磁路及變壓器要點(diǎn)

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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(shí)，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(diǎn)及應(yīng)用。 7.1 磁路的基本知識(shí) 在工程實(shí)踐中，廣泛地應(yīng)用著機(jī)電能量變換的器件和設(shè)備， 如電動(dòng)機(jī)、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(gè)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(shí)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(qiáng)的磁場并有效的加以運(yùn)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(jī)、電器和電工儀表等，在工作時(shí)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(lì)磁線圈中的勵(lì)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(qiáng)度、磁通、磁場強(qiáng)度和磁導(dǎo)率。 1、磁場強(qiáng)度 磁場弓II度H是一個(gè)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(qiáng)度的單位是 A/m （安每米）。 2、磁感應(yīng)強(qiáng)度 F,則該 磁感應(yīng)強(qiáng)度 B是一個(gè)表示磁場內(nèi)某點(diǎn)的磁場強(qiáng)弱和方向的矢量，其方向可用小磁 針N極在磁場中某點(diǎn)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(diǎn)放

4、 一個(gè)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(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的量值為 B =FO在國際單位制中, II 如果磁場內(nèi)各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等、方向相同 磁感應(yīng)強(qiáng)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(qiáng)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(huì)或多或少地影響磁場的強(qiáng)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(qiáng)度的乘積就等于磁感應(yīng)強(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(jī)、 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(qiáng)度大大增強(qiáng)， 即鐵磁材料受到強(qiáng)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(qiáng)度 B隨磁場強(qiáng)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(qiáng)度 B j不會(huì)隨外磁場的增強(qiáng)而 無限的增強(qiáng)。當(dāng)外磁場（或勵(lì)磁電流）增大到一定值時(shí)，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(shí)，其磁化磁感應(yīng)強(qiáng)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(diǎn)，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(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(shí)， 磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化滯后于磁場強(qiáng) 度的變化。當(dāng)鐵磁材料被磁化，磁場強(qiáng)度 H由零增加到某值（H=+Hm）后，如果再減 少H,此時(shí)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(shí)，B=Br, Br稱為剩磁感應(yīng)強(qiáng)度，簡稱剩磁。只有當(dāng) H反方向 變化到-Hc時(shí)，B才下降到零，Hc稱為矯頑力。由此可見，磁感應(yīng)強(qiáng)度 B的變化滯后 于磁場強(qiáng)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(yùn)動(dòng)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?？梢苑殖扇N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(jī)、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(jì)算機(jī)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(diǎn)是， 必須用較強(qiáng)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(yáng)聲器及小型直流電機(jī)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(jì)算機(jī)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(shí)，在鐵心中就會(huì)有磁通 中通過。 實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(qiáng)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(shí)，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(qiáng)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(dòng)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(shí)，由于其磁阻較大，磁動(dòng)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(diǎn)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(shí)，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(yùn)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(yùn)行。這時(shí) 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(yùn)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(jì)，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。可見變 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(yùn)行 如果變壓器的二次繞組接上負(fù)載， 則在感應(yīng) 電動(dòng)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(yùn)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(yùn)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(shí)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(gè)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(yùn)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(shí)，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(shí)， 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(shí)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(shí)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(huì)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)闊崃浚棺儔浩鳒囟壬?。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(qiáng)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(shí)， 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(tái)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(shí)銅損 妒cu =1486W ,滿載時(shí)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(shí)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(tái)單相變壓器組成的三相變壓器組， 或用一臺(tái)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(gè)線圈，三個(gè)一次繞組(高壓繞組) ， 分別記為AX、BY、CZ;另三

25、個(gè)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(chǔ)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(shí)，必須掌握其銘牌上的技術(shù)數(shù) 據(jù)。圖7-3-2是一臺(tái)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(jì)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(jì)序號; 基本型號（S ——三相）

27、三相變壓器或三個(gè)單相變壓器的一次繞組都可分別接成星形或三角形。 實(shí)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(dòng)勢 會(huì)出現(xiàn)不同的相位差，實(shí)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(dòng)勢的相位差總是 30o的整數(shù)倍。因此，采用時(shí)鐘盤面上的 12個(gè)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(dòng)勢矢量作為時(shí)鐘的長針， 總 是指著“12；而把低壓邊線電動(dòng)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(dòng)勢矢量之間的相位差。 這個(gè)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(dòng)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(dòng)勢是同相的。 “11表示低壓側(cè)線電動(dòng) 勢超前于高壓側(cè)線電動(dòng)勢 300。 3、額定電壓 變壓器銘牌上有兩個(gè)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(qiáng)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(shí)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(yùn)行時(shí)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(yùn)行時(shí)，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(shí)，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(xiàng)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(yùn)行和維護(hù) 變壓器并行運(yùn)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(tái)變壓器出現(xiàn)故障時(shí)， 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(shí)，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(yùn)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(shí)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(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(cuò)，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(huì)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?yàn)樽择钭?壓器的高、低壓側(cè)電路有電的聯(lián)系，萬一接錯(cuò)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(jī)進(jìn)行電弧焊。 電 焊變壓器是交流

35、弧焊機(jī)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(shí)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(shí)，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(shí)，維持電弧的工作電壓，一般為 25?35V。短路時(shí)（焊條與工件相碰瞬間），短路電 流不能過大，以免損壞焊機(jī)。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(diǎn)：電焊變壓器的二次繞組 與一個(gè)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(gè)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(dòng)勢起著減弱電流的作用， 因此可用一個(gè)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(huì)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(shí)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(shí)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(gè)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(tái)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(shí)應(yīng)注意：1)二次側(cè)繞組不允許短路，否則會(huì)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(gè)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(tái)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(shí)應(yīng)注意： 1)二次側(cè)繞組不能開路，否則會(huì)產(chǎn)生高壓，嚴(yán)重時(shí)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(shí)將鉗壓開而引入被測導(dǎo)線。這時(shí) 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(shí)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(shí)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(diǎn)。 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(shí)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(shí)應(yīng)小心。一次側(cè)、二次側(cè)不可 接錯(cuò)，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(shí)， 有觸電的 危險(xiǎn)。 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(dòng)勢大還是空氣隙上的磁動(dòng)勢大？為什么？ 7-2 一臺(tái)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(huì)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(yùn)行，這種電燈可接多少個(gè)？并求一次、二 次側(cè)電流。 7-6 一臺(tái)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(tái)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(jì)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(tái)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(shí)11和12各為多少? 7-11 一臺(tái)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。