《電子與電工技術(shù)》課件第6章

6.1磁場(chǎng)和磁路6.2磁路的基本定律6.3變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理6.4變壓器的特性6.5特殊變壓器小結(jié)習(xí)題

第6章磁路和變壓器6.1.1磁場(chǎng)和磁路的基本概念

1．磁場(chǎng)

電流周圍存在著磁場(chǎng)，如圖6－1中的線圈通以電流I后，在線圈周圍就存在著磁場(chǎng)。

2．磁路

為了增強(qiáng)磁場(chǎng)，常把線圈繞在鐵芯上，當(dāng)線圈通以電流I后便產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)，并且磁場(chǎng)集中在主要由鐵芯形成的閉合回路中，這個(gè)閉合回路稱做磁路。圖6－2中的虛線所組成

的閉合回路就是磁路。6.1磁場(chǎng)和磁路圖6－1空心線圈的磁場(chǎng)

圖6－2磁路

3．主磁通和漏磁通

(1)主磁通Φ。

鐵磁材料具有高的導(dǎo)磁率，可使絕大多數(shù)磁通在磁路中形成閉合回路，這部分磁通稱為主磁通，記為Φ，如圖6－3所示。

(2)漏磁通Φs。

另外的一小部分磁通則不經(jīng)磁路而經(jīng)空氣形成閉合回路，這部分磁通稱為漏磁通，記為Φs，如圖6－3所示。圖6－3主磁通和漏磁通

4．磁動(dòng)勢(shì)

要使圖6－2所示的磁路中建立一定的磁通Φ，就必須在具有一定匝數(shù)N的線圈中，通入一定大小的電流I。把兩者的乘積IN稱做磁路的磁動(dòng)勢(shì)，簡(jiǎn)稱磁勢(shì)，用字母F代表，即

F=IN

磁動(dòng)勢(shì)是產(chǎn)生磁通的磁源，有磁動(dòng)勢(shì)就一定有磁通。磁動(dòng)勢(shì)的單位是安(A)。

5．渦流

當(dāng)線圈中通過變化的電流i時(shí)，在鐵芯中穿過的磁通也是變化的。由于構(gòu)成磁路的鐵芯是導(dǎo)體，于是在鐵芯中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，如圖6－4(a)中圓弧所示。由于這種感應(yīng)電流是一種自成閉合回路的環(huán)流，故稱為渦流。為了減小渦流損耗，當(dāng)線圈用于一般工頻交流電時(shí)，可用硅鋼片疊成鐵芯，如圖6－4(b)所示，這樣可將渦流限制在較小的截面內(nèi)流通。因鐵芯含硅，電阻率較大，從而使渦流及其損耗大為減小。一般電機(jī)和變壓器的鐵芯常采用厚度為0.35mm和0.5mm的硅鋼片疊成；對(duì)高頻鐵芯線圈，常采用鐵氧體鐵芯，其電阻率很高，可大大降低渦流損耗。圖6－4渦流及減小渦流的方法

6.1.2磁場(chǎng)的基本物理量

1．磁通Φ

磁通是描述磁場(chǎng)在空間某個(gè)面上分布情況的物理量，也是指垂直于磁場(chǎng)的某一面積A上所穿過的磁力線的數(shù)目，如圖6－5所示。圖6－5磁通

2．磁感應(yīng)強(qiáng)度B

磁感應(yīng)強(qiáng)度B是描述磁場(chǎng)中各點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量，它是一個(gè)矢量。

在均勻磁場(chǎng)(即磁場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小相等，方向相同)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度等于垂直穿過單位面積的磁力線數(shù)目，即

3．磁導(dǎo)率

(1)磁導(dǎo)率。

人們?cè)趯?shí)踐中發(fā)現(xiàn)，不同的物質(zhì)在磁場(chǎng)中的磁性表現(xiàn)不同。

(2)相對(duì)磁導(dǎo)率。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得真空中的磁導(dǎo)率為

μ0=4π×10-7H／m

4．磁場(chǎng)強(qiáng)度H

對(duì)通電導(dǎo)體周圍的磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小與磁場(chǎng)周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率μ有關(guān)。

例如，在離通電長直導(dǎo)線的距離為RA的點(diǎn)A(圖6－6)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為

B=μ圖6－6通電的長直導(dǎo)線

6.2.1磁路的歐姆定律和磁阻

1．磁路的歐姆定律

把相同的磁動(dòng)勢(shì)加到不同的磁路中去，獲得的磁通也不相同。這說明磁通除了與磁動(dòng)勢(shì)有關(guān)外，還與組成磁路的物質(zhì)及尺寸有關(guān)。用RM

表示磁阻，磁動(dòng)勢(shì)、磁通、磁阻間的關(guān)系可通過下式進(jìn)行計(jì)算：

6.2磁路的基本定律

2．磁阻

磁阻表示磁路對(duì)磁動(dòng)勢(shì)建立磁通所呈現(xiàn)的阻力。磁路的磁阻大小與構(gòu)成磁路的材料性質(zhì)及幾何尺寸有關(guān),

6.2.2安培環(huán)路定律(全電流定律)

磁場(chǎng)中任何閉合回路磁場(chǎng)強(qiáng)度的線積分，等于通過這個(gè)閉合路徑內(nèi)電流的代數(shù)和，這稱為安培環(huán)路定理(全電流定律)。其數(shù)學(xué)式為

∮Hdl=∑I

電流方向和磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向符合右手定則時(shí)，電流取正，否則取負(fù)。圖6－7中取鐵芯的中心線即磁路的平均長度為積分回路，由于中心線上各點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小相同，方向與l的方向一致，故有

∮Hdl=H∮dl=Hl圖6－7無分支磁路

6.2.3磁路基爾霍夫定律

1．磁路基爾霍夫第一定律

根據(jù)磁通連續(xù)性原理，對(duì)圖6－8中的有分支磁路，在磁路的任一個(gè)節(jié)點(diǎn)(任一閉合面)上磁通的代數(shù)和都等于零，即

∑Φ=0

上式稱為磁路基爾霍夫第一定律。根據(jù)此定律，對(duì)圖6－8中的閉合面A有

Φ1+Φ2-Φ3=0圖6－8有分支磁路

2．磁路基爾霍夫第二定律

根據(jù)全電流定律可知，磁路的任一閉合回路中磁壓降Hl的代數(shù)和等于磁動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和，即

∑Hl=∑IN6.3.1變壓器的作用

變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的一種常見的電氣設(shè)備。它具有變壓、變流和變阻抗的作用，因而在各個(gè)工程領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

發(fā)電廠欲將P=3UIcosφ的電功率輸送到用電區(qū)域，在輸送的電功率和功率因數(shù)一定時(shí)，電壓越高，電流就越小，輸電線路上的損耗也就越小。這樣不僅可以減小輸電導(dǎo)線的截面積，節(jié)省材料，而且還可以減少功率損耗。6.3變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理例如，圖6－9是輸配電系統(tǒng)示意圖。圖中發(fā)電機(jī)的電壓通常為6.3～10.5kV，用升壓變壓器將電壓升高到35～500kV進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸電，當(dāng)電能送到用電地區(qū)后，再用降壓變壓器將電壓降低到較低的配電電壓(一般為10kV)，分配到各工廠、用戶，最后再用配電變壓器將電壓降低到用戶所需的電壓等級(jí)(如380V/220V)，供用戶使用。圖6－9輸配電系統(tǒng)示意圖

6.3.2變壓器的基本結(jié)構(gòu)

變壓器是由套在一個(gè)閉合鐵芯上的兩個(gè)或多個(gè)線圈(繞組)構(gòu)成的，如圖6－10所示。鐵芯和線圈是變壓器的基本組成部分。圖6－10變壓器結(jié)構(gòu)示意圖

1．鐵芯

鐵芯構(gòu)成變壓器的磁路部分。為減小鐵芯中的磁滯和渦流損耗，變壓器的鐵芯大多用0.35～0.5mm厚的硅鋼片交錯(cuò)疊裝而成。疊裝之前，硅鋼片上還需涂一層絕緣漆。交錯(cuò)疊裝是指將每層硅鋼片的接縫錯(cuò)開。圖6－11為幾種常見鐵芯的形狀。圖6－11變壓器的鐵芯

2．繞組

繞組構(gòu)成變壓器的電路部分。繞組通常用絕緣的銅線或鋁線繞制。其中，與電源相連的繞組稱為原繞組(又稱原邊或初級(jí))；與負(fù)載相連的繞組稱為副繞組(又稱副邊或次級(jí))。

一般小容量變壓器的繞組用高強(qiáng)度漆包線繞制而成，大容量變壓器可用絕緣扁銅線或鋁線繞制。繞組的形狀有筒型和盤型兩種，如圖6－12所示。筒型繞組又稱同心式繞組，原、副繞組套在一起，一般低壓繞組在里面，高壓繞組在外面，這樣排列可降低繞組對(duì)鐵芯的絕緣要求。盤型繞組又稱交疊式繞組，原、副繞組分層交疊在一起。圖6－12變壓器的繞組

按鐵芯和繞組的組合結(jié)構(gòu)通常又把變壓器分為心式和殼式兩種，如圖6－13所示。心式變壓器的繞組套在鐵芯柱上，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，繞組的裝配和絕緣都比較方便，且用鐵量少，因此多用于容量較大的變壓器，如電力變壓器。殼式變壓器的鐵芯把繞組包圍在中間，故不要專門的變壓器外殼，但它的制造工藝復(fù)雜，用鐵量較多，常用于小容量的變壓器中，如電子線路中的變壓器多采用殼式結(jié)構(gòu)。圖6－13變壓器的結(jié)構(gòu)形式

6.3.3變壓器的工作原理

1．電壓變換原理(變壓器空載運(yùn)行)

由于副邊開路，這時(shí)變壓器的原邊電路相當(dāng)于一個(gè)交流鐵芯線圈電路。其磁動(dòng)勢(shì)i10N1在鐵芯中產(chǎn)生主磁通Φ，主磁通Φ通過閉合鐵芯，在原、副繞組中分別感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)e1、e2。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律可得：圖6－14變壓器的空載運(yùn)行

【例6－1】

有一臺(tái)10000V/230V的單相變壓器，其鐵芯截面積S=120cm2，磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值Bm=1T，當(dāng)高壓繞組接到f=50Hz的交流電源上時(shí)，求原、副繞組的匝數(shù)N1、N2各為多少?

解鐵芯中磁通的最大值為

Φm=BmS=1×120×10－4=0.012Wb

2．電流變換原理(變壓器負(fù)載運(yùn)行)

變壓器的原繞組接交流電壓u1，副繞組接負(fù)載|ZL|，變壓器向負(fù)載供電，這種運(yùn)行狀態(tài)稱為負(fù)載運(yùn)行，如圖6－15所示。負(fù)載運(yùn)行后原邊電流由i10增大到i1，副邊的電流為i2。圖6－15變壓器的負(fù)載運(yùn)行

【例6－2】

已知一單相變壓器原、副繞組匝數(shù)N1=1000，N2=200，原邊電流I1=2A，副邊電壓U2=50V，負(fù)載為純電阻。若忽略變壓器的漏磁和損耗，求變壓器的原邊電壓U1、副邊電流I2和輸入功率、輸出功率。

解

3．阻抗變換原理

由以上分析可知，雖然變壓器的原、副繞組之間只有磁耦合關(guān)系，沒有電的直接關(guān)系，但實(shí)際上原繞組的電流I1會(huì)隨著副繞組上負(fù)載阻抗ZL的大小而變化，|ZL|減小，則I2=U2/|ZL|增大，I1=I2/K也增大。因此，從原邊電路來看，我們可以設(shè)想存在一個(gè)等效阻抗ZL′，ZL′能反映副邊負(fù)載阻抗ZL的大小發(fā)生變化時(shí)對(duì)原繞組電流I1的作用。圖6－16中點(diǎn)畫線框內(nèi)的電路可用另一個(gè)阻抗ZL′來等效代替。所謂等效，就是它們從電源吸取的電流和功率相等。圖6－16變壓器的阻抗變換

【例6－3】

某交流信號(hào)源的電動(dòng)勢(shì)E=100V，內(nèi)阻R0=500Ω，負(fù)載電阻RL=5Ω。試求：

(1)若負(fù)載直接接在信號(hào)源上(如圖6－17(a)所示)，信號(hào)源輸出的功率為多少？

(2)若負(fù)載接入輸出變壓器(如圖6－17(b)所示)，要使折算到原邊的等效電阻RL′=R0=500Ω，求變壓器的變比應(yīng)選多少？阻抗變換后信號(hào)源的輸出功率是多少？圖6－17例6－3的電路

6.4.1外特性

變壓器的外特性是指當(dāng)一次側(cè)電壓U1和負(fù)載功率因數(shù)cosφ2保持不變時(shí)，二次側(cè)輸出電壓U2和輸出電流I2的關(guān)系，U2=f(I2)。

圖6－18所示為一變壓器的外特性曲線。變壓器從空載到額定負(fù)載，副邊電壓變化的數(shù)值與空載電壓之比稱為電壓調(diào)整率，或稱為電壓變化率，記作ΔU，它一般用百分值來表示，即6.4變壓器的特性圖6－18變壓器外特性曲線

6.4.2損耗與效率

和交流鐵芯線圈一樣，變壓器的功率損耗包括鐵芯中的鐵損ΔPFe

和繞組上的銅損ΔPCu兩部分,即

ΔP=ΔPCu+ΔPFe

而

ΔPCu=6.4.3額定值

變壓器的額定值主要有：

(1)額定電壓UN：指變壓器副繞組空載時(shí)各繞組的電壓。三相變壓器的UN是指線電壓。

(2)額定電流IN：指允許繞組長時(shí)間連續(xù)工作的線電流。(3)額定容量SN：在額定工作條件下變壓器的視在功率。

單相變壓器的視在功率為

SN=U2NI2N≈U1NI1N

6.5.1自耦變壓器

自耦變壓器的原理圖如圖6－19所示，這個(gè)繞組的總匝數(shù)為N1，原繞組接電源，繞組的一部分匝數(shù)為N2，作為副繞組接負(fù)載，這樣，原、副繞組不僅有磁的耦合，而且還有電的直接聯(lián)系。6.5特殊變壓器

圖6－19自耦變壓器

6.5.2儀用互感器

儀用互感器是在交流電路中專供電工測(cè)量和自動(dòng)保護(hù)裝置使用的變壓器。

1．電流互感器

電流互感器是將大電流變換成小電流的升壓變壓器。其外形及結(jié)構(gòu)原理圖如圖6－20所示。原繞組線徑較粗，匝數(shù)很少，與被測(cè)電路負(fù)載串聯(lián)；副繞組線徑較細(xì)，匝數(shù)較多，與電流表及功率表、電度表、繼電器的電流線圈串聯(lián)。圖6－20電流互感器

使用電流互感器時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

(1)電流互感器在運(yùn)行中不允許副邊開路，因?yàn)樗脑@組是與負(fù)載串聯(lián)的，其電流I1的大小決定于負(fù)載的大小，而與副邊電流I2無關(guān)，所以當(dāng)副邊開路時(shí)，鐵芯中由于沒有I2的去磁作用，主磁通將急劇增加，這不僅使鐵損急劇增加，鐵芯發(fā)熱，而且將在副繞組感應(yīng)出數(shù)百甚至上千伏的電壓，造成繞組的絕緣擊穿，并危及工作人員的安全。

(2)為了安全起見，電流互感器的鐵芯和二次繞組的一端也必須接地。在工程中常用的鉗形電流表是一種特殊的配有電流互感器的電流表，其外形、結(jié)構(gòu)如圖6－21所示。電流互感器的副繞組繞在鐵芯上并與電流表接成閉合回路，可從電流表上直接讀出被測(cè)電流的大小。鉗形電流表用來測(cè)量正在運(yùn)行中的設(shè)備的電流，使用非常方便。圖6－21鉗形電流表

2．電壓互感器

電壓互感器是一臺(tái)小容量的降壓變壓器，其外形及結(jié)構(gòu)原理圖如圖6－22所示。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，與電壓表及電度表、功率表、繼電器的電壓線圈并聯(lián)。根據(jù)變壓器的工作原理，有

圖6－22電壓互感器

3．電焊變壓器

電焊是電熱在金屬焊接工藝上的一種應(yīng)用，金屬靠電弧放電的熱量來熔化，因此在焊接過程中始終要維持電弧放電。

因?yàn)樵诤附舆^程中，電焊變壓器的負(fù)載經(jīng)常處于從空載(當(dāng)焊條與工件分離時(shí))到短路(當(dāng)焊條與工件接觸時(shí))或者從短路到空載之間急劇變化的狀態(tài)，所以，要求電焊變壓器具有急劇下降的外特性。這樣，短路時(shí)，由于輸出電壓迅速下降，副邊電流也不至于過大；空載時(shí)，由于副邊電流為零，輸出電壓能迅速恢復(fù)到點(diǎn)火電壓。圖6－23電焊變壓器的外特性

1．在電氣設(shè)備中，為了用較小的勵(lì)磁電流產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)，通常把勵(lì)磁線圈繞在由鐵磁材料制成的鐵芯上。鐵芯被磁化后，其磁性大為增強(qiáng)，并形成磁通的主要通路，稱為磁路。

磁路的基本物理量是：磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁通Φ、磁導(dǎo)率μ和磁場(chǎng)強(qiáng)度H。

磁路中的磁通Φ、磁動(dòng)勢(shì)F和磁阻Rm之間的關(guān)系由磁路的歐姆定律確定，即小結(jié)

2．變壓器是利用電磁感應(yīng)原理制成的重要電工設(shè)備，它能把原繞組電路的電能或信號(hào)傳遞給副繞組電路，在各個(gè)工程領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。它主要由鐵芯和繞組構(gòu)成，具有電壓變換、電流變換和阻抗變換的作用。

電壓變換作用

電流變換作用

阻抗變換作用

3．自耦變壓器的特點(diǎn)是鐵芯上只有一個(gè)繞組，副繞組是原繞組的一部分，因此兩邊既有磁的關(guān)系，又有電的關(guān)系。在變比不大時(shí)，采用它可節(jié)省材料，提高效率，但因原、副繞組有電的直接聯(lián)系，它不夠安全。

4．儀用互感器是一種特殊的變壓器，它的作用是擴(kuò)大測(cè)量儀表量程，并使儀表、設(shè)備與高壓電路隔離。儀用互感器有電壓互感器和電流互感器兩種。電壓互感器用于