《 城市軌道交通電工電子（第2版）》（課件） 項目4 磁路與變壓器

項目4磁路與變壓器項目導讀在城市軌道交通系統(tǒng)運行過程中，各類電氣設備因其額定工作條件不同，會有不同的變電需求，而變壓器則是用于滿足這些變電需求的主要電氣設備。變壓器主要由鐵芯和線圈組成，是利用電磁感應原理來實現(xiàn)變電功能的。其中，線圈通電屬于電路問題；電流產(chǎn)生的感應磁場在鐵芯內(nèi)部形成磁路，屬于磁路問題。只有同時掌握電路和磁路的基本理論，才能更好地理解變壓器的工作原理。因此，本項目將介紹磁路和鐵芯線圈電路的基本知識，并對變壓器進行全面分析。知識目標213掌握磁路的基本物理量。掌握鐵磁性材料的性質(zhì)。掌握磁路的安培環(huán)路定律和歐姆定律。645掌握交流鐵芯線圈電路的電磁關系、電壓電流關系及功率損耗。掌握變壓器的基本結(jié)構(gòu)、銘牌數(shù)據(jù)、工作原理及繞組正方向的判斷方法。掌握變壓器的運行特性。了解幾種常用變壓器。7能力目標能夠?qū)蜗嘧儔浩鞯奶卣骱蛥?shù)進行測試思政目標020103養(yǎng)成追求突破、追求革新的創(chuàng)新精神。養(yǎng)成恪盡職守、開拓進取的工作作風。樹立歷史使命感和社會責任感。CONTENTS1磁路的基本概念2變壓器磁路的基本概念任務4.1任務引入通電線圈的周圍會產(chǎn)生感應磁場，但是這些感應磁場一般較弱。因此，工程上會將鐵磁性材料做成一定形狀的鐵芯，并將線圈繞在鐵芯上，使感應磁場的磁通主要集中在由鐵芯構(gòu)成的磁路內(nèi)，以獲得磁感應強度更大的感應磁場。那么什么是磁路？什么是鐵磁性材料？交流鐵芯線圈電路又符合什么規(guī)律呢？

磁感應強度是用于描述磁場的方向和強弱的物理量，一般用大寫字母B來表示，單位為特斯拉（T）。4.1.1磁路的基本物理量磁路是指人為地使磁通集中通過的路徑，其特性可以用磁感應強度、磁通、磁導率、磁場強度等物理量來表示。1．磁感應強度4.1.1磁路的基本物理量2．磁通4.1.1磁路的基本物理量3．磁導率4.1.1磁路的基本物理量4．磁場強度4.1.2鐵磁性材料的性質(zhì)1.鐵磁性材料的磁化根據(jù)導磁性能的不同，可將自然界中的材料分為鐵磁性材料（磁性材料）和非磁性材料兩種。鐵磁性材料是指相對磁導率能夠達到幾千、幾萬，甚至幾十萬的強導磁材料，主要包括鐵、鈷、鎳及其合金等；非磁性材料是指相對磁導率接近于1的弱導磁材料，主要包括自然界的大部分物質(zhì)，如銅、鋁、空氣等。磁化是指本不具磁性的物質(zhì)，因受到磁場作用而具有磁性的現(xiàn)象。為什么鐵磁性材料能夠被磁化呢？這是因為鐵磁性材料的內(nèi)部存在許多自發(fā)磁化的小區(qū)域，稱為磁疇。（a）未磁化

（b）磁化4.1.2鐵磁性材料的性質(zhì)2．磁化曲線鐵磁性材料的磁感應強度B隨磁場強度H變化的曲線稱為磁化曲線，如圖4-2所示。圖4-2B、μ與H的關系由圖可知，鐵磁性材料的磁感應強度隨磁場強度的增大而增大，但當磁場強度增大到一定數(shù)值后，鐵磁性材料的磁感應強度將達到飽和，而不會無限增大下去。4.1.2鐵磁性材料的性質(zhì)3．磁滯回線（a）軟磁材料圖4-3各類鐵磁性材料的磁滯回線4.1.2鐵磁性材料的性質(zhì)4．磁性分類根據(jù)磁滯回線形狀的不同，可將鐵磁性材料分為軟磁材料、硬磁（永磁）材料和矩磁材料三類，如圖4-3所示。（a）軟磁材料（b）硬磁材料

（c）矩磁材料圖4-3各類鐵磁性材料的磁滯回線軟磁材料的磁滯性不明顯，剩磁和矯頑力較小，磁滯回線較窄，常用于制造變壓器、電機或其他電器的鐵芯。常見的軟磁材料有鑄鐵、硅鋼、坡莫合金及鐵氧體等。磁性分類132硬磁材料的磁滯性明顯，剩磁和矯頑力較大，磁滯回線較寬，主要用作永久磁鐵。

常見的硬磁材料有碳鋼、鎢鋼及鋁鎳鈷合金等。矩磁材料具有較大的剩磁和較小的矯頑力，磁滯回線接近矩形，穩(wěn)定性良好，常用于制造計算機或控制系統(tǒng)中的記憶元件。

常見的矩磁材料有鎂錳鐵氧體及鐵鎳合金等。4.1.2鐵磁性材料的性質(zhì)4.1.2鐵磁性材料的性質(zhì)5．渦流（a）（b）圖4-4渦流當線圈中通有正弦交流電時，鐵芯內(nèi)會有感應電流產(chǎn)生，該電流與磁通方向垂直，且在垂直于磁通的平面內(nèi)呈旋渦狀，稱為渦流，如圖4-4（a）所示。渦流會使鐵芯發(fā)熱，造成功率損耗，即渦流損耗。

如圖4-4（b）所示，在順磁場方向疊加彼此絕緣的薄鋼片，以增大鐵芯內(nèi)阻，使渦流局限在較小的空間內(nèi)，有效地減小渦流，降低渦流損耗。1．安培環(huán)路定律4.1.3磁路定律圖4-5磁路2．磁路歐姆定律4.1.3磁路定律4.1.3磁路定律表4-1磁路和電路比較鐵芯線圈可分為直流鐵芯線圈和交流鐵芯線圈兩種。直流鐵芯線圈用直流電來勵磁，它所產(chǎn)生的磁通是恒定的，在線圈和鐵芯中不會產(chǎn)生感應電動勢，線圈中的電流由外加電壓和線圈本身的電阻決定，其功率損耗也只有線圈電阻上的損耗。交流鐵芯線圈用交流電來勵磁，它所產(chǎn)生的磁通是交變的，因此其電磁關系、電壓電流關系和功率損耗等都有特殊規(guī)律。4.1.4交流鐵芯線圈電路1．電磁關系4.1.4交流鐵芯線圈電路圖4-6交流鐵芯線圈電路2．電壓電流關系4.1.4交流鐵芯線圈電路4.1.4交流鐵芯線圈電路3．功率損耗4.1.4交流鐵芯線圈電路任務實施----

“電與磁”知識競賽任務準備老師根據(jù)本任務所學內(nèi)容準備競賽題目（判斷題、選擇題、簡答題等），學生準備空白答題卡、簽字筆等工具。實施步驟1.第一輪競賽（1）全班學生平均分成4支隊伍，每支隊伍選出1名負責人，負責人帶領隊員溫習本任務所學內(nèi)容。（2）老師將4支隊伍分成兩組進行第一輪競賽，要求每位學生至少回答1道簡答題。老師負責為各隊打分（判斷題、選擇題每題1分，簡答題每答對1個得分點得1分），各組中總分多的隊伍獲勝，稱為勝利隊伍。實施步驟1.第二輪競賽兩支勝利隊伍進行第二輪競賽，老師提問，學生舉手搶答，回答錯誤不扣分，由其他隊繼續(xù)搶答。老師負責為各隊打分，總分多的隊伍獲勝，老師可根據(jù)實際情況給予一定的獎勵。學生根據(jù)自己的答題情況進行自我評價和錯題記錄，并將相應內(nèi)容填入表4-2中。表4-2“電與磁”知識競賽評價表任務評價正確答題數(shù)得分備注

學生自我評價：

錯題記錄（不會或答錯的題目及其答案）：

變壓器任務4.2任務引入為減少電能損失，城市電網(wǎng)與城市軌道交通系統(tǒng)之間通常采用110kV高壓輸電，而車站的照明設備、供暖設備等的工作電壓一般在400V左右。因此，城市軌道交通系統(tǒng)需要將110kV高壓電通過主變電站降至35kV后，經(jīng)由中壓環(huán)網(wǎng)電纜運送至車站的降壓變電站，并通過降壓變電站降至400V以供相應的低壓用電設備使用。主變電站和降壓變電站都是由變壓器完成降壓的，那么，變壓器的工作原理是什么呢？變壓器是一種靜止的電氣設備，它通過電磁感應原理來實現(xiàn)電能的傳遞、分配和控制，具有變換電壓、電流和阻抗的作用。24.2.1變壓器概述1．變壓器的分類按用途分類：分為電力變壓器和特殊變壓器兩類。（1）電力變壓器一般應用于電力系統(tǒng)輸配電，常用的有升壓變壓器、降壓變壓器、配電變壓器等。（2）特殊變壓器是針對特殊需要而制造的變壓器，常見的有自耦變壓器、整流變壓器、工頻試驗變壓器、礦用變壓器、沖擊變壓器、電焊變壓器及儀用互感器等。1按電源的相數(shù)分類分為單相變壓器、三相變壓器和多相變壓器三類。14.2.1變壓器概述鐵芯：鐵芯是變壓器的磁路通道，由鐵芯柱和鐵軛兩部分組成。2．變壓器的基本結(jié)構(gòu)變壓器主要由鐵芯和繞組兩部分組成。根據(jù)鐵芯和繞組組合結(jié)構(gòu)的不同，變壓器可分為芯式變壓器和殼變壓器式兩種。

芯式變壓器的鐵芯呈口字型，繞組套在鐵芯上，結(jié)構(gòu)較簡單，繞組的裝配和絕緣都較方便，因此多用作容量較大的變壓器，如圖4-7（a）所示。

殼式變壓器的鐵芯呈日字型，繞組被鐵芯包圍，其制造工藝復雜，僅用作小容量的變壓器，如圖4-7（b）所示。（a）芯式變壓器（b）殼式變壓器圖4-7變壓器2繞組繞組是變壓器的電路部分，一般由具有良好絕緣的漆包線、紗包線等繞制而成。工作時，與電源相連的繞組稱為一次繞組（又稱初級繞組、原邊繞組），與負載相連的繞組稱為二次繞組（又稱次級繞組、副邊繞組）。4.2.1變壓器概述1額定電壓4.2.1變壓器概述3．變壓器的銘牌數(shù)據(jù)2額定電流4.2.1變壓器概述3額定容量4額定頻率額定頻率是指變壓器在額定狀態(tài)下運行時加在一次繞組上的交流電頻率。我國規(guī)定的額定頻率為50Hz。4.2.2變壓器的工作原理（a）結(jié)構(gòu)示意圖（b）電氣符號圖4-8變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖和電氣符號01電壓變換4.2.2變壓器的工作原理02電流變換4.2.2變壓器的工作原理03阻抗變換4.2.2變壓器的工作原理（a）

（b）圖4-9負載阻抗模的等效變換例題4.2.2變壓器的工作原理4.2.2變壓器的工作原理解4.2.3變壓器繞組的極性在使用變壓器時，有時需要將變壓器的繞組串聯(lián)以提高電壓或并聯(lián)以增大電流。當電流流入（或流出）兩個繞組時，若產(chǎn)生的磁通方向相同，兩個線圈中的感應電動勢方向也相同，則這兩個繞組的流入端（或流出端）稱為同極性端（又稱同名端），用符號“*”或“?”表示，如圖4-10所示。

常用的測定方法有直流法和交流法兩種。（a）正接（b）反接圖4-10同極性端的標注1直流法圖4-11直流法2交流法4.2.3變壓器繞組的極性根據(jù)圖4-11所示電路，將線圈1-2、線圈3-4、直流電源和直流毫安表連接起來。根據(jù)圖4-12所示電路，將線圈1-2和線圈3-4各取一個接線端連在一起（圖中為接線端2和接線端4），并在其中一個線圈（圖中為1-2線圈）的兩端加一個比較低的便于測量的交流電壓。圖4-12交流法4.2.4變壓器的運行特性圖4-13變壓器的外特性曲線電壓變化率是變壓器的主要性能指標之一，它反映了變壓器供電電壓的質(zhì)量，即電壓的穩(wěn)定性。變壓器的繞組內(nèi)阻和漏磁通一般很小，其電壓變化率約為5%。1.變壓器的外特性1變壓器的功率4.2.4變壓器的運行特性2．變壓器的功率、損耗與效率2變壓器的損耗與效率4.2.4變壓器的運行特性01三相變壓器4.2.5變壓器在城市軌道交通供電系統(tǒng)中的應用正弦交流電的產(chǎn)生、輸送、變配，幾乎都采用三相制，單相電路也是從三相供電系統(tǒng)中接引出來的，而三相電壓的升降則需要用到三相變壓器。如圖4-14所示，把三個單相變壓器的繞組拼合在一起，便組成了三相組式變壓器。圖4-14三相組式變壓器4.2.5變壓器在城市軌道交通供電系統(tǒng)中的應用如圖4-15（a）所示，把三個單相變壓器的鐵芯貼合在一起，省略中間鐵芯柱，便組成了三相芯式變壓器。三相芯式變壓器通常把三個鐵芯柱排列在同一平面。如圖4-15（b）所示。三相芯式變壓器效率高、成本低、體積小，有著非常廣泛的應用。（a）無中間鐵芯柱型

（b）常用型圖4-15三相芯式變壓器02自耦變壓器4.2.5變壓器在城市軌道交通供電系統(tǒng)中的應用（a）（b）圖4-16自耦變壓器4.2.5變壓器在城市軌道交通供電系統(tǒng)中的應用自耦變壓器的特點如下：（1）自耦變壓器的二次繞組是一次繞組的一部分，一、二次繞組之間不僅有磁的耦合，還有電的聯(lián)系。（2）自耦變壓器的結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，繞組的銅損較小，具有較高的效率。（3）自耦變壓器的變比K較小（K＜3）。（4）出于安全考慮，自耦變壓器不宜做輸出電壓為12V、36V的安全燈的變壓器。03儀用互感器儀用互感器是指專門用在測量儀器和保護設備上的變壓器，起到擴大儀表量程、使儀表與高壓隔離，從而保證人身及儀表安全的作用。儀用互感器可分為電壓互感器和電流