电工电子技术第5章

变压器按其绕组材质分有：铜绕组和铝绕组两种。 变压器按绕组形式分有：自耦变压器（autotransformer ）、双绕组变压器、三绕组变压器
2. 变压器的主要技术参数 （1）额定容量。指在规定的频率和电压下，变压器能长期工作 而不超过规定温升时的最大输出视在功率，单位为VA。 （2）变压比。是变压器的一次侧加额定电压与二次绕组空载电 压之比，此值近似等于一次与二次绕组的匝数比。 （3）变压器的效率。指在额定负载时变压器的输出功率和输入 功率的比值。 （4）温度等级和温升。电源变压器工作时有不同程度的发热现 象，必须根据其所用绝缘材料相应地规定它的允许工作温度。
由于线圈电阻 R 和感抗X（或漏磁通）较小，其电压
降也较小，与主磁电动势 E 相比可忽略， 故有
式中：Bm是铁心中磁感应强度的最大值，单位[T]； S 是铁心截面积，单位[m2]。
功率损耗
交流铁芯线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种。
1、铜损(Pcu )
在交流铁芯线圈中, 线圈电阻R上的功率损耗称铜损 ，用Pcu 表示。
5.1 磁场与磁路
5.1.1 磁场的基本知识
1. 磁感应强度 （磁通密度） 描述磁场内某点的磁场强弱及方向的物理量称为磁
感应强度，为了形象地描绘磁场，往往采用磁感应线， 常称为磁力线，磁力线是无头无尾的闭合曲线。 磁力线的方向与产生它的电流方向满足右手螺旋关系。
磁感应强度B的大小: 磁感应强度B的单位: 特斯拉(T)，1T = 1Wb/m2
3.磁场强度 磁场强度H ：是计算磁场时所引用的一个物理量，也是 矢量，通过它来确定磁场与电流之间的关系。
磁场强度H的单位 ：安培/米（A/m)
与磁感应强度的关系 式中， 为导磁物质的磁导率。真空的磁导率为
铁磁材料的
例如铸钢的 约为 的1000倍。
5.1.2 磁路及其基本定律
磁路：为了使较小的励磁电流产生足够大的磁通（或磁感应强 度），在电机、变压器及各种铁磁元件中常用磁性材料做成一 定形状的铁心。铁心的磁导率比周围空气或其他物质的磁导率 高很多，因此磁通的绝大部分通过铁心而形成一个闭合通路。
E= 120V，内阻 R 0=800，负载为
扬声器，其等效电阻为RL=8。要 求: (1)当RL折算到原边的等效电 R0
具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。一般用来制造永 久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。 (3)矩磁材料
具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形 ，稳定性良好。在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关 元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等。
5.3 交流铁心线圈电路
铁心线圈分为两种。直流铁心线圈通直流励磁（如直流电 机的励磁线圈、电磁吸盘以及各种直流电器的线圈）。交 流铁心线圈通交流励磁（如交流电机、变压器以及各种交 流电器的线圈）。铁心线圈的交流电路如图所示。
B BJ曲线和B0直线的纵坐标相 加即磁场的 B-H 磁化曲线。
B
b •
B
a •
BJ
B0
O
磁化曲线 H
B-H 磁化曲线的特征：
Oa段：B 与H几乎成正比地增加； ab段：B 的增加缓慢下来； b点以后：B增加很少，达到饱和。
有磁性物质存在时，B 与 H不成正
比，磁性物质的磁导率不是常数，随H
B
b
•B
B
剩磁感应强度Br (剩磁) ： 当线圈中电流减小到零(H=0)时
Br•
，铁心中的磁感应强度。
例如: 永久磁铁的磁性就是由剩磁产 生的；自励直流发电机的磁极，为了
使电压能建立，也必须具有剩磁。
• O •Hc H
•
磁滞回线
但剩磁也存在着有害的一面，例如 ，当工件在平面磨床上加工完毕后 ，由于电磁吸盘有剩磁，还将工件 吸住。为此要通入反向去磁电流， 去掉剩磁，才能取下工件。
a •
BJ
B0
O
磁化曲线
B,
H
而变。
B
有磁性物质存在时，与 I 不成正比。
磁性物质的磁化曲线在磁路计算
上极为重要，其为非线性曲线，实际
中通过实验得出。
O
B和与H的关系
H
3.磁滞性
磁滞性：磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于
外磁场变化的性质。
磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B-H关系曲线是一
条回形闭合曲线，称为磁滞回线。
Pcu = RI2
式中：R是线圈的电阻；I 是线圈中电流的有效值。 2、铁损(PFe)
❖在交变磁通磁路中，铁芯的交变磁化产生的功率损耗。
（1）磁滞损耗（Ph）
单位体积内的磁滞损耗正比与磁滞回线的面积和磁
场交变的频率 f。
磁滞损耗转化为热能，引起铁芯发热。
减少磁滞损耗的措施： 选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁芯。变压器和电
机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。
(2)涡流损耗（Pe）
涡流：交变磁通在铁芯内产生感应电动势和电流，称为涡流。 涡流在垂直于磁通的平面内环流。
Φ
ie
i
+
u
–
涡流损耗: 由涡流所产生的功率损耗。涡流损耗转化为热能 ，引起铁芯发热。
减少涡流损耗措施：提高铁芯的电阻率。铁芯用彼此绝缘的 钢片叠成，把涡流限制在较小的截面内。
在变压器空载时
是空载时副绕组的端电压。
在负载状态下，由于副绕组的电阻和漏抗很小，其上的电压远 小于，仍有：
2. 电流变换
变压器带负载运行时，副绕组电流的大小取 决于负载阻抗，而原绕组电流的大小取决于副绕 组电流的大小，这是因为从能量转换的角度看， 副绕组向负载输出的功率只能是由原绕组从电源 吸取，然后通过主磁通传递到副绕组.
沿空气闭合的漏磁通为
假设漏磁通可以不考虑，由全电流定律有
因
可得
式中：F=Ni 为磁通(动)势，由其产生磁通； Rm 称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用； l 为磁路的平均长度； S 为磁路的截面积。
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。
总磁动势
5.2 磁性材料
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。
（磁通势）
i，铁心线圈的漏磁电感
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
是主磁电动势 的幅值，而其有效值为
当导体处于变化的磁场（磁通）中时，导体中会产生感应 电势，这就是电磁感应现象。这个感应电势的大小和磁通随时 间的变化率的负值成正比，这就是电磁感应定律。
3 磁路欧姆定律
套装在铁心上用于产生磁通的N 匝线圈称为励磁线圈，励磁线圈中的
电流i称为励磁电流。若励磁电流为
直流，磁路中的磁通是恒定的，不随 时间变化，这种磁路称为直流磁路， 直流电机的磁路属于这一类；若励磁 电流为交流，磁路中的磁通是交变的 ，随时间变化，这种磁路称为交流磁 路，交流电机、变压器的磁路属于这 一类。 电流 产生的沿铁心闭合的主磁通 Φ，
各式各样的变压器
1. 变压器的分类 变压器的种类很多。 变压器按用途分有：电力变压器、试验用变压器、仪器
用变压器、特殊用途变压器等。 变压器按相数分有：单相和三相变压器两种。 变压器按其冷却方式分有：油浸式变压器（油浸自冷式
、油浸风冷式和强迫油循环等）、干式变压器、充气式变压器 、蒸发冷却变压器等。
矫顽磁力Hc：
使 B = 0 所需的 H 值。
磁性物质不同，其磁滞回线 和磁化曲线也不同。
B
Br• • O •Hc H
•
磁滞回线
按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型： (1)软磁材料
具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。一般用来制造电 机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合 金即铁氧体等。 (2)永磁材料
i
+
ue
–
Φ
ie
5.4 变压器
变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电阻线路中 应用广泛。变压器除了可变换电压、电流，进行能量变换外， 变压器还用来耦合电路，传递交流信号，并且实现阻抗匹配。 变压器是电力系统的重要设备。变压器是根据电磁感应原理制 成的一种静止电器。它可用来把某一数值的交变电压或电流变 换为同频率的另一数值的交变电压或电流，实现电能的经济传 输与灵活分配；也可用来变换阻抗、传输信号；还可用来调节 电压、测试电量等。
这种人为造成的磁通的路径，称为磁路。
❖i
1
❖Φ
❖i
2
❖Φ
δ
❖i
❖ 空气 隙
❖空 气
❖ 隙线圈
❖
线圈
❖
变压器磁路
❖
铁 芯
❖
接触器磁 ❖ 路
线圈
❖
❖
继电器磁路
铁 芯
❖ 主磁通: 通过磁路（包括空气隙）闭合的磁通。
❖ 漏磁通：经过磁路周围非铁磁性物质而闭合的磁通 。
1. 安培环路定律——描述电流产生磁场的规律
凡导体中有电流流过时，就会产生与该载流导体相交链的磁 通。在磁场中，沿任意一个闭合磁回路的磁场强度线积分等 于该回路所包围的所有电流的代数和，即
i1 H
i2
式中：
是磁场强度矢量沿任意闭合
线(常取磁通作为闭合回线)的线积分；
i 是穿过闭合回线所围面积的电流的代数和。
2. 电磁感应定律——描述磁场产生电势的规律
体对外不显磁性。
外
磁
磁
畴
场
在外磁场作用下，磁畴方向发生变化，使之与外磁场方向
趋于一致，物质整体显示出磁性来，称为磁化。即磁性物质 能被磁化。
1. 高导磁性