07磁路和变压器
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船舶电气设备之磁路与变压器
船舶电气设备之磁路与变压器引言船舶电气设备中的磁路与变压器是非常重要的组成部分，它们在船舶的电力系统中起到了至关重要的作用。
本文将介绍船舶电气设备中磁路与变压器的基本概念、工作原理以及在船舶电力系统中的应用。
磁路的基本概念磁路是指由磁性材料（如铁芯）组成的闭合路径，通过该路径可以传导磁力线。
在船舶电气设备中，磁路通常由铁芯和线圈构成。
磁路的主要作用是增强磁场，使得磁场能够有效地传导和转换。
在船舶电气设备中，常见的磁路形式有单相磁路和三相磁路。
单相磁路通常用于小功率设备，而三相磁路则适用于大功率设备。
变压器的工作原理变压器是船舶电力系统中常见的设备之一，它通过电磁感应原理将输入端的电能转换为输出端的电能。
变压器主要由两个或多个线圈（绕组）组成，这些线圈的绕法和绕匝数决定了变压器的性能。
当变压器接通电源时，输入线圈（称为初级绕组）中的电流会产生磁场，这个磁场会在铁芯中产生磁通量。
根据电磁感应定律，磁通量的变化会在输出线圈（称为次级绕组）中产生感应电动势，从而使得输出端产生电能。
变压器的工作原理可以通过下面的公式来描述：V1/V2=N1/N2其中，V1和V2分别表示输入端和输出端的电压，N1和N2分别表示初级绕组和次级绕组的匝数。
磁路与变压器在船舶电力系统中的应用磁路与变压器在船舶电力系统中有广泛的应用。
下面是一些常见的应用场景：主发动机发电机中的励磁系统主发动机发电机是船舶电力系统中的核心设备，它通过将机械能转换为电能来为船舶提供动力。
而励磁系统则是保证发电机能够稳定运行的关键。
励磁系统使用磁路和变压器来产生稳定的励磁电流，从而控制发电机的输出电压。
船舶配电系统中的变压器船舶的配电系统中常常需要将高压电源转换为低压电源，以供给船舶上的各种设备使用。
这时就需要使用变压器将高压电源降压为合适的电压。
变压器通过调整输入绕组和输出绕组的匝数比例，实现输入电压与输出电压的变换。
船舶马达的起动器船舶中很多的马达（如推进器、泵、压缩机等）都需要起动器来提供额外的电力支持。
电工技术磁路与变压器精品课件
二、 磁场的基本物理量
1、磁感应强度B
表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。
磁感应强度B的方向: 与电流的方向之间符合右手螺旋定则。
磁感应强度B的大小:单位正电荷在磁场中以单位速 度沿与磁场垂直方向运动时所受的最大磁场力。
FqvB
磁感应强度B的单位: 特斯拉(T)，1T = 1Wb/m2 均匀磁场: 各点磁感应强度大小相等，方向相同的
B0
磁化曲线 H
数，随H而变。
B,
有铁磁材料存在时，与 I 不成
B
正比。
铁磁材料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：铁磁材料中磁感应强度B的变化总是滞后于
外磁场变化的性质。
铁磁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。 B
非铁磁材料没有磁畴结构，所以不具有磁化结构。
2、磁饱和性
铁磁材料由于磁化所产生的磁化磁场不会随着
外磁场的增强而无限的增强。当外磁场增大到一定
程度时，磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与
外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向
某一定值。如图。
B
BJ 磁场内铁磁材料的磁化磁场 的磁感应强度曲线；
B0 磁场内不存在铁磁材料时的
四、 磁路欧姆定律
磁路的欧姆定律是分析磁路的基本定律
1. 引例 环形线圈如图，其中介质是均 匀的，磁导率
为， 试计算线圈内部 的磁通 。
解：根据安培环路定律，有
Hdl I
设磁路的平均长度为 l，则有
N匝 x
NIH l B l
Sl
第6章-磁路和变压器
非磁性材料没有磁畴的结构，所以不具有磁化特性。
(a)无外场，磁畴排列杂乱无章。
(b)在外场作用下，磁畴排列逐 渐进入有序化。
磁性物质的磁化示意图
2. 磁饱和性
磁性物质因磁化产生的磁场是不会无限制增加的，当外磁场(或激 励磁场的电流)增大到一定程度时，全部磁畴都会转向与外场方向 一致。这时的磁感应强度将达到饱和值。
IN lx
I
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。
F IN 单位是安培
4. 磁导率
磁导率μ是表示磁场空间 媒质 磁性质的物理量，是物质导磁能力 的标志量。
前面已导出环形线圈的磁场强度 H ，可得磁感应强度 B 为
Bx
磁导率的单位
0.39
A
可见由于所用铁心材料不同，要得到相同的磁感应强度，则所需要的磁动势或励
磁电流是不同的。因此，采用高磁导率的铁心材料可使线圈的用铜量大为降低。
6.2 交流铁心线圈电路
铁心线圈分为两种：
1．直流铁心线圈电路
2．交流铁心线圈电路
直流铁心线圈通直流来励磁（如直流电机的励磁线圈、电磁吸盘 及各种直流电器的线圈）。因为励磁是直流，则产生的磁通是恒定的， 在线圈和铁心中不会感应出电动势来，在一定的电压U下，线圈电流I 只与线圈的R有关，P也只与I2R有关，所以分析直流铁心线圈比较简 单。本课不讨论。
t
qv
Fmax
F
I
B
B
l
B
l
I
S
N
同理，
vB F
三个矢量也构成右旋系关系。
如洛仑兹力公式所表示
F q v B
(a)无外场，磁畴排列杂乱无章。
(b)在外场作用下，磁畴排列逐 渐进入有序化。
磁性物质的磁化示意图
2. 磁饱和性
磁性物质因磁化产生的磁场是不会无限制增加的，当外磁场(或激 励磁场的电流)增大到一定程度时，全部磁畴都会转向与外场方向 一致。这时的磁感应强度将达到饱和值。
IN lx
I
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。
F IN 单位是安培
4. 磁导率
磁导率μ是表示磁场空间 媒质 磁性质的物理量，是物质导磁能力 的标志量。
前面已导出环形线圈的磁场强度 H ，可得磁感应强度 B 为
Bx
磁导率的单位
0.39
A
可见由于所用铁心材料不同，要得到相同的磁感应强度，则所需要的磁动势或励
磁电流是不同的。因此，采用高磁导率的铁心材料可使线圈的用铜量大为降低。
6.2 交流铁心线圈电路
铁心线圈分为两种：
1．直流铁心线圈电路
2．交流铁心线圈电路
直流铁心线圈通直流来励磁（如直流电机的励磁线圈、电磁吸盘 及各种直流电器的线圈）。因为励磁是直流，则产生的磁通是恒定的， 在线圈和铁心中不会感应出电动势来，在一定的电压U下，线圈电流I 只与线圈的R有关，P也只与I2R有关，所以分析直流铁心线圈比较简 单。本课不讨论。
t
qv
Fmax
F
I
B
B
l
B
l
I
S
N
同理，
vB F
三个矢量也构成右旋系关系。
如洛仑兹力公式所表示
F q v B
《磁路与变压器》PPT课件
§5 交流磁路的分析
i ue
e
： 主磁通 ：漏磁通 i ：励磁电流
交流磁路 即用交流来励磁的磁路
整理ppt
26
分析交流磁路较为复杂，其在电磁关系、电压、电流及功率损耗等方面都和直流磁路有所不同。
1 电磁关系
i ue
e
u i（FiN）
e N d dt
e
N d dt
整理ppt
27
2 电压、电流关系
1 磁路
i
u
： 主磁通
：漏磁通
i ：励磁电流
在铁芯线圈中，铁芯是由高导磁率的材料作成的。当线圈通有电流时，磁通的绝大部分通过铁芯
而闭合，称为主磁通；只有一小部分通过周围的空气隙而闭合，称为漏磁通。这种人为形成的磁通的 路径，即主磁通通过的路径就称为磁路。而产生整磁理通pp的t 电流称为励磁电流（当为直流时称为1直3 流励磁，
要增加17倍，增加了用铁量。 整理ppt
=BS 23
例
I
已知：环形铁芯线圈的内径为 10cm，外径为15cm；铁芯材料 为铸钢；空气隙长度为0.2cm，
I=1A，B=0.9T。
求：线圈匝数N=？
整理ppt
24
解
磁路的平均长度为：
l101539.（ 2cm）
2
由铸钢的磁化曲线可查得：
I
B=0.9T→H1=500A/m
在 f、N和S不变的前提下， 只要U不变， m、 Bm也
基本不变。
整理ppt
在交流磁路中，u
不变时， 也不变。
的变化将引起磁阻的变 化，i也随之变化。
29
交流磁路和直流磁路的比较
交流磁路
m
U 4.44
磁路和铁心变压器课件
强制冷却
强制冷却是指通过外部设备如风扇、 散热器等将变压器产生的热量带走， 以降低变压器的温度。常见的强制冷 却方式有风冷、水冷和油冷等。
04
磁路在铁心变压器中的 应用
磁路在电压变换中的应用
01
02
03
电压变换原理
利用磁路中的磁场能量实 现电压的升高或降低。
Hale Waihona Puke 变压器匝数比通过改变变压器原副边的 匝数比，实现电压的变换 。
磁导率和相对磁导率
磁导率
磁导率是描述物质磁性的物理量，表 示物质对磁场的影响程度，常用符号 μ表示。
相对磁导率
相对磁导率是物质相对于真空的磁导 率，常用符号μr表示。相对磁导率大 于1表示物质具有顺磁性，小于1表示 物质具有抗磁性。
02
铁心变压器的工作原理
变压器的工作方式
变压器通过电磁感应原理进行 工作，原边和副边线圈分别缠 绕在铁心两侧。
控制措施
为了减小噪声和振动，可以采取多种控制措施， 如改进磁路设计、增加减震装置等。
06
铁心变压器的应用和发 展趋势
铁心变压器在电力系统中的应用
1 2
电压转换
铁心变压器在电力系统中用于升高或降低电压， 以满足输电、配电和用电设备的电压需求。
隔离作用
通过铁心变压器，电力系统中的不同部分可以相 互隔离，提高系统的安全性和稳定性。
率之比，通常用百分数表示。
效率计算
效率计算公式为输出功率/输入功 率，即$eta = frac{P_{2}}{P_{1}}$ 。
效率影响因素
变压器效率受多种因素影响，如铁 心材料、线圈电阻、磁路设计等。
变压器的温升
温升
变压器温升是指变压器在工作过 程中，由于线圈和铁心等部分损 耗而产生的热量，导致温度升高
强制冷却是指通过外部设备如风扇、 散热器等将变压器产生的热量带走， 以降低变压器的温度。常见的强制冷 却方式有风冷、水冷和油冷等。
04
磁路在铁心变压器中的 应用
磁路在电压变换中的应用
01
02
03
电压变换原理
利用磁路中的磁场能量实 现电压的升高或降低。
Hale Waihona Puke 变压器匝数比通过改变变压器原副边的 匝数比，实现电压的变换 。
磁导率和相对磁导率
磁导率
磁导率是描述物质磁性的物理量，表 示物质对磁场的影响程度，常用符号 μ表示。
相对磁导率
相对磁导率是物质相对于真空的磁导 率，常用符号μr表示。相对磁导率大 于1表示物质具有顺磁性，小于1表示 物质具有抗磁性。
02
铁心变压器的工作原理
变压器的工作方式
变压器通过电磁感应原理进行 工作，原边和副边线圈分别缠 绕在铁心两侧。
控制措施
为了减小噪声和振动，可以采取多种控制措施， 如改进磁路设计、增加减震装置等。
06
铁心变压器的应用和发 展趋势
铁心变压器在电力系统中的应用
1 2
电压转换
铁心变压器在电力系统中用于升高或降低电压， 以满足输电、配电和用电设备的电压需求。
隔离作用
通过铁心变压器，电力系统中的不同部分可以相 互隔离，提高系统的安全性和稳定性。
率之比，通常用百分数表示。
效率计算
效率计算公式为输出功率/输入功 率，即$eta = frac{P_{2}}{P_{1}}$ 。
效率影响因素
变压器效率受多种因素影响，如铁 心材料、线圈电阻、磁路设计等。
变压器的温升
温升
变压器温升是指变压器在工作过 程中，由于线圈和铁心等部分损 耗而产生的热量，导致温度升高
磁路与变压器
5
2. 磁通 磁通是磁感应强度矢量的通量，是指穿过某一截面S的磁力 线条数，用Φ表示，单位是Wb，称为韦伯。在均匀磁场中，各 点磁感应强度大小相等，方向相同。当所取截面S与磁力线方向 垂直时，有
Φ BS 或 B Φ
(7.2)
S
从式(7.2)可看出，B也可理解为单位截面上的磁通， 即穿 过单位截面的磁力线条数，故又称为磁通密度，简称磁密。
第二定律。
23
4. 磁路的计算 在进行磁路计算时，首先要注意几个问题。 1) 主磁通与漏磁通 主磁通又称为工作磁通，即工作所要求的闭合磁路的磁 通，如图7.7中的Φ即为主磁通。 漏磁通是不按所需的工作路径闭合的磁通，如图7.7中的 Φσ所示。漏磁通很小，一般只有工作磁通的千分之几，因而 常可忽略不计。
15
图7.4 不同材料的磁滞回线 (a) 永磁材料；(b) 软磁材料；(c) 矩磁材料
16
7.2 磁路计算的基本定律
1. 安培环路定律 任何磁场都是由电流产生的，磁路中的磁场也不例外。安 培环路定律说明了产生磁场的电流与所产生的磁场强度之间的 定量关系，它表述为：在磁场中沿任何闭合回路的磁场强度H的 线积分等于通过闭合回路内各电流的代数和。用数学式表示为
磁通为Φ2和Φ3，则根据物理学中磁通连续性原理可知：
Φ1=Φ2+Φ3
或
Φ1－Φ2－Φ3=0
推广到一般情况，对任意闭合面的总磁通有：
∑Φk=0 这一关系与电路中的基尔霍夫第一定律相对应，可称为磁路
的基尔霍夫第一定律。
另外，若在图7.6所示的磁路中，任取一闭合磁路 ABCDA，其中：CDA段平均长度为L1，AC段平均长度为L2， ABC段平均长度为L3。则根据全电流定律得到
36
磁路和变压器电工电子技术基础
磁路和变压器电工电子技术基础概述磁路和变压器是电工电子技术中重要的基础知识，它们在电力系统、通信系统以及各种电子设备中起着重要的作用。
本文将介绍磁路和变压器的基础概念、工作原理以及应用。
磁路的基础概念磁路是由磁性材料构成的路径，磁场通过磁路来传导。
磁路主要由磁性材料和空气间隙组成，其中磁性材料的主要作用是增强磁场强度。
磁通量和磁势磁通量是磁场通过磁路的量度，用Φ表示，单位是韦伯（Wb）。
磁通量的大小与磁场强度和磁路截面积成正比。
磁势是磁场在磁路中存在的力量，用Φ表示，单位是安培·匝（Am）。
磁路中的欧姆定律磁路中的欧姆定律类似于电路中的欧姆定律，描述了磁路中的磁势、磁通量和磁路电阻之间的关系。
根据磁路中的欧姆定律，磁势与磁通量的比例关系可以表示为Φ = R × Ψ，其中Φ表示磁通量，Ψ表示磁势，R表示磁路电阻。
磁路中的磁阻磁路中的磁阻决定了磁场通过磁路的难易程度。
磁阻与磁性材料的特性以及磁路的几何形状有关。
磁路中的磁阻可以通过磁路的长度、截面积以及磁性材料的磁导率来计算。
变压器的基本原理变压器是利用电磁感应原理而工作的电器，主要用于将交流电能从一个电路传输到另一个电路。
变压器可以将交流电的电压和电流进行变换，同时也可以提高或降低电压的大小。
变压器的结构典型的变压器由一个或多个绕组和一个铁芯构成。
绕组一般分为输入绕组和输出绕组，它们通过铁芯相连接。
铁芯主要起到增加磁路磁阻、导磁和集中磁感应线的作用。
变压器的工作原理变压器的工作原理基于电磁感应定律。
当输入绕组通电时，产生的磁场通过铁芯传导到输出绕组，由于磁场的变化，输出绕组中会产生感应电动势，从而产生输出电流。
变压器的变压比变压器的变压比是输入电压和输出电压之间的比值。
变压器的变压比可以通过绕组的匝数比来确定。
变压比的大小决定了变压器的升压或降压功能。
变压器的效率变压器的效率是指输出功率与输入功率之间的比值。
变压器的效率通常高达90%以上，主要损耗包括铜损、铁心损耗和额定功率损耗。
磁路与变压器资料
1、高导磁性
指磁性材料的磁导率很高， r>>1，使其具有 被强烈磁化的特性。
2、磁饱和性
当外磁场（或励磁电流）增大到一定值时，磁性 材料的全部磁畴的磁场方向都转向与磁场的方向一致， 磁化磁场的磁感应强度BJ达到饱和值。
6
B
bB
a
BJ
B， B
B0
0 磁化曲线
O
H
B和与H的关系
注 当有磁性物质存在时
u1
N1 N2
i1
i2
u2
RL
从原边等效：
RL
U1 I1
KU 2 I2
K
U2 I2
K2
RL K 2
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。
28
29
30
5.3.3 变压器的使用 1.变压器的额定值（以单相变压器为例）
• 额定电压 U1N 、U 2N
变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允
说明: 如果不是均匀磁场，则取B的平均值。 磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方向垂直
的单位面积所通过的磁通,故又称磁通密度。
磁通 的单位:韦[伯](Wb) 1Wb =1V·s
4. 磁场强度
磁场强度H ：介质中某点的磁感应强度 B 与介质
磁导率 之比。 H B
磁场强度H的单位 ：安培/米（A/m)
由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗（Ph）。
磁滞损耗的大小：
B
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
O
H
铁心发热。
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心。变压器和 电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。
指磁性材料的磁导率很高， r>>1，使其具有 被强烈磁化的特性。
2、磁饱和性
当外磁场（或励磁电流）增大到一定值时，磁性 材料的全部磁畴的磁场方向都转向与磁场的方向一致， 磁化磁场的磁感应强度BJ达到饱和值。
6
B
bB
a
BJ
B， B
B0
0 磁化曲线
O
H
B和与H的关系
注 当有磁性物质存在时
u1
N1 N2
i1
i2
u2
RL
从原边等效：
RL
U1 I1
KU 2 I2
K
U2 I2
K2
RL K 2
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。
28
29
30
5.3.3 变压器的使用 1.变压器的额定值（以单相变压器为例）
• 额定电压 U1N 、U 2N
变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允
说明: 如果不是均匀磁场，则取B的平均值。 磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方向垂直
的单位面积所通过的磁通,故又称磁通密度。
磁通 的单位:韦[伯](Wb) 1Wb =1V·s
4. 磁场强度
磁场强度H ：介质中某点的磁感应强度 B 与介质
磁导率 之比。 H B
磁场强度H的单位 ：安培/米（A/m)
由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗（Ph）。
磁滞损耗的大小：
B
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
O
H
铁心发热。
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心。变压器和 电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。
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2 2
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、外阻抗差不多相等）。
7.4
变压器
五、变压器的使用
1、 变压器的铭牌数据（以单相变压器为例） U2N 额定电压 U1N 、
真空中的磁导率(
0
)为常数
7
0 4π 10
一般材料的磁导率
（亨/米）
和真空中的磁导率之比，
称为这种材料的相对磁导率
r
铁、镍、钴及其合金等
r 0
r 1 ，则称为磁性材料
r 1
，则称为非磁性材料
铜、铝、纸、空气等
7.1
磁路
3、磁场强度 H
磁场强度是计算磁场所用的物理量，其大小为磁 感应强度和导磁率之比。
H
B
单位：
B ：特斯拉
： 亨 /米 H ： 安 /米
7.1
磁路
三、磁性材料的磁性能 1. 高导磁性
磁性材料的导磁能力很强，磁性物质在外磁场的作用 下，内部逐渐形成一个很强的附加磁场，使磁力线集中于磁 性物质中穿过，就象导体导电一样起了导磁作用。
B
B
B ( ) H
大 小
H (I)
H
2. 磁饱和性
铁心
（导磁性能好 的磁性材料）
磁路：主磁通所经过的闭合路径。
7.1
磁路
二、磁路计算中的基本物理量
1、磁感应强度 （磁通密度）
与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁 通（磁力线） B 的单位：特斯拉（Tesla）
B S
1 Tesla = 104 高斯
单位：韦伯
7.1
磁路
2、磁导率
：表征各种材料导磁能力的物理量
仪器
36伏
7.4
变压器
电力系统的基本结构
发电厂发出的电能通过电厂内的升压变压器把电压升高到500KV或220KV后送出，各电厂 之间可以通过500KV或220KV输电线路相互连接，以实现不同地区电能的交换或调节，提高 供电的经济性和可靠性。当高压输送的电能到达地区的负荷中心时，将通过各种电压等级的 变压站逐级降压，分别供给35KV、10KV以及使用最广泛的380KV/220KV民用及工业用户。
由于变压器铁芯材料的导磁率高、空载励磁电流 ( i10 ) 很小，可忽略 。即：
I1N1 I2 N2 0
N I N I 1 1 2 2
I1 N 1 2 I2 N1 K
结论：原、副边电流与匝数成反比。
7.4
变压器
原、副边阻抗关系 （变阻抗）
u1
i1
N1 N 2
2
i2
2 R R K uL R LL
信号内阻： Rs=100 ; 负载为扬声器，其等 效电阻：RL=8。 求：负载上得到的功率。
i
Rs
u1
信号源
RL
解：（1）将负载直接接到信号源上，得到的输出功
率为：
U1 50 pL R 8 1.7(W) L 108 RS RL
也会产生磁通，从而影响原边电流 i1。但当外加电压、频
率不变时，铁芯中主磁通的最大值在变压器空载或有负载时 基本不变 (U1 4.44 f N1Φm ) 系为： 。带负载前后磁动势的平衡关
i1 N1 i2 N 2 i10 N
7.4
变压器
原、副边电流关系 （变电流）
i1N1 i2 N2 i10 N1
u1
u1
原边电流 i1等 于励 磁电流 i10 i10 产生磁通Φ （交变） 产生感应电动势
e1 N 1 dΦ dt
i1
e1
Φ
e2
N1
e2 N 2 dΦ dt
N2
（
e、
方向符合右手定则）
7.4
变压器
原、副边电压关系 （变电压）
根据交流磁路的分析可得：
i10
i2
E1 4.44 f N1Φm E2 4.44 f N 2Φm
按冷却 干式变压器 方式分 充气式变压器
依靠空气对流进行冷却，目前室内用的电力变 压器，通常就用该种变压器。 用特殊气体代替变压器油散热。 散热。
蒸发冷却式变压器 用特殊液体代替变压器进行绝缘
7.4
变压器
电力变压器 用于电力系统的升压或降压，是一 种最普通、最常用的变压器。 按特 试验变压器 产生高压，对于电气设备进行高压试验。 殊用 如电压互感器、电流互感器，用于测 途分 仪用变压器 量仪表和机电保护装置。 特殊用途的变压器 冶炼用的电炉变压器、电解
今日作业
7-10 7-14
第七章
磁路和变压器
第七章 磁路与变压器
7.1 磁路
7.3 交流铁心线圈电路 7.4 变压器 在电工技术中不仅要讨论电路问题，还需讨论磁路问题。 因为很多电工设备与电路和磁路都有关系，如电动机、变压 器、电磁铁及电工测量仪表等。磁路问题除了与磁场、磁介 质有关外，还与电流相关。
7.1
磁路
• 磁性物质没有外磁场时，各磁畴是混乱排列的，磁场互 相抵消；当在外磁场作用下，磁畴就逐渐转到与外磁场 一致的方向上，即产生了一个与外磁场方向一致的磁化 磁场，从而磁性物质内的磁感应强度大大增加——物质 被强烈的磁化了。 磁性物质被广泛地应用于电工设备中，电动机、电磁铁、 变压器等设备中线圈中都含有的铁心。就是利用其磁导率 大的特性，使得在较小的电流情况下得到尽可能大的磁感 应强度和磁通。
c b a
B
BJ
B0 H
O 磁化曲线
7.1
磁路
磁性物质的磁饱和性
B，μ B μ O H μ与H的关系
磁性物质的μ不是常数， Φ与H也不存在正比关系。
7.1
磁路
3、磁性物质的磁滞性
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。
磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁滞性。 如图为磁性物质的滞回曲线。 B 1
7.4
变压器
一、变压器功能
变电压：电力系统 变电流：电流互感器 变阻抗：电子电路中的阻抗匹配 （如喇叭的输出变压器）
7.4
变压器
二、变压器的分类
按铁心分：
芯式变压器：用于大容量高压电力变压器 壳式变压器： 用于大电流的特殊变压器，如：
电炉变压器和电焊变压器；或 用于电视、收音机中的电源变 压器
芯式变压器 壳式变压器
最大值
U m 2π fNΦ m
Um U 4.44 fNΦ m 2
有效值
一、 变压器的功能
7.4
二、 变压器的分类 三、 变压器的结构
变
压 器
四、 变压器的工作原理
五、 变压器的使用
1. 铭牌数据 2. 效率 3. 外特性 4. 极性与连接方式
六、 特殊变压器的简介
1. 自耦变压器 2. 电压互感器 3. 电流互感器
S(Z)9型10KV级无励 磁调压电力变压器
7.4
变压器
变压器
SG10型空气自 冷干式变压器
SC9系列干式 电力变压器
7.4
变压器
变压器
高压变压器
7.4
变压器
变压器
超高压变压器
7.4
变压器
变压器应用举例
发电厂 1.05万伏 升压 输电线 22万伏 降压 变电站 1万伏
降压
…
降压
实验室
380 / 220伏 降压
非磁性材料没有磁畴的结构，所以不具有磁化特性。
7.1
磁路
磁性物质的磁化示意图
(a)无外场，磁畴排 列杂乱无章。
(b)在外场作用下，磁畴
排列逐渐进入有序化。
7.1
磁路
2、磁性物质的磁饱和性
• 磁性物质因磁化产生的磁场是不会无限制增加的，当外磁 场(或激励磁场的电流)增大到一定程度时，全部磁畴都会 转向与外场方向一致。这时的磁感应强度将达到饱和值。 B
单相变压器： 用于单相负荷和三相变压器组 按相数分： 三相变压器： 用于三相系统的升压或降压
7.4
变压器
自耦变压器
按绕组分：
用于连接超高压、大容量的电力系统
双绕组变压器 用于连接两个电压等级的电力系统 三绕组变压器 用于连接三个电压等级，一般用于电
力系统的区域变电站。
如油浸自冷、油浸风冷、油浸水冷、强迫 油浸式变压器 油循环和水内冷等。
用的整流变压器、焊接用的 焊接变压器、试验用的调压 变压器等。
7.4
变压器
变压器
电子变压器
7.4
变压器
变压器
控制变压器
变压器适用于50-60Hz的交流电路中， 作为机床和机械设备中一般电器的控制 局部照明及指灯等的电源之用。
电力变压器
7.4
变压器
变压器
S9-M型10KV级全密 封式无励磁调压电 力变压器
3. 磁滞性
4. 非线性
7.1
磁路
高导磁率的成因
磁性材料的磁导率很大，μr >>1，可达102~105量级。
分子电流和磁畴理论：
•分子中电子的绕核运动和自转将形成分子电流，分子电流将 产生磁场，每个分子都相当于一个小磁铁。
•由于磁性物质分子的相互作用，使分子电流在局部自发形成 有序排列而显示出磁性，这些小区域称为磁畴。
交流铁心线圈通交流来励磁（如交流电机、变 压器及各种交流电器的线圈）。其电压、电流等关 系与直流不同。
7.1
磁路
交流磁路的分析
交流激励 线圈中产生感应电势
i
u
Φ
Φ
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、外阻抗差不多相等）。
7.4
变压器
五、变压器的使用
1、 变压器的铭牌数据（以单相变压器为例） U2N 额定电压 U1N 、
真空中的磁导率(
0
)为常数
7
0 4π 10
一般材料的磁导率
（亨/米）
和真空中的磁导率之比，
称为这种材料的相对磁导率
r
铁、镍、钴及其合金等
r 0
r 1 ，则称为磁性材料
r 1
，则称为非磁性材料
铜、铝、纸、空气等
7.1
磁路
3、磁场强度 H
磁场强度是计算磁场所用的物理量，其大小为磁 感应强度和导磁率之比。
H
B
单位：
B ：特斯拉
： 亨 /米 H ： 安 /米
7.1
磁路
三、磁性材料的磁性能 1. 高导磁性
磁性材料的导磁能力很强，磁性物质在外磁场的作用 下，内部逐渐形成一个很强的附加磁场，使磁力线集中于磁 性物质中穿过，就象导体导电一样起了导磁作用。
B
B
B ( ) H
大 小
H (I)
H
2. 磁饱和性
铁心
（导磁性能好 的磁性材料）
磁路：主磁通所经过的闭合路径。
7.1
磁路
二、磁路计算中的基本物理量
1、磁感应强度 （磁通密度）
与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁 通（磁力线） B 的单位：特斯拉（Tesla）
B S
1 Tesla = 104 高斯
单位：韦伯
7.1
磁路
2、磁导率
：表征各种材料导磁能力的物理量
仪器
36伏
7.4
变压器
电力系统的基本结构
发电厂发出的电能通过电厂内的升压变压器把电压升高到500KV或220KV后送出，各电厂 之间可以通过500KV或220KV输电线路相互连接，以实现不同地区电能的交换或调节，提高 供电的经济性和可靠性。当高压输送的电能到达地区的负荷中心时，将通过各种电压等级的 变压站逐级降压，分别供给35KV、10KV以及使用最广泛的380KV/220KV民用及工业用户。
由于变压器铁芯材料的导磁率高、空载励磁电流 ( i10 ) 很小，可忽略 。即：
I1N1 I2 N2 0
N I N I 1 1 2 2
I1 N 1 2 I2 N1 K
结论：原、副边电流与匝数成反比。
7.4
变压器
原、副边阻抗关系 （变阻抗）
u1
i1
N1 N 2
2
i2
2 R R K uL R LL
信号内阻： Rs=100 ; 负载为扬声器，其等 效电阻：RL=8。 求：负载上得到的功率。
i
Rs
u1
信号源
RL
解：（1）将负载直接接到信号源上，得到的输出功
率为：
U1 50 pL R 8 1.7(W) L 108 RS RL
也会产生磁通，从而影响原边电流 i1。但当外加电压、频
率不变时，铁芯中主磁通的最大值在变压器空载或有负载时 基本不变 (U1 4.44 f N1Φm ) 系为： 。带负载前后磁动势的平衡关
i1 N1 i2 N 2 i10 N
7.4
变压器
原、副边电流关系 （变电流）
i1N1 i2 N2 i10 N1
u1
u1
原边电流 i1等 于励 磁电流 i10 i10 产生磁通Φ （交变） 产生感应电动势
e1 N 1 dΦ dt
i1
e1
Φ
e2
N1
e2 N 2 dΦ dt
N2
（
e、
方向符合右手定则）
7.4
变压器
原、副边电压关系 （变电压）
根据交流磁路的分析可得：
i10
i2
E1 4.44 f N1Φm E2 4.44 f N 2Φm
按冷却 干式变压器 方式分 充气式变压器
依靠空气对流进行冷却，目前室内用的电力变 压器，通常就用该种变压器。 用特殊气体代替变压器油散热。 散热。
蒸发冷却式变压器 用特殊液体代替变压器进行绝缘
7.4
变压器
电力变压器 用于电力系统的升压或降压，是一 种最普通、最常用的变压器。 按特 试验变压器 产生高压，对于电气设备进行高压试验。 殊用 如电压互感器、电流互感器，用于测 途分 仪用变压器 量仪表和机电保护装置。 特殊用途的变压器 冶炼用的电炉变压器、电解
今日作业
7-10 7-14
第七章
磁路和变压器
第七章 磁路与变压器
7.1 磁路
7.3 交流铁心线圈电路 7.4 变压器 在电工技术中不仅要讨论电路问题，还需讨论磁路问题。 因为很多电工设备与电路和磁路都有关系，如电动机、变压 器、电磁铁及电工测量仪表等。磁路问题除了与磁场、磁介 质有关外，还与电流相关。
7.1
磁路
• 磁性物质没有外磁场时，各磁畴是混乱排列的，磁场互 相抵消；当在外磁场作用下，磁畴就逐渐转到与外磁场 一致的方向上，即产生了一个与外磁场方向一致的磁化 磁场，从而磁性物质内的磁感应强度大大增加——物质 被强烈的磁化了。 磁性物质被广泛地应用于电工设备中，电动机、电磁铁、 变压器等设备中线圈中都含有的铁心。就是利用其磁导率 大的特性，使得在较小的电流情况下得到尽可能大的磁感 应强度和磁通。
c b a
B
BJ
B0 H
O 磁化曲线
7.1
磁路
磁性物质的磁饱和性
B，μ B μ O H μ与H的关系
磁性物质的μ不是常数， Φ与H也不存在正比关系。
7.1
磁路
3、磁性物质的磁滞性
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。
磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁滞性。 如图为磁性物质的滞回曲线。 B 1
7.4
变压器
一、变压器功能
变电压：电力系统 变电流：电流互感器 变阻抗：电子电路中的阻抗匹配 （如喇叭的输出变压器）
7.4
变压器
二、变压器的分类
按铁心分：
芯式变压器：用于大容量高压电力变压器 壳式变压器： 用于大电流的特殊变压器，如：
电炉变压器和电焊变压器；或 用于电视、收音机中的电源变 压器
芯式变压器 壳式变压器
最大值
U m 2π fNΦ m
Um U 4.44 fNΦ m 2
有效值
一、 变压器的功能
7.4
二、 变压器的分类 三、 变压器的结构
变
压 器
四、 变压器的工作原理
五、 变压器的使用
1. 铭牌数据 2. 效率 3. 外特性 4. 极性与连接方式
六、 特殊变压器的简介
1. 自耦变压器 2. 电压互感器 3. 电流互感器
S(Z)9型10KV级无励 磁调压电力变压器
7.4
变压器
变压器
SG10型空气自 冷干式变压器
SC9系列干式 电力变压器
7.4
变压器
变压器
高压变压器
7.4
变压器
变压器
超高压变压器
7.4
变压器
变压器应用举例
发电厂 1.05万伏 升压 输电线 22万伏 降压 变电站 1万伏
降压
…
降压
实验室
380 / 220伏 降压
非磁性材料没有磁畴的结构，所以不具有磁化特性。
7.1
磁路
磁性物质的磁化示意图
(a)无外场，磁畴排 列杂乱无章。
(b)在外场作用下，磁畴
排列逐渐进入有序化。
7.1
磁路
2、磁性物质的磁饱和性
• 磁性物质因磁化产生的磁场是不会无限制增加的，当外磁 场(或激励磁场的电流)增大到一定程度时，全部磁畴都会 转向与外场方向一致。这时的磁感应强度将达到饱和值。 B
单相变压器： 用于单相负荷和三相变压器组 按相数分： 三相变压器： 用于三相系统的升压或降压
7.4
变压器
自耦变压器
按绕组分：
用于连接超高压、大容量的电力系统
双绕组变压器 用于连接两个电压等级的电力系统 三绕组变压器 用于连接三个电压等级，一般用于电
力系统的区域变电站。
如油浸自冷、油浸风冷、油浸水冷、强迫 油浸式变压器 油循环和水内冷等。
用的整流变压器、焊接用的 焊接变压器、试验用的调压 变压器等。
7.4
变压器
变压器
电子变压器
7.4
变压器
变压器
控制变压器
变压器适用于50-60Hz的交流电路中， 作为机床和机械设备中一般电器的控制 局部照明及指灯等的电源之用。
电力变压器
7.4
变压器
变压器
S9-M型10KV级全密 封式无励磁调压电 力变压器
3. 磁滞性
4. 非线性
7.1
磁路
高导磁率的成因
磁性材料的磁导率很大，μr >>1，可达102~105量级。
分子电流和磁畴理论：
•分子中电子的绕核运动和自转将形成分子电流，分子电流将 产生磁场，每个分子都相当于一个小磁铁。
•由于磁性物质分子的相互作用，使分子电流在局部自发形成 有序排列而显示出磁性，这些小区域称为磁畴。
交流铁心线圈通交流来励磁（如交流电机、变 压器及各种交流电器的线圈）。其电压、电流等关 系与直流不同。
7.1
磁路
交流磁路的分析
交流激励 线圈中产生感应电势
i
u
Φ
Φ