磁路和變壓器結構和原理

1、4.1 鐵芯線圈、磁路磁路和變壓器結構和原理4.2 變壓器的基本結構和工作原理4.3 實用中的常見變壓器學習目的與要點 電工技術中不僅要討論電路問題，還將討論磁路問題。因為很多電工設備與磁路都有關系，如電力系統(tǒng)中廣泛應用的變壓器、電動機、發(fā)電機、電磁鐵及電工測量儀表等。 為了更好的學習變壓器、電機、電器的工作特性及應用，首先在理解有關磁路的問題。磁路問題與磁場有關，與磁介質有關，而且磁場往往還與電流相關聯，因此本章要先從磁路、磁場及其基本物理量進行研究。 通過本章學習，要求理解磁場的基本物理量、磁性材料的磁性能、交流鐵心線圈電路；熟悉變壓器的結構組成及其繞組極性測定的方法。掌握變壓器的工作原理

2、(包括變壓、變流和阻抗變換作用)；了解磁路及其基本定律、電磁鐵、特殊變壓器等。4.1 鐵芯線圈、磁路 工程應用實際中，大量的電氣設備都含有線圈和鐵心。當繞在鐵芯上的線圈通電后，鐵芯就會被磁化而形成鐵芯磁路，磁路又會影響線圈的電路。因此，電工技術不僅有電路問題，同時也有磁路問題。 常用電氣設備鐵芯示意圖中紅色虛線表示磁路中的工作主磁通的路徑；紫色虛線表示通過空氣閉合的極少部分漏磁通。1. 磁路的基本物理量ui磁通 線圈通電后使鐵芯磁化，形成鐵芯磁路。 通過磁路橫截面的磁力線總量稱為磁通，用“”來表示。單位是韋伯Wb。 均勻磁場中，磁通等于磁感應強度B與垂直于磁場方向的面積S的乘積，即： 磁通是標

3、量。其大小反映了與磁場相垂直的某個截面上的磁場強弱情況。磁通的國際單位制中還有較小的單位稱為麥克斯韋Mx，韋伯和麥克斯韋之間的換算關系為：1Wb=108Mx(1)磁通(2)磁感應強度 磁感應強度是表征磁場中某點強弱和方向的物理量。用大寫字母“B”表示。B是矢量，B的方向就是置于磁場中該點小磁針N極的指向。勻強磁場中，B的大小可用載流導體在磁場中所受到的電磁力來定義。即： 上式中，電磁力F的單位是牛頓N、電流的單位是安培A、導體的有效長度(與磁場方向相垂直方向的長度投影)單位是米m時，磁感應強度B的單位是特斯拉T。 由=BS可知，勻強磁場中某截面S上B值越大，穿過該截面上的磁力線總量越多。因此，

4、磁感應強度也常稱為磁通密度。磁感應強度的國際單位制中還有較小的單位高斯Gs，特斯拉和高斯之間的換算關系為：1T=104Gs 磁導率是反映自然界物質導磁能力的物理量，用希臘字母“”表示 。物質的種類很多，且導磁能力也各不相同，為了有效地區(qū)別它們各自的導磁能力，我們引入一個參照標準真空的磁導率0: 自然界中各種物質的磁導率均與真空的磁導率相比，可得到不同的比值，我們把這個比值稱為相對磁導率，用“r”表示，即： 顯然，相對磁導率無量綱，其值越大，表明該類物質的導磁性能越好；反之，導磁性能越差。(3) 磁導率 根據相對磁導率r值的不同，自然界的物質大致可分為兩大類： (1)非磁性物質 如空氣、塑料、銅

5、、鋁、橡膠等。這些物質的導磁能力很差，磁導率均與真空的磁導率非常接近，它們的相對磁導率均約等于1。非磁性物質的磁導率可認為是常量。 如鐵、鎳、鈷、鋼及其合金等。這些物質的導磁能力非常強，其磁導率一般為真空的幾百、幾千乃至幾萬、幾十萬倍。如鑄鐵，其相對磁導率r200400；鑄鋼的相對磁導率r5002200；硅鋼的r700010000；坡莫合金的r20000200000。顯然，鐵磁物質的磁導率不是常量，而是一個范圍，即隨外部條件變化。鐵磁性物質的相對磁導率大大于1。(2)鐵磁性物質(4)磁場強度 磁場強度也是表征磁場中某點強弱和方向的物理量，用大寫字母“H”表示。H也是矢量，H的方向也是置于磁場中

6、該點小磁針N極的指向。磁場強度和磁感應強度有何區(qū)別和聯系？ 磁感應強度是描述磁路介質的磁場某點強弱和方向的物理量，與介質的導磁率有關；磁場強度是描述電流的磁場強弱和方向的物理量，與介質的導磁率無關。它們之間的聯系為： 磁場強度H的單位有安每米和安每厘米，二者之間的換算關系為：1A/m=10-2A/cm2. 磁路歐姆定律 交流鐵芯線圈磁路通常由硅鋼片疊壓制成，導磁率很高。當套在鐵芯上的線圈通電后，鐵芯迅速被磁化，成為一個人為集中的強磁場。ui磁路部分電路部分交流鐵芯線圈示意圖 電流通過N匝線圈所形成的磁動勢用Fm=NI表示，磁路對磁通所呈現的阻礙作用用磁阻Rm表示，磁動勢、磁通和磁阻三者之間的關

7、系可表述為：磁路歐姆定律 磁路歐姆定律中的磁阻Rm與磁導率有關，因此對鐵芯磁路來講是一個變量，定量計算很復雜，因此沒有電路歐姆定律應用得那么廣泛，通常只用來定性分析磁路的情況。鐵磁材料內部往往有相鄰的幾百個分子電流圈流向一致，這些分子電流產生的磁場疊加起來，就形成了一個個天然的小磁性區(qū)域磁疇。不同鐵磁物質內部磁疇的數量不同。通常情況下，鐵磁材料內部的磁疇排列雜亂無章，其磁性相互抵消，因此對外不顯示磁性。 鐵磁材料之所以具有高導磁性。是因為在其內部具有一種特殊的物質結構磁疇。這些磁疇相當于一個個小磁鐵。磁疇是怎么形成的？顯然，磁疇是由分子電流產生的。(1)高導磁性有外磁場作用時磁疇在外界磁場的作

8、用下，均發(fā)生歸順性轉向，使得鐵磁材料內部形成一個很強的附加磁場。3. 鐵磁物質的磁性能磁滯回線中H為零時B并不為零 的現象說明鐵磁材料具有剩磁性。BH0cba起始磁化曲線oa段是線性段ab段是上升段bc段是磁化曲線的膝部C點以后是飽和段起始磁化曲線反映了什么？ 起始磁化曲線的ab段反映了鐵磁材料的高導磁性；c點以后說明鐵磁材料具有磁飽和性。磁滯回線中B的變化總是落后于H的變化說明鐵磁材料具有磁滯性。鐵磁材料反復磁化一周所構成的曲線稱為磁滯回線。（2）鐵磁材料的磁飽和性、磁滯性和剩磁性軟磁材料具有磁導率很高、易磁化、易去磁的顯著特點，適用于制作各種電機、電器的鐵心。軟磁材料4、鐵磁材料的分類和用

9、途 鐵磁材料根據工程上用途的不同可以分為三大類：硬磁材料的磁導率不太高、但一經磁化能保留很大剩磁且不易去磁，適用于制作各種永久磁體。硬磁材料矩磁材料磁導率極高、磁化過程中只有正、負兩個飽和點，適用于制作各類存儲器中記憶元件的磁芯。矩磁材料BH0軟磁性材料磁滯回線包圍的面積很小。BH0硬磁性材料磁滯回線包圍的面積很寬大。BH05. 鐵芯損耗 根據電流的熱效應原理，渦流通過鐵芯時將使鐵芯發(fā)熱，顯然渦流增加設備絕緣設計的難度，渦流嚴重時會造成設備的燒損。在交變磁場作用下，整塊鐵芯中產生的旋渦狀感應電流稱為渦流。渦流對電氣設備有何影響？為減小渦流損耗，常用硅鋼片疊壓制成電機電器的鐵芯。(1)磁滯損耗

10、鐵磁材料反復磁化時，內部磁疇的極性取向隨著外磁場的交變來回翻轉，在翻轉的過程中，由于磁疇間相互摩擦而引起的能量損耗稱為磁滯損耗。磁滯損耗使鐵芯發(fā)熱。(2)渦流損耗 主磁通原理告訴我們:只要外加電壓有效值及電源頻率不變，鐵芯中工作主磁通最大值m也將維持不變。6. 主磁通原理ui 對交流鐵芯線圈而言，設工作主磁通為： 可得： 交變磁通穿過線圈時，在線圈中感應電壓，其值為：主磁通原理例分析某含有氣隙的鐵芯線圈，線圈兩端加有效值為U的交流電壓，當氣隙增大時，鐵芯中的主磁通是增大還是減?。烤€圈中的電流如何變化？氣隙增大時，鐵芯磁路中的磁阻增加，但由于電源電壓效值為U和頻率f 并無改變，根據主磁通原理可知

11、，鐵芯磁路中的工作主磁通并不發(fā)生改變。根據磁路歐姆定律： 磁通不變，則上式中的比值也應不變。因此，當磁阻Rm增大時，線圈中通過的電流必定增大。例分析一個交流電磁鐵，因出現機械故障，造成通電后銜鐵不能吸合，結果把線圈燒壞，試分析其原因。電磁鐵線圈中的額定電流是根據吸合后的電流限值設定的。當通電后不能吸合時，由于鐵芯和銜鐵之間存有一定的氣隙，造成鐵芯磁路中的磁阻大大增加。民主磁通原理可知，此時鐵芯磁路中的工作主磁通并不發(fā)生改變。若要滿足磁路歐姆定律：就必須增大線圈中的電流，而且氣隙雖小，但磁阻遠大于鐵芯中的磁阻，此時線圈電流將是額定電流的許多倍，從而造成線圈燒毀。你能說出根據導磁性能的不同自然界中

12、物質的分類嗎？你會做嗎？您能很快說出磁場幾個物理量的單位嗎？能否說出B和H的區(qū)別和聯系？ 磁通、導磁率、磁感應強度B和磁場強度H分別表征了磁路的哪些特征？ 鐵磁物質具有哪些磁性能？鐵芯中存在哪些損耗？銅和鋁能被磁 化嗎 ？檢驗學習結果根據工程上用途的不同？鐵磁性材料可分為幾類？能否說出它們的特點和用途？1. 變壓器的基本結構4.2 變壓器的基本結構和工作原理u1i10AXN1N2u20axS用硅鋼片疊壓制成的變壓器鐵芯。與電源相接的一次側繞組。|ZL|與負載相接的二次側繞組。 變壓器的主體結構是由鐵芯和繞組兩大部分構成的。變壓器的繞組與繞組之間、繞組與鐵芯之間均相互絕緣。u20AXaxS|ZL

13、|2. 變壓器的工作原理u1i10N1N2(1)變壓器的空載運行與變換電壓原理 交變的磁通穿過N1和N2時，分別在兩個線圈中感應電壓： 計算它們的比值：有： 顯然，改變線圈繞組的匝數即可實現電壓的變換。且k1時為降壓變壓器；k1時為升壓變壓器。變壓比，簡稱變比AX|ZL|axN2SN1u2u1i1(2)變壓器的有載運行與變換電流原理變壓器負載運行時，一次側電流由i0變?yōu)閕1，二次側產生負載電流i2，而電壓u20相應變?yōu)閡2。 變壓器負載運行時，二次側電流i2產生副邊磁動勢I2N2，該磁動勢對I0N1起削弱作用。i2 根據主磁通原理，只要電源電壓和頻率不變，鐵芯中的工作主磁通的數值將維持不變。因

14、此，原邊電流i0 相應增大為i1，原邊磁動勢也增大為I1N1，增大的部分恰好與二次側磁動勢相平衡。此時的磁動勢方程式為： 磁動勢平衡方程式告訴我們：變壓器二次側電流i2的大小是由負載決定的，但二次側的能量來源于一次側，兩側電路并沒有直接的電的聯系，而是通過磁耦合把能量從原邊傳遞到副邊。 由上式可得： 變壓器鐵芯的導磁率很高，因此滿足工作主磁通需要的磁動勢I0N1很小，和I1N1相比可忽略不計，所以磁動勢平衡方程式又可改為： 變壓器在能量傳遞的過程中損耗很小，因此一次側和二次側的容量近似相等，有：變流比ce能量傳遞過程中，變壓器在變換電壓的同時也變換了電流。(3)變壓器的阻抗變換作用AX|ZL|

15、axN2SN1u2u1i1i2 設變壓器副邊所接負載為|ZL|，原邊等效輸入阻抗為|Z1|，則有：將變壓器的變壓比公式和變流比公式代入上式得： 上式告訴我們：只要改變變壓器的匝數比，即可獲得合適的二次側對一次側的反射阻抗|Z1|。式中k2稱為負載阻抗折算到一次側時的變換系數。已知某收音機輸出變壓器的原邊匝數為600，副邊匝數為30，原邊原來接有16的揚聲器。現因故要改接成4揚聲器，問輸出變壓器的匝數N2應改為多少？例解收音機電路中，輸出變壓器所起的作用是：讓揚聲器阻抗與晶體管的輸出端阻抗匹配，以使負荷上獲得最大功率，從而驅動喇叭振動發(fā)出聲音。收音機原阻抗變換系數為：反射阻抗：改換成4揚聲器后：

16、設交流信號源電壓U=100V，內阻R0=800，負載RL=8。(1)將負載直接接至信號源，負載獲得多大功率？(2)經變壓器阻抗匹配，求負載獲得的最大功率是多少？此 時變壓器變比是多少？ 例解負載直接與信號源相接時，負載上獲得的功率為： 阻抗匹配時，負載折算到原繞組的反射阻抗等于800。因此負載上獲得的最大功率為：變壓器的變比為： 變壓器輸出電壓u2隨負載電流 i2變化的關系稱為它的外特性，即：u2U2Ni2I2N0cos(-2超前cos2=1cos2滯后3. 變壓器的外特性u2f（i2）外特性可用右圖所示曲線描述。(1)負載為純電阻性質時，cos=1，輸出電壓u2隨負載電 流i2的增加略有下降

17、； 結論負載的功率因數對變壓器的外特性影響很大。(2)負載為感性時，u2隨i2的增加下降的程度加大；(3) 負載為容性時，輸出特性曲線呈上翹狀態(tài)，說明u2隨 i2的增加反而加大。 變壓器外特性變化的程度，可以用電壓調整率U%來表示。電壓調整率定義為：變壓器由空載到額定I2N滿載時，副邊輸出電壓u2的變化程度。4. 電壓調整率 電壓調整率反映了變壓器運行時輸出電壓的穩(wěn)定性，是變壓器的主要性能指標之一。 5. 變壓器的損耗和效率變壓器的損耗有鐵耗和銅耗： 變壓器工作時由于主磁通不變，因此鐵損耗也基本維持不變，通常稱鐵耗為不變損耗；銅耗隨負載電流變化，稱為可變損耗。 變壓器的效率是指變壓器的輸出功率

18、P2與輸入功率P1的比值，通常百分數表示，即： 變壓器沒有旋轉部分，因此效率比較高。控制裝置中的小型電源變壓器的效率通常在80%以上；電力變壓器的效率一般可達95%以上。 變壓器在運行中需注意，并非運行在額定負載時效率最高。實踐證明，變壓器所帶負載為滿載的70%左右時效率最高。因此，應根據負載情況采用最好的運行方式。譬如控制變壓器運行臺數，投入適當容量的變壓器等，以使變壓器能夠處在高效率情況下運行。變壓器能否變換直流電壓？為什么？你會做嗎？已知變壓器UIN=220V，為使鐵心不致飽和，規(guī)定m，問變壓器原線圈至少應繞多少匝？ 欲制作一個220/110V的小型變壓器，能否原邊繞2匝，副邊繞1匝？為

19、什么？ 若不慎將額定值110/36V的小容量變壓器原邊接到110V直流電源上，副邊會產生什么情況？原邊呢？檢驗學習結果一個交流電磁鐵，額定值為工頻電220V，現不慎接在了220V的直流電源上，問會不會燒壞？為什么？訊號式溫度計吸濕計儲油柜安全氣道油表氣體繼電器高壓套管低壓套管分接開關油箱鐵芯繞組放油閥門老式電力變壓器的結構圖4.3 實用中的常見變壓器1. 電力變壓器及其用途新式電力變壓器的結構圖 顯然，電力變壓器主要也是由鐵芯和繞組兩大部分構成，另外加上一些外部輔助和保護設備。(1)發(fā)電機出口電壓一般不太高，因此無法將電能輸送到遠處。利用變壓器變換電壓的作用，將發(fā)電機出口電壓升高，就可達到向遠

20、距離輸送電能的目的。 電力變壓器的用途(2)用戶不能直接使用傳輸的高壓電。必須利用電力變壓器將高壓變換為低壓配電值，滿足各類用戶對不同電壓的需求。 電力系統(tǒng)中，電力變壓器的應用十分廣泛，電力變壓器對電能的經濟傳輸，合理分配和安全使用也都具有十分重要的意義。定義：把普通雙繞組變壓器的高壓側繞組和低壓側繞組相串聯，即可構成一臺自耦變壓器，如下圖所示。連成自耦變壓器實際自耦變壓器2. 自耦變壓器(自耦調壓器) 實際應用中，自耦變壓器只用一個繞組，原繞組匝數較多，原繞組的一部分兼作副繞組。兩者之間不僅有磁的耦合，而且還有電的直接聯系。普通雙繞組變壓器AXaxN1N2AN1XaxN2AXaxN1N2u1

21、u2 自耦變壓器的工作原理和普通雙繞組變壓器相同。因此，其變比公式與雙繞組變壓器一樣，即：實驗室中單相調壓器結構原理圖實驗室中單相和三相調壓器的實物圖優(yōu)點：額定容量相同時，自耦變壓器與雙繞組變壓器相比，其單位容量所消耗的材料少、變壓器的體種小、造價低，而且銅耗和鐵耗都小，因而效率較高。自耦調壓器的特點缺點：由于原、副邊共用一個繞組，因此當高壓側遭受過電壓時，會波及低壓側，為避免危險，需在自耦變壓器的原、副邊都裝設避雷器。結論自耦調壓器不能當作安全變壓器來使用。3. 電焊變壓器 電焊變壓器是專供電焊機使用的特殊變壓器。工廠和施工工地廣泛使用的交流電焊機就是由一個電焊變壓器和一個可變電抗器構成的。其中電焊變壓器是一個降壓變壓器。u1u26070Vi2手柄焊鉗2530V工件對電焊變壓器的要求：空載時要有約為6070V足夠大的引弧電壓；焊接時要求電壓陡降，額定負載下電壓約2530V。在焊條與工件相碰不起弧、即副邊短路時，短路電流要求不能過大。此外，還要求能夠調節(jié)焊接電流的大小。變壓器電抗器可動鐵心u2/Vi2/A07030IN電焊變壓器外特性 電壓互感器和電流互感器又稱為儀用互感器，是電力系統(tǒng)中使用的測量設備，其工作原理與變壓器基本相同。1. 與小量程的標