電工電子技術(shù)基礎(chǔ)第3章 磁路與變壓器

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第3章磁路與變壓器1.磁路3.1磁路的根本概念內(nèi)容提要1.磁路的根本概念；2.變壓器；3.特殊用途變壓器。一、磁場(chǎng)的根本物理量磁路是用來(lái)將磁場(chǎng)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(chǎng)。磁場(chǎng)中的各個(gè)根本物理量也適用于磁路。2024/4/5〔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(chǎng)強(qiáng)弱與方向的物理量。

即：B的方向即該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向，與產(chǎn)生該磁場(chǎng)的電流之間的方向關(guān)系符合右手螺旋法那么。式中：F—牛頓〔N〕，q—庫(kù)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(chǎng)的根本物理量2024/4/5〔2〕磁通量Ф磁通量Ф〔或稱為磁通〕是表示穿過(guò)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(guò)該截面的磁力線總數(shù)。

即：Φ的方向與B的方向相同，即與產(chǎn)生該磁場(chǎng)的電流之間的方向關(guān)系符合右手螺旋法那么。式中：S—平方米〔m2〕Φ—韋［伯］〔Wb〕，B—特［斯拉］〔T〕。

第3章磁路與變壓器2024/4/5〔3〕磁場(chǎng)強(qiáng)度H

磁場(chǎng)中某點(diǎn)的磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度的大小只與其鼓勵(lì)電流有關(guān)，而與介質(zhì)材料的導(dǎo)磁性能無(wú)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〔4〕導(dǎo)率μ

磁導(dǎo)率μ是表示物質(zhì)導(dǎo)磁性能的物理量。其SI單位是亨/米〔H/m〕。

第3章磁路與變壓器

真空中的磁導(dǎo)率為的物質(zhì)稱為非磁性材料；的物質(zhì)稱為鐵磁性材料；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的磁化小區(qū)域，稱為磁疇?！?〕在沒(méi)有外磁場(chǎng)作用時(shí)，這些磁疇的排列是無(wú)序的，它們所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的平均值幾乎等于零，對(duì)外不顯示磁性。〔3〕在一定的外磁場(chǎng)作用下，這些磁疇將轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)方向，作有序排列，顯示出很強(qiáng)的磁性，形成磁化磁場(chǎng)。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(chǎng)作用下產(chǎn)生的磁化現(xiàn)象?！?〕非磁性材料內(nèi)沒(méi)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2024/4/5〔a〕磁化前(b)磁化后

第3章磁路與變壓器2024/4/5

由于磁化現(xiàn)象，從而使鐵磁性材料具有高導(dǎo)磁性能，其磁導(dǎo)率很大，是工業(yè)生產(chǎn)中用于制造電機(jī)、電器與電工儀表的主要材料。利用鐵磁性物質(zhì)的高導(dǎo)磁性，可用較小的勵(lì)磁電流產(chǎn)生足夠大的磁通，如優(yōu)質(zhì)的鐵磁性物質(zhì)可使相同容量的變壓器或電動(dòng)機(jī)的重量和體積大大減小。

鐵磁性材料還具有磁飽和性。當(dāng)外加磁場(chǎng)H增加到一定程度后，即便H再繼續(xù)增加，B的數(shù)值幾乎不再增長(zhǎng)，即進(jìn)入飽和狀態(tài)了。

第3章磁路與變壓器2.高導(dǎo)磁性3.磁飽和性2024/4/5

磁滯性表現(xiàn)在鐵磁性物質(zhì)在交變磁場(chǎng)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(chǎng)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(guò)程中，磁疇在外磁場(chǎng)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(chǎng)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2024/4/5

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(chǎng)后，磁性大局部消失。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(lái)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(chǎng)才能使之磁化，但去掉外磁場(chǎng)后，磁性不易消失，將保存下很強(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)中的永久磁鐵和小型直流電機(jī)中的永磁磁極等。2024/4/5〔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(lái)制作記憶元件，比方比方計(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2024/4/5

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(guò)鐵心，使得鐵心內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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。2024/4/5

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(chǎng)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。2024/4/5

第3章磁路與變壓器2.趨膚效應(yīng)〔1〕直流電通過(guò)導(dǎo)線時(shí)：導(dǎo)線橫截面上各處的電流密度相等?！?〕交流電通過(guò)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??；越靠近導(dǎo)線外表電流密度越大。此種交變電流在導(dǎo)線內(nèi)趨于導(dǎo)線外表流動(dòng)的現(xiàn)象叫做趨膚效應(yīng)〔也叫集膚效應(yīng)〕。2024/4/5

第3章磁路與變壓器2024/4/5〔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(cè)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、分類和根本結(jié)構(gòu)2024/4/5

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：?jiǎn)蜗嘧儔浩骱腿嘧儔浩?；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(cè)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、脈沖變壓器等。2024/4/5

第3章磁路與變壓器簡(jiǎn)單的電力系統(tǒng)示意圖2024/4/5變壓器的種類很多，結(jié)構(gòu)形狀各異，用途也各不相同，但其根本結(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.變壓器的根本結(jié)構(gòu)2024/4/5〔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2024/4/5〔2〕繞組繞組是變壓器的電路局部，一般用高強(qiáng)度漆包銅線〔也可用鋁線〕繞制而成。接高壓電網(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(kāi)關(guān)、氣體繼電器、平安氣道、測(cè)溫器等。

第3章磁路與變壓器2024/4/5次級(jí)：與負(fù)載相接的繞組稱二次繞組〔又稱副邊或次級(jí)繞組〕，匝數(shù)為N2，其電壓、電流、電動(dòng)勢(shì)分別用表示。

第3章磁路與變壓器初級(jí)：接電源的繞組稱為一次繞組〔又稱原邊或初級(jí)繞組〕，匝數(shù)為N1，其電壓、電流、電動(dòng)勢(shì)分別用表示。二、變壓器的工作原理2024/4/5

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(guò)，此時(shí)i1=i0稱為空載電流。它在原邊建立磁動(dòng)勢(shì)i0N1，在鐵心中產(chǎn)生同時(shí)交鏈著原、副繞組的主磁通Φ，主磁通Φ的存在是變壓器運(yùn)行的必要條件。2024/4/5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(shì)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2024/4/5K稱為變壓器的變壓比〔簡(jiǎn)稱為變比〕，該式說(shuō)明變壓器原、副繞組的電壓與原副繞組的匝數(shù)成正比。當(dāng)K>1時(shí)為降壓變壓器，K<1時(shí)為升壓變壓器。對(duì)于已經(jīng)制成的變壓器而言，值一定，故副繞組電壓隨原繞組電壓的變化而變化。

第3章磁路與變壓器2024/4/5【例3-1】某單相變壓器接到U1=220V伏的正弦交流電源上，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)2024/4/5

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通過(guò)，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(guò)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。2024/4/5當(dāng)變壓器在額定負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁分量i0很小，約為原邊額定電流的〔2～１０〕%，在分析原、副邊電流的數(shù)量關(guān)系時(shí)，可將i0忽略不計(jì)。于是有

第3章磁路與變壓器說(shuō)明，變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)，其原繞組和副繞組電流有效值之比，等于它們?cè)褦?shù)比的倒數(shù)，即變壓比的倒數(shù)。這也就是變壓器的電流變換原理。 2024/4/5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(lái)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(guò)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〞。2024/4/5

第3章磁路與變壓器【例3-2】一個(gè)R=10Ω的負(fù)載電阻，接在電壓有效值U=12V、內(nèi)阻R0=250Ω的交流信號(hào)源上。求：〔1〕上獲得的功率；〔2〕假設(shè)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。2024/4/5

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。2024/4/5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(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)的局部，故效率較高。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%。2024/4/5

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(jí)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。2024/4/5

第3章磁路與變壓器2.額定電流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(zhǎng)期通過(guò)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(guó)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)頻率為50Hz2024/4/5

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2024/4/5

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，不能接錯(cuò)，否那么可能會(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平安變壓器使用?！?〕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