阻抗電壓打 冷和方式潮冷 使用條件戶外 標(biāo)壽代號I I 產(chǎn)品代號I 1 o —變壓黔廠 一年一月 出廠序號 —— o 圖

28、7-3-2變壓器銘牌 用大寫字母表示高壓側(cè)，小寫字 新的標(biāo)注法規(guī)定變壓器繞組的連接方法表示如下： 母表示低壓側(cè)。Y或y表示星形聯(lián)接，D或d表示三角形聯(lián)接，N或n表示接中線。 上述三種接法分別用 Y,yn、Y,d、YN,d來表示。 由于三相繞組可以采用不同的連接， 使得三相變壓器一次、 二次繞組中的線電動勢 會出現(xiàn)不同的相位差，實踐和理論證明：對于三相繞相，無論采用什么連接法，一次、 二次線電動勢的相位差總是 30o的整數(shù)倍。因此，采用時鐘盤面上的 12個數(shù)字來表示 這種相位差是很簡明的。 具體表示方法是：把高壓邊線電動勢矢量作為時鐘的長針， 總 是指著“12；而把低壓邊線電動勢矢量

29、作為短針，它指的數(shù)字與 12之間的角度就表示 高、低壓邊線電動勢矢量之間的相位差。 這個短針”指的數(shù)字稱為三相變壓器聯(lián)接組的 標(biāo)號（聯(lián)接組是按一次、二次線電動勢的相位關(guān)系把變壓器繞組的連接分成各種不同連 接類型）。常用的聯(lián)結(jié)組有 Y,yn0; Y,d11; D,yn11等。其中Y,yn0表示高壓側(cè)星形連接、 低壓側(cè)星形連接且有中線， “0表示高、低側(cè)電動勢是同相的。 “11表示低壓側(cè)線電動 勢超前于高壓側(cè)線電動勢 300。 3、額定電壓 變壓器銘牌上有兩個額定電壓，即一次側(cè)額定電壓和二次側(cè)額定電壓。 一次側(cè)額定電壓 U1N是指一次側(cè)繞組的正常工作電壓， 它是根據(jù)變壓器的絕緣強度

30、和允許的發(fā)熱條件規(guī)定的。 二次側(cè)額定電壓 U2N是指一次側(cè)加上額定電壓后二次側(cè)的空 載電壓。對于三相變壓器，額定電壓均指線電壓。 4、額定電流 額定電流是指根據(jù)變壓器允許的發(fā)熱條件而規(guī)定的允許其繞組長期通過的最大電 流值，使用時變壓器的電流不應(yīng)超過額定值。對于三相變壓器，額定電流均指線電流。 5、額定容量 指變壓器在額定工作狀態(tài)下，二次繞組的視在功率，它反映變壓器正常運行時可能 傳輸?shù)淖畲箅姽β省?單位為kVA或MVA。忽略損耗，三相變壓器的額定容量可表示為： ,3U 2NI 2N (7-3-1) Sn 二 1000 式中U1N 、U2N及I1N、I 2N為一次側(cè)、二次側(cè)的

31、額定線電壓、線電流。 6、額定頻率 變壓器額定運行時，一次繞組外加電壓的頻率。我國的標(biāo)準(zhǔn)工頻為 50Hz。 7、阻抗壓降——是將二次側(cè)短路并使二次電流達(dá)到額定值 I2N時，一次側(cè)（高壓 邊）應(yīng)加的電壓值。用額定電壓Uin的百分比表示，中、小型電力變壓器約為 4?10.5%。 8、使用條件 一一一般分為戶內(nèi)式和戶外式。 在變壓器的一次側(cè)設(shè)有調(diào)壓開關(guān)， 一般只能在斷電的情況下調(diào)整， 若變壓器距前一 級變電站很近，供電電壓偏高，可調(diào)至I檔；若變壓器距前一級變電站很遠(yuǎn)，供電電壓 偏低，可調(diào)至出檔；正常條件下一般置于H檔?？傊?，通過必要的調(diào)整，保證二次側(cè)輸 出電壓為額定值 400V。 此

32、外，還有冷卻方式、允許溫升等項內(nèi)容。1000kV A以上的變壓器銘牌上還標(biāo)有 空載電流、空載損耗及短路損耗等數(shù)據(jù)。 7.3.3 變壓器的運行和維護(hù) 變壓器并行運行，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中有著重要的意義。 可提高供電的可靠性， 當(dāng)某 臺變壓器出現(xiàn)故障時， 重要用戶可以不中斷供電， 還可減少初期的投資； 并且當(dāng)負(fù)載減 少時，可斷開某些變壓器，提高供電效率和功率因數(shù)。 變壓器的并行運行必須滿足額定電壓相同，即變壓比相等；相序必須一致；短路壓 降（阻抗壓降）必須相等；同時聯(lián)接組別必須相同等條件。否則，變壓器容量不能充分 發(fā)揮，甚至不能投入并聯(lián)運行，嚴(yán)重時將會使變壓器燒毀。 7.4 特殊變壓器

33、7.4.1 自耦變壓器 自耦變壓器的結(jié)構(gòu)特點是二次繞組是一次繞組的一部分，而且一次、二次繞組不但 有磁的耦合，還有電的聯(lián)系，上述變壓、變流和變阻抗關(guān)系都適用于它。 如圖7-4-1有: (7-4-1) , Ui Ni I2 Lr — — — Z - 一 — 一 U2 N2 Il 式中Ui、I1為一次繞組的電壓和電流有效值， U2、 12為二次繞組的電壓和電流有效值， kz為自耦變壓 器的電壓比。 實驗室中常用的調(diào)壓器就是一種可改變二次繞 組匝數(shù)的特殊自耦變壓器，它可以均勻地改變輸出 電壓。圖7-4-2所示就是單相自耦調(diào)壓器的外形和原 圖7-4-1自耦變壓器 理電路

34、圖。除了單相自耦調(diào)壓器之外，還有三相自耦調(diào)壓器。 使用自耦調(diào)壓器時應(yīng)注意： 圖7-4-2自耦調(diào)壓器外形和原理電路 1）輸入端應(yīng)接交流電源，輸出端接負(fù)載，不能接錯，否則，有可能將變壓器燒壞; 使用完畢后，手柄應(yīng)退回零位。 2）由于高、低壓側(cè)電路有電的聯(lián)系，如果高壓側(cè)有電氣故障，會影響到低壓側(cè)， 所以高、低壓側(cè)應(yīng)為同一絕緣等級。 3）安全操作規(guī)程中規(guī)定，自耦變壓器不能作為安全變壓器使用。這是因為自耦變 壓器的高、低壓側(cè)電路有電的聯(lián)系，萬一接錯線路，就可能引發(fā)觸電事故。 7.4.3 電焊變壓器 電弧焊是設(shè)備制造、維修最常用的焊接方法。常常采用交流弧焊機進(jìn)行電弧焊。 電 焊變壓器是交流

35、弧焊機的主要組成部分， 它是一種雙繞組降壓變壓器， 它的基本原理與 普通變壓器相同。 電弧焊的基本原理是在焊條與工件之間燃起電弧， 用電弧的高溫使金屬熔化進(jìn)行焊 接。因此對電焊變壓器的要求是：空載時應(yīng)有足夠的引弧電壓（約 60?75V）,以保證 電極間產(chǎn)生電弧。 有載時，二次電壓應(yīng)迅速下降， 當(dāng)焊條與焊件間產(chǎn)生電弧并穩(wěn)定燃燒 時，維持電弧的工作電壓，一般為 25?35V。短路時（焊條與工件相碰瞬間），短路電 流不能過大，以免損壞焊機。另外，為了適應(yīng)不同的焊件和不同規(guī)格的焊條，焊接電流 的大小要能夠調(diào)節(jié)。 電焊變壓器的結(jié)構(gòu)具有以 下特點：電焊變壓器的二次繞組 與一個可變的鐵心電抗

36、器串聯(lián)， 電抗器的鐵心有較大的空氣隙， 調(diào)節(jié)螺栓是用來調(diào)節(jié)空氣隙的 距離，改變電抗器空氣隙的長度 就可改變它的電抗，從而控制焊 接電流的大小。如空氣隙增大， 分接開關(guān) 電抗器的感抗隨之減小，電流就隨之增大。圖 圖7-4-3電焊變壓器的原理圖 7-4-3是它的原理圖。 為了調(diào)節(jié)引弧電壓，一次繞組配備分接出頭， 并用一分接開關(guān)來調(diào)節(jié)二次側(cè)的空載 電壓。一次、二次繞組分裝在兩個鐵心柱上，使繞組有較大的漏磁通，漏磁通只與各繞 組自身交鏈，它在繞組中產(chǎn)生的自感電動勢起著減弱電流的作用， 因此可用一個漏電抗 來反映這種作用，它與繞組本身的的電阻合稱為漏阻抗。 漏磁通越大，該繞組本身的漏

37、抗就越大，漏阻抗也就越大。我們知道，對負(fù)載來說，二次繞組相當(dāng)于電源，那么二次 繞組本身的漏阻抗就相當(dāng)于電源的內(nèi)部阻抗， 漏阻抗大就是電源的內(nèi)阻抗大， 會使變壓 器的外特性曲線變陡，即二次側(cè)的端電壓 U2將隨電流I2的增大而迅速下降。這樣，就 滿足了有載時二次電壓迅速下降以及短路瞬間短路電流不致過大的要求。 7.4.4 脈沖變壓器 脈沖變壓器是用以傳輸脈沖功率和傳遞脈沖信號的一種信號變壓器， 是脈沖放大器 的基本元件之一。其基本構(gòu)造和基本工作原理與普通變壓器相同。 在脈沖放大器中主要 用它作級間耦合及功放級與負(fù)載間的耦合， 以實現(xiàn)阻抗匹配，變換極性等。常用的一種 環(huán)形鐵心的脈沖變壓器如

38、圖 7-4-4所示。 由于它在脈沖狀態(tài)下工作，為了減小傳輸畸變、減小損耗和提高效率，因此在材料 選擇、制造工藝上都比普通變壓器要求高。 對于同一種鐵心材料來說，工作在脈沖狀態(tài) 圖7-4-4脈沖變壓器 下的鐵心損耗要大大高于工作在工頻下的脈沖損耗， 激磁電感明顯下降，空載電流相應(yīng)增大，因此，脈沖 變壓器的鐵心一般采用的是高頻下磁導(dǎo)率高的磁性材 料一一坡莫合金或鐵氧體，這樣可以大大減小鐵心損 耗，由于鐵氧體的導(dǎo)電性能屬半導(dǎo)體，電阻率大，鐵 心損耗較小，空載電流較小，傳輸效率得到了大大提 7.4.5 電壓互感器 電壓互感器是一個單相雙繞組變壓器， 它的一次側(cè)繞組匝數(shù)較多， 二次側(cè)繞組匝數(shù)

39、 相對較少，類似于一臺降壓變壓器。主要用于測量高電壓。其一次側(cè)與被測電路并聯(lián)， 二次側(cè)與交流電壓表并聯(lián)，如圖 7-4-5所示。電壓互感器一次、二次側(cè)的電壓關(guān)系為 Ni (7-4-2) Ui LU 2 -KuU2 N2 Ku一一變壓比。電壓互感器二次側(cè)的額定電壓一般為 100V。 使用電壓互感器時應(yīng)注意：1)二次側(cè)繞組不允許短路，否則會燒毀互感器； 2) 次繞組一端與鐵心必須可靠接地。 圖7-4-5 電壓互感器 圖7-4-6 電流互感器 7.4.6 電流互感器 電流互感器是一個單相雙繞組變壓器，它的一次側(cè)匝數(shù)很少而二次側(cè)匝數(shù)相對較 多，類似于一臺升壓變壓器。 主要用

40、于測量大電流。其一次側(cè)與被測電路串聯(lián)， 二次側(cè) 與交流電流表串聯(lián)，如圖 7-4-6所示。電流互感器一次、二次側(cè)的電流關(guān)系為 , N2 , ? , I 1 — I 2 = K i I 2 (7-4-3) Ni Ki一一變流比。電流互感器二次側(cè)的額定電流一般為 5A。 使用電流互感器時應(yīng)注意： 1)二次側(cè)繞組不能開路，否則會產(chǎn)生高壓，嚴(yán)重時燒 毀互感器；2)二次繞組一端與鐵心必須可靠接地。 7.4.7 鉗形電流表 鉗形電流表是電流互感器的一種變形。它的鐵心如同一 鉗子，用彈簧壓緊。測量時將鉗壓開而引入被測導(dǎo)線。這時 該導(dǎo)線就是一次繞組，二次繞組繞在鐵心上并與電流表接通。 利用鉗

41、形電流表可以隨時隨地測量線路中的電流，不必像普 通電流互感器那樣必須固定在一處或者在測量時要斷開電路 而將原繞組串接進(jìn)去。鉗形電流表的原理圖如圖 7-4-7所示。 小結(jié) 一、鐵磁材料主要特性、分類及磁路歐姆定律 1、主要特性 鐵磁材料具有高導(dǎo)磁性、磁飽和性及磁滯性等特點。 2、分類 鐵磁材料按其磁滯回線形狀不同可分為軟磁材料、 硬磁材料和矩磁材料三大類。 3、磁路歐姆定律 磁路歐姆定律表示為： -=— Rm 二、變壓器 變壓器是利用電磁感應(yīng)原理制成的一種靜止的電氣設(shè)備， 用電磁感應(yīng)定律來實現(xiàn)能量的傳遞。 圖7-4-7鉗形電流表 由鐵心和繞組組成，它利 1、基本關(guān)系

42、 U1 =4.44fNi6 m U20 = 4.44fN2：：，m 2、單相變壓器作用 U2 E2 N2 Il N2 1 I2 N1k Z = k2Z 單相變壓器的作用是變換電壓、變換電流和變換阻抗。變換公式分別為 3、外特性 U2=f (I2)稱為變壓器的外特性，由外特性可得到變壓器的電壓變化率。變壓器的 電壓變化率在一定程度上反映了其供電的質(zhì)量， 表征了電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性， 是變壓器的 主要性能指標(biāo)之一。 4、使用：按銘牌上的額定參數(shù)使用。 5、三相變壓器的額定電壓和額定電流是指線電壓和線電流。 6、現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，三相變壓器一般采用三相制來獲得三相電壓。三相變壓

43、器線 圈接線常有 Y,yn （丫/Yo）、Y,d （丫/A）、YN,d （Yo/A）三種。 7、對于特殊用途的變壓器，一定要按規(guī)定的方法和參數(shù)使用，特別對于自耦變壓 器，由于它的一次、二次側(cè)之間有直接的電聯(lián)系，使用時應(yīng)小心。一次側(cè)、二次側(cè)不可 接錯，否則很容易造成電源被短路或燒壞變壓器。 如將接地端誤接到相線時， 有觸電的 危險。 8.電流互感器的二次側(cè)不可以開路，電壓互感器的二次側(cè)不可以短路。 習(xí)題七 7-1在由鐵磁材料和空氣隙組成的磁路中， 鐵磁材料的平均長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣隙的 平均長度，你認(rèn)為是鐵磁材料上的磁動勢大還是空氣隙上的磁動勢大？為什么？ 7-2 一臺變壓器的繞組誤

44、接到數(shù)值為額定電壓的直流電源上，它能否變壓？會產(chǎn) 生什么后果？ 7-3有一線圈，其匝數(shù) N=1000,繞在由鑄鋼制成的閉合鐵心上，鐵心的截面積 SFe = 20cm2 ,鐵心的平均長度lFe =50cm。如要在鐵心中產(chǎn)生磁通 ①=0.002Wb,試 問線圈中應(yīng)通入多大直流電流？ 7-4有一空載變壓器，一次側(cè)加額定電壓 220V,并測得一次繞組電 R=10Q,問 一次側(cè)電流為多少？ 7-5有一單相照明變壓器，容量為10kVA,電壓為3300/220V。欲在二次側(cè)接上60W、 220V的白熾燈，若要變壓器在額定負(fù)載下運行，這種電燈可接多少個？并求一次、二 次側(cè)電流。 7-6 一臺變壓器

45、一次繞組 Ni=360匝，電壓Ui=220V,二次繞組有兩組繞組，其電 壓分另IJ為Ui2=55V , U22=18V。求二次繞組兩組繞組的匝數(shù)。 7-8變壓器的額定頻率為 50Hz,用于25Hz的交流電路中，能否正常工作？ 7-9 一臺三相變壓器，它的額定容量為 50 kVA, 一次、二次側(cè)的額定電壓為 U1N/U2N =10/0.4kV, Y/Y聯(lián)接，試計算一次、二次側(cè)的額定電流；若 Y/△聯(lián)接， 其一次、二次側(cè)額定電壓和額定電流各為多少？ 7-10已知一臺自耦變壓器的額定容量為 15 kVA, U1N =220V,N1 = 880匝， U2N=200V,試求（1）應(yīng)在線圈的何處抽出一線端？ （2）滿載時11和12各為多少? 7-11 一臺電力變壓器的電壓變化率 A U=3%,變壓器在額定負(fù)載下的輸出電壓 U2=220V,求此變壓器二次繞組的額定電壓。