普通電路 (3)課件

模塊五磁路和變壓器項目一磁場的基本物理量1、磁感應(yīng)強度B磁感應(yīng)強度B是表示磁場內(nèi)某點的磁場強弱及方向的物理量。它是一個空間矢量，其方向與該點磁力線切線方向一致，與產(chǎn)生該磁場的電流之間的方向關(guān)系符合右螺旋法則，其大小可用B＝F/Il來衡量。若磁場內(nèi)各點的磁感應(yīng)強度大小相等、方向相同，則稱此磁場為均勻磁場。在國際單位制（SI）中，磁感應(yīng)強度的單位是（特斯拉T）。2、磁通Ф在均勻磁場中，磁感應(yīng)強度B（如果不是均勻磁場，則取B的平均值）與垂直于磁場方向的面積S的乘積，稱為通過該面積的磁通Ф，即由此可見，磁感應(yīng)強度BS上通過的磁通，故磁感應(yīng)強度又稱為磁通密度。在國際單位制中，磁通的單位是伏·秒，通常稱為韋伯（Wb），簡稱韋。3、磁場強度H磁場強度H是計算磁場時所引用的一個物理量，也是一個矢量，通過它來確定磁場與電流之間的關(guān)系，即上式是安培環(huán)路定律，又稱為全電流定律的數(shù)學(xué)表達式，它是計算磁路的基本公式。其中∮Hdl是磁場強度矢量H沿任意閉合回線l（常取磁通作為閉合回線）的線積分，∑I是穿過該閉合回線所圍面積的電流的代數(shù)和。它的單位是安／米（A／m）。4、磁導(dǎo)率μ磁導(dǎo)率μ是用來表示磁場媒質(zhì)磁性的物理量，即用來衡量物質(zhì)導(dǎo)磁性能的物理量。它與磁場強度的乘積等于磁感應(yīng)強度，即

B＝μH

磁導(dǎo)率的單位是亨／米（H／m）。真空的磁導(dǎo)率μ＝4π×10－7H／m。任意一種物質(zhì)的磁導(dǎo)率與真空的磁導(dǎo)率之比稱為相對磁導(dǎo)率，用μr表示，即項目二磁性材料和磁路的歐姆定律1.磁性材料的磁性能自然界的所有物質(zhì)按其磁導(dǎo)率的大小，可分為磁性材料和非磁性材料兩大類。磁性材料的導(dǎo)磁性能好，磁導(dǎo)率大，如鐵、鋼、鎳及鈷等；非磁性材料的導(dǎo)磁性能差，磁導(dǎo)率小，如銅、鋁、紙和空氣等。磁性材料是制造變壓器、電機及電器等各種電氣設(shè)備的主要材料，磁性材料的磁性能對電磁器件的性能和工作狀態(tài)有很大影響，磁性材料的磁性能主要表現(xiàn)為高導(dǎo)磁性、磁飽和性和磁滯性。（1）高導(dǎo)磁性磁性材料具有很強的導(dǎo)磁能力，在外磁場作用下，其內(nèi)部的磁感應(yīng)強度會大大增強，相對磁導(dǎo)率可達幾百、幾千甚至幾萬。磁性材料的磁性能被廣泛地應(yīng)用于電工設(shè)備中，如電機、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放有鐵心。利用優(yōu)質(zhì)的磁性材料可使同一容量電機的重量和體積大大減小。當有磁性材料存在時，B與H不成正比，所以磁性材料的磁導(dǎo)率μ不是常數(shù)，它將隨著H的變化而變化，如圖5-3所示為μ＝f（H）曲線。由于磁通Ф與B成正比，產(chǎn)生磁通的勵磁電流I與H成正比，所以在有磁性材料的情況下，Ф與I也不成正比，對于不同的磁性材料，其磁化曲線也不相同。（3）磁滯性當磁性線圈中通有交變電流時，磁性材料將受到交變磁化。在電流交變的一個周期中，磁感應(yīng)強度B隨磁場強度H變化的關(guān)系如圖5-4所示。由圖可見，當磁場強度H減小時,磁感應(yīng)強度B并不沿著原來這條曲線回降，而是沿著一條比它高的曲線緩慢下降。這種磁感應(yīng)強度滯后于磁場強度變化的性質(zhì)稱為磁性物質(zhì)的磁滯性。當線圈電流減小到零時，磁場強度H也減小到零時，磁感應(yīng)強度B并不等于零而仍然有一定的值，磁性材料仍然保有一定的磁性，這部分剩余的磁性稱為剩磁，用Br表示（見圖5-4）。如果要去掉剩磁，使B=0，必須施加一反方向磁場強度（－Hc），Hc的大小稱為矯頑磁力，它表示鐵磁材料反抗退磁的能力。在磁性材料反復(fù)磁化的過程中，表示B與H變化關(guān)系的封閉曲線稱為磁滯回線，如圖5-4所示。不同的磁性材料，其磁性能、磁化曲線和磁滯回線也不相同。磁性材料按其磁性能可分為軟磁材料、硬磁材料（又稱永磁材料）和矩磁材料三種類型。軟磁材料的剩磁和矯頑磁力較小，磁滯回線形狀較窄，所包圍的面積較小，但磁化曲線較陡，即磁導(dǎo)率較高。它既容易磁化，又容易退磁，常見的軟磁材料有純鐵、鑄鐵、硅鋼、玻莫合金以及非金屬軟磁鐵氧體等。一般用于有交變磁場的場合，如用來制造鎮(zhèn)流器、變壓器、電動機以及各種中、高頻電磁元件的鐵心等。非金屬軟磁鐵氧體在電子技術(shù)中應(yīng)用也很廣泛，如計算機的磁心、磁鼓及錄音機的磁帶、磁頭等。

硬磁材料的剩磁和矯頑磁力較大，磁滯回線形狀較寬，所包圍的面積較大，適用于制作永久磁鐵，如揚聲器、耳機、電話機、錄音機以及各種磁電式儀表中的永久磁鐵都是硬磁材料制成的，常見硬磁材料有碳鋼、鈷鋼及鐵鎳鋁鈷合金等；近年來稀土永磁材料發(fā)展很快，像稀土鈷、稀土釹鐵硼等，其矯頑磁力更大。

矩磁材料的磁滯回線近似于矩形，剩磁很大，接近飽和磁感應(yīng)強度，穩(wěn)定性良好；但矯頑磁力較小，易于翻轉(zhuǎn)。常在計算機和控制系統(tǒng)中用作記憶元件、邏輯元件和開關(guān)元件，矩磁材料有鎂錳鐵氧體及某些鐵鎳合金等。項目四變壓器變壓器是利用電磁感應(yīng)原理傳輸電能或信號的器件，具有變壓、變流、變阻抗和隔離的作用，是一種常見的電氣設(shè)備，它的種類很多，在電力系統(tǒng)和電子線路中應(yīng)用十分廣泛。1.變壓器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理（1）變壓器的基本結(jié)構(gòu)變壓器由鐵心和繞組兩大部分組成，圖5-8（a）和（b）分別是它的結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號。這是一個簡單的雙繞組變壓器，在一個閉合的鐵心上套有兩個繞組，繞組與繞組之間以及繞組與鐵心之間都是絕緣的。繞組通常用絕緣的銅線或鋁線繞成，與電源相連的繞組，稱為原繞組；與負載相連的繞組，稱為副繞組。為了減少鐵心中的磁滯損耗和渦流損耗，變壓器的鐵心大多用（0.35~0.5）mm厚的硅鋼片疊成，為了降低磁路的磁阻，一般采用交錯疊裝方式，即將每層硅鋼片的接縫錯開。變壓器按鐵心和繞組的組合形式，可分為心式和殼式兩種，如圖5-9所示。心式變壓器的鐵心被繞組所包圍，而殼式變壓器的鐵心則包圍繞組。心式變壓器用鐵量比較少，多用于大容量的變壓器，如電力變壓器都采用心式結(jié)構(gòu)；殼式變壓器用鐵量比較多，但不需要專門的變壓器外殼，常用于小容量的變壓器，如各種電子設(shè)備和儀器中的變壓器多采用殼式結(jié)構(gòu)。變壓器按冷卻方式又可分為自冷式和油冷式（常用于三相變壓器中）兩種，在自冷式變壓器中，熱量依靠空氣的自然對流和輻射直接散發(fā)到周圍空氣中。當變壓器的容量較大時常采用油冷式，此時變壓器的鐵心和繞組全部浸在變壓器油內(nèi)，使其產(chǎn)生的熱量通過變壓器油傳給箱壁而散發(fā)到空氣中去。（2）變壓器的工作原理①電壓變換變壓器的原繞組接交流電壓u1且副繞組開路時的運行狀態(tài)稱為空載運行，如圖5-10所示。這時副繞組中的電流i2＝0，開路電壓用u20表示。原繞組中通過的電流為空載電流i10，各量的參考方向如圖5-10所示。圖中N1為原繞組的匝數(shù)，N2為副繞組的匝數(shù)。②電流變換如果變壓器的副繞組接上負載，則在副繞組感應(yīng)電動勢e2的作用下，副繞組將產(chǎn)生電流i2。這時，原繞組的電流將由i10增大為i1，如圖5.11所示。副繞組電流i2越大，原繞組電流i1也就越大。由副繞組電流i2產(chǎn)生的磁動勢i2N2也要在鐵心中產(chǎn)生磁通，即這時變壓器鐵心中的主磁通應(yīng)由原、副繞組的磁動勢共同產(chǎn)生。由U1＝E1＝4.44fN1Фm可知，在原繞組的外加電壓（電源電壓U1）和頻率f不變的情況下，主磁通Фm基本保持不變。因此，有負載時產(chǎn)生主磁通的原、副繞組的合成磁通勢（i1N1＋i2N2）應(yīng)和空載時產(chǎn)生主磁通的原繞組的磁通勢i0N1基本相等，用公式表示，即

i1N1＋i2N2＝i10N1

如用相量表示，則為這一關(guān)系稱為變壓器的磁動勢平衡方程式。③阻抗變換作用變壓器除了有變壓和變流的作用外，還有變換阻抗的作用，以實現(xiàn)阻抗匹配。圖5-12（a）所示的變壓器原繞組接電源u1，副繞組的負載阻抗模為|Z|，對于電源來說，圖中虛線框內(nèi)的電路可用另一個阻抗模|Z’|來等效代替，如圖5-12（b）所示。所謂等效，就是它們從電源吸取的電流和功率相等，即接在電源上的阻抗模|Z’|和接在變壓器副繞組的負載阻抗模|Z|是等效的。當忽略變壓器的漏磁和損耗時，等效阻抗可通過下面計算得出。原、副繞組電壓比Ku（又稱匝數(shù)比）不同時，負載阻抗模|Z|折算到原繞組的等效阻抗模|Z’|也不同。通過選擇合適的電壓比Ku，可以把實際負載阻抗模變換為所需的、比較合適的數(shù)值，這就是變壓器的阻抗變換作用。在電子電路中，為了提高信號的傳輸功率，常用變壓器將負載阻抗變換為適當?shù)臄?shù)值，即阻抗匹配。2.變壓器的額定值（1）額定電壓U1N和U2N額定電壓是根據(jù)變壓器的絕緣強度和允許溫升而規(guī)定的正常工作電壓有效值，單位為V或kV。（2）額定電流I1N和I2N額定電流是指變壓器長期工作時，根據(jù)其允許溫升而規(guī)定的正常工作電流有效值，單位為A。（3）額定容量SN變壓器的額定容量SN是指變壓器副繞組U2N和I2N的乘積，單位為VA或kVA。（4）額定頻率fN額定頻率fN是指變壓器應(yīng)接入的電源頻率。我國電力系統(tǒng)工業(yè)用電的標準頻率為50Hz。（5）額定溫升τN變壓器的額定溫升τN是指在基本環(huán)境溫度（＋40℃）下，規(guī)定變壓器在連續(xù)運行時，允許變壓器的工作溫度超出環(huán)境溫度的最大溫升。3變壓器的外特性及效率（1）變壓器的外特性當變壓器原繞組電壓U1和負載功率因數(shù)cosφ2一定時，副繞組電壓U2隨負載電流I2變化的曲線稱為變壓器的外特性，用U2＝f（I2）表示。圖5-14畫出了變壓器的兩條外特性曲線。對于電阻性和電感性負載來說，外特性曲線是稍向下傾斜的，感性負載的功率因數(shù)越低，U2下降得越快。從空載到額定負載，變壓器外特性的變化程度可用電壓變化率ΔU來表示，即當負載變化時，通常希望電壓U2的變化愈小愈好，在—般變壓器中，其電阻和漏磁感抗均很小，電壓變化率較小，電力變壓器的電壓變化率一般在5％左右，而小型變壓器的電壓變化率可達20％。（2）變壓器的效率變壓器的效率通常用輸出功率P2與輸入功率P1之比來表示，即4.變壓器繞組的極性（1）繞組的極性及同名端的概念繞組的極性是指繞組在任意瞬時兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的瞬時極性，它總是從繞組的相對瞬時電位的低電位端（常用符號“－”來表示）指向高電位端（常用符號“＋”來表示）。兩個磁耦合作用聯(lián)系起來的繞組，如變壓器的原、副繞組，當某一瞬時原繞組某一端點的瞬時電位相對于原繞組的另一端為正時，副繞組也必有一對應(yīng)的端點，其瞬時電位相對于副繞組的另一端點也為正。我們把原、副繞組電位瞬時極性相同的端點稱為同極性端，也稱為同名端，通常用符號“·”表示。（2）繞組的串聯(lián)和并聯(lián)圖5-23（a）中的1和3是同名端，當然2和4也是同名端。當電流從兩個線圈的同名端流入（或流出）時，產(chǎn)生的磁通的方向相同；或者當磁通變化（增大或減?。r，在同名端感應(yīng)電動勢的極性也相同。在圖5-23（b）和（c）中，繞組中的電流正在增大，感應(yīng)電動勢的極性（或方向）如圖中所示。在使用變壓器或者其他有磁耦合的互感線圈時，要注意線圈的正確聯(lián)接。譬如，一臺變壓器的原繞組有相同的兩個繞組，如圖5-23（a）中的1-2和3-4。當接到220V的電源上時，兩繞組應(yīng)串聯(lián)（假設(shè)兩個繞組的額定電壓都為110V），如圖5-23（b）所示；接到110V的電源上時，兩繞組應(yīng)并聯(lián)，如圖5-23（c）所示。如果聯(lián)接錯誤，串聯(lián)時將2和4兩端聯(lián)在一起，將1和3兩端接電源，這樣，兩個繞組的磁通勢就互相抵消，鐵心中不產(chǎn)生磁通，繞組中也就沒有感應(yīng)電動勢，繞組中將流過很大的電流，把變壓器燒毀。如果將其中一個線圈反繞，如圖5-24所示，則1和4兩端應(yīng)為同名端，串聯(lián)時應(yīng)將2和4兩端聯(lián)在一起?？梢?，哪兩端是同名端，還和線圈繞向有關(guān)。只要線圈繞向知道，同名端就不難確定。（3）同名端的判斷①直流法將變壓器的兩個繞組按圖5-25所示的方法連接，當開關(guān)S閉合瞬間，如電流表的指針正向偏轉(zhuǎn)，則繞組A的1端和繞組B的3端為同名端，這是因為當不