《電工電子技術(shù)》-磁路與變壓器

第3章磁路與變壓器3.1磁路的基本知識(shí)3.2交流鐵心線圈電路3.3單相變壓器3.4特殊變壓器3.1磁路的基本知識(shí)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)變化或運(yùn)動(dòng)又產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在大多數(shù)情況下，電氣設(shè)備的磁場(chǎng)都是由電流來(lái)產(chǎn)生的，并且利用鐵磁性材料將磁場(chǎng)集中在一定的范圍內(nèi)，形成磁路。

3.1.1磁場(chǎng)的基本物理量磁場(chǎng)的特性可用下列幾個(gè)基本物理量來(lái)表示。

1.磁感應(yīng)強(qiáng)度B磁感應(yīng)強(qiáng)度B是描述空間某點(diǎn)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向的物理量，它是一個(gè)矢量。它的大小可用該點(diǎn)磁場(chǎng)作用于1m長(zhǎng)，通有1A電流的導(dǎo)體上的作用力F來(lái)衡量()。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向可根據(jù)產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流方向，用右手螺旋定則來(lái)確定。B的單位為特斯拉(T)。

2.磁通Ф

磁通Ф是描述磁場(chǎng)在某一范圍內(nèi)分布情況的物理量。穿過(guò)某一截面積S的磁力線的總數(shù)就是通過(guò)該截面積的磁通Φ。垂直穿過(guò)單位面積的磁力線數(shù)就反映此處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小。所以磁感應(yīng)強(qiáng)度B又稱為磁通密度?；颚?BS式中，磁通Φ的單位是韋伯(Wb)，面積S的單位為米2(m2)。

3.磁導(dǎo)率μ磁導(dǎo)率又稱為導(dǎo)磁系數(shù)，是用來(lái)衡量物質(zhì)導(dǎo)磁能力的物理量，用來(lái)表示磁場(chǎng)中介質(zhì)導(dǎo)性能的強(qiáng)弱，其單位是亨利／米(H/m)。就導(dǎo)磁能力來(lái)說(shuō)，大體可分為磁性材料和非磁性材料兩大類。非磁性材料，如銅、鋁、空氣等，它們的導(dǎo)磁能力很差，磁導(dǎo)率接近于真空的磁導(dǎo)率μ0(μ0=4л×10-7H/m)，且為一常數(shù)。磁性材料，如鐵、鈷、鎳及其合金，它們的導(dǎo)磁能力很強(qiáng)，它們的磁導(dǎo)率可以是真空磁導(dǎo)率μ0的數(shù)百、數(shù)千乃至數(shù)萬(wàn)倍，而且不是一個(gè)常數(shù)。各種材料的磁導(dǎo)率通常用真空磁導(dǎo)率μ0的倍數(shù)表示，稱為相對(duì)磁導(dǎo)率μr，即4.磁場(chǎng)強(qiáng)度H同一通電線圈內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)弱（用磁感應(yīng)強(qiáng)度B來(lái)表征），不僅與所同電流的大小有關(guān)，而且與線圈內(nèi)磁場(chǎng)介質(zhì)的導(dǎo)磁性能有關(guān)。在通電線圈中，H這個(gè)單位只與電流的大小有關(guān)，而與線圈中被磁化的物質(zhì)，即與物質(zhì)的磁導(dǎo)率μ無(wú)關(guān)。但通電線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小卻與線圈中被磁化的物質(zhì)的磁導(dǎo)率μ有關(guān)。H的大小由B與μ的比值決定，即磁場(chǎng)強(qiáng)度為3.1.2磁路和磁路的基本定律由于鐵心的磁導(dǎo)率比周圍空氣或其他非鐵磁材料的磁導(dǎo)率大很多倍，所以磁力線幾乎全部都從鐵心中通過(guò)而形成一閉合的路徑．這種約束在鐵心所限定的范圍內(nèi)的磁通路徑，稱為磁路。磁路的形成當(dāng)線圈中通過(guò)電流時(shí)，大部分磁通沿鐵心、銜鐵和工作氣隙構(gòu)成回路，這部分磁通稱為主磁通。還有一小部分磁通，它們沒(méi)有經(jīng)過(guò)鐵心、銜鐵和工作氣隙形成構(gòu)成的回路，而是經(jīng)空氣自成回路，這部分磁通稱為漏磁通。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，勵(lì)磁電流I越大，通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)就越強(qiáng)；線圈的匝數(shù)N越多，通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)也越強(qiáng)。把勵(lì)磁線圈匝數(shù)N和勵(lì)磁電流I的乘積稱為磁通勢(shì)F。當(dāng)磁通勢(shì)F一定時(shí)，磁通Φ與μ、S成正比，而與l成反比。它們之間的運(yùn)算關(guān)系是：其中，Rm稱為磁阻，是表示物質(zhì)對(duì)磁通具有阻礙作用的物理量，其大小與磁路中磁性材料的材質(zhì)及幾何尺寸有關(guān)。上式稱為磁路歐姆定律。下表列出磁路與電路對(duì)應(yīng)的物理量及其關(guān)系式。3.1.3鐵磁性材料的磁性質(zhì)1.鐵磁性材料的磁性能鐵磁性材料是指鐵、鈷、鎳及其合金。它們具有下列磁性能。(1)高導(dǎo)磁性(2)磁飽和性通過(guò)實(shí)驗(yàn)可測(cè)出鐵磁材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨外加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H變化的曲線(B～H磁化曲線)，如下圖所示。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度H的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。2.鐵磁性材料的種類及用途軟磁材料硬磁材料矩磁性材料3.2交流鐵心線圈電路直流鐵心線圈的勵(lì)磁電流是直流電流，鐵心中產(chǎn)生的磁通是恒定的，在線圈和鐵心中不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其損耗僅僅是電流通過(guò)線圈作功的熱損耗。交流鐵心線圈的勵(lì)磁電流是交流電流，鐵心中產(chǎn)生的磁通是交變的，在線圈和鐵心中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，存在著電磁關(guān)系、電壓和電流關(guān)系以及功率損耗等問(wèn)題。上圖是交流鐵心線圈的電路圖。由于主磁通Φ是流經(jīng)鐵心的，鐵心的磁導(dǎo)率μ是隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H而變化的，所以鐵心線圈的勵(lì)磁電流i和主磁通Φ不呈線性關(guān)系；而漏磁通Φσ不流經(jīng)鐵心，其漏磁電感Lσ可近似是個(gè)定值，所以勵(lì)磁電流i和漏磁通Φσ呈線性關(guān)系。3.2.1電磁關(guān)系3.2.2電壓電流關(guān)系交流鐵心線圈電路中的電壓電流關(guān)系較為復(fù)雜，經(jīng)過(guò)電磁感應(yīng)定律和基爾霍夫定律推導(dǎo)以及分析，可得出以下關(guān)系式U≈E=4.44?NΦm=4.44?NBmS對(duì)于交流鐵心線圈來(lái)講，當(dāng)電壓、頻率、線圈匝數(shù)一定時(shí)，Φm基本保持不變，即交流鐵心線圈具有恒磁通特性。3.2.3功率損耗與直流線圈不同，交流鐵心線圈的功率損耗除了有銅損，還有由于鐵心的交變磁化作用產(chǎn)生的鐵損。所以，交流鐵心線圈功率損耗為:P=UIcosφ=RI2+ΔPFe銅損是由于鐵心線圈有電阻R，電流通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的熱損耗。鐵損是由磁滯損耗和渦流損耗兩部分組成，是線圈通以交流電時(shí)線圈交變磁化時(shí)的鐵心損耗。3.3單相變壓器

3.3.1變壓器的基本結(jié)構(gòu)1.變壓器的用途和種類變壓器是一種常見(jiàn)的電氣設(shè)備，其主要功能是將某一電壓值的交流電能，轉(zhuǎn)換為同頻率的另一電壓值的交流電能。變壓器的種類很多，常用的有：輸配電用的電力變壓器；電解用的整流變壓器；實(shí)驗(yàn)用的調(diào)壓變壓器；電子線路中的輸入、輸出變壓器等。雖然變壓器種類很多，結(jié)構(gòu)上也各有特點(diǎn)，但它們的基本結(jié)構(gòu)和工作原理是類似的。2.變壓器的基本構(gòu)造變壓器主要由鐵心和線圈(也叫繞組)兩部分組成。鐵心是變壓器的磁路通道。為了減小渦流和磁滯損耗，鐵心是用磁導(dǎo)率較高而且相互絕緣的硅鋼片疊裝而成的。變壓器的鐵心結(jié)構(gòu)3.3.2單相變壓器的工作原理在變壓器原線圈中產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)的同時(shí)，在副線圈中也產(chǎn)生了互感電動(dòng)勢(shì)。這時(shí)，如果在副線圈上接上負(fù)載，那么電能將通過(guò)負(fù)載轉(zhuǎn)換成其他形式的能。1.變壓器的空載運(yùn)行變壓器的原繞組加額定電壓，副繞組開(kāi)路(不接負(fù)載)的情況，稱為空載運(yùn)行。

當(dāng)一次繞組接電源電壓ｕ1

，一次繞組中通過(guò)的電流稱為空載電流，用符號(hào)i10表示。i10建立變壓器鐵芯中的磁場(chǎng)，故又稱為勵(lì)磁電流。主磁通在一次繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：同理，二次繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為因此或?qū)懗捎行е?.變壓器的負(fù)載運(yùn)行變壓器的一次繞組接上電壓u1，二次繞組接上負(fù)載Z?z，時(shí)的運(yùn)行情況，稱為變壓器的負(fù)載運(yùn)行。由于變壓器接通負(fù)載，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，將在二次繞組中產(chǎn)生電流，一次繞組中的電流由變化為因此，負(fù)載時(shí)，變壓器鐵芯中的主磁通Φ由磁動(dòng)勢(shì)和共同作用產(chǎn)生。根據(jù)恒磁通原理，由于負(fù)載和空載時(shí)一次電壓不變，因此鐵心中主磁通的最大值Φm不變，故磁動(dòng)勢(shì)。這是變壓器接負(fù)載時(shí)的磁動(dòng)勢(shì)平衡方程式。由于空載電流比較小，與負(fù)載時(shí)電流相比，可以忽略空載磁動(dòng)勢(shì)，因此：改寫(xiě)為或?qū)懗捎行е捣从沉俗儔浩髯儞Q電流的功能，即一次、二次繞組的電流之比等于匝數(shù)比的倒數(shù)。3.變壓器的變換阻抗作用負(fù)載接在變壓器副邊，圖中虛線框部分可以用一個(gè)阻抗來(lái)等效代換，兩者從電源取用的電壓、電流和功率相同。在實(shí)際工作中可以選用不同匝數(shù)比的變壓器，將負(fù)載阻抗變換為所需要的阻抗值。在電子線路中常利用變壓器的這種阻抗變換作用實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。4.變壓器的外特性、損耗和效率（1）變壓器的外特性當(dāng)原繞組上外加電壓和副繞組的負(fù)載功率因數(shù)cosφ2不變時(shí)，副邊端電壓U2隨負(fù)載電流I2變化的規(guī)律，稱為變壓器的外特性。從圖中可看出，負(fù)載性質(zhì)和功率因數(shù)不同時(shí)，從空載(I2=0)到滿載(I2=I2N)，變壓器副邊電壓U2變化的趨勢(shì)和程度是不同的。，我們用副邊電壓變化率(或稱電壓調(diào)整率)來(lái)表示。副邊電壓變化率ΔU(％)規(guī)定為：當(dāng)原邊接在額定電壓和額定頻率的交流電源上，副邊開(kāi)路電壓U2N和在指定的功率因數(shù)下副邊輸出額定電流時(shí)的副邊電壓U2的算術(shù)差與副邊額定電壓U2N的百分比值，即它反映了變壓器供電電壓的穩(wěn)定性，一般電力變壓器的電壓變化率約為3%～5%。（2）變壓器的損耗和效率

變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)，原邊從電源輸入有功功率P1，其中很小部分消耗于原繞組的電阻(稱為原邊銅損)和鐵心(稱為鐵損，包括磁滯損耗和渦流損耗)中，其余部分以主磁通為媒介通過(guò)電磁感應(yīng)傳遞給副繞組，稱為電磁功率。副邊獲得的電磁功率，除去副繞組的銅損，其余的傳輸給負(fù)載，這就是變壓器的輸出功率P2。變壓器的效率為：一般電力變壓器的效率很高，為95％～99％。變壓器的鐵損和銅損可以通過(guò)空載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)測(cè)得。3.3.3單相變壓器的額定值1.額定電壓額定電壓是根據(jù)變壓器的絕緣強(qiáng)度和允許溫升而規(guī)定的電壓值，以伏或以千伏為單位。變壓器的額定電壓有原邊額定電壓U1N和副邊額定電壓U2N。2.額定電流額定電流是根據(jù)變壓器允許溫升而規(guī)定的電流值，以安或千安為單位，變壓器的額定電流有原邊額定電流I1N和副邊額定電流I2N。3.額定容量變壓器額定容量是指其副邊的額定視在功率SN，以伏安或千伏安為單位。額定容量反映了變壓器傳遞電功率的能力。SN和U2N、I2N間的關(guān)系，對(duì)單相變壓器為：對(duì)三相變壓器為：4.額定頻率我國(guó)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)工頻頻率為50Hz，有些國(guó)家則規(guī)定為60Hz，使用時(shí)應(yīng)注意。5.額定溫升變壓器的額定溫升是以環(huán)境溫度為+40℃作參考，規(guī)定在運(yùn)行中允許變壓器的溫度超出參考環(huán)境溫度的最大溫升。3.3.4變壓器線繞的極性繞組同名端是繞組與繞組間、繞組與其它電氣元件間正確連接的依據(jù)，并可用來(lái)分析原、副繞組間電壓的相位關(guān)系。在變壓器繞組接線及電子技術(shù)中的放大電路、振蕩電路、脈沖輸出電路等的接線與分析中，都要用到同名端概念。繞組的極性，是指繞組在任意瞬時(shí)兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)極性，它總是從繞組的相對(duì)瞬時(shí)電位的低電位端(用符號(hào)“—”表示)，指向高電位端(用符號(hào)“+”表示)。把原、副繞組電位瞬時(shí)極性相同的端點(diǎn)稱為同極性端，也稱為同名端。繞組的同名端可標(biāo)以符號(hào)標(biāo)記“·”，以便識(shí)別。已制成的變壓器、互感器等，通常都無(wú)法從外觀上看出繞組的繞向，如果使用時(shí)需要知道它的同名端，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定同名端。直流電感法交流感應(yīng)法3.4特殊變壓器3.4.1自耦變壓器若變壓器的原、副繞組有一部分是共用的，這類的變壓器叫自耦變壓器。自耦變壓器的原、副繞組之間既有磁的耦合，又有電的聯(lián)系。自耦變壓器的低壓繞組與高壓繞組直接有電的聯(lián)系，要采用同樣的絕緣，而且使用中有不夠安全的缺點(diǎn)。因此，一般變比要求很大的電力變壓器和輸出電壓為12V、36v的安全燈的變壓器都不采用自耦變壓器。有的自耦變壓器利用滑動(dòng)觸頭均勻改變副繞組的匝數(shù)，從而能改變輸出電壓。這種可以平滑地調(diào)節(jié)輸出電壓的自耦變壓器稱為調(diào)壓器。單相調(diào)壓器外形單相調(diào)壓器接線原理3.4.2儀用互感器儀用互感器也有稱為交流互感器，是供測(cè)量、自動(dòng)控制及保護(hù)用的一種特殊用途變壓器。使用互感器，可將交流高電壓變換成低電壓或?qū)⒔涣鞔箅娏髯儞Q為小電流，然后送給測(cè)量?jī)x表或控制、保護(hù)和自動(dòng)裝置。這樣可擴(kuò)大測(cè)量?jī)x表的量程，滿足自動(dòng)控制