4章变压器
【课题】
4.1磁路的基本知识
【教学目标】
知道铁磁材料的特性，知道磁路及磁路欧姆定律。
【教学重点】
1．铁磁材料的磁化过程。
2．磁路与电路的区别。
3．磁滞现象。
【教学难点】
1．铁磁材料的磁化过程。
2．涡流。
【教学过程】
【一、复习】
1．磁现象。
2．磁感应强度、磁场强度及磁通量概念。
【二、引入新课】
在物理中学过有关磁的内容，在这里重点是从电气工程应用的角度研究和分析磁的问题。本节内容与后续课程（如电机、变压器等）有关。
【三、讲授新课】
4.1.1铁磁材料
1．磁畴：铁心自身有的自然磁性小区域。
2．磁化：铁心中的磁畴沿外磁场作定向排列，产生附加磁场的现象，如图4.1（b）所示。
3．铁磁材料：能被磁化的材料（例如：铁、钴、镍以及它们的合金和氧化物）。
4．铁心的磁化过程可以用图4.2描述。

（a） （b）
图4.1磁畴和铁心的磁化 图4.2磁化过程
OA段：大部分磁畴的磁场沿外磁场方向排列，?? 与I成正比且增加率较大。
AB段：所有磁畴的磁场最终都沿外磁场方向排列，铁心磁场从未饱和状态过渡到饱和状态。
B点以后：称饱和状态，铁心的增磁作用已达到极限，同直线1。
4.1.2磁路
1．磁路：通常由铁心制成，而使磁通集中通过的回路，如图4.3所示。
图4.3磁路
2．主磁通：铁心中的磁通??。
3．漏磁通：少量磁通通过周围空气构成的回路（可忽略不计）。
4．磁通?? ：线圈中电流有效值I与线圈匝数N的乘积称为磁通势，RM称为磁阻。磁路欧姆定律?? = I N / RM。
注意：
（1）磁阻 RM表示物质对磁通具有的阻碍作用。不同物质的磁阻不同。若铁心中存在空气隙，磁阻RM会增大许多。
（2）磁路的欧姆定律只适用于铁心非饱和状态。
4.1.3磁滞现象
1．磁滞：当铁心线圈通入交流电时，铁心会随交流电的变化而被反复磁化。在磁化过程中，由于磁畴本身存在“惯性”，使得磁通的变化滞后于电流的变化。
2．磁滞回线：反复磁化形成的封闭曲线，如图4.4所示。
图4.4磁滞回线
3．磁滞损耗：铁磁材料在磁化时，外磁场克服磁畴的“惯性”消耗的能量。
4．磁滞损耗是引起铁心发热的原因之一。
5．软磁材料：磁滞损耗小的铁磁材料，特点是磁滞回线狭长，面积小。
6．硬磁材料：磁滞损耗大的铁磁材料，特点是磁滞回线宽大，面积大。
4.1.4涡流
1．涡流：交变的磁通穿过铁心产生感应电动势，因而会产生感应电流，它围绕磁感场线成旋 流动，如图4.5（a）所示。
（a） （b）
图4.5涡流
2．涡流损耗：涡流在铁心的电阻上引起的功率损耗。
3．减少涡流损耗：常将铁心分成许多彼此绝缘的薄片（硅钢片），使铁心中的电阻增大而涡流减少，这样可以有效的减少涡流损耗，如图4.5（b）所示。
【四、小结】
1．铁磁材料的磁化过程可以用 ?? ~ I曲线描述。
2．磁路具有良好的导磁性能。就像电路具有良好的导电性能一样。为了深入理 路的功能，表4.1将磁路和电路对比。
表4.1磁路和电路对比
磁路
电路
物理量
磁通
电流I
磁通势
电动势
磁阻
电阻R
定律
3．磁滞现象：在对铁磁材料反复磁化过程中，由于磁畴的“惯性”使得磁通（磁感应强度）的变化滞后于磁化电流（磁场强度）的变化。
4．根据磁滞回路面积的大小，可将铁磁材料分成两大类：磁滞回路面积狭小的称为软磁性材料；磁滞回路面积宽大的称为硬磁性材料。
5．涡流：在交流励磁的情况下，会在铁心中感应出涡流，从而导致铁心发热，产生损耗。减小涡流的方法首先是采用片状材料代替整块铁心。另外铁中加入适量的硅，使导磁性能提高的同时，铁心本身电阻也增加，使涡流减小，达到降低损耗的目的。
【五、习题】
一、是非题：1、2、3、4；二、选择题：1、2、3；三、填空题：1。
【课题】
4.2交流铁心线圈
【教学目标】
知道交流铁心线圈的概念。
【教学重点】
电压与磁通之间的关系，即U = 4.44 f NΦm。
【教学难点】
电压与磁通之间的关系。
【教学过程】
【一、复习】
磁路的概念。
【二、引入新课】
交流铁心线圈的外加电压和磁通之间的关系是一个重要的表达式，会在以后的分析、计算与磁路有关的物理量中碰到。
【三、讲授新课】
4.2交流铁心线圈
图4.8为交流铁心线圈电路。电压和磁通之间有如下关系：
U = 4.44 f NΦm
图4.8交流铁心线圈电路
[例4.1]　一个有铁心线圈接交流220 V、50 Hz的电源上，若要在铁心中产生磁通的最大值为0.002 Wb，问铁心上的线圈至少应绕多少匝？
[解]　由U = 4.44 f NΦm可得
N = 匝 = 496 匝
[例4.2]上题中如果铁心上的线圈只绕了100匝，线圈通电后会产生什么后果。
[解]若线圈只绕了100匝，则磁通最大值远远超过了规定的最大值。根据磁化曲线可知，对应的线圈中的电流将远远超过 值，线圈通电后可能会被烧坏。
【四、小结】
交流铁心线圈上施加交流电压，与铁心磁路中产生主磁通的关系为
U ?? E = 4.44 f N ??m
【五、习题】
二、选择题：4；三、填空题：2、3。
【课题】
4.3变压器
【教学目标】
变压器的用途、基本结构、变压比和变流比。
【教学重点】
1．变压器的基本结构。
2．变压器的外特性。
【教学难点】
变压器的外特性
【教学过程】
【一、复习】
交流铁心线圈的概念，电压与磁通之间的关系。
【二、引入新课】
变压器作为电气工程技术中重要的部件之一，在生产和生活中有着不可替代的作用。本节变压器工作原理和变压器外特性的分析很重要。
【三、讲授新课】
4.3.1　变压器的基本结构
1．变压器：可将某一交变电压转换成同频的另一电压，它主要由铁心和线圈（又称绕组）组成。
2．铁心：变压器铁心的作用是构成磁路。为了减小涡流和磁滞损耗，铁心用具有绝缘层的硅钢片叠成。变压器的铁心一般分为心式和壳式两大类。其结构和符号如图4.9所示。
（a）心式 （b） （c）图形符号
图4.9　变压器的结构和图形符号
3．线圈（绕组）：接电源的绕组称为一 组，接负载的绕组称为二次绕组。
4．变压器冷却方式：
（1）小容量变压器采用自冷式，即将其放置在空气中自然冷却。
（2）中容量电力变压器采用油冷式，即将其放置在有 管（片）的油箱中。
（3）大容量变压器还要用油泵使冷却液在油箱与 管（片）中作强制循环。
4.3.2变压器的工作原理
1．空载运行：变压器一 组接电源，绕组开路的状态。
2．空载电流（励磁电流）：在外加电压U1作用下，绕组N1中通过的电流I0。
3．在理想状态下，变压器的电压变换关系为
= k
变压器绕组电压的有效值与一次、二 组的匝数成正比。比值k称为变压比。
4．有载运行：二次绕组接入负载ZL。
在理想情况下有
变压器一次、二 组电流的有效值与一次、二 组匝数成反比。
[例4.3]有一台降压变压器，一 组电压为220 V，二 组电压为110 V，一 组为2 200匝，若二 组接入阻抗值为10 ??的阻抗，问变压器的变比、二 组匝数、一次二 组中电流各为多少？
[解]
k == = 2
N2 = 匝 =1 100 匝
I2 = A = 11 A
I1 = A = 5.5 A
4.3.3　变压器的外特性
1．变压器外特性：变压器电压U2随负载电流I2增大而降低，如图4.12（U20为空载时二次绕组电压，I2N为额定运行时二次绕组电流）所示。
4.12　变压器外特性曲线
2．电压调整率：当I2从零增加到额定值I2N时，若输出电压从U20降到U2N，则电压调率?? U %为
?? U % =
一般希望??U % 越小越好。常用的电力变压器，电压整率约为3 %～5 %。
4.3.4变压器的损耗及效率
1．变压器功率损耗：
（1）铁损耗：变压器铁心中的磁滞损耗和涡流损耗。当外加电压一定时，工作磁通一定，铁损耗是不变的，也称为固定损耗。
（2）铜损耗：电流通过绕组时，在电阻上产生的功率损耗。铜损耗的大小随通过绕组的电流变化而变化，也称铜损耗为可变损耗。
2．变压器的输出功率与输入功率之比称为变压器的效率。
效率 = ?? 100 %
3．变压器的效率：
（1）一般供电变压器的效率都在95 % 左右；
（2）大型变压器的效率可达98 % 以上。
【四、小结】
1．变压器：将某一电压的交流电变换成频率相同的另一电压的交流电的一种变换装置。
2．变压器的基本结构：铁心和绕组线圈。
3．变压器的工作原理： 变压器一次、二 组电压与匝数的关系为
== k
变压器一次、二 组电流与匝数之间的关系为
??
4．变压器的外特性一般情况下是一条向下倾斜的直线。变压器从空载到满载（二 组电流等于额定电流）二次绕组电压变化的数值与空载电压的比例称为变压器的电压调整率。
5．变压器的耗损由两部分组成，分别是铜损耗和铁损耗。
6．变压器的效率
= ?? 100 %
【五、习题】
三、填空题：4、5、6；四、计算题：1。
【课题】
?? 4.4三相电力变压器
【教学目标】
描述三相电力变压器的结构特点。
【教学重点】
三相电力变压器的结构与外形。
【教学难点】
三相电力变压器的结构与外形。
【教学过程】
【一、复习】
变压器工作原理。
【二、引入新课】
三相电力变压器是变压器的一种，在生活中也能经常碰到。
【三、讲授新课】
1．三相变压器：高压绕组U1U2、V1V2、W1W2；低压绕组u1u2、v1v2、w1w2 。图4.13为三相变压器的结构图。
图4.13　三相变压器结构
2．油浸式电力变压器：将三相变压器放入钢板制成的油箱中，箱壁上装有 用的油管或散热片。油枕为油的热胀冷缩提供了一个空间，油箱中如有过高的压力时可将其从安全气道排出，以防爆炸。高低压引线通过绝缘套管从油箱引出。
【四、小结】
1．三相变压器有六套绕组。
2．三相变压器放置在油箱中以便冷却。
【五、习题】
三、填空题：7；四、计算题：2。
【课题】
4.5自耦变压器
【教学目标】
区分自耦变压器、电压互感器和电流互感器的异同。知道使用注意事项。
【教学重点】
自耦变压器的安全使用。
【教学难点】
自耦变压器的结构和工作原理。
【教学过程】
【一、复习】
变压器的工作原理。
【二、引入新课】
一般变压器都有两套绕组，并且它们之间没有电的联系，只有磁的联系。但自耦变压器却不同，它的一次和二次绕组有一部分是共用的。
【三、讲授新课】
4.5自耦变压器
1．自耦变压器：一次、二 组共用一部分绕组，它们之间不仅有磁耦合，还有电的联系。
2．自耦变压器工作原理如图4.15所示 。
图4.15　自耦变压器工作原理
= k
3．优点：结构简单，节省材料、体积小、成本低。
4．缺点：因一次、二 组之间有电联系，接线不正确时安全隐患大。例如图4.16所示为自耦变压器给携带式安全照明灯提供12 V的工作电压，因为点接地，此时连接灯泡的每根导线对地的电压都是200 V以上，这对持灯人极不安全。
图4.16　自耦变压器使用时不安全状况
5．自耦变压器也可以用于升压，接法如图4.17所示。
图4.17可用于升压的自耦变压器原理图
6．自耦调节压器：如图4.18所示。一 组 U1U2接220V交流电压，二 组u1u2输出电压可在0 ~ 250 V范围内调节。
图4.18　自耦变压器
【四、小结】
自耦变压器是只有一个绕组的变压器，在铁心绕上绕组，并取其中一部分作为二次绕组。按照输出电压是否可以调节，自耦变压器又分为可调式和不可调式两种。
【课题】
4.6互感器
【教学目标】
区分自耦变压器、电压互感器和电流互感器的异同。知道使用注意事项。
【教学重点】
1．电压互感器的使用。
2．电流互感器的使用。
【教学难点】
1．电压互感器的使用。
2．电流互感器的使用。
【教学过程】
【一、复习】
变压器的工作原理。
【二、引入新课】
为了使测量大电流和高电压时安全以及按标准规格生产各种测量仪表，要使用电流互感器和电压互感器。
【三、讲授新课】
* 4.6互感器
仪用互感器：用于测量的变压器。
图4.19所示为接有电压互感器和电流互感器测量电压和电流的外形图和电路图。
（a）电路图 （b）电压互感器外形图
（c）电流互感器外形图
图4.19　仪用互感器
4.6.1　电压互感器
1．电压互感器的一 组并联在待测高压，二 组接电压表，其工作原理为
U1
2．通常规定电压互感器二 组的额定电压设计成标准值100 V。
注意：使用时电压互感器的二次绕组不能短路。
4.6.2电流互感器
1．电流互感器的一 组串联在待测电路中，二次绕组接电流表，其工作原理为
I2 = I1
2．通常电流互感器二 组的额定电流设计成标准值5 A。
注意：使用时电流互感器二 组不能开路。
3．便携式钳形电流表：利用电流互感器原理制作。其外形如图4.20所示。
它的闭合铁心可以张开，将被测载流导线钳入铁心窗口中，可直接读出被测电流的数值。用钳形电流表测量电流不用断开电路，使用非常方便。
（a）结构图 （b）外形图
图4.20　钳形电流表
【四、小结】
1．电压互感器是将交流电的高电压变成低电压，从而便于电压表测量。为了保证电压互感器、指针式电压表和工作人员的安全，低压一侧一定要有一点接地。
2．电流互感器是将交流大电流变成小电流，从而便于电流表测量。
电流互感器二 组匝数多，可以感应出很高的电压，为保证安全，二次侧要有一点接地，并且不允许在二次侧安装熔断器和开关。
【五、习题】
二、选择题：8、9。
【课题】
?? 4.7电焊变压器
【教学目标】
描述电焊变压器的结构及工作特点。
【教学重点】
电焊变压器的工作原理。
【教学难点】
电焊变压器的工作原理。
【教学过程】
【一、复习】
变压器工作原理。
【二、引入新课】
电焊变压器是一种特殊用途的变压器，其作用是在焊条和焊件之间燃起电弧，进行焊接。
【三、讲授新课】
1．电焊变压器：满足电弧焊接的特殊的变压器。如图所示其原理图。
图4.21　电焊变压器原理图
2．工作原理：为了起弧较容易，电焊变压器的空载电压一般为60 ~ 80 V，当电弧起燃后，焊接电流通过电抗器产生电压降。调节电抗器上的旋柄可改变电抗的大小以控制焊接电流及焊接电压。维持电弧工作电压一般为25 ~ 30 V。
【四、小结】
电焊变压器是一种降压升流变压器，它的二 组因电压较低而能够输出大电流从而在焊条和焊件之间燃起电弧，利用电弧的高温熔化金属达到焊接目的。