電工電子技術(shù)基礎(chǔ)第3章 磁路與變壓器課件

1、1 第3章 磁路與變壓器1.磁路3.1 磁路的基本概念內(nèi)容提要1.磁路的基本概念；2.變壓器；3.特殊用途變壓器。一、磁場的基本物理量 磁路是用來將磁場聚集在空間一定范圍內(nèi)的總體，實(shí)質(zhì)上是局限在一定路徑內(nèi)的磁場。磁場中的各個(gè)基本物理量也適用于磁路。2022/9/16（1）磁感應(yīng)強(qiáng)度B 磁感應(yīng)強(qiáng)度是描述空間某點(diǎn)磁場強(qiáng)弱與方向的物理量。 即： B的方向即該點(diǎn)的磁場方向，與產(chǎn)生該磁場的電流之間的方向關(guān)系符合右手螺旋法則。 式中：F牛頓（N）， q庫侖（C）， v米每秒（m/s）， B特斯拉（T）。 第3章 磁路與變壓器2.磁場的基本物理量2022/9/16（2）磁通量 磁通量（或稱為磁通）是表示穿過

2、某一截面S的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量B的通量，也可理解為穿過該截面的磁力線總數(shù)。 即： 的方向與B的方向相同，即與產(chǎn)生該磁場的電流之間的方向關(guān)系符合右手螺旋法則。 式中：S平方米（m2） 韋伯（Wb）， B特斯拉（T）。 第3章 磁路與變壓器2022/9/16（3）磁場強(qiáng)度H 磁場中某點(diǎn)的磁場強(qiáng)度的大小等于該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與介質(zhì)導(dǎo)磁率的比值。 即： 磁場強(qiáng)度的大小只與其激勵(lì)電流有關(guān)，而與介質(zhì)材料的導(dǎo)磁性能無關(guān)。 H的方向與該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向一致。 式中：S安/米（A/m） 第3章 磁路與變壓器1.鐵磁性物質(zhì)的磁化二、鐵磁性材料的磁性能（1）磁疇：在鐵磁性物質(zhì)內(nèi)部存在許多體積約10-9cm3的磁化小

3、區(qū)域，稱為磁疇。（2）在沒有外磁場作用時(shí)，這些磁疇的排列是無序的，它們所產(chǎn)生的磁場的平均值幾乎等于零，對外不顯示磁性。（3）在一定的外磁場作用下，這些磁疇將轉(zhuǎn)向外磁場方向，作有序排列，顯示出很強(qiáng)的磁性，形成磁化磁場。從而使鐵磁性物質(zhì)內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大大增強(qiáng)，這就是鐵磁性物質(zhì)在外磁場作用下產(chǎn)生的磁化現(xiàn)象。（4）非磁性材料內(nèi)沒有磁疇結(jié)構(gòu)，所以不具有磁化特性。 第3章 磁路與變壓器2022/9/16（a）磁化前 (b)磁化后 第3章 磁路與變壓器2022/9/16 磁滯性表現(xiàn)在鐵磁性物質(zhì)在交變磁場中反復(fù)磁化時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化總是滯后于磁場強(qiáng)度的變化。磁滯性是由于分子熱運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的。在交變磁化過程中，

4、磁疇在外磁場作用下不斷轉(zhuǎn)向，但它的分子熱運(yùn)動(dòng)又阻止其轉(zhuǎn)向。故磁疇的轉(zhuǎn)向總是跟不上外加磁場的變化，從而產(chǎn)生了磁滯現(xiàn)象。4.磁滯性 第3章 磁路與變壓器2022/9/16 第3章 磁路與變壓器（1）軟磁性材料：容易被磁化，但去掉外磁場后，磁性大部分消失。如硅鋼、鑄鐵、鑄鋼、電工鋼、坡莫合金、鐵氧體等都屬于軟磁性材料。常被用來制造變壓器、交流電機(jī)和各種繼電器的鐵心等。 5.鐵磁性物質(zhì)的分類和用途（2）硬磁性材料：須用較強(qiáng)的外磁場才能使之磁化，但去掉外磁場后，磁性不易消失，將保留下很強(qiáng)的剩磁。如碳鋼、鈷鋼、鋁鎳鈷合金、釹鐵硼等都屬于硬磁性材料。適用于制造永久磁鐵、磁電式儀表、永磁式揚(yáng)聲器、耳機(jī)中的永久

5、磁鐵和小型直流電機(jī)中的永磁磁極等。2022/9/16（3）矩磁性材料：很容易被磁化，剩磁大（不易去磁）。如鎂錳鐵氧體及鋰錳鐵氧體等。適用于存儲(chǔ)與記錄信號(hào)，常用來制作記憶元件，比如比如計(jì)算機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器的磁心和外部設(shè)備中的磁鼓、磁帶及磁盤等。 第3章 磁路與變壓器2022/9/16 第3章 磁路與變壓器1.渦流及渦流損耗二、渦流與趨膚效應(yīng)（1）渦流：鐵心線圈在外加交流電源作用下，產(chǎn)生交變磁通穿過鐵心，使得鐵心內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和感應(yīng)電流。由于這種電流在鐵心中自成回路，其形狀如同水中旋渦，所以稱做渦流。2022/9/16 第3章 磁路與變壓器（2）渦流損耗：渦流所經(jīng)路徑是有電阻的，因此會(huì)消耗能量而使

6、得鐵心發(fā)熱，這種由渦流引起的電能損耗叫做渦流損耗。渦流的大小與鐵心材料的電阻率成正比，與鐵心的厚度成反比。故減小渦流損耗常用兩種方法：一是增大鐵心材料的電阻率，在鋼片中滲入硅能使其電阻率大大提高。二是把鐵心沿磁場方向剖分為許多薄片且相互絕緣后再疊裝成鐵心，以減小鐵心的厚度，增大鐵心中渦流路徑的電阻。2022/9/16 第3章 磁路與變壓器2.趨膚效應(yīng)（1）直流電通過導(dǎo)線時(shí)：導(dǎo)線橫截面上各處的電流密度相等。（2）交流電通過導(dǎo)線時(shí)：導(dǎo)線橫截面上電流的分布是不均勻的，越靠近導(dǎo)線中心處電流密度越?。辉娇拷鼘?dǎo)線表面電流密度越大。此種交變電流在導(dǎo)線內(nèi)趨于導(dǎo)線表面流動(dòng)的現(xiàn)象叫做趨膚效應(yīng)（也叫集膚效應(yīng)）。20

7、22/9/16（1）變壓器的用途：變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的一種靜止的電氣設(shè)備。它具有變換電壓、變換電流、變換阻抗等作用。被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、電子線路和電子設(shè)備中。 第3章 磁路與變壓器1.變壓器的用途和分類3.1 變壓器一、變壓器的用途、分類和基本結(jié)構(gòu)2022/9/16 第3章 磁路與變壓器（2）變壓器的分類：按交流電的相數(shù)不同一般分為：單相變壓器和三相變壓器；按用途可為：輸配電用的電力變壓器，局部照明和控制用的控制變壓器，用于平滑調(diào)壓用的自耦變壓器，電加工用的電焊變壓器和電爐變壓器，測量用的儀用互感器以及電子線路和電子設(shè)備中常用的電源變壓器、耦合變壓器、輸入輸出變壓器、脈沖

8、變壓器等。2022/9/16變壓器的種類很多，結(jié)構(gòu)形狀各異，用途也各不相同，但其基本結(jié)構(gòu)和工作原理卻是相同的。變壓器的主要結(jié)構(gòu)是鐵心、繞組、箱體及其它零部件。 第3章 磁路與變壓器2.變壓器的基本結(jié)構(gòu)2022/9/16（1）鐵心鐵心是變壓器的主磁路，又作為繞組的支撐骨架。為了減少鐵心內(nèi)的磁滯和渦流損耗，通常采用含硅量為5%、厚度為0.35mm或0.5mm、兩平面涂絕緣漆或經(jīng)氧化膜處理的硅鋼片疊裝而成。按繞組套入鐵心的形式，變壓器分為心式和殼式兩種。 第3章 磁路與變壓器(a) 心式 (b) 殼式2022/9/16（2）繞組繞組是變壓器的電路部分，一般用高強(qiáng)度漆包銅線（也可用鋁線）繞制而成。接高

9、壓電網(wǎng)的繞組稱高壓繞組，接低壓電網(wǎng)的繞組稱低壓繞組。（3）油箱及其它零部件 油箱、貯油柜、絕緣導(dǎo)管、分接開關(guān)、氣體繼電器、安全氣道、測溫器等。 第3章 磁路與變壓器2022/9/16次級：與負(fù)載相接的繞組稱二次繞組（又稱副邊或次級繞組），匝數(shù)為N2，其電壓、電流、電動(dòng)勢分別用表示。 第3章 磁路與變壓器初級：接電源的繞組稱為一次繞組（又稱原邊或初級繞組），匝數(shù)為N1，其電壓、電流、電動(dòng)勢分別用表示。二、變壓器的工作原理2022/9/16 第3章 磁路與變壓器1.變壓器的變壓原理（變壓器的空載運(yùn)行） 在u1的作用下，原繞組中有電流i1通過，此時(shí)i1=i0稱為空載電流。它在原邊建立磁動(dòng)勢i0N1，

10、在鐵心中產(chǎn)生同時(shí)交鏈著原、副繞組的主磁通，主磁通的存在是變壓器運(yùn)行的必要條件。2022/9/16根據(jù)電磁感應(yīng)原理，主磁通會(huì)在原、副繞組中分別產(chǎn)生頻率相同的感應(yīng)電動(dòng)勢e1和e2。 第3章 磁路與變壓器由于原、副繞組本身阻抗壓降很小，可以近似認(rèn)為由此可以得出原邊電壓與副邊電壓之間的關(guān)系為2022/9/16【例3-1】某單相變壓器接到U1=220V伏的正弦交流電源上，已知副邊空載電壓U20=20伏，副繞組匝數(shù)匝。求：變壓器的變壓比K及原邊匝數(shù)N1。解：變壓比 第3章 磁路與變壓器原邊匝數(shù)2022/9/16 第3章 磁路與變壓器2.變壓器的變流原理（變壓器的負(fù)載運(yùn)行）接上負(fù)載后，副繞組中便有電流i2通

11、過，原繞組中的電流由i0變到i1，以抵消副邊電流的去磁作用。正是負(fù)載的去磁作用和原邊電流所作的相應(yīng)變化以維持主磁通不變的這種特性，使得變壓器可以通過電與磁的聯(lián)系，把輸入到原邊的功率傳遞到副邊電路中去。此概念是相當(dāng)重要的。2022/9/16 變壓器的原邊接上電源電壓，副邊接入負(fù)載阻抗，從原邊看進(jìn)去，可用一個(gè)阻抗來等效， 第3章 磁路與變壓器3.變壓器的變阻抗原理當(dāng)副邊的負(fù)載阻抗一定時(shí)，通過選取不同的匝數(shù)比的變壓器，在原邊可得到不同的等效阻抗。在一些電子設(shè)備中，利用變壓器將負(fù)載的阻抗變換到正好等于電源的內(nèi)阻抗，即“阻抗匹配”。2022/9/16 第3章 磁路與變壓器【例3-2】一個(gè)R=10的負(fù)載電

12、阻，接在電壓有效值U=12V、內(nèi)阻R0=250的交流信號(hào)源上。求：（1）上獲得的功率； （2）若在負(fù)載與信號(hào)源之間接入一個(gè)變壓器進(jìn)行阻抗變換，為使該負(fù)載獲得最大功率，需選擇多大變壓比的變壓器？ （3）上獲得的最大功率。2022/9/16 第3章 磁路與變壓器解：（1）RL直接接到電源上時(shí)，RL上獲得的功率為P（2）阻抗匹配時(shí)變壓器的變壓比為（3）RL上獲得的最大功率為PLmax很顯然，利用變壓器使其負(fù)載阻抗與電源內(nèi)阻抗相匹配，可以獲得較高的功率輸出。2022/9/16變壓器的效率就定義為輸出功率P2與輸入功率P1的百分比，即 第3章 磁路與變壓器4.變壓器的效率由于變壓器中沒有轉(zhuǎn)動(dòng)的部分，故效

13、率較高。通常在額定負(fù)載的80%左右時(shí)，變壓器的工作效率最高。小型變壓器的效率約為60%90%，大型電力變壓器的效率可達(dá)99%。2022/9/16額定值是變壓器制造廠家根據(jù)國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對變壓器正?？煽抗ぷ魉鞯氖褂靡?guī)定，由于額定值通常是標(biāo)注在銘牌上，故又稱為銘牌值。 第3章 磁路與變壓器1.額定電壓U1N、U2N三、變壓器的額定值原繞組額定電壓U1N：變壓器在額定運(yùn)行情況下，根據(jù)變壓器的絕緣等級和允許溫升所規(guī)定的原繞組的電壓值。副繞組的額定電壓U2N：指變壓器空載、原繞組加上額定電壓時(shí)，副繞組兩端的空載電壓。三相變壓器的額定電壓是指其線電壓。2022/9/16 第3章 磁路與變壓器2.額定電流

14、I1N、I2N是指變壓器在額定運(yùn)行情況下，根據(jù)絕緣材料所允許的溫升而規(guī)定的原、副繞組中允許長期通過的最大電流值。三相變壓器的額定電流是指其線電流。3.額定頻率f我國規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)頻率為50Hz2022/9/16 第3章 磁路與變壓器4.額定容量SN額定容量是指變壓器副邊輸出的視在功率，單位是VA或KVA。單相變壓器三相變壓器36 第3章 磁路與變壓器3.3 特殊用途變壓器一、 自耦調(diào)壓器(a) 單相自耦調(diào)壓器的外形圖 (b) 單相自耦調(diào)壓器的原理圖 (c) 三相自耦變壓器的原理圖2022/9/16 第3章 磁路與變壓器使用自耦調(diào)壓器時(shí)還應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：（1）原繞組接交流電源，副繞組接負(fù)載，不能接

15、錯(cuò)，否則可能會(huì)發(fā)生觸電事故或燒毀變壓器。所以，自耦變壓器不允許作為安全變壓器使用。（2）接通電源前，應(yīng)將調(diào)壓器上的手柄（滑動(dòng)觸頭）旋至零位，通電后再逐漸將輸出電壓調(diào)到所需數(shù)值。使用完畢后，手柄應(yīng)退回到零位。38 第3章 磁路與變壓器二、 儀用互感器電壓互感器的原繞組匝數(shù)較多，其端線并聯(lián)在被測的高壓線路上；副繞組匝數(shù)較少，其端線可同電壓表、電壓繼電器、功率表或電能表的電壓線圈相聯(lián)接。由于上述負(fù)載的阻抗都較高，因此，電壓互感器在使用時(shí)相當(dāng)于副邊開路的降壓變壓器。1.電壓互感器（TV）2022/9/16 第3章 磁路與變壓器電壓互感器使用規(guī)則：（1）電壓互感器在運(yùn)行時(shí)副繞組絕對不允許短路。因?yàn)楦崩@組匝數(shù)少，阻抗小，如發(fā)生短路，短路電流將很大，足以燒壞互感器。使用時(shí)低壓側(cè)要串聯(lián)熔斷器作短路保護(hù)。（2）電壓互感器的鐵心和副繞組的一端都必須可靠接地，以防止高、低壓繞組間的繞組層損壞時(shí)，副繞組和儀表帶上高電壓而危及人身安全。40 第3章 磁路與變壓器電流互感器的原繞組匝數(shù)很少（可少至一匝），導(dǎo)線粗，直接串入被測大電流電路中；而副