《電路檢測(cè)與安裝》課件學(xué)習(xí)情境4

學(xué)習(xí)情境4

小型變壓器的制作與測(cè)試第一部分基礎(chǔ)知識(shí)第二部分技能實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)目標(biāo)

1.以變壓器作為媒介，掌握電磁基本知識(shí)。

2.會(huì)使用鐵芯線圈；會(huì)判斷互感線圈的同名端。

3.能正確理解變壓器的銘牌數(shù)據(jù)；會(huì)使用變壓器。

4.能設(shè)計(jì)、制作小型電源變壓器，并能測(cè)試其性能。

5.能利用仿真軟件測(cè)試電路。

工作任務(wù)

設(shè)計(jì)、制作一個(gè)小型電源變壓器。

規(guī)格要求如圖4-1所示，輸入220V，輸出6V/0.5A、

12V/1A。其中變壓器η=80%。圖4-1小型變壓器原理圖第一部分基礎(chǔ)知識(shí)

知識(shí)鏈接一電磁知識(shí)

電流具有磁效應(yīng)，變化的磁場(chǎng)又能感生出電流，磁與電是分不開(kāi)的。變壓器、電機(jī)、電磁鐵、電工測(cè)量?jī)x表以及其他各種鐵磁元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)都有鐵芯和線圈，其目的都是為了當(dāng)線圈通有較小電流時(shí)，能在鐵芯內(nèi)部產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)，使線圈上感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)或者對(duì)線圈產(chǎn)生電磁力。這是大多數(shù)電工設(shè)備的基本工作原理。

1.磁場(chǎng)的基本物理量

1)磁感應(yīng)強(qiáng)度B

磁感應(yīng)強(qiáng)度是表示磁場(chǎng)強(qiáng)弱及方向的一個(gè)物理量。磁場(chǎng)中不同地點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度是不同的，為了形象地描繪出磁場(chǎng)中各處磁感應(yīng)強(qiáng)度及方向，可用該處磁力線的多少和方向來(lái)表示。圖4-2所示為不同電流情況下的磁力線示意圖。

磁力線的方向與電流方向滿足右手螺旋定則，磁力線上任意點(diǎn)的切線方向就是該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向。其大小為

(4-1)在SI制中，B的單位是特斯拉，簡(jiǎn)稱特(T)。圖4-2不同電流情況下的磁力線如果磁場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等，方向相同，這樣的磁場(chǎng)稱為均勻磁場(chǎng)。

由式(4-1)可知

F=BIL

(4-2)

式(4-2)表明，載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受電磁力作用。電磁力的大小F與磁感應(yīng)強(qiáng)度B、電流I、垂直于磁場(chǎng)的導(dǎo)體有效長(zhǎng)度L成正比。B、F、I三者的方向由左手定則確定。

2)磁通Φ

磁感應(yīng)強(qiáng)度B與垂直于磁場(chǎng)方向的面積S的乘積，稱為通過(guò)該面積的磁通Φ，即

Φ＝BS

(4-3)

在SI制中，Φ的單位是韋伯，簡(jiǎn)稱韋(Wb)。

磁感應(yīng)強(qiáng)度在數(shù)值上可以看成是與磁場(chǎng)方向相垂直的單位面積所通過(guò)的磁通，故又稱為磁通密度。

3)磁場(chǎng)強(qiáng)度H

磁場(chǎng)強(qiáng)度也是用來(lái)表示磁場(chǎng)中各點(diǎn)磁力大小和方向的一個(gè)物理量。與磁感應(yīng)強(qiáng)度不同的是，它的大小與磁場(chǎng)中磁介質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)，僅與產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流大小和載流導(dǎo)體的形狀有關(guān)。當(dāng)載流導(dǎo)體確定時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度與產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流成正比，即

H=KI

(4-4)

其中：K是與載流導(dǎo)體形狀有關(guān)的常數(shù)；I是磁路中用來(lái)產(chǎn)生磁通的電流，稱為勵(lì)磁電流；

磁場(chǎng)強(qiáng)度H是計(jì)算磁場(chǎng)時(shí)所引用的一個(gè)物理量。通過(guò)它來(lái)確定磁場(chǎng)與電流之間的關(guān)系。

4)磁導(dǎo)率μ

磁導(dǎo)率是用于衡量物質(zhì)導(dǎo)磁能力的物理量。磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁導(dǎo)率三者之間的關(guān)系為

B＝μH

(4-5)

物質(zhì)按導(dǎo)磁性能的不同分為鐵磁物質(zhì)(鐵、鈷、鎳及其合金)和非鐵磁物質(zhì)(鐵磁物質(zhì)以外的其他物質(zhì)，如銅、鋁、橡膠等各種絕緣材料及空氣等)兩類。

非鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率與真空的磁導(dǎo)率相差很小，工程上通常認(rèn)為二者相同。真空的磁導(dǎo)率(μ0)為常數(shù)。

μ0=4π×10－7

(4-6)

磁導(dǎo)率μ0的單位為亨/米(H/m)。鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率要比真空的磁導(dǎo)率大很多倍(幾百~幾萬(wàn)倍不等)。當(dāng)線圈內(nèi)的媒質(zhì)不同時(shí)，則磁導(dǎo)率μ不同，同樣電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度也不同。因此工程上用鐵磁物質(zhì)做成各種形狀的磁路，以便使磁通能集中在選定的空間，從而增強(qiáng)磁場(chǎng)。

一般材料的磁導(dǎo)率μ和真空磁導(dǎo)率μ0之比，稱為這種材料的相對(duì)磁導(dǎo)率，用μr表示。(4-7)常用鐵磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率如表4-1所列。

2.鐵磁材料的磁性能

1)高導(dǎo)磁性

鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率比非鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率要高很多，如硅鋼的相對(duì)磁導(dǎo)率可達(dá)7000。在鐵磁物質(zhì)內(nèi)部存在著許多很小的被稱為磁疇的天然磁化區(qū)。在沒(méi)有外磁場(chǎng)的作用時(shí)，各個(gè)磁疇排列混亂，磁場(chǎng)相互抵消，對(duì)外不顯示磁性。在外磁場(chǎng)作用下(例如在鐵芯線圈中勵(lì)磁電流所產(chǎn)生磁場(chǎng)的作用下)，其中的磁疇就順外磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)向，顯示出磁性來(lái)。隨著外磁場(chǎng)的增強(qiáng)(或勵(lì)磁電流的增大)，磁疇就逐漸轉(zhuǎn)到與外磁場(chǎng)相同的方向上。這樣，便產(chǎn)生了一個(gè)很強(qiáng)的與外磁場(chǎng)同方向的磁化磁場(chǎng)，從而使鐵磁物質(zhì)內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大大增加，這種現(xiàn)象叫做磁化。因此，通電鐵芯線圈的磁場(chǎng)會(huì)顯著增強(qiáng)，就是鐵磁物質(zhì)被強(qiáng)烈磁化的結(jié)果，這一特性被稱為鐵磁材料的高導(dǎo)磁性。圖4-3顯示了鐵磁材料被外磁場(chǎng)磁化的過(guò)程。圖4-3磁疇和鐵芯的磁化鐵磁材料的磁化過(guò)程可以用磁化曲線來(lái)描述。磁化曲線是磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨外磁場(chǎng)強(qiáng)度H的變化關(guān)系，即

B=f(H)

由于Φ＝BS，B＝μH，H=KI，有

Φ＝BS=μSH=KμSI=f(I)(4-8)

所以，磁化曲線也是電流與電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)之間的關(guān)系，即

Φ＝f(I)磁化曲線通常由實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制而成。圖4-4顯示的是空芯線圈與鐵芯線圈磁化過(guò)程的比較。直線1是空芯線圈磁化過(guò)程的特性，勵(lì)磁電流(外磁場(chǎng))增加時(shí)，其磁通(磁場(chǎng)強(qiáng)弱)和勵(lì)磁電流的增加成正比。曲線2表示線圈中放入鐵芯的情況。由于鐵磁材料高導(dǎo)磁性的特點(diǎn)，勵(lì)磁電流(外磁場(chǎng))相同時(shí)，其磁通(磁場(chǎng)強(qiáng)弱)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空芯線圈的磁通，且磁通的增加不再和勵(lì)磁電流的增加成正比。圖4-4空芯線圈和鐵芯線圈磁化曲線

2)磁飽和性

由于勵(lì)磁電流(外磁場(chǎng))相同時(shí)，鐵芯線圈的磁通(磁場(chǎng)強(qiáng)弱)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空芯線圈的磁通，因此，實(shí)際應(yīng)用中，電機(jī)、變壓器、儀器儀表等電氣設(shè)備均利用鐵芯作為電磁轉(zhuǎn)換的磁路結(jié)構(gòu)。

圖4-5所示為鐵芯線圈磁化曲線及磁導(dǎo)率的變化曲線。曲線2為鐵芯線圈磁化曲線，其大致可分為三段：oa、ab和b點(diǎn)以后。oa段的特點(diǎn)是隨著外加勵(lì)磁電流的增加，鐵磁材料的磁場(chǎng)急劇增加，且勵(lì)磁電流與磁場(chǎng)之間基本成正比關(guān)系，鐵磁材料呈現(xiàn)高導(dǎo)磁性。ab段叫做膝部，它的特點(diǎn)是勵(lì)磁電流繼續(xù)增加時(shí)，鐵磁材料磁場(chǎng)有所增加，但增加速率圖4-5鐵芯線圈磁化曲線及磁導(dǎo)率的變化曲線下降很多。這是因?yàn)殍F磁材料的小磁疇數(shù)目有限，在oa段絕大多數(shù)小磁疇已隨著外磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)，進(jìn)入ab段后，隨著勵(lì)磁電流的增加，能翻轉(zhuǎn)的小磁疇已不多的緣故。到了b點(diǎn)以后，鐵磁材料進(jìn)入飽和段。勵(lì)磁電流繼續(xù)增加時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度增加很少或不再增加。這是鐵磁材料非常重要的一個(gè)特性，反映鐵磁物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁場(chǎng)不會(huì)隨著外磁場(chǎng)的增強(qiáng)而無(wú)限制地增強(qiáng)。當(dāng)外磁場(chǎng)增大到一定值時(shí)，全部磁疇的磁場(chǎng)方向都轉(zhuǎn)向與外磁場(chǎng)的方向一致，這時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度即達(dá)到飽和值。在實(shí)際應(yīng)用中，許多電氣設(shè)備的線圈都繞制在鐵磁材料上，以便用小的勵(lì)磁電流(與H有關(guān))產(chǎn)生較大的磁場(chǎng)，達(dá)到降低電氣設(shè)備體積與重量的目的。如變壓器、電機(jī)與發(fā)電機(jī)的鐵芯都是利用了鐵磁材料的高導(dǎo)磁性。顯然電氣設(shè)備應(yīng)當(dāng)避免鐵磁材料的工作進(jìn)入飽和區(qū)，因?yàn)槌^(guò)飽和點(diǎn)后磁場(chǎng)的稍許增加需要增加極大的電流，這樣做是很不經(jīng)濟(jì)的。曲線1為鐵芯線圈磁導(dǎo)率隨外加勵(lì)磁電流的變化曲線。鐵磁材料的磁導(dǎo)率μ不是一個(gè)常數(shù)，其最大值出現(xiàn)在磁化曲線的膝部附近，由于Φ＝f(I)=KμSI，磁通的大小受到電流、磁導(dǎo)率及載流導(dǎo)體等因素的共同影響，所以在電氣設(shè)備工作時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意其工作點(diǎn)不應(yīng)選得過(guò)低。工作點(diǎn)過(guò)低，為獲得一定的磁通量，磁路的截面必須增加很多，這也是不經(jīng)濟(jì)的。通常將工作點(diǎn)選擇在磁化曲線膝部或稍高一些。

3)磁滯性

鐵芯線圈通入交流電時(shí)，鐵芯中的磁疇會(huì)隨交流電的變化而被反復(fù)磁化。由于磁疇本身存在“慣性”，使得在反復(fù)磁化的過(guò)程中，磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，這種現(xiàn)象稱為鐵磁物質(zhì)的磁滯性。在電流變化一個(gè)周期時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H而變化的關(guān)系稱為磁滯回線，如圖4-6所示。圖4-6磁滯回線由圖4-6可見(jiàn)，當(dāng)H已減到零值時(shí)，B并未回到零值(2點(diǎn)、5點(diǎn))。意味著當(dāng)線圈中電流減小到零值(即H=0)時(shí)，鐵芯在磁化時(shí)所獲得的磁性還未完全消失。這時(shí)鐵芯中所保留的磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br(簡(jiǎn)稱剩磁)，永久磁鐵的磁性就是由剩磁產(chǎn)生的。

如果要使鐵芯的剩磁消失，通常需要改變線圈中勵(lì)磁電流的方向，也就是改變磁場(chǎng)強(qiáng)度H的方向來(lái)進(jìn)行反向磁化。使B=0的H值(3點(diǎn)、6點(diǎn))稱為矯頑力Hc。

4)鐵損耗

鐵磁材料在工作中會(huì)產(chǎn)生鐵損耗。鐵損耗包括磁滯損耗與渦流損耗。

磁滯損耗是指鐵磁材料在反復(fù)磁化過(guò)程中，外磁場(chǎng)不斷克服磁疇的“慣性”需要消耗一定的能量而產(chǎn)生的損耗,是導(dǎo)致鐵磁性材料發(fā)熱的原因之一,對(duì)電機(jī)、變壓器等電氣設(shè)備的運(yùn)行不利。因此,常采用磁滯損耗小的鐵磁性材料作為鐵芯。

交變的磁通穿過(guò)鐵芯導(dǎo)體時(shí)，在其內(nèi)部產(chǎn)生旋渦狀的電流，稱為渦流。渦流會(huì)使鐵芯發(fā)熱并消耗能量，產(chǎn)生渦流損耗。為了減小渦流損耗，在電氣設(shè)備中常采用涂有絕緣材料的硅鋼片疊成鐵芯，如圖4-7所示，以增加回路電阻，降低渦流損耗。圖4-7渦流圖4-8各種鐵磁材料的磁滯回線

5)鐵磁物質(zhì)的分類

鐵磁材料分為三類：軟磁材料、硬磁材料、矩磁材料。它們的磁滯回線如圖4-8所示。軟磁材料：磁導(dǎo)率很大，剩磁和矯頑磁力都很小，易磁化，也易去磁。這類鐵磁物質(zhì)包括電工軟鐵、硅鋼片、鐵鎳合金(坡莫合金)等。如硅鋼片、鑄鐵多用作電動(dòng)機(jī)和變壓器的鐵芯，鐵鎳合金多用于電子設(shè)備中的脈沖變壓器鐵芯，電工軟鐵主要用于直流磁路。

硬磁材料：磁滯回線寬，具有較高剩磁。這類材料一經(jīng)磁化即能保持較強(qiáng)的恒定磁性，又稱為永磁材料。合金鋼、鋁鎳鈷合金、稀土合金等屬于永磁材料，主要用于揚(yáng)聲器、磁電系儀表及永磁發(fā)電機(jī)等場(chǎng)合以產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)。矩磁材料：弱磁場(chǎng)下，可被磁化并達(dá)到磁飽和。撤掉外磁場(chǎng)后，磁性仍然保持為磁飽和，磁滯回線接近矩形，穩(wěn)定性也良好。在計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)中可用作記憶元件、開(kāi)關(guān)元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體及1J51型鐵鎳合金。

6)基本磁化曲線

鐵磁材料磁滯回線的形狀與磁場(chǎng)強(qiáng)度的最大值有關(guān)，對(duì)同一鐵磁材料，選擇不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hm進(jìn)行反復(fù)磁化，可得一系列大小不同的磁滯回線，再將各磁滯回線的頂點(diǎn)連接起來(lái)，所得的曲線稱為基本磁化曲線或平均磁化曲線。由于電氣設(shè)備使用的鐵磁材料多數(shù)為軟磁材料，磁滯回線很窄，所以實(shí)際應(yīng)用時(shí)，所用的磁化曲線都是基本磁化曲線。圖4-9給出了幾種不同鐵磁性物質(zhì)的磁化曲線。在基本磁化曲線中，已知H值就可查出對(duì)應(yīng)的B值。從曲線上可看出，在相同的磁場(chǎng)強(qiáng)度H，對(duì)于硅鋼片、鑄鋼、鑄鐵這三種材料，硅鋼片的B值最大，鑄鐵的B值最小，說(shuō)明硅鋼片的導(dǎo)磁性能比鑄鐵要好得多。圖4-9幾種常用鐵磁材料的基本磁化曲線

3.磁路的基本定律

1)磁路

如圖4-10(a)所示，一個(gè)沒(méi)有鐵芯的載流線圈所產(chǎn)生的磁通量是彌散在整個(gè)空間的；而在圖4-10(b)中，同樣的線圈繞在閉合的鐵芯上時(shí)，由于鐵芯的磁導(dǎo)率μ很大(數(shù)量級(jí)通常在102～106以上)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于周圍空氣的磁導(dǎo)率，這就使絕大多數(shù)磁通量集中到鐵芯內(nèi)部，并形成一個(gè)閉合通路。這種人為造成的磁通的路徑，稱為磁路。實(shí)質(zhì)上，磁路就是局限在一定范圍內(nèi)的磁場(chǎng)。為了使較小的勵(lì)磁電流產(chǎn)生足夠大的磁通(或磁感應(yīng)強(qiáng)度)，在電機(jī)、變壓器及各種鐵磁元件中常用磁性材料做成一定形狀的鐵芯，這就是電氣設(shè)備的磁路。圖4-10磁場(chǎng)和磁路

2)安培環(huán)路定律(全電流定律)

安培環(huán)路定律又稱全電流定律，反映的是電流與其產(chǎn)生的磁場(chǎng)之間的關(guān)系：在磁路中，沿任意閉合路徑，磁場(chǎng)強(qiáng)度的線積分等于與該閉合路徑交鏈的電流的代數(shù)和，即有(4-9)通常用到的是安培環(huán)路定律的簡(jiǎn)化形式：當(dāng)閉合回路上各點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度相等且其方向與閉合回路的切線方向一致時(shí)，則

Hl=∑I=NI

(4-10)計(jì)算電流代數(shù)和時(shí)，與閉合回路繞行方向符合右手螺旋定則的電流取正號(hào)，反之取負(fù)號(hào)。稱Um=Hl為磁壓降；稱F＝NI為磁動(dòng)勢(shì)。

3)磁路歐姆定律

因?yàn)?/p>

Hl=NI，B=μH

所以(4-11)定義(4-12)

Rm稱為磁路的磁阻，是表示磁路對(duì)磁通具有阻礙作用的物理量，它與磁路的幾何尺寸、磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān)。因?yàn)殍F磁材料的磁導(dǎo)率不是常數(shù)，它隨勵(lì)磁電流而變，所以鐵磁材料的磁阻是非線性的，數(shù)值很小，且不能直接用式(4-12)進(jìn)行定量分析，而只能進(jìn)行定性分析?？諝庀兜拇艑?dǎo)率很小，而且是常數(shù)，因此空氣隙中的磁阻是線性的，數(shù)值很大。

式(4-11)與電路的歐姆定律在形式上相似，所以稱為磁路的歐姆定律。它是對(duì)磁路進(jìn)行分析與計(jì)算時(shí)所要遵循的基本定律。電磁鐵在吸合過(guò)程中若外加電壓不變，則Φ基本不變。電磁鐵吸合前由于存在氣隙，導(dǎo)致Rm非常大，此時(shí)，線圈中的電流會(huì)很大。當(dāng)電磁鐵吸合后，鐵磁材料的Rm很小，因此線圈中的電流會(huì)比較小。使用電磁鐵等電磁元件時(shí)，如果磁路氣隙中有異物卡住，鐵芯長(zhǎng)時(shí)間吸不上，線圈中的電流一直很大，將會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱，將線圈燒壞。

4)磁路基爾霍夫定律

(1)磁路基爾霍夫第一定律。

磁路基爾霍夫第一定律確定了磁路交匯處的磁通關(guān)系，

即在磁路的交匯點(diǎn)有

∑Φk=0

(4-13)

如圖4-11所示，在節(jié)點(diǎn)A處，Φ1=Φ2+Φ3。

(2)磁路基爾霍夫第二定律。

磁路基爾霍夫第二定律確定了一個(gè)閉合回路的磁動(dòng)勢(shì)與磁壓降之間的關(guān)系，即在磁回路中有

∑NI=∑Hl

(4-14)

如圖4-11所示，在回路ABCDA中，NI=H1l1+H3l3

圖4-11分支磁路知識(shí)鏈接二交流鐵芯線圈

1.電感線圈

導(dǎo)線中有電流時(shí)，即在其周圍即建立磁場(chǎng)。把彼此互相絕緣的導(dǎo)線(漆包線、紗包線或裸導(dǎo)線)一圈靠一圈地繞在絕緣管(絕緣體、鐵芯或磁芯)上制成線圈，以增強(qiáng)線圈內(nèi)部的磁場(chǎng)。這個(gè)線圈通常稱為電感線圈。

電感線圈通過(guò)交流電流時(shí)，在線圈的內(nèi)部及其周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，而磁場(chǎng)的變化又會(huì)在線圈上形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相當(dāng)于一個(gè)“新電源”。如果回路閉合，此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就要產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流阻礙回路中原電流的變化，因此電感線圈有阻礙交流電路中電流變化的特性。線圈由于自身通過(guò)電流而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的這一現(xiàn)象，稱為自感現(xiàn)象。通常在拉開(kāi)閘刀開(kāi)關(guān)或接通閘刀開(kāi)關(guān)的瞬間會(huì)發(fā)生火花，就是電感線圈產(chǎn)生很高的自感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)所造成的。根據(jù)法拉第定律，有

(4-15)式中：Φ——磁場(chǎng)磁通，單位為韋伯(Wb);

N——線圈匝數(shù)，單位為匝;

j——磁鏈，j

=NΦ。

2.交流鐵芯線圈

普通單繞組變壓器的基本結(jié)構(gòu)包括一個(gè)鐵芯和兩個(gè)繞組。在變壓器中，所用的電感線圈稱為鐵芯線圈。對(duì)于鐵芯線圈，由于磁介質(zhì)為鐵磁材料，其磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非鐵磁材料，所以鐵芯線圈可以大大增加電感量并提高線圈的品質(zhì)因數(shù)。

鐵芯線圈的特點(diǎn)是：與形狀、匝數(shù)相同的空芯線圈相比，其l值非常大，但由于其μ值不定，因此，l值是不確定的。

1)結(jié)構(gòu)

一個(gè)交流鐵芯線圈的基本結(jié)構(gòu)包括線圈和鐵芯，如圖

4-12所示。圖4-12交流鐵芯線圈線圈又叫繞組，由普通的導(dǎo)線纏繞而成，纏繞一圈稱為一匝，所以線圈都有匝數(shù)的概念，一般線圈的匝數(shù)都大于1。纏繞線圈的導(dǎo)線也不是裸線，而是包有絕緣層的銅線或鋁線，因此，線圈的匝與匝之間是彼此絕緣的。

線圈通電后有電流，所以線圈構(gòu)成了電路的主體，其作用是完成電能的傳輸或信號(hào)的傳遞。

鐵芯是交流鐵芯線圈的磁路部分，具有匯聚磁通、增強(qiáng)鐵芯內(nèi)部磁場(chǎng)的作用。不同的電工設(shè)備其鐵芯的形狀是不同的。圖4-13所示為電機(jī)的磁路。當(dāng)線圈中的電流產(chǎn)生磁通時(shí)，磁通分為主磁通(Φ)和漏磁通(Φσ)。主磁通為主要工作磁通，經(jīng)磁路閉合。漏磁通為泄露磁通，經(jīng)空氣隙閉合。圖4-13電機(jī)的磁路

2)交流鐵芯線圈電路分析

(1)電磁關(guān)系。

鐵芯線圈加入交變電壓u，將產(chǎn)生交變電流i，因而在線圈中產(chǎn)生交變的磁通，電路如圖4-14所示。主磁通Φ和漏磁通Φσ在線圈中分別感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e和eσ。圖4-14交流鐵芯線圈電路

(2)電路方程的建立。

設(shè)線圈電阻為R，線圈壓降為uR，e和eσ與磁通的參考方向符合右手螺旋定則，則鐵芯線圈電路中電壓之間的關(guān)系為由于交流鐵芯線圈的電阻值和漏磁通很小，因此忽略其壓降和漏磁通產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，可以得到(4-16)

(3)電磁關(guān)系式的建立。

假設(shè)

Φ=Φmsinωt

則

u≈NΦmωcosωt=2πfNΦmcosωt

最大值

Um=2πfNΦm

有效值

(4-17)式中：N——線圈匝數(shù)，單位為匝;

f——電源頻率，單位為赫茲(Hz);

Φm——鐵芯中交變磁通的幅值。式(4-17)為變壓器的公式，反映交流電氣設(shè)備工作時(shí)電壓、電源頻率、線圈匝數(shù)、磁場(chǎng)最大值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在設(shè)計(jì)包括變壓器等交流電氣設(shè)備時(shí)，一般根據(jù)給定的電源電壓及頻率來(lái)確定匝數(shù)及磁通最大值。使用這些電氣設(shè)備時(shí)，就要在規(guī)定的電壓和頻率下使用。例如，一臺(tái)設(shè)計(jì)用于

50Hz，220V電源的變壓器，若加上25Hz，220V電源，則磁通增加一倍，這將導(dǎo)致磁路飽和，勵(lì)磁電流劇增，變壓器立即燒毀。因此電氣設(shè)備降頻使用時(shí)，電源電壓也必須與頻率成比例下降。另外，在維持磁通不變的條件下，也不能將其用于400Hz，1600V的電源上。此時(shí)雖不存在磁路的飽和問(wèn)題，但是升頻使用時(shí)耐壓和鐵耗卻變成了主要矛盾。知識(shí)鏈接三關(guān)于互感

1.互感

1)互感現(xiàn)象

當(dāng)一個(gè)線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，在相鄰線圈中引起電磁感應(yīng)的現(xiàn)象稱為互感現(xiàn)象。如圖4-15所示。產(chǎn)生互感的線圈稱為互感線圈或耦合線圈。

(1)自感磁鏈。

i1在線圈1中產(chǎn)生的磁通為Φ11，磁鏈為Ψ11，即

Ψ11=N1Φ11

i2在線圈2中產(chǎn)生的自感磁鏈為Ψ22，即

Ψ22=N2Φ22

圖4-15互感現(xiàn)象

(2)互感磁鏈。

i1在線圈2中產(chǎn)生的磁鏈為Ψ21，即

Ψ21=N2Φ21

i2在線圈1中產(chǎn)生的磁鏈為Ψ12，即

Ψ12=N1Φ12

2)互感系數(shù)

互感系數(shù)表示線圈中通過(guò)單位電流時(shí)，在相鄰線圈中產(chǎn)生互感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的能力，簡(jiǎn)稱互感。

定義：M21=Ψ21/i1，M21為線圈1與線圈2的互感系數(shù)；

M12=Ψ12/i2，M12——線圈2與線圈1的互感系數(shù)。對(duì)兩個(gè)相互之間具有互感的線圈來(lái)講，它們互感系數(shù)的大小是相同的，即M=M12=M21，其SI單位為亨利(H)。互感的大小不僅與兩線圈的匝數(shù)、形狀及尺寸有關(guān)，還與兩線圈的相對(duì)位置有關(guān)。如果使兩線圈軸線平行放置，則相距越近，互感便越大，反之則越小，如圖4-15(a)所示。兩線圈軸線相互垂直時(shí)，線圈1產(chǎn)生的磁力線幾乎不與線圈2相交鏈，互感磁鏈接近零，如圖4-15(b)所示。

3)耦合系數(shù)

一對(duì)耦合線圈的電流，其產(chǎn)生的磁通只有部分相交鏈，而彼此不交鏈的那一部分磁通稱為漏磁通。工程上用耦合系數(shù)k定量反映兩個(gè)耦合線圈耦合的緊密程度，其定義為(4-18)k的取值范圍為0≤k≤1，當(dāng)k=1時(shí)稱為全耦合；當(dāng)k值接近1時(shí)稱為緊耦合；k=0時(shí)稱為無(wú)耦合；k值較小時(shí)稱為松耦合。利用互感原理工作的電氣設(shè)備，總是希望耦合系數(shù)越接近1越好。線圈1、2同時(shí)分別通過(guò)電流i1和i2時(shí)，線圈1、2的總磁鏈可以看做是i1和i2單獨(dú)作用時(shí)磁鏈的疊加。取電流和磁通的參考方向符合右手螺旋法則，電壓和電流為關(guān)聯(lián)參考方向，則兩個(gè)耦合線圈的磁鏈可表示為

Ψ1=Ψ11+Ψ12=L1i1±Mi2

(4-19)

Ψ2=Ψ22+Ψ21=L2i2±Mi1

(4-20)

當(dāng)自感磁鏈和互感磁鏈參考方向一致時(shí)，線圈的磁鏈?zhǔn)窃鰪?qiáng)的，M前面取“+”號(hào)；當(dāng)自感磁鏈和互感磁鏈參考方向相反時(shí)，線圈的磁鏈?zhǔn)菧p弱的，M前面取“－”號(hào)。

2.同名端

1)同名端

一對(duì)互感線圈中，一個(gè)線圈的電流發(fā)生變化時(shí)，在本線圈中產(chǎn)生的自感電壓與相鄰線圈中所產(chǎn)生的互感電壓極性相同的端點(diǎn)稱為同名端。同名端用一對(duì)“·”或“*”、“△”標(biāo)記，如圖4-16所示。圖4-16同名端

2)同名端的測(cè)定

可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法確定耦合線圈的同名端。線圈1的兩個(gè)接線端子為1、2，線圈2的兩個(gè)接線端子為3、4。

(1)直流法測(cè)量。

按圖4-17所示接線，當(dāng)S閉合時(shí)，若毫安表的指針正偏，則1和3是同名端；毫安表的指針?lè)雌?，則1和4是同名端。

(2)交流法測(cè)量。

按圖4-18所示接線，用電壓表測(cè)U12、U13、U34，根據(jù)測(cè)量結(jié)果判定如下：

U13=U12－U34時(shí)，1和3是同名端；

U13=U12＋U34時(shí)，1和4是同名端。圖4-17直流法確定同名端圖4-18交流法確定同名端

3)同名端的應(yīng)用

兩個(gè)耦合線圈的同名端確定之后，便可用圖4-19所示的電路模型來(lái)表示。

(1)互感電壓。

互感電壓是通過(guò)磁路耦合感應(yīng)而產(chǎn)生的，互感電壓的大小取決于兩個(gè)耦合線圈的互感系數(shù)M?；ジ须妷号c產(chǎn)生該電壓的電流的參考方向?qū)ν艘恢?即相關(guān)聯(lián))時(shí)，互感電壓取正，不一致(非關(guān)聯(lián))時(shí)取負(fù)。

(2)互感線圈的串聯(lián)。

設(shè)互感線圈的自感系數(shù)分別為L(zhǎng)1、L2，互感系數(shù)為M?；ジ芯€圈串聯(lián)有兩種方式：順向串聯(lián)和反向串聯(lián)。圖4-19互感線圈電路模型圖4-20所示變壓器的初級(jí)線圈為順向串聯(lián)，也叫變壓器的正接。

正接是異名端相連接，變壓器工作時(shí)，電流從兩線圈的同名端流入(或流出)，正接后，線圈等效電感：L=L1+L2+2M，其線圈磁場(chǎng)是增強(qiáng)的。

互感線圈的反向串聯(lián)是同名端相連接，如圖4-21所示。電流從一個(gè)線圈的同名端流入(或流出)，從另一個(gè)線圈的同名端流出(或流入)，其線圈的磁鏈?zhǔn)菧p弱的。線圈等效電感：L=L1+L2－2M。圖4-20變壓器的正接圖4-21變壓器的反接一個(gè)變壓器的連接實(shí)例如圖4-22所示。若線圈Ⅰ、Ⅱ的額定電壓均為110V，則在220V電壓下使用該變壓器時(shí)，需將兩個(gè)線圈串聯(lián)。此時(shí)，應(yīng)將端子2、3相連接。在110V電壓下使用該變壓器時(shí)，需將兩個(gè)線圈并聯(lián)使用，即端子1、3，2、4分別相連接。如果兩繞組的極性端接錯(cuò)，兩個(gè)線圈中的磁通將相互抵消，此時(shí)，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零，則端電壓全部加在線圈電阻上，線圈中流過(guò)的電流很大，有可能燒毀變壓器。

所以，在使用變壓器或其他電氣設(shè)備時(shí)，在繞組極性不明確時(shí)，一定要先測(cè)定極性再通電。圖4-22變壓器的正確連接

(3)互感線圈的并聯(lián)。

互感線圈的并聯(lián)也有兩種方式：同側(cè)并聯(lián)和異側(cè)并聯(lián)。

互感線圈的同側(cè)并聯(lián)是兩個(gè)同名端連接在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，如圖4-23所示。其等效電感為(4-21)互感線圈的異側(cè)并聯(lián)是兩個(gè)異名端連接在同一節(jié)點(diǎn)上，如圖4-24所示，其等效電感為(4-22)圖4-23互感線圈的同側(cè)并聯(lián)圖4-24互感線圈的異側(cè)并聯(lián)知識(shí)鏈接四變壓器

變壓器是一種靜止的電氣設(shè)備。它利用電磁感應(yīng)原理，把輸入的交流電壓升高或降低為同頻率的交流輸出電壓，它具有電壓變換、電流變換、阻抗變換和電氣隔離的功能，在電力系統(tǒng)和電子線路中應(yīng)用廣泛。

1.變壓器的基本結(jié)構(gòu)

變壓器的主要組成部分是鐵芯和套在鐵芯上的兩個(gè)或多個(gè)繞組(對(duì)于電力變壓器，由于運(yùn)行中銅損與鐵損使變壓器繞組發(fā)熱溫升，還需要油箱、氣體斷路器、安全氣道、溫度計(jì)等其他附屬設(shè)備)。變壓器的基本結(jié)構(gòu)如圖4-25所示。圖4-25變壓器結(jié)構(gòu)

1)鐵芯

鐵芯是變壓器的磁路部分，又是變壓器的機(jī)械骨架。為了減少磁通變化時(shí)所引起的渦流損失，變壓器的鐵芯要用厚度為0.35～0.5mm的硅鋼片疊成，片間用絕緣漆隔開(kāi)。變壓器鐵芯可分為芯式鐵芯和殼式鐵芯兩種。芯式變壓器的原、副繞組套裝在鐵芯的兩個(gè)鐵芯柱上，如圖4-26(a)所示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：繞組包圍鐵芯。這種形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于容量大而電壓高的電力變壓器。殼式變壓器的結(jié)構(gòu)如圖4-26(b)所示，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：鐵芯包圍繞組。這種結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度好，鐵芯容易散熱，但外層繞組的用鋼量較多，制造工藝復(fù)雜。一般小型變壓器采用這種結(jié)構(gòu)。圖4-26變壓器的鐵芯結(jié)構(gòu)小型變壓器的鐵芯柱常采用“E”字形、“F”字形和“日”字形硅鋼片交錯(cuò)地疊裝而成，如圖4-27所示。這種結(jié)構(gòu)的鐵芯夾緊裝置簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)可靠。圖4-27小型變壓器的鐵芯形式

2)繞組

繞組由絕緣銅導(dǎo)線繞制而成，是變壓器的電路部分，如圖4-28所示。大容量或電力變壓器的繞組通常做成圓筒形；小容量變壓器的繞組可制成長(zhǎng)方形或正方形。繞組的形式有同心式、交疊式等多種，大多數(shù)電力變壓器均采用同心式繞組。

繞組有原、副之分。與電源端相接的繞組稱為原繞組(或稱原邊或初級(jí))，其匝數(shù)為N1，與負(fù)載相接的繞組稱為副繞組(或稱副邊或次級(jí))，其匝數(shù)為N2。原、副繞組所用導(dǎo)線的規(guī)格和匝數(shù)對(duì)變壓器的電氣性能有很大的影響。繞組與繞組及繞組與鐵芯之間都是互相絕緣的。圖4-28變壓器的繞組

2.變壓器的基本工作原理

1)變壓器的電壓變換

變壓器原線圈接額定的交變電壓u1，副線圈開(kāi)路不接負(fù)載，稱為空載運(yùn)行，如圖4-29所示。空載時(shí)，副邊中的電流為零，原邊的電流為i0。

(1)空載電流i0。

空載運(yùn)行時(shí)，在外加正弦電壓u1的作用下，原線圈中的電流稱做變壓器的空載電流，又稱勵(lì)磁電流。空載電流(勵(lì)磁電流)的有效值I0一般都很小，約為額定電流的3%～8%。圖4-29變壓器的空載運(yùn)行

(2)原副邊的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

設(shè)一次繞組的匝數(shù)是N1,二次繞組的匝數(shù)是N2,穿過(guò)它們的磁通是Φ,那么一次、二次繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別為

e1=4.44fN1Φm

e2=4.44fN2Φm

(3)電壓平衡方程及電壓比。

空載時(shí)變壓器的原繞組電路是一個(gè)含有鐵芯線圈的交流電路，在工程計(jì)算中常忽略原繞組中的阻抗不計(jì)。所以原繞組一側(cè)的電壓平衡方程可簡(jiǎn)化為u1≈－e1

，這說(shuō)明，在變壓器原線圈中，自感電動(dòng)勢(shì)和電源電壓幾乎相等，但相位相反。由此可得u1的有效值為

U1≈E1=4.44fN1Φm

(4-23)式(4-23)表明：當(dāng)電源頻率和原線圈匝數(shù)一定時(shí)，鐵芯中主磁通的大小基本上由電源電壓決定。當(dāng)電源電壓不變時(shí)，變壓器鐵芯中的主磁通基本上為一常數(shù)。

由于空載時(shí)變壓器副線圈是開(kāi)路的，i2=0，副線圈的端電壓u2=e2，有效值為U2≈E2=4.44fN2Φm，因此可以得到(4-24)

K為變壓器的變比，變比通常在變壓器的銘牌上注明，譬如以“6000/400V”的形式表示原、副繞組的額定電壓之比，此例表明這臺(tái)變壓器原繞組的額定電壓U1N=6000V，副繞組的額定電壓U2N=400V。所謂副繞組的額定電壓是指原繞組加上額定電壓時(shí)副繞組的空載電壓。由于變壓器有內(nèi)阻抗壓降，所以副繞組的空載電壓一般應(yīng)較滿載時(shí)的電壓高5%~10%。

由式(4-24)可知：變壓器一次、二次繞組的端電壓之比等于這兩個(gè)繞組的匝數(shù)之比。如果N2＞N1，則U2＞U1，變壓器使電壓升高，稱為升壓變壓器；如果N2＜N1，則U2＜U1，變壓器使電壓降低，稱為降壓變壓器。

2)變壓器的負(fù)載運(yùn)行

變壓器原邊接交流電源u1，副邊接負(fù)載阻抗Z，這種運(yùn)行狀態(tài)稱為負(fù)載運(yùn)行，如圖4-30所示。在副邊感應(yīng)電壓的作用下，副邊線圈中有了電流i2。此電流在磁路中也會(huì)產(chǎn)生磁通，從而影響原邊電流i1。

由U1=E1=4.44fN1Φm可知，當(dāng)電源電壓U1和頻率f不變時(shí)，E1和Φm也都近于常數(shù)。就是說(shuō)，鐵芯中主磁通的最大值在變壓器空載或有負(fù)載時(shí)是差不多恒定的。因此有負(fù)載時(shí)產(chǎn)生主磁通的原、副繞組的合成磁動(dòng)勢(shì)i1N1+i2N2應(yīng)該和空載時(shí)產(chǎn)生主磁通的原繞組的磁動(dòng)勢(shì)i0N1近似相等，即

i1N1+i2N2=i0N1圖4-30變壓器的負(fù)載運(yùn)行變壓器的空載電流i0是勵(lì)磁用的，由于鐵芯的磁導(dǎo)率高，空載電流很小。它的有效值I0在原繞組額定電流I1N的10%以內(nèi)，因此I0N1與I1N1相比?？珊雎?。于是有(4-25)可見(jiàn)，變壓器中的電流雖然由負(fù)載的大小確定，但是原、副繞組中電流的比值基本上不變；因?yàn)楫?dāng)負(fù)載增加時(shí)，I2和I2N2隨著增大，而I1和I1N1也必須相應(yīng)增大，以抵償副繞組電流和磁動(dòng)勢(shì)對(duì)主磁通的影響，從而維持主磁通的最大值幾乎不變。變壓器的額定電流I1N和I2N是指變壓器長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作運(yùn)行時(shí)原、副繞組允許通過(guò)的最大電流，它們是根據(jù)絕緣材料允許的溫度確定的。

3)變壓器的阻抗變換

在電子線路中，變壓器還有變換阻抗的作用，常利用變壓器的阻抗變換功能來(lái)達(dá)到阻抗匹配的目的。如圖4-31所示，變壓器原邊接電源u1，副邊接負(fù)載Z，圖4-31(a)中虛線框內(nèi)的部分可以用一個(gè)等效的阻抗Z′來(lái)代替，如圖4-31(b)所示。

設(shè)接在變壓器副繞組的負(fù)載阻抗Z的模為|Z|，則根據(jù)等效原理，Z反映到原繞組的阻抗模|Z′|為(4-26)圖4-31變壓器的阻抗變換變壓器原邊的等效負(fù)載為副邊負(fù)載乘以變比的平方。當(dāng)變壓器負(fù)載一定時(shí)，改變變壓器的變比就可以獲得所需要的阻抗。

變壓器在阻抗變換中的應(yīng)用可以通過(guò)下例說(shuō)明。

[例4-1]

已知信號(hào)電壓的有效值U1=50V，信號(hào)內(nèi)阻Rs=100Ω，負(fù)載為揚(yáng)聲器，其等效電阻RL=8Ω。在揚(yáng)聲器上如何得到最大輸出功率？

解：(1)將負(fù)載直接接到信號(hào)源上，電路如圖4-32(a)所示，得到的輸出功率為圖4-32變壓器的阻抗變換

(2)將負(fù)載通過(guò)變壓器接到信號(hào)源上。電路如圖

4-32(b)所示，通過(guò)變壓器能實(shí)現(xiàn)揚(yáng)聲器阻抗與電源內(nèi)阻匹配，從而在負(fù)載上獲得最大功率。

變壓器的變比應(yīng)為輸出功率為

由此例可見(jiàn)加入變壓器以后，輸出功率提高了很多。

3.變壓器的運(yùn)行特性

1)變壓器的外特性

變壓器的外特性即副邊輸出電壓與輸出電流的關(guān)系，即

U2=f(I2)

(4-27)

圖4-33為變壓器的外特性曲線。

該曲線表明，變壓器副邊電壓隨負(fù)載的增加而下降；對(duì)于相同的負(fù)載電流，感性負(fù)載的功率因數(shù)愈低，副邊電壓下降愈多。圖4-33變壓器的外特性圖中U20為原邊加額定電壓、副邊開(kāi)路時(shí)副邊的輸出電壓；U2為原邊加額定電壓、副邊加負(fù)載時(shí)，副邊的輸出電壓，j2為副邊輸出電壓U2與副邊輸出電流I2的相位差。變壓器帶負(fù)載后副邊電壓下降程度用電壓調(diào)整率ΔU%表示，即(4-28)一般供電系統(tǒng)希望外特性要硬(隨I2的變化，U2變化不多)，電力變壓器的電壓調(diào)整率ΔU%約為3%~5%。

2)變壓器的損耗與效率

變壓器的損耗包括鐵損耗和銅損耗。

(1)鐵損耗(PFe)：包括磁滯損耗和渦流損耗。

(2)銅損耗(PGu)：繞組導(dǎo)線電阻所致。繞制變壓器需要用大量的銅線，這些銅導(dǎo)線存在著電阻，電流流過(guò)時(shí)電阻會(huì)消耗一定的功率，這部分損耗往往變成熱量而消耗，我們稱這種損耗為“銅損”。

由于變壓器存在著鐵損與銅損，所以它的輸出功率永遠(yuǎn)小于輸入功率，為此我們引入效率這一參數(shù)來(lái)對(duì)此進(jìn)行描述(4-29)由于變壓器沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部分，其效率是較高的，η值一般在95%以上，大型變壓器的效率可達(dá)98%~99%。變壓器效率隨輸出功率變化而變化，并有一最大值。

4.變壓器的銘牌數(shù)據(jù)

變壓器的銘牌主要標(biāo)示變壓器的額定值。額定值是制造廠對(duì)變壓器正常使用所作的規(guī)定。變壓器在規(guī)定的額定值狀態(tài)下運(yùn)行，可以保證長(zhǎng)期、可靠的工作，并具有良好的性能。變壓器銘牌標(biāo)注的額定值具體如圖4-34所示。圖4-34變壓器型號(hào)的含義

(1)額定容量：是指額定運(yùn)行時(shí)的視在功率，單位用伏安(VA)、千伏安(kVA)或兆伏安(MVA)表示。由于變壓器的效率很高，因此原、副邊繞組的額定容量幾乎相等。

(2)額定電壓：原邊繞組額定電壓U1N是指變壓器正常工作時(shí)規(guī)定接入的電壓；副邊繞組額定電壓U2N是指變壓器在空載狀態(tài)下，原邊繞組接額定電壓時(shí)副邊繞組的電壓值。額定電壓由變壓器的絕緣強(qiáng)度和允許溫升決定，單位用伏(V)、千伏(kV)表示。使用時(shí)原邊電壓不允許超過(guò)額定值(一般規(guī)定電壓額定值允許變化±5%)?？紤]有載運(yùn)行時(shí)變壓器有內(nèi)阻抗壓降，所以副邊額定輸出電壓U2應(yīng)較負(fù)載所需的額定電壓高5%~10%。

(3)額定電流：額定電流是指變壓器正常運(yùn)行時(shí)原、副邊繞組允許通過(guò)的最大電流，由絕緣材料允許的溫度所決定。在額定電流下，材料老化比較慢。如果實(shí)際的電流大大超過(guò)額定值，變壓器絕緣迅速老化，變壓器的壽命就要大大縮短。

(4)額定頻率：使用變壓器時(shí)，交流電源的頻率。

(5)額定溫升：變壓器的額定溫升是以環(huán)境溫度+40℃為參考，允許變壓器的最大溫升。

(6)短路電壓：也稱阻抗電壓，指一側(cè)繞組短路，另一側(cè)繞組達(dá)到額定電流時(shí)所施加的電壓與額定電壓的百分比。

(7)電壓比：指變壓器初級(jí)電壓和次級(jí)電壓的比值，有空載電壓比和負(fù)載電壓比的區(qū)別。

(8)絕緣電阻：表示變壓器各線圈之間、各線圈與鐵芯之間的絕緣性能。絕緣電阻的高低與所使用的絕緣材料的性能、溫度高低和潮濕程度有關(guān)。

5.變壓器的應(yīng)用

1)變壓器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

發(fā)電廠發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能電壓常為6.3kV或10.5kV。發(fā)電廠往往很偏僻，而用電量大的往往是大中城市，兩者距離很遠(yuǎn)。如果直接輸送則損耗非常大，是不允許的，故必須根據(jù)輸電距離的大小，用變壓器將電能升壓后再輸送。一般輸電電壓為110kV、220kV、330kV、500kV等幾個(gè)等級(jí)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離輸電將電能輸送到用電區(qū)域后，為了適應(yīng)用電設(shè)備的電壓要求，還需通過(guò)各級(jí)變電站(所)利用變壓器將電壓降低為各類電器所需要的電壓值，以供工廠和家庭使用。在用電方面，多數(shù)用電器所需電壓是380V、220V或36V，少數(shù)電動(dòng)機(jī)也采用3kV、6kV等電壓等級(jí)。

2)變壓器在家用電器中的應(yīng)用

電腦、電視機(jī)、影碟機(jī)、功放機(jī)等家用電器中都使用小型變壓器，將電壓降到所需的數(shù)值，如圖4-35所示。圖中，變壓器T將220V的交流電壓變換為7V的副邊電壓，再經(jīng)過(guò)橋式整流、濾波、穩(wěn)壓，輸出5V直流電源。

3)變壓器在測(cè)量、檢測(cè)中的應(yīng)用

在電力系統(tǒng)中，常用變壓器將高電壓、大電流變?yōu)榈碗妷?、小電流，以后再用普通的電壓表和電流表?lái)測(cè)量。圖4-35家用電器電源中的變壓器知識(shí)鏈接五幾種常用的變壓器

1.三相電力變壓器

三相電力變壓器廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)輸、配電的三相電壓變換。此外，三相整流電路、三相電爐設(shè)備也采用三相變壓器進(jìn)行三相電壓的變換。

三相變壓器原理結(jié)構(gòu)如圖4-36所示，它有三個(gè)鐵芯柱，每一相的高、低壓繞組同心地套裝在一個(gè)鐵芯柱上構(gòu)成一相，三相繞組的結(jié)構(gòu)是相同即對(duì)稱的。高壓繞組分別用U1U2、V1V2、W1W2表示。低壓繞組分別用u1u2、v1v2、w1w2表示。三相變壓器的高壓繞組和低壓繞組均可以連成星形或三角形，因此三相變壓器可能有Y/Y、Y/△、△/△、△/Y四種基本接法，符號(hào)中的分子表示高壓繞組的接法，分母表示低壓繞組的接法。目前我國(guó)生產(chǎn)的三相電力變壓器通常采用Y/Y0，Y/△接法。圖4-36三相變壓器

2.自耦變壓器

自耦變壓器的原邊電路與副邊電路共用一部分線圈，如圖4-37所示。原、副邊之間除了有磁的聯(lián)系外，還有電的直接聯(lián)系。這是自耦變壓器區(qū)別于一般變壓器的特點(diǎn)。

自耦變壓器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)省材料、效率高，但這些優(yōu)點(diǎn)只有在變壓器變比不大的情況下才有意義。它的缺點(diǎn)是副線圈和原線圈有電的聯(lián)系，不能用于變比較大(一般不大于2)的場(chǎng)合。這是因?yàn)楫?dāng)副線圈斷開(kāi)時(shí)，高電壓就串入低壓網(wǎng)絡(luò)，容易發(fā)生事故。

自耦變壓器常用于調(diào)節(jié)電爐爐溫，啟動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)或用于實(shí)驗(yàn)和小型儀器。圖4-37自耦變壓器

3.儀用互感器

儀用互感器是專供電工測(cè)量和自動(dòng)保護(hù)用的變壓器，使用儀用互感器的目的在于保證設(shè)備和人身安全，擴(kuò)大測(cè)量?jī)x表的量程。

1)電壓互感器

電壓互感器是用來(lái)將高電壓變?yōu)榈碗妷旱奶厥庾儔浩?。電壓互感器的原繞組匝數(shù)很多，并聯(lián)于待測(cè)電路兩端；副繞組匝數(shù)較少，與電壓表或電度表、功率表、繼電器的電壓線圈并聯(lián)。電壓互感器的副邊額定電壓一般設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)值

100V，以便統(tǒng)一電壓表的表頭規(guī)格。其接線如圖4-38所示。圖4-38電壓互感器若電壓互感器和電壓表固定配合使用，則從電壓表上可直接讀出高壓線路的電壓值。

(1)電壓互感器的選擇與正確使用。

①按額定電壓選擇。

電壓互感器的額定電壓應(yīng)與所接入的電力系統(tǒng)電壓相適應(yīng)，滿足下列條件：

1U1>UN>0.9U1

式中：UN為原邊繞組所接電力系統(tǒng)電壓；U1為原邊繞組額定電壓。

②按裝置種類選擇。

根據(jù)裝設(shè)的場(chǎng)所，可以采用室內(nèi)式(20kV以下)或室外式(35kV以上)電壓互感器。③按構(gòu)造形式選擇。

根據(jù)具體情況選擇構(gòu)造形式。如：電壓在35kV以上的可選擇油浸式普通結(jié)構(gòu)或采用環(huán)氧樹(shù)脂澆注絕緣的干式結(jié)構(gòu)。

④按準(zhǔn)確度等級(jí)選擇。根據(jù)測(cè)量?jī)x表和保護(hù)裝置的形式以及它們的用途，確定電壓互感器應(yīng)在哪一級(jí)準(zhǔn)確度等級(jí)下工作。

⑤按接線方式選擇。按不同的測(cè)量目的選擇相應(yīng)的接線方式。

⑥額定容量的選擇。滿足條件：0.25SN≤S2≤SN，其中S2為副邊繞組輸出容量，SN為額定容量。

(2)電壓互感器使用時(shí)的注意事項(xiàng)。

①電壓互感器的副邊繞組不允許短路，以防產(chǎn)生過(guò)流。

②副邊繞組串接的阻抗不能太小，以免影響測(cè)量精度。

③電壓互感器的鐵芯、金屬外殼及副邊繞組的一端都應(yīng)可靠接地，否則萬(wàn)一高、低壓繞組間的絕緣損壞，低壓繞組和測(cè)量?jī)x表對(duì)地將出現(xiàn)高電壓，這對(duì)工作是非常危險(xiǎn)的。

2)電流互感器

電流互感器是用來(lái)將大電流變?yōu)樾‰娏鞯奶厥庾儔浩?，原邊繞組線徑較粗，匝數(shù)很少，與被測(cè)電路負(fù)載串聯(lián)；副邊繞組線徑較細(xì)，匝數(shù)很多，與電流表或功率表、電度表、繼電器的電流線圈串聯(lián)。它的副邊額定電流一般設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)值5A，以便統(tǒng)一電流表的表頭規(guī)格。其接線圖如圖4-39所示。圖4-39電流互感器若安培表與專用的電流互感器配套使用，則從安培表上就可直接讀出被測(cè)大電流電路中電流值的大小。

(1)電流互感器的選擇。

①按額定電壓選擇。

根據(jù)被測(cè)線路的電壓等級(jí)選擇電流互感器的額定電壓。絕不能用額定電壓低的電流互感器去測(cè)量電壓等級(jí)比它高的線路電流，電流互感器的額定電壓應(yīng)大于或等于所接電網(wǎng)的額定電壓。

②按額定電流選擇。

應(yīng)按照長(zhǎng)期通過(guò)電流互感器的最大工作電流選擇其額定一次電流。額定一次電流應(yīng)稍大于通過(guò)電流互感器的最大工作電流。③按準(zhǔn)確度等級(jí)選擇。

a.裝設(shè)在發(fā)電機(jī)、電力變壓器等回路中的電度表計(jì)電流互感器及所有用于計(jì)算電費(fèi)的電度表用電流互感器準(zhǔn)確度應(yīng)為0.5級(jí)。用電量大的重要用戶應(yīng)采用準(zhǔn)確度不低于0.2級(jí)的電流互感器。

b.監(jiān)視電能的電能表準(zhǔn)確度等級(jí)為1級(jí)。

④按額定容量來(lái)選擇。

因?yàn)殡娏骰ジ衅鞯臏?zhǔn)確等級(jí)與一定的容量相匹配，當(dāng)接入負(fù)載超過(guò)額定值時(shí)，實(shí)際儀表運(yùn)行的準(zhǔn)確等級(jí)下降，測(cè)量誤差增大。

(2)電流互感器的使用注意事項(xiàng)。

電流互感器的配置應(yīng)滿足測(cè)量表計(jì)、保護(hù)和自動(dòng)裝置的要求，應(yīng)分別由單獨(dú)二次繞組供電。極性連接正確。

①運(yùn)行中的電流互感器的二次繞組不允許開(kāi)路，以防產(chǎn)生高電壓。

②鐵芯、二次繞組的一端應(yīng)可靠接地，以防在絕緣損壞時(shí)，在副邊出現(xiàn)過(guò)壓。

③副邊電路中裝拆儀表時(shí)，必須先使副繞組短路，并且副邊電路中不允許安裝保險(xiǎn)絲等保護(hù)設(shè)備。第二部分技能實(shí)訓(xùn)

EWB仿真應(yīng)用實(shí)訓(xùn)

一、訓(xùn)練內(nèi)容

用EWB仿真軟件仿真互感電路

二、器材準(zhǔn)備

電腦EWB仿真軟件

三、訓(xùn)練要求

1.會(huì)判斷耦合線圈同名端

對(duì)耦合線圈同名端的判定具有十分重要的意義，如變壓器、電動(dòng)機(jī)等繞組的連接都要判定同名端，若連接錯(cuò)誤，不僅達(dá)不到預(yù)期的效果，甚至可能造成不良后果。耦合線圈的同名端與繞組的實(shí)際繞向及相互位置有關(guān)，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法判定。

(1)等值電感法：根據(jù)耦合線圈順向和反向串接時(shí)的等效電感不同，因而感抗不同的關(guān)系，可以在統(tǒng)一電壓作用下測(cè)量電流并比較判定同名端。電流小者為正向串接，電流大者為反向串接。

(2)直流通斷法：耦合線圈一繞組接直流電源，另一繞組接電壓表，利用直流電源接通電壓表的正負(fù)來(lái)判定同名端。用EWB5.0軟件按照?qǐng)D4-40所示進(jìn)行仿真。在閉合開(kāi)關(guān)S后，如果U1的示數(shù)為正值，則a和c是同名端；反之，當(dāng)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S后，如果U1的示數(shù)為負(fù)值，則a和d是同名端。圖4-40同名端測(cè)試仿真電路

2.會(huì)測(cè)量互感系數(shù)M和耦合系數(shù)K

設(shè)線圈的電阻和自感分別為R1、L1和R2、L2，兩線圈的互感為M。

順接時(shí)

反接時(shí)由以上兩式可以得到M。

(2)測(cè)得互感系數(shù)M后，可由下式計(jì)算耦合系數(shù)K用EWB5.0軟件按照?qǐng)D4-41和圖4-42所示接線，進(jìn)行仿真。設(shè)線圈的電感和自感分別為R1、L1和R2、L2，兩線圈的互感為M。改變電源電壓的數(shù)值，記錄電流表的數(shù)值，填入自己設(shè)計(jì)的表格中。圖4-41交流鐵芯線圈順接仿真電路圖4-42交流鐵芯線圈反接仿真電路完成工作任務(wù)

按照工作任務(wù)要求完成工作任務(wù)。

1.制做小型電源變壓器使用的材料

低頻范圍工作的單相電源變壓器、控制變壓器、行燈變壓器統(tǒng)稱為小型變壓器。如圖4-43所示。圖4-43小型變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖

1)鐵芯

E形和EI形鐵芯是目前小型變壓器使用最多的鐵芯，它一般采用硅鋼片，硅鋼片越薄，功率損耗越小，效果越好。整個(gè)鐵芯是由許多硅鋼片疊成的，每片之間要絕緣。買來(lái)的硅鋼片表面有一層不導(dǎo)電的氧化膜，有足夠的絕緣能力。圖4-44為EI形鐵芯及其結(jié)構(gòu)示意圖。EI形鐵芯由鐵柱和鐵軛兩部分組成，繞組套裝在鐵柱上，而鐵軛則用來(lái)使整個(gè)磁路閉合。它的主要優(yōu)點(diǎn)是繞組的初、次級(jí)可共用一個(gè)骨架，有較高的窗口占空系數(shù)。鐵芯可對(duì)繞組形成保護(hù)外殼，使繞組不易受機(jī)械創(chuàng)傷，鐵芯的散熱面積也較大。但它也有缺點(diǎn)，如磁路中氣隙較大，磁阻增加，使磁路性能降低。為克服此缺點(diǎn)，E形和EI形鐵芯一般采用交疊方式進(jìn)行疊裝，應(yīng)使上層和下層疊片的接縫相互錯(cuò)開(kāi)，減小氣隙，降低磁路磁阻。國(guó)產(chǎn)小功率變壓器常用標(biāo)準(zhǔn)鐵芯片規(guī)格見(jiàn)表4-2。圖4-44EI鐵芯的示意圖

2)繞組

繞制變壓器繞組通常采用的材料有漆包線和絲包線，最常用的是漆包線。對(duì)于導(dǎo)線的要求是導(dǎo)電性能好，絕緣漆層要求有足夠的耐熱性能，并且要有一定的耐腐蝕能力。變壓器的原邊繞組只有一個(gè)，副邊繞組為一個(gè)或多個(gè)。原副邊繞組套裝在同一鐵芯柱上。線圈繞制的順序通常是初級(jí)線圈繞在線包的里面，然后再繞制次級(jí)線圈。為了避免干擾電壓經(jīng)變壓器竄入無(wú)線電設(shè)備，在變壓器的初、次級(jí)間還加有靜電屏蔽層，以消除初、次級(jí)繞組間的分布電容引入的干擾電壓。為了便于散熱，繞組和窗口之間應(yīng)留有一定空隙，一般為1~3mm，但也不能過(guò)大，以免使變壓器的損耗增大。繞組的引出線一般采用多股絕緣軟線。對(duì)于粗導(dǎo)線繞制的繞組，可使用線圈本身的導(dǎo)線作為引出線，外面再加絕緣套管。

3)絕緣材料

(1)絕緣材料。

為了使變壓器有足夠的絕緣強(qiáng)度，繞組各層間均墊有薄的絕緣材料，如電容器紙、黃蠟綢等。一般的變壓器框架材料可用酚醛紙板制作，層間可用聚脂薄膜或電話紙作隔離，繞阻間可用黃蠟綢作隔離。

(2)浸漬材料。

變壓器繞制好后，還要過(guò)最后一道工序即浸漬絕緣漆，它能增強(qiáng)變壓器的機(jī)械強(qiáng)度、提高絕緣性能、延長(zhǎng)使用壽命，一般情況下，可采用甲酚清漆作為浸漬材料。

2.小型電源變壓器的設(shè)計(jì)

1)設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)一個(gè)小型電源變壓器，主要是根據(jù)變壓器功率選擇變壓器鐵芯的截面積，鐵芯截面積S是指硅鋼片中間舌的標(biāo)準(zhǔn)尺寸a和疊加起來(lái)的總厚度b的乘積，再根據(jù)初、次級(jí)電壓計(jì)算初次級(jí)各線圈的匝數(shù)等。

2)設(shè)計(jì)步驟

如果電源變壓器的初級(jí)電壓為U1，次級(jí)有n個(gè)組，各組電壓分別為U21，U22，…，U2n，各組電流分別為I21,I22,…,

I2n，輸出為純阻性負(fù)載。計(jì)算步驟如下：

(1)計(jì)算變壓器的功率。

變壓器次級(jí)繞組輸出的總功率

P2=U21×I21+U22×I22+…+U2n×I2n

初級(jí)繞組的輸入功率式中：η為變壓器效率，根據(jù)輸出功率的大小不同而略有變化，通常容量在100W以下的變壓器η約在70%~80%之間，容量在1000W以下的變壓器效率約為80%~90%，實(shí)際運(yùn)用時(shí)，輸出功率低者取小值。

輸入電流：式中，1.1~1.2為考慮變壓器空載勵(lì)磁電流的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

(2)計(jì)算變壓器的鐵芯規(guī)格。①確定鐵芯截面積Ｓ。所謂鐵芯截面積Ｓ是指硅鋼片中間舌的標(biāo)準(zhǔn)尺寸a和疊加起來(lái)的總厚度b的乘積。小型變壓器常用的是E形(或F形)鐵芯，它的鐵芯截面S的大小與變壓器總輸出視在功率有關(guān)，公式如下：(4-30)式中：S為鐵芯截面積;k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù);P2為變壓器總的輸出功率。

k的取值和變壓器的輸出功率有關(guān)，當(dāng)P2<100W時(shí)，k取1.2~1.3；當(dāng)P2<500W時(shí)，k取1.1~1.2；當(dāng)P2≤1000W時(shí)，k取1.0~1.1(功率大者取小值)。②確定鐵芯規(guī)格。

根據(jù)計(jì)算所得的S值，確定使用GEI形鐵芯，再根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定鐵芯舌寬a與疊厚b的大小，由于變壓器的鐵芯截面積S=a×b，其中a為鐵芯舌寬，b為鐵芯疊厚。一般舌寬a和疊厚b的比值在1∶1～1∶2之間，即b=(1.0~1.2)a，根據(jù)計(jì)算的截面積S，便可求出a。從國(guó)產(chǎn)小功率變壓器常用的標(biāo)準(zhǔn)鐵芯片規(guī)格表中選擇鐵芯片規(guī)格和疊厚，由于鐵芯由涂絕緣漆的硅鋼片疊成，考慮到漆膜與硅鋼片間隙的厚度，實(shí)際的鐵芯疊厚b′應(yīng)比b更大些，即b′=b/0.9。

(3)計(jì)算變壓器線圈匝數(shù)。

①確定每伏匝數(shù)N0。

根據(jù)U=4.44fNΦm，已知鐵芯截面積S和磁通密度B，可求得線圈的每伏匝數(shù)N0式中：S——鐵芯截面積，單位為平方厘米(cm2)；

Bm——鐵芯磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位為高斯(T)。鐵芯的B值可以這樣選?。嘿|(zhì)量?jī)?yōu)良的硅鋼片取11000T;一般硅鋼片取10000T；鐵片取7000T。②初、次級(jí)繞組的計(jì)算。

考慮到導(dǎo)線電阻的壓降，次級(jí)線圈每伏匝數(shù)N′應(yīng)該比N增加5%～10%，即N′在1.05N～1.1N之間選取。

初級(jí)繞組N1=N0×U1

次級(jí)繞組N21=1.05×N0×U21，N22=1.05×N0×U22，…

N2n=1.05×N0×U2n

(4)計(jì)算變壓器繞組導(dǎo)線的規(guī)格。

根據(jù)各繞組的電流大小和選定的電流密度，可以得到各組繞組的導(dǎo)線直徑：(4-31)式中：d——導(dǎo)線直徑，單位為毫米(mm);

I——變壓器工作電流，單位為安培(A)；

J——電流密度，單位為安每平方毫米(A/mm2)。

一般電源變壓器的電流密度可以選用2~3A/mm2，散熱條件不太理想、環(huán)境溫度比較高時(shí)，其漆包線的電流密度應(yīng)取2A/mm2(線徑)。如果變壓器連續(xù)工作時(shí)負(fù)載電流基本不變，但本身散熱條件較好，環(huán)境溫度又不高，這樣的漆包線按電流密度2.5A/mm2選取線徑，若變壓器工作電流僅為最大工作電流的1/2，漆包線按電流密度3～3.5A/mm2選取線徑。音頻變壓器的漆包線按電流密度3.5～4A/mm2選取線徑。這樣因時(shí)制宜取材既可保證質(zhì)量又可大大降低成本。

(5)選用合適的變壓器絕緣材料。

根據(jù)變壓器工作環(huán)境、溫升情況及耐壓要求選用合適的絕緣材料，絕緣材料的耐熱等級(jí)一般分為Y、A、E、B、F、H、N、C級(jí)，其與最高工作溫度的關(guān)系如表4-3所示。

(6)核算變壓器鐵芯窗口容納繞組的情況。

核算時(shí)除需要上述計(jì)算結(jié)果外，還要掌握層間絕緣厚度、框架厚度和導(dǎo)線連同絕緣漆的直徑等。一般層間絕緣用牛皮紙，其厚度為0.05mm。對(duì)于線徑較粗的繞組，層間也可用0.12mm厚的青殼紙或較厚的牛皮紙；如線徑較細(xì)，可采用厚約0.02～0.03mm的透明紙或塑料薄膜，線圈間的絕緣厚度在電壓不超過(guò)250V時(shí)可采用2～3層牛皮紙或0.12mm的青殼紙。因?yàn)榫€圈是繞在絕緣框架上的，所以鐵芯窗口有效長(zhǎng)度只能按0.9倍的額定長(zhǎng)度計(jì)算，計(jì)算時(shí)先算出每層匝數(shù)，再算出每個(gè)線圈的厚度，最后算出總的厚度，看看窗口是否放得下，如果放不下，可以加大一號(hào)鐵芯，如果太空，可以減小一號(hào)鐵芯。①根據(jù)選定的鐵芯窗高h(yuǎn)計(jì)算每層可繞的匝數(shù)ni為式中：di′——包括絕緣厚的導(dǎo)線外徑，單位為毫米(mm);

0.9——考慮繞組框架兩端各空出約5%;

h——鐵芯窗高，單位為毫米(mm)。②每組繞組需繞的層數(shù)mi為式中：Ni為繞組總匝數(shù)；ni為每層可繞的匝數(shù)。③每組繞組厚度Bi為

Bi=mi(di′+δ)+γ式中：δ為繞組層間絕緣的厚度，單位為毫米(mm)；γ為繞組間絕緣的厚度，單位為毫米(mm)。

④所有繞組的總厚度B為