3.1變壓器的工作原理

3.2三相變壓器

3.3特殊變壓器

3.4電磁鐵

本章小結

思考題第3章變壓器3.1.1變壓器的結構和分類

1．變壓器的基本結構

變壓器的主要組成部分是鐵芯和原、副繞組。大、中容量的電力變壓器為了散熱的需要，將變壓器的鐵芯和繞組浸入封閉的油箱中，對外線路的連接由絕緣套管引出。因此，電力變壓器還有絕緣套管、油箱及其他附件。圖3-1所示是一臺油浸式電力變壓器的外形結構圖。3.1變壓器的工作原理圖3-1油浸式電力變壓器的外形結構圖

1)鐵芯

鐵芯是變壓器的磁路系統(tǒng)，同時又是繞組的支撐骨架。鐵芯由鐵芯柱和鐵軛兩部分組成，如圖3-2所示。鐵芯柱上套繞組，鐵軛將鐵芯柱連接起來形成閉合磁路。對鐵芯的要求是導磁性能好，磁滯損耗和渦流損耗要盡量小，因此均采用硅鋼片制成。目前國產(chǎn)低損耗節(jié)能變壓器均采用有取向的冷軋硅鋼片，其鐵損耗低，且鐵芯疊裝系數(shù)高。隨著科學技術的進步，目前采用鐵基、鐵鎳基等非晶體材料來制作變壓器的鐵芯，這種鐵芯具有體積小、效率高、節(jié)能等優(yōu)點，極有發(fā)展前途。圖3-2變壓器鐵芯變壓器的鐵芯結構有心式和殼式兩類。心式結構的特點是鐵芯柱被繞組包圍，如圖3-3(b)所示；殼式結構的特點是鐵芯包圍繞組的頂面、底面和側(cè)面，如圖3-3(a)所示。心式鐵芯結構簡單，繞組裝配和絕緣比較容易；殼式鐵芯機械強度好，但制造復雜，鐵芯所用材料較多。電力變壓器中的鐵芯主要采用心式結構。圖3-3單相變壓器結構(a)殼式變壓器；(b)心式變壓器根據(jù)變壓器制作工藝的不同，鐵芯可分為疊片式和卷心式兩種。

心式變壓器的疊片一般用“口”字形或斜“口”字形硅鋼片交叉疊成；殼式變壓器的疊片一般用E形或F形硅鋼片交叉疊成，如圖3-4所示。為了減小鐵芯磁路的磁阻，要求鐵芯在裝配時，接縫處的氣隙越小越好。圖3-4常見變壓器鐵芯形式(a)心式口形；(b)心式斜口形；(c)殼式E形；(d)殼式F形

2)繞組

變壓器的繞圈通常稱為繞組，它是變壓器的電路部分，由銅或鋁絕緣導線繞制而成，容量稍大的變壓器則用扁銅線或扁鋁線繞制而成。

在變壓器中，接到高壓電網(wǎng)的繞組稱為高壓繞組，接到低壓電網(wǎng)的繞組稱為低壓繞組。按照高壓繞組和低壓繞組的相互位置和形狀的不同，繞組可以分為同心式和交疊式兩種。同心式繞組的高、低壓繞組同心地套在鐵芯柱上，如圖

3-5(a)所示。小容量單相變壓器一般采用此種結構。為了便于絕緣，低壓繞組靠近鐵芯柱，高壓繞組套在低壓繞組的外面，兩個繞組之間留有油道。交疊式繞組的高、低壓繞組交疊放置在鐵芯上，如圖3-5(b)所示。為了減小絕緣距離，通常低壓繞組靠近鐵軛。同心式繞組的結構簡單，制造方便，故電力變壓器多采用這種方式；交疊式繞組機械強度好，引出線布置方便，多用于低電壓大電流的電焊、電爐變壓器及殼式變壓器。圖3-5變壓器的繞組(a)同心式繞組；(b)交疊式繞組

變壓器在工作時，繞組和鐵芯都要發(fā)熱，故要考慮冷卻問題。小容量的變壓器可以采用空氣自冷方式，即通過繞組和鐵芯直接將熱量散失到周圍的空氣中；大容量的變壓器則需采用專門的冷卻措施，常用的是將繞組和鐵芯放在盛滿變壓器油的油箱中，熱量通過油箱中的油散失到周圍的空氣中，油箱的外壁裝有散熱片或油管，這種方式稱為油浸自冷式。此外，還有強迫通風或強迫油循環(huán)等冷卻方式。

2．變壓器的分類

變壓器的種類很多，可以按用途、結構、相數(shù)、冷卻方式等來進行分類。

按用途不同，可以分為電力變壓器(主要用在輸配電系統(tǒng)中，又分為升壓變壓器、降壓變壓器和配電變壓器)和特種變壓器(如儀用變壓器、試驗變壓器、電爐變壓器、電焊變壓器等)。

按繞組數(shù)不同，可分為單繞組(自耦)變壓器、雙繞組變壓器、三繞組變壓器和多繞組變壓器等。

按相數(shù)的不同，可分為單相變壓器、三相變壓器和多相變壓器。

按鐵芯結構的不同，可分為心式變壓器和殼式變壓器。按冷卻介質(zhì)和冷卻方式的不同，可分為空氣自冷式(或稱為干式)變壓器、油浸式變壓器和充氣式變壓器。

電力變壓器按容量大小通常分為小型變壓器(容量為10～630kV·A)、中型變壓器(容量為800～6300kV·A)、大型變壓器(容量為8000～63000kV·A)和特大型變壓器(容量在90000kV·A及以上)。3.1.2變壓器的工作原理

由于變壓器是在交流電源上工作的，因此通過變壓器的電壓、電流、磁通及電動勢的大小和方向都隨時間不斷地變化。為了正確表達它們之間的相位關系，必須規(guī)定它們的參考方向。參考方向原則上可以任意規(guī)定，但為了統(tǒng)一起見，習慣上都按照“電工慣例”來規(guī)定參考方向：

(1)同一支路中，電壓的參考方向和電流的參考方向一致。

(2)磁通的參考方向和電流的參考方向之間符合右手螺旋定則。

(3)由交變磁通Φ產(chǎn)生的感應電動勢e，其參考方向與產(chǎn)生該磁通的電流方向一致。

圖3-6所示是變壓器的電路原理圖。工作時，接電源的繞組為一次繞組，接負載的繞組為二次繞組。實際的變壓器的兩個繞組是同心地套在鐵芯上的，為了分析問題方便，將兩個繞組分別畫在鐵芯的左、右兩邊。N1和N2分別為一、二次繞組的匝數(shù)。圖3-6變壓器的電路原理圖

1．理想變壓器

變壓器一次繞組接額定交流電壓，而二次繞組開路，即i2=0的工作方式，稱為變壓器的空載運行?？蛰d時在外加交流電壓u1的作用下，一次繞組中通過的電流稱為空載電流i0。在電流i0的作用下，鐵芯中產(chǎn)生交變磁通，一部分通過鐵芯磁路閉合形成主磁通Φ，另一部分通過空氣等非磁性物質(zhì)構成漏磁通Φσ1。Φ和Φσ1形成總磁通，其中Φσ1只是總磁通中很小的一部分，即Φ>>Φσ1。為了分析問題方便，不計漏磁通Φσ1，也不計一次繞組的電阻r1及鐵芯的損耗，這種變壓器為理想變壓器。主磁通Φ同時穿過一、二次繞組，分別在其中產(chǎn)生感應電動勢e1和e2。由電磁感應定律可知：

假設Φ=Φmsinωt，則感應電動勢為

(3-2)(3-1)同理，可得

(3-3)(3-4)其中，Φm是交變磁通的最大值，單位為Wb;N1為一次繞組的匝數(shù);N2為二次繞組的匝數(shù);f為交流電的頻率，單位為Hz。

由式(3-3)和式(3-4)可知：

由于空載電流i0很小，且不計一次繞組中的電阻r1及鐵芯損耗，因此

U1≈E1空載時，二次繞組開路，故

U2=E2

則得

式中，K稱為變壓器的變比，是變壓器中最重要的參數(shù)之一。由式(3-5)可見，變壓器的變比等于一、二次繞組的匝數(shù)之比。當K>1時，是降壓變壓器；當K<1時，是升壓變壓器。(3-5)

例3-1

低壓照明變壓器一次繞組匝數(shù)N1=1210匝，一次繞組電壓U1=220V，現(xiàn)要求二次繞組輸出電壓U2=36V，求二次繞組匝數(shù)N2及變比K。

解由式(3-5)可知：

2．實際變壓器

實際變壓器的一次繞組有很小的電阻r1，空載電流流過它要產(chǎn)生電壓降，它和感應電動勢、漏抗電動

勢一起為電源電壓所平衡，故電動勢的平衡方程為

(3-6)式中:

(3-7)

稱為變壓器的漏阻抗。由于r1、Xσ1的值均很小，因此對于電力變壓器，空載時原繞組的漏阻抗壓降很小，其數(shù)值不超過U1的0.2%，可將其忽略，則式(3-6)變成

或U1=E1

在二次繞組中，由于，因此感應電動勢等于空載電壓，即

或U2=E2

3．變壓器的負載運行

變壓器一次繞組接額定交流電源，二次繞組接負載的運行方式稱為變壓器的負載運行，如圖3-7所示。圖3-7變壓器負載運行原理圖

1)負載運行情況

由前面分析可知，變壓器空載運行時，二次繞組上的電流及其產(chǎn)生的磁通為零，二次繞組電路對一次繞組電路沒有影響。在二次繞組接上負載以后，二次繞組便通過負載形成閉合回路，產(chǎn)生電流，并產(chǎn)生磁通勢，它也作用在變壓器的主磁路上，從而改變原來的磁通勢平衡。這時一次繞組中的電流由增加為，以抵消二次繞組電流產(chǎn)生的磁通勢的影響。由此可知，磁通勢平衡方程為

為空載時次繞組中的電流)(3-8)

將式(3-8)化簡后為

(3-9)通常變壓器空載運行時很小，因此由式(3-9)可以得到

(3-10)

式(3-10)表明，和在相位上相差180°，其大小為

(3-11)結合式(3-5)，可以得到

(3-12)

式(3-12)是變壓器最基本的公式。由式(3-12)可知，變壓器的高壓繞組匝數(shù)多，而通過的電流小，因此繞組所用的導線細;低壓繞組匝數(shù)少，通過的電流大，所用的導線較粗。

2)電動勢平衡方程

變壓器負載運行時，一次繞組的電動勢平衡方程為

(3-13)

式中，Zσ1=r1+jXσ1為一次繞組中的漏阻抗；r1、Xσ1分別為一次繞組中的電阻和漏電抗。同樣，二次繞組中也有電阻r2存在，同時二次繞組中也存在漏磁通Φσ2，如圖3-7所示。故二次繞組中的電動勢平衡方程為

(3-14)

式中，Zσ2=r2+jXσ2為二次繞組中的漏阻抗；r2、Xσ2分別為二次繞組中的電阻和漏電抗。

4．變壓器的阻抗變換

變壓器除了以上介紹的變電壓、變電流的作用外，還具有阻抗變換作用，如圖3-8所示。圖3-8變壓器的阻抗變換(a)等效前電路;(b)等效后電路在變壓器的二次繞組接有阻抗為ZL的負載后，如果一、二次繞組的漏阻抗可以忽略不計，則

(3-15)

式中，相當于直接在一次繞組上的等效阻抗，故

(3-16)

可見，負載通過變壓器接電源時，相當于阻抗增加到ZL的K2倍。在電子技術中，經(jīng)常利用變壓器這一阻抗變換作用來實現(xiàn)“阻抗匹配”。

例3-2

一只電阻為8Ω的揚聲器，需要把電阻提高到800Ω才可以接到半導體收音機的輸出端，問利用電壓比為多大的變壓器才能實現(xiàn)這一阻抗匹配?

解由式(3-16)得

3.1.3變壓器的損耗和效率

1．變壓器的損耗

1)鐵損耗

當鐵芯中的磁通交變時，在鐵芯中要產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗，這兩項統(tǒng)稱為鐵損耗。磁滯損耗是磁性物質(zhì)被交變磁化時要損耗的能量。渦流損耗是在交變磁場的作用下，鐵芯中產(chǎn)生感應電動勢，從而在垂直磁通方向的鐵芯平面內(nèi)產(chǎn)生旋渦狀的感應電流，由此產(chǎn)生的功率損耗。當電源的電壓一定時，鐵損耗基本上是恒定的，因此也可以將鐵損耗稱為不變損耗，它與負載電流的大小和性質(zhì)無關。

2)銅損耗

變壓器中一、二次繞組中都有一定的電阻，當電流流過繞組時，就要發(fā)熱并產(chǎn)生損耗，這種損耗就是銅損耗。變壓器銅損耗取決于負載電流的大小和繞組的電阻值。

在一定的負載下，變壓器的銅損耗為

(3-17)一般情況下，已知變壓器的負載系數(shù)為β，它是任意負載下副繞組的電流I2與副繞組的額定電流I2N的比值，即

(3-18)

在短路試驗中，副繞組流過額定電流I2N，原繞組流過額定電流I1N，那么這時的銅損耗可以認為是變壓器額定負載時的銅損耗，即額定銅損耗：

(3-19)由式(3-17)和式(3-19)，可得

(3-20)

這說明，在某一負載下變壓器的銅損耗等于變壓器負載系數(shù)的平方與其額定銅損耗的乘積。

2．變壓器的效率

變壓器在工作時存在兩種基本損耗，即銅損耗和鐵損耗，因此變壓器的輸入功率P1大于輸出功率P2，它們兩者之差就是變壓器的功率損耗。我們將輸出功率P2和輸入功率

P1的比值定義為變壓器的效率：

(3-21)對于單相變壓器，有

P2=U2I2cosφ2=U2NI2Nβcosφ2=βSNcosφ2

(3-22)

式中，U2=U2N；SN=U2NI2N是變壓器的容量。將銅損耗及鐵損耗和式(3-22)代入式(3-21)可得(3-23)這是一個很實用的公式。一個實際的變壓器PFe和PCu是一定的。由空載試驗和短路試驗可以測出，當負載的功率因數(shù)一定時，效率η只與負載系數(shù)β有關，即η=f(β)，這個曲線稱為變壓器的效率曲線，如圖3-9所示。圖3-9變壓器的效率曲線可以證明，當變壓器的銅損耗等于鐵損耗時，變壓器的效率最高。中、小型變壓器的效率在95％以上，大型變壓器的效率可達99％以上。通常變壓器的最高效率位于β=0.5～0.6之間，即

(3-24)

例3-3

一臺三相變壓器，SN=100kV·A，P0=600W，PCuN=2400W，試計算：

(1)cosφ2=0.8且額定負載時的效率ηN；

(2)最高效率時的負載系數(shù)βm和最高效率ηmax。

解

(1)β=1時，得

(2)3.1.4變壓器的空載試驗和短路試驗

1．變壓器的空載試驗

變壓器的空載試驗是變壓器的基本試驗之一，其目的是測量變壓器在空載運行時的變比、空載電流、空載損耗功率和勵磁阻抗等，其試驗線路如圖3-10所示。圖3-10變壓器的空載試驗電路

1)測變比

在變壓器的空載試驗中，將變壓器的高壓側(cè)接電壓表，試驗時調(diào)節(jié)變壓器使低壓側(cè)達到額定電壓U2N，這時高壓側(cè)的空載電壓也是額定值，即U1N=U10，則變比為

(3-25)

2)測空載電流和空載損耗

在變壓器的空載試驗中，調(diào)節(jié)變壓器，使低壓側(cè)電壓達到額定值U2N，則安培表所測電流即為空載電流I20。由于高壓側(cè)開路，沒有電流流過，所以沒有銅損耗；低壓側(cè)電流I20也很小，銅損耗可以忽略不計，因此低壓側(cè)的輸入功率P0就是變壓器的鐵芯損耗PFe(即變壓器的空載損耗)：

P0=PFe

(3-26)

P0越小，說明變壓器的鐵芯和繞組的質(zhì)量越好。

3)測勵磁阻抗

在空載試驗中，根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以求出勵磁阻抗或空載阻抗

(3-27)

4)測勵磁電阻

在空載試驗中，根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以求出勵磁電阻抗

(3-28)

2．變壓器的短路試驗

變壓器的短路試驗其目的是測出變壓器的銅損耗PCu、短路電壓USC、短路阻抗ZSC等數(shù)據(jù)。短路試驗電路如圖3-11所示。短路試驗可在任意一側(cè)加壓進行，但因短路電流較大，因此一般在高壓側(cè)加電壓，低壓側(cè)短接。圖3-11變壓器的短路試驗電路

1)銅損耗

短路試驗是在低壓側(cè)短接的條件下運行的。首先調(diào)節(jié)調(diào)壓變壓器，使所加電壓逐漸升高，直到高壓側(cè)電流達到額定值為止，這時功率表的讀數(shù)就是短路試驗的銅損耗：

PCu=PSC(3-29)

因為在短路試驗中，低壓側(cè)短接，不對外輸出功率，高壓側(cè)達到額定電流時所需的電壓很小，磁通很少，故鐵損耗可以忽略不計，變壓器的全部輸入功率都消耗在一、二次繞組的電阻上，近似認為短路功率就等于一、二次繞組的銅損耗。

2)短路電壓

短路試驗中，使高壓側(cè)電流等于額定電流時的電壓稱為短路電壓，用USC表示。此時電壓表的讀數(shù)就是短路電壓。短路電壓約為額定電壓的百分之幾。一般電力變壓器的短路電壓只有額定電壓的5%～10%。

3)短路阻抗

在短路試驗中，由電流表的讀數(shù)ISC和電壓表的讀數(shù)USC來確定短路阻抗：

(3-30)

4)短路電阻

在短路試驗中，一次繞組的電阻為r1，銅損耗為；二次繞組的電阻為r2，銅損耗為。因此短路電阻rSC為

(3-31)短路電阻的數(shù)值隨溫度的變化而變化，試驗所得的電阻值常常換算成工作溫度時的數(shù)值。一般油浸式變壓器的工作溫度為75℃，換算公式為

(3-32)

式中，θ為試驗時的室溫。3.1.5變壓器的銘牌

為了使變壓器安全、經(jīng)濟、合理地運行，在每臺變壓器上都安裝有一塊銘牌，上面標明了變壓器的型號及各種額定數(shù)據(jù)，作為正確使用變壓器的依據(jù)。

圖3-12所示的電力變壓器是配電站用的降壓變壓器。該變壓器將10kV的高壓降為400V的低壓，供三相負載使用。銘牌中的參數(shù)說明如下所述。圖3-12電力變壓器銘牌

1.產(chǎn)品型號

2．額定容量SN

額定容量是指變壓器在額定工作狀態(tài)下二次繞組的視在功率，其單位為kV·A。對于單相變壓器而言，額定容量即變壓器二次繞組的額定電壓U2N與額定電流I2N的乘積：

(3-33)

三相變壓器的額定容量為

(3-34)

3．額定電壓U1N和U2N

額定電壓U1N是指變壓器在額定運行情況下，加在一次繞組上的正常工作電壓。它是根據(jù)變壓器絕緣等級和允許溫升等條件規(guī)定的。額定電壓U2N是指在一次繞組上加額定電壓后，二次繞組空載時的電壓值。

4．短路電壓UD

短路電壓也稱阻抗電壓，即一個繞組短路、另一個繞組流過額定電流時的電壓值，可以在變壓器短路試驗中測得，通常用額定電壓U1N的百分比表示。

5．額定電流I1N和I2N

額定電流是指變壓器允許長期通過的電流，它是根據(jù)變壓器發(fā)熱的條件而規(guī)定的滿載電流值。

6．連接組標號

連接組標號是指三相變壓器一、二次繞組的連接方式。Y指高壓繞組作星形連接，y指低壓繞組作星形連接，D指高壓繞組作三角形連接，d指低壓繞組作三角形連接，N指高壓繞組作星形連接時的中性線，n指低壓繞組作星形連接時的中性線。

例3-4

一臺單相變壓器額定容量SN=180kV·A，一、二次繞組的額定電壓U1N/U2N=6000/220V，一、二次繞組的額定電流I1N、I2N各為多大？這臺變壓器的二次繞組能否接入150kW、功率因數(shù)為0.75的感性負載？

解一次繞組的電流是

二次繞組的電流是

150kW的感性負載流過的電流為

由于I2>I2N，所以不能接入。3.2.1三相變壓器的磁路結構

1．三相變壓器組的磁路

三相變壓器可以由三臺單相變壓器組成，稱為三相變壓器組。這種變壓器組的各相磁路是相互獨立、彼此無關的。當原繞組上加三相交流電壓時，三相繞組的主磁通、

、也是對稱的。

按需要可以將一次繞組及二次繞組分別接成星形或三角形連接。圖3-13所示為一、二次繞組均為星形連接的三相變壓器組。3.2三相變壓器圖3-13三相變壓器組

2．三相心式變壓器的磁路

三相變壓器的另一種結構形式是把三個單相變壓器分成一個三鐵芯柱的結構形式，稱為三相心式變壓器。如圖

3-14(a)所示，當繞組流過三相交流電時，通過中間鐵芯柱的磁通是U、V、W三個鐵芯柱磁通量的總和。當外電壓對稱時，，因此中間的鐵芯柱可以省去，變成了如圖3-14(b)所示的形式。為了進一步節(jié)省材料，可以將三相鐵芯布置在同一平面內(nèi)，即演變成常用的三相心式變壓器鐵芯。常用三相心式變壓器鐵芯結構如圖3-14(c)所示，兩邊兩相磁路的磁阻比中間相的大。當外加的電壓對稱時，各相磁通相等，但空載電流不等，中間相空載電流較小。圖3-14三相心式變壓器磁路(a)有中間鐵芯柱;(b)無中間鐵芯柱;(c)常用的三相心式變壓器鐵芯3.2.2變壓器的繞組極性

1．單相變壓器繞組的極性

因為變壓器的一、二次繞組在同一個鐵芯上，因此都被磁通Φ交鏈。當磁通變化時，在兩個繞組中的感應電動勢也有一定的方向性。當一次繞組的某一端點瞬時電位為正時，二次繞組也必有一電位為正的對應點，這兩個對應的端點稱為同極性端或同名端，用符號“·”表示。

對兩個繞向已知的繞組，我們可以從電流的流向和它們所產(chǎn)生的磁通方向判斷其同名端。如圖3-15(a)所示，已知一、二次繞組的方向，當電流從1端和3端流入時，它們所產(chǎn)生的磁通方向相同，因此1、3端為同名端，同樣，2、4端也為同名端。同理可以知道，圖3-15(b)中1、4端為同名端。圖3-15變壓器的同名端

2．單相變壓器繞組極性的判別

大部分情況下，我們并不知道變壓器繞組的方向，因此同名端不可能通過觀察分析知道，而只能通過試驗的方法得到。

(1)交流法。如圖3-16所示，將一、二次繞組各取一個接線端連接在一起，如圖中2端和4端，并在N2N1繞組上加上適當?shù)慕涣麟妘12，再用交流電壓表測量u12、u13、u34各值。如果測量結果為u13=u12－u34，則1、3端為同名端；如果u13=u12+u34，則1、4端為同名端。圖3-16測定同名端的交流法

(2)直流法。將1.5V或3V的直流電源，按圖3-17所示電路連接。直流電源接在高壓繞組上，靈敏電流計接在低壓繞組兩端，正接線柱接3端，負接線柱接4端。在開關合上的一瞬間，如果電流計指針向右偏轉(zhuǎn)，則1、3端為同名端；如果電流計指針向左偏轉(zhuǎn)，則1、4端為同名端。因為一般靈敏電流從“+”接線柱流入時，指針向右偏轉(zhuǎn)，從“－”接線柱流入時，指針向左偏轉(zhuǎn)。圖3-17測定同名端的直流法3.2.3三相變壓器繞組的連接

三相電力變壓器高、低壓繞組的出線端都分別作了標記，其首、末端如表3-1所示。表3-1電力變壓器首、末端的標記一般三相電力變壓器中不論是高壓繞組，還是低壓繞組，均采用星形連接和三角形連接兩種方式。在舊的國家標準中分別用Y和△表示。新的國家標準規(guī)定：高壓繞組星形連接用Y表示，三角形連接用D表示，中性線用N表示，低壓繞組星形連接用y表示，三角形連接用d表示，中性線用n表示。

星形連接將三相繞組的末端U2、V2、W2(或u2、v2、w2)連接在一起，構成中性點N，而將它們的首端U1、V1、W1(或u1、v1、w1)用導線引出，接到三相電源上，如圖

3-18(a)所示。圖3-18三相繞組的連接方法(a)星形連接;(b)三角形連接(逆序);(c)三角形連接(順序)三角形連接把一相的末端和另一相的首端連接起來，形成一個閉合回路。它有兩種連接方式：一種是如圖3-18(b)所示的逆序方式，另一種是如圖3-18(c)所示的順序方式。在對稱的三相系統(tǒng)中，當繞組為星形接法(Y，y)時，線電流和相電流相等，而線電壓是相電壓的倍；當繞組為三角形接法(D，d)時，線電壓和相電壓相等，而線電流為相電流的倍。三相變壓器的連接組(即高、低壓繞組)的不同接法組合有：(Y，y)、(YN，d)、(Y，d)、(Y，yn)、(D，y)、(D，d)等。其中，最常用的有三種，即(Y，yn)、(YN，d)

和(Y，d)。不同的組合形式，各有優(yōu)、缺點。一般大容量的變壓器采用(Y，d)或(YN，d)連接，而容量不太大且需要中性線的變壓器，則廣泛采用(Y，yn)連接。3.2.4三相變壓器的并聯(lián)運行

三相變壓器的并聯(lián)運行是指將兩臺或多臺變壓器高、低壓繞組分別接在公共母線上，同時向負載供電的運行方式，如圖3-19所示。圖3-19變壓器的并聯(lián)運行并聯(lián)運行的優(yōu)點是：可提高供電的可靠性，當某臺變壓器發(fā)生故障或需要檢修時，可以將它從電網(wǎng)中切除，啟用備用的變壓器，以便連續(xù)供電；可提高變壓器的運行效率，根據(jù)負載的變化情況，調(diào)整投入并聯(lián)運行的變壓器臺數(shù)；可減少初期投資，隨著用電量的增加分批次地安裝新的變壓器。

當然，并聯(lián)變壓器的臺數(shù)也不宜太多。在總?cè)萘肯嗤那闆r下，并聯(lián)運行變壓器的臺數(shù)太多也不經(jīng)濟，因為一臺大容量變壓器的造價、基建投資、占地面積都比多臺的少。變壓器并聯(lián)運行的理想情況是：

(1)空載運行時，各變壓器繞組之間無環(huán)流。

(2)負載時，各變壓器所分擔的負載電流與其容量成正比，使每臺的容量得到充分發(fā)揮。

(3)帶上負載后，各變壓器分擔的電流與總的負載電流同相位，當總的負載電流一定時，各變壓器所負擔的電流最小。為了使并聯(lián)的多臺變壓器能夠安全可靠地運行，各并聯(lián)運行的變壓器必須滿足以下條件：

(1)一、二次繞組的額定電壓分別相等，即各變壓器的變比相等。

(2)各變壓器的連接組別相同。

(3)短路阻抗(即短路電壓)的標幺值應相等。

上述三個條件中，并聯(lián)變壓器變比允許有微小差別，實用中變壓器變比相差一般不宜超過0.5%。短路電壓可以有較小差別，一般短路電壓相差不超過10%。連接組別必須保證相同。如果連接組別不同的變壓器的一次繞組接到同一電源上，其二次繞組的線電壓相位不同，則在變壓器內(nèi)部會造成較大的環(huán)流，可能燒壞變壓器。

1．變比不等時的并聯(lián)運行

設兩臺同容量的變壓器T1和T2，連接組別相同，短路阻抗標幺值相等，但變比不同，并聯(lián)運行，如圖3-20(a)所示(由于三相對稱，因此圖中僅畫出其中一相)。

其一次繞組接在同一電源U1下，由于變比不同，二次繞組的電動勢也有些差別，若K2略大于K1，則E1>E2，電動勢差值會在二次繞組之間形成環(huán)流，這個電流稱為平衡電流，其值與兩臺變壓器的短路阻抗ZS1和ZS2有關，等效電路如圖3-20(b)所示，則

圖3-20變比不等的變壓器并聯(lián)運行(a)變比不等的變壓器連接圖;(b)變比不等的變壓器等效電路由于變壓器的短路阻抗一般較小，因此不大的ΔE也會產(chǎn)生很大的平衡電流。平衡電流對變壓器的并聯(lián)運行是不利的。空載時平衡電流通過二次繞組，增大了空載損耗。平衡電流越大，空載損耗越大。有負載時，由于存在平衡電流，因此若負載電流達到兩臺額定值之和，則二次繞組電動勢高的那臺變壓器輸出電流增大，另一臺輸入電流減小，從而使二次繞組電動勢高的輸出電流超過其額定值而過載，而另一臺處于低負載運行。因此在有關變壓器的標準中規(guī)定，并聯(lián)運行的變壓器，其變比誤差不允許超過±0.5%，計算公式為

(3-36)

2．連接組別不同時變壓器的并聯(lián)運行

如果兩臺變壓器的變比和短路阻抗均相等，但連接組別不同，則其并聯(lián)運行的后果是十分嚴重的。圖3-21中，(Y，y0)和(Y，d11)兩臺變壓器并聯(lián)運行，二次繞組的線電壓

大小相同，但由于組別不同，二次繞組線電壓之間的相位相差至少為30°，則會在它們中間產(chǎn)生電壓差，其大小為

ΔU2=2U2Nsin15°=0.518U2N(3-37)圖3-21(Y，y0)和(y，d11)兩臺變壓器

并聯(lián)運行時的電壓差

3．短路阻抗(短路電壓)的標幺值不等時變壓器的并聯(lián)運行

兩臺變壓器容量相同，連接組別相同，變比相等，但短路阻抗有些差別，設ZS1>ZS2，其并聯(lián)運行的簡化等效電路如圖3-22所示。當兩臺變壓器一次繞組接在同一電源下，變壓器的變比及連接組別相同，短路阻抗不同，空載時二次繞組的感應電動勢及輸出電壓均應相等。圖3-22短路阻抗不等時變壓器

并聯(lián)運行簡化等效電路圖

但在變壓器負載運行時，由于短路阻抗不等，因此外特性就不同。由圖3-22可知，。這表明短路阻抗不相等變壓器并聯(lián)運行時，負載電流的分配與各臺變壓器的短路阻抗成反比，即短路阻抗小的變壓器輸出的電流大，短路阻抗大的輸出電流較小，從而造成容量小的變壓器可能過載，容量大的變壓器得不到充分利用。因此，國家標準規(guī)定：并聯(lián)運行的變壓器其短路阻抗相差不應超過10%。

變壓器的并聯(lián)運行還存在一個容量問題。容量的差別越大，短路阻抗的差別也越大，因此要求并聯(lián)運行的變壓器最大容量和最小容量的比值不能超過3∶1。

例3-5

有兩臺變壓器并聯(lián)運行，它們的額定電流分別為I2NA=80A，I2NB=40A，它們的短路阻抗ZS1=ZS2=0.2Ω，總負載電流I=120A，求各臺變壓器的實際負載電流。

解根據(jù)公式：

ZS1IA=ZS2IB

得

即IA=IB

因為總電流

I=IA+IB=2IA=2IB

故變壓器A輕載，而變壓器B過載。3.3.1儀用互感器

1．電流互感器

電流互感器的結構、工作原理同單相變壓器相似。它由鐵芯和一、二次繞組兩個主要部分組成。一次繞組的匝數(shù)較少，一般只有一匝到幾匝，用粗導線繞制而成，使用時串聯(lián)在被測電路中，流過被測電流；二次繞組匝數(shù)很多，用較細的導線繞制而成，一般接電流表或功率表的電流線圈，它的阻抗很小，負載近似為零。3.3特殊變壓器圖3-23電流互感器的原理圖圖3-23所示為電流互感器的原理圖。根據(jù)變壓器的電流比公式I1N1=I2N2可知：

其中，Ki稱為電流互感器的額定電流比，標在電流互感器的銘牌上。在電流互感器中，二次繞組電流與電流比的乘積等于一次繞組電流(即被

測電流)。例如，若電流表的讀數(shù)為4A，電流比為40/5，則被測電流為。在實際應用中，與電流互感器配套使用的電流表中的電流已換算成一次繞組的電流，可以直接讀出測量數(shù)據(jù)，不必再進行換算。(3-38)圖3-24電流互感器的符號電流互感器一次繞組的額定電流可設計在0～15000A之間或10～25000A之間，而電流互感器二次繞組的額定電流通常采用5A。其符號如圖3-24所示。

實際上，由于勵磁電流和漏阻抗的影響，電流互感器也存在著誤差，其相對誤差為

為了減少誤差，電流互感器的鐵芯采用高導磁性能的材料制成，而且要求二次繞組所接儀表的總阻抗不大于規(guī)定的阻抗。根據(jù)誤差大小，電流互感器分為0.2、0.5、1.0、3.0和10.0五個等級。級數(shù)越大，誤差也越大。(3-39)使用電流互感器時必須注意：

(1)使用過程中電流互感器二次繞組絕對不能開路。因為二次繞組開路時，互感器處于空載運行狀態(tài)，此時一次繞組中流過的被測電流全部為勵磁電流，使鐵芯中的磁通急劇增大，造成鐵芯過熱，燒壞繞組。同時二次繞組匝數(shù)多，將感應出很高的電壓，危及測量人員和設備的安全。所以在電流互感器工作時，檢修或拆裝電流表或功率表的電流線圈，應先將二次繞組短路。

(2)電流互感器的鐵芯和二次繞組應可靠接地，以防止絕緣擊穿后，高電壓危及人員和設備的安全。

(3)二次繞組回路阻抗不應超過規(guī)定值，以免增加誤差。圖3-25電壓互感器的工作原理

2．電壓互感器

電壓互感器的結構和工作原理與單相變壓器相同。它實質(zhì)上就是一個降壓變壓器，是由鐵芯和一、二次繞組兩個主要部分組成的。一次繞組匝數(shù)多，并聯(lián)在被測電路中；二次繞組匝數(shù)少，接在高阻抗的儀表上，如接在電壓表、功率表或電度表的電壓線圈上。因此二次繞組的電流很小，正常運行時，近似空載運行。圖3-25所示為電壓互感器的工作原理，根據(jù)變壓器的電壓比公式

可知

U1=KuU2(3-40)

其中，Ku是電壓互感器的變換系數(shù)，也稱電壓互感器的變換倍率。Ku一般標在電壓互感器的銘牌上，只要讀出二次繞組的電壓，一次繞組的電壓可以由式(3-40)求出。在實際應用中，與電壓互感器配套使用的電壓表中的電壓已換算成一次繞組的電壓，可以直接讀出測量數(shù)據(jù)，不必再進行換算。一般電壓互感器二次繞組的額定電壓為100V。常用的電壓互感器變比有3000/100、6000/100等。電壓互感器有干式、油浸式、澆注絕緣式等，其符號如圖3-26所示。圖3-26電壓互感器的符號

由于勵磁電流和漏阻抗的存在，電壓互感器存在著誤差。為了減小誤差，應盡量減小空載電流和一、二次繞組的漏抗，以得到準確的變比。根據(jù)誤差大小，電壓互感器可分為0.2、0.5、1.0、3.0等四級，級數(shù)越大，誤差也越大。

使用電壓互感器時應注意以下事項：

(1)電壓互感器運行時，二次繞組絕不允許短路，否則將產(chǎn)生很大的短路電流，導致互感器燒壞。

(2)為了保證設備和人員的安全，電壓互感器的鐵芯和二次繞組必須可靠接地。

(3)電壓互感器有一定的額定容量，二次繞組回路不宜接入過多儀表，以免影響測量精度。

例3-6

用變壓比為10000/100的電壓互感器，變流比為100/5的電流互感器擴大量程，其電流表讀數(shù)為2.5A，電壓表讀數(shù)為90V，試求被測電路的電流、電壓各為多少。

解由式(3-38)知：

由式(3-40)知：

即被測電路的電流為50A，電壓為9000V。3.3.2自耦變壓器

1．自耦變壓器的結構

自耦變壓器是單繞組變壓器，一、二次繞組共用一個線圈，繞在閉合的鐵芯上，二次繞組是一次繞組的一部分。按輸出電壓是否可以調(diào)節(jié)，自耦變壓器又可分為可調(diào)式和固定式兩種。自耦變壓器的工作原理如圖3-27所示。自耦變壓器的一、二次繞組之間除了有磁的耦合外，還有電的直接聯(lián)系。自耦變壓器可以節(jié)省銅和鐵的消耗量，從而減小變壓器的體積、重量，降低制造成本。若自耦變壓器的抽頭做成可滑動觸點，則可以構成一個電壓可調(diào)的自耦變壓器，通常也叫自耦調(diào)壓器，其電路原理如圖3-28所示。它的鐵芯做成圓環(huán)形，將繞組均勻地繞在上面，滑動接觸點一般用碳刷構成。觸頭與手柄相連，可以根據(jù)需要旋轉(zhuǎn)手柄以改變輸出電壓。例如，試驗室中常用的單相調(diào)壓器，一次繞組輸入電壓U1=220V，二次繞組輸出電壓U2=0～250V。自耦調(diào)壓器在接電源之前，必須把手柄轉(zhuǎn)到零位，使輸出電壓為零，以后慢慢順時針轉(zhuǎn)動手柄，使輸出電壓逐步上升。圖3-27自耦變壓器的工作原理圖3-28自耦調(diào)壓器電路原理

2．自耦變壓器的原理

自耦變壓器也是利用電磁感應原理工作的。如圖3-27所示，當一次繞組兩端加電壓U1時，鐵芯中產(chǎn)生交變磁通，并分別在一次繞組及二次繞組中產(chǎn)生感應電動勢及，有如下關系：

自耦變壓器的變比K為

(3-41)

負載時，假定一次繞組電流為，負載電流為，則二次繞組的電流。有磁勢平衡關系

(3-42)因為空載電流I0很小，可以忽略，即I0=0，所以有

(3-43)

將代入式(3-43)得

(3-44)即式(3-44)說明自耦變壓器一、二次繞組中的電流大小與匝數(shù)成反比，且在相位上互差180°。因此流經(jīng)公共繞組中的電流I的大小為一、二次繞組的電流之差，即I=I2－I1。

當變比K接近于1時，公共部分的電流很小，因此這部分可以用較細的導線繞成，以減小變壓器的體積和重量。

自耦變壓器輸出的視在功率為

S2=U2I2由于I=I2－I1，因此有

S2=U2(I+I1)=U2I+U2I1

(3-45)

從式(3-45)可以看出，自耦變壓器的輸出功率由兩部分組成：U2I部分是依據(jù)電磁感應原理從一次繞組傳遞到二次繞組的視在功率，稱為電磁功率;U2I1則是通過電路聯(lián)系從一次繞組直接傳遞到二次繞組的視在功率，稱為傳導功率，傳遞這部分功率不需增加繞組容量，這就是自耦變壓器繞組容量小于其額定容量的原因。

例3-7

在一臺容量為15kV·A的自耦變壓器中，已知U1=220V，N1=330匝，

(1)如果要使輸出電壓U1=209V，那么應該在繞組的什么地方抽出線頭？滿負載時，I1、I2各為多少安培？繞組公共部分的電流為多少安培？

(2)如果輸出電壓U2=110V，那么公共部分電流又為多少安培？

解

(1)由公式可知：

即從公共點開始數(shù)313匝處開始抽頭。由于自耦變壓器的效率高，可忽略損耗，認為

S=U2I2=U1I1

因此滿載時的電流為

繞組公共部分的電流為

I=I2－I1=71.8－68.2=3.6A

(2)如果輸出電壓U2=110V，則

3．自耦變壓器的特點

(1)單位容量消耗的材料少，變壓器體積小。由于損耗小，因而效率高，特別是K越接近于1，其優(yōu)點越突出。因此電力系統(tǒng)中使用的自耦變壓器，其變比一般為1.2~2.0。(2)由于一、二次繞組之間有電的聯(lián)系，因此要加強變壓器內(nèi)部絕緣與過電壓保護措施。3.3.3電焊變壓器

電焊變壓器實質(zhì)上是一臺特殊的降壓變壓器。它因結構簡單，成本低廉，容易制造和維護方便而被廣泛采用。

電弧焊是靠電弧放電的熱量來熔化金屬的。電焊變壓器空載時應有一定的空載電壓，通常U0=60～75V，最高不宜超過85V；負載時電壓降至30～35V；短路(即焊條碰上工件)時電流ISC也不應過大。為了滿足不同焊接要求，焊接電流應在較大范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。為了滿足上述條件，電焊變壓器必須具有較大的漏抗，而且可以進行調(diào)節(jié)。因此，電焊變壓器具有鐵芯氣隙比較大，一、二次繞組分裝在不同的鐵芯柱上的特點。圖3-29所示為電焊變壓器的外特性曲線。其中，U0為空載電壓，ISC為短路電流，IN、UN為曲線上任意一點的焊接電流與電壓。從圖中可以看出，電壓隨電流的增大而急劇下降，即有陡降的外特性。

工業(yè)上使用的交流弧焊機的類型很多，如可動鐵芯式、可動線圈式和綜合式等，都是依據(jù)上述要求制造的。圖3-29電焊變壓器的外特性曲線下面我們以磁分路電焊變壓器為例，簡述其基本原理。如圖3-30所示，變壓器有三只鐵芯柱，兩邊是主鐵芯，中間是動鐵芯(即磁分路鐵芯)。變壓器的一次繞組繞在一個主鐵芯柱上；二次繞組分為兩部分，一部分繞在一次繞組的外層，另一部分繞在另一鐵芯柱上。動鐵芯裝在固定鐵芯中間的螺桿上，螺桿轉(zhuǎn)動時，活動鐵芯就沿著螺桿在固定鐵芯中間移動，從而方便地改變變壓器的漏抗。當鐵芯處于全部推進位置時，漏磁通增多，輸出電壓隨輸出電流下降較快；當鐵芯處于全部抽出位置時，漏磁通減少，輸出電壓隨輸出電流的增大而下降較慢。這樣調(diào)節(jié)鐵芯的位置就可以獲得滿意的外特性曲線。焊接電流的粗調(diào)是靠變換二次繞組接線板上的連接片來實現(xiàn)的，即改變二次繞組的匝數(shù)；焊接電流的細調(diào)節(jié)則是通過調(diào)整動鐵芯的位置從而改變漏抗來實現(xiàn)的。圖3-30磁分路電焊變壓器的鐵芯及繞組電磁鐵是利用通電的鐵芯線圈所產(chǎn)生的電磁力來吸引鐵磁物質(zhì)——銜鐵的一種電器。銜鐵的動作可使其他機械裝置發(fā)生聯(lián)動。當電源斷開時，電磁鐵的磁性隨即消失，銜鐵或其他零件被釋放。

由于電磁鐵具有動作迅速、靈敏、容易控制等優(yōu)點，因此在生產(chǎn)上應用極為普遍。在自動化、半自動化裝置中，常用它來實現(xiàn)各種控制、保護作用。3.4電磁鐵電磁鐵在電氣控制系統(tǒng)中是執(zhí)行元件。在自動電器中廣泛應用它的電磁力來牽引或操縱某種機械裝置，如啟閉液壓或氣壓系統(tǒng)的電磁閥門，帶動自動電器觸頭的閉合或分斷，對轉(zhuǎn)軸抱閘制動等。它還應用在吸持工件或鋼鐵材料中。

電磁鐵的結構形式多種多樣，圖3-31所示的是常見的幾種形式。它們都是由線圈、鐵芯和銜鐵三個主要部分組成的。線圈通入電流產(chǎn)生磁場，因為線圈被稱為勵磁線圈，所以通入的電流被稱為勵磁電流。鐵芯通常是固定不動的，而銜鐵是活動的。在線圈通電后，銜鐵即被吸向鐵芯。圖3-31電磁鐵的形式3.4.1直流電磁鐵

直流電磁鐵的勵磁電流是大小和方向不隨時間變化的恒穩(wěn)電流，因而，在一定的空氣隙下，它所產(chǎn)生的磁通也是大小和方向都不隨時間變化的恒穩(wěn)磁通。直流電磁鐵的鐵芯用整塊的鑄鋼、軟鋼制成，為了加工方便，套有線圈部分的鐵芯常被做成圓柱形，線圈也繞成圓形。

線圈通電后，銜鐵將受到電磁吸力的作用。因此電磁吸力是電磁鐵的主要參數(shù)之一，那么這個電磁吸力有多大？與哪些因素有關呢？電磁鐵電磁吸力的大小與兩個磁極的磁性強弱有關，而每個磁極的磁性強弱則和磁極間的磁感應強度成正比，因此，銜鐵所受到的吸力F的大小和磁極間的磁感應強度B的平方成正比。另外，在B為定值的情況下，電磁力還與磁極的截面積S成正比，所以F∝B2S。經(jīng)過計算，作用在銜鐵上的電磁吸力為

(3-46)

式中，F(xiàn)的單位為N，B的單位為T，S的單位是m2。

直流電磁鐵的吸力F與空氣隙的關系，即F=f1(δ)，以及電磁鐵的勵磁電流I與空氣隙的關系，即I=f2(δ)，稱為直流電磁鐵的工作特性，如圖3-32所示。

圖3-32直流電磁鐵的工作特性

由圖3-32可以看出，直流電磁鐵的勵磁電流I的大小與空氣隙無關，即與銜鐵的運動過程無關。這是因為勵磁電流I僅取決于線圈的電阻R及加在線圈上的電壓U。

作用在銜鐵上的吸力F與空氣隙有關，即與銜鐵的位置有關。當電磁鐵剛啟動時，銜鐵與鐵芯之間的空氣隙最大，此時磁路中磁阻最大，因磁動勢不變，磁通小，Φ=IN／

(Rm氣+Rm鐵)，磁感應強度亦小，故吸力最??；當銜鐵完全吸合后，δ=0，Rm氣=0，磁路中磁阻最小，此時吸力最大。電磁鐵的主要技術數(shù)據(jù)如下：

(1)額定行程δN：指剛啟動時銜鐵與鐵芯之間的距離。

(2)額定吸力FN：指銜鐵處在額定行程時受到的吸力。(3)額定電壓UN：指勵磁線圈上規(guī)定應加的電壓值。

例如，型號為MFJ1—2.5的直流電磁鐵，其FN=2.5kg，δN=5mm，UN=24V或110V。型號中，M表示電磁鐵，F(xiàn)表示閥用，J表示直流，數(shù)字1表示設計序號。3.4.2交流電磁鐵

1.交流電磁鐵的電磁吸力

交流電磁鐵由于磁通是交變的，因此電磁吸力的大小是隨時間而變化的。

假設主磁通Φ=Φmsinωt，則磁感應強度為

B0=Bmsinωt由式(3-46)得電磁吸力的瞬時值為

式中：

(3-47)

是電磁吸力的最大值。我們在計算時只考慮電磁吸力的平均值。交流電磁鐵的吸力如圖3-33所示。

由式(3-47)及圖3-33可知，交流電磁鐵的電磁吸力是在零與最大值之間脈動的。圖3-33交流電磁鐵的吸力

2.交流電磁鐵的短路環(huán)

由于電磁鐵吸力是脈動的，使得銜鐵以兩倍電源頻率振動，這樣既會引起噪聲，又會使電器結構松散、壽命降低，且觸頭接觸不良容易被電弧火花熔焊和蝕損。因此，必須采取有效措施，使線圈在交流電變小或為零時，仍有一定的電磁吸引以消除銜鐵的振動。

為此，在磁極的部分端面上嵌入一個銅環(huán)——短路環(huán)或分磁環(huán)，如圖3-34所示。當磁極主磁通Φ2發(fā)生變化時，在短路環(huán)中產(chǎn)生的感應電流和磁通Φ1

阻礙Φ2的變化，使得在磁極兩部分中的磁通Φ2與Φ1之間產(chǎn)生一相位差，因此磁極各部分磁力就不會同時降為零，磁極總是具有一定的電磁吸引力，這就消除了銜鐵的振動和噪聲。圖3-34交流電磁鐵的短路環(huán)

3.交流電磁鐵的工作特性

交流電磁鐵的工作特性如圖3-35所示。

在直流電磁鐵中，勵磁電流僅與線圈電阻有關，不因氣隙的大小而變化。但在交流電磁鐵的吸合過程中，線圈中的電流(有效值)變化很大。因為其電流與線圈電阻有關，而主要的還是與線圈感抗有關。圖3-35交流電磁鐵的工作特性

交流電磁鐵剛啟動時，氣隙δN最大，磁阻Rm最大，由L=N2／Rm可知，這時的電感和感抗為最小，因而這時的電流為最大。在吸合過程中，隨著氣隙和磁阻的減小，線圈電感和感抗增大，因而電流逐漸減小。當銜鐵完全吸合后，電流為最小。

電磁鐵在啟動時線圈的電流為最大，這時的磁阻可增大到幾百倍，但是由于線圈的電流受到漏阻抗的限制，而不能增加相應的倍數(shù)。因此，電磁鐵啟動時磁動勢的增加小于磁阻的增加，于是磁通、磁感應強度減小，吸力減小。當銜鐵吸合后，磁阻減小較多，而磁動勢減小較少，于是磁通、磁感應強度增大，吸力增加。

例3-8U形交流電磁鐵勵磁線圈的額定電壓UN=380V，f=50Hz，匝數(shù)N=8650，鐵芯截面積S=2.5mm2，試估算電磁吸力的最大值和平均值。

解電磁鐵線圈與變壓器線圈相似，其感應電動勢的有效值由式(3-3)

E=4.44fNΦm

可知，由于勵磁線圈的電阻和漏電抗上的電壓降很小，因此忽略不計，則在數(shù)值上

U≈E=4.44fNΦm故主磁通的最大值近似為

空氣隙磁感應強度的最大值為

電磁吸力的最大值為

式中乘2是因為U形磁鐵有兩個磁極。

電磁吸力的平均值為

3.4.3專用電磁鐵簡介

電磁鐵應用很廣泛，以下簡單介紹在生產(chǎn)機械上常用的幾種專用電磁鐵。

1.電磁工作臺

電磁工作臺又稱電磁吸盤，主要用在磨床上，是利用電磁吸力吸持住鐵磁材料的工件。它吸持工件迅速，效率高，且一次能吸持多個工件；不會使工件變形或磨損，加工中會使工件發(fā)熱，可自由伸縮；能吸持一般機械夾具不便于夾緊的小而薄的工件。電磁工作臺的吸引力不如機械夾具的夾緊力大，而且不易調(diào)節(jié)，因此加工中應避免因電壓過低、吸力太小而產(chǎn)生事故。其結構如圖3-36所示。圖3-36電磁工作臺的結構示意圖電磁工作臺有長方形和圓形兩種，其磁極之間用鉛錫合金等非磁性材料制成的隔磁環(huán)隔開。

電磁工作臺的外形為一鋼質(zhì)箱體，箱內(nèi)裝有一排凸起的鐵芯，鐵芯上繞有勵磁線圈，上表面為鋼制面板。

當線圈通入直流電后，磁通穿過工件和箱壁而成為閉合回路，將工件吸牢。隔磁環(huán)使絕大部分磁通穿過工件，而不致通過面板從磁極直接回去，以免削弱對工件的吸力。切斷電源后，由于工件留有一些剩磁，而使其不易取下。要取下工件，必須退磁，即向線圈通以較短時間的反電源。電磁工作臺必須使用直流電，而不能使用交流電，這是因為交流電產(chǎn)生的磁通是交變的，在變小或為零時，工件會因吸力過小而振動，而且反復磁化會使工件發(fā)熱。

電磁工作臺的額定直流電壓有24V、40V、110V、220V等；吸力為20~130N/cm2；各個勵磁繞組一般為串聯(lián)，但也有并聯(lián)的情況；所耗功率一般為100~300W。

2.閥用電磁鐵

閥用電磁鐵用來操作各種液壓閥、氣壓閥以自動控制液壓、氣壓的分配。閥用電磁鐵的結構如圖3-37所示，它為螺管直動式電磁鐵，可制成交流和直流兩種。閥用電磁鐵的外部具有保護外殼，銜鐵本身沒有復位彈簧。線圈通電時，銜鐵被吸入線圈內(nèi)腔，經(jīng)推桿使閥心移動，改變液壓、氣壓的通道，這時閥體彈簧被壓縮；線圈斷電時，閥心、推桿及銜鐵靠閥體彈簧復位。

常用的閥用電磁鐵有MFZ1/MFJ1系列。其中，M表示電磁鐵，F(xiàn)表示閥用，Z表示直流，J表示交流。圖3-37閥用電磁鐵的結構圖

3.牽引電磁鐵

牽引電磁鐵用來牽引其他機械設備動作來實現(xiàn)自動控制。

圖3-38所示為MQ1型(M表示電磁鐵，Q表示牽引)交流牽引電磁鐵的結構。它一般具有裝甲螺管式結構，這種結構吸力特性較平坦，能在長行程中獲得較大的吸力。牽引電磁鐵有推動式和拖式兩種形式。圖3-38牽引電磁鐵的結構圖牽引電磁鐵由線圈、靜鐵芯、短路環(huán)、銜鐵組成。為了減少鐵損，鐵芯和銜鐵都用硅鋼片疊成。銜鐵沒有復位裝置，它與被控制的機械設備相連，依靠機械設備的回復而復位。

由于銜鐵是直線運動且啟動電流很大，因此有可能導致銜鐵被卡住，運動受阻，不能與靜鐵芯很好地吸合，時間一長，線圈會燒壞。

4.制動電磁鐵

制動電磁鐵是制動器的主要部件，用在電力拖動裝置中，對電動機或機械運動部件進行機械制動，以達到及時停止的目的，特別在電磁制動設備中，是必不可少的。以下介紹摩擦片式電磁制動器及電磁抱閘。

(1)摩擦片式電磁制動器。圖3-39所示為摩擦片式電磁制動器的結構圖。線圈通入直流電時，電磁吸力使銜鐵吸合而壓縮彈簧，摩擦片出于自由狀態(tài)互不接觸，電動機軸可自由轉(zhuǎn)動;線圈斷電后，電磁吸力消失，銜鐵在彈簧力作用下將摩擦片壓緊，依靠摩擦片的摩擦力將電動機軸制動。

制動器一般應比所控制的電動機先行通電，至少應同時通電，但必須同時斷電。圖3-39摩擦片式電磁制動器的結構圖

(2)電磁抱閘。制動電磁鐵與瓦式制動器配套，通常稱為電磁抱閘。圖3-40是其結構圖，圖3-41是其控制電路圖。圖3-40電磁抱閘的結構圖圖3-41電磁抱閘的控制電路電磁抱閘是應用普遍的制動裝置，它具有較大的制動力，能準確、及時地使制動的對象停止運動。特別在起重機械的提升機構中，