《汽車電工電子技術(shù)》課件第3章

第3章磁路與變壓器3.1磁場(chǎng)的基本物理量

3.2鐵磁材料的性質(zhì)和用途

3.3直流電磁鐵和交流電磁鐵

3.4電磁感應(yīng)及自感、互感

3.5變壓器的結(jié)構(gòu)、

基本工作原理與三大功能3.6變壓器繞組的同名端及其測(cè)定3.7三相變壓器的組成與基本原理

3.8變壓器的額定值、損耗與效率問(wèn)題3.9特殊變壓器習(xí)題

3.1磁場(chǎng)的基本物理量

3.1.1磁感應(yīng)強(qiáng)度

在物理學(xué)中，人們知道，在磁鐵和通電導(dǎo)體周圍的空間存在著磁場(chǎng)。由于它摸不著、看不見(jiàn)，故用磁力線既形象又直觀地來(lái)描述磁場(chǎng)：用磁力線的疏密來(lái)表示磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，用磁力線上任何一點(diǎn)的切線方向來(lái)表示該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向。但如果要定量地描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱就有困難，于是就引入了磁感應(yīng)強(qiáng)度，用符號(hào)B表示。

實(shí)驗(yàn)指出，將長(zhǎng)度為ΔL，通入電流為I的直導(dǎo)體(如圖3.1（a）所示)，按垂直磁力線方向插入一磁場(chǎng)中，則直導(dǎo)體上將受到電磁力ΔF，ΔF的方向決定于磁力線方向和通電電流方向。三者關(guān)系可用左手定則來(lái)判別，如圖3.1（b）所示。而ΔF的大小為ΔF=BIΔL

式中，B即為直導(dǎo)體ΔL的磁場(chǎng)在該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，可表示為

圖3.1磁場(chǎng)對(duì)載流導(dǎo)體的作用力（a）

導(dǎo)體受到作用力；

（b）

左手定則

而它的方向即為該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向，也就是該點(diǎn)的磁力線的切線方向。因此磁感應(yīng)強(qiáng)度B既反映磁場(chǎng)某處的強(qiáng)弱，又反映該處的磁場(chǎng)方向，所以B是一個(gè)矢量。

一般而言，磁場(chǎng)中各點(diǎn)的B的大小和方向都是不相同的，如果磁場(chǎng)中各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向都相同，這樣的磁場(chǎng)就叫做均勻磁場(chǎng)。對(duì)于均勻磁場(chǎng)，可用均勻分布、方向相同的磁力線來(lái)描述。

由磁感應(yīng)強(qiáng)度的表達(dá)式可得它的物理單位為牛/(安·米)=焦/(安·米2)=庫(kù)·伏/(安·米2)=伏·秒/米2=韋伯/米2=特斯拉。特斯拉簡(jiǎn)稱“特”（T），在工程中也常用高斯（Gs）來(lái)表示。

它們的換算關(guān)系為1Gs=10-4T。

3.1.2磁通在磁場(chǎng)中為了研究某個(gè)面積上的磁場(chǎng)強(qiáng)弱問(wèn)題而引入了新的物理量——磁通，用符號(hào)Φ表示。其大小等于磁感應(yīng)強(qiáng)度和與它垂直的某一截面積S的乘積。在均勻磁場(chǎng)中，由于B是一個(gè)常數(shù)，

故而磁通的大小為

Φ=BS

(3-1)由表達(dá)式可知,磁通的物理量單位為(韋伯/米2)×米2=韋伯(Wb)。

如果將磁通Φ、磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁力線聯(lián)系起來(lái)，磁通量就可認(rèn)為垂直磁力線方向上某一截面積的磁力線數(shù)，

而將上式變?yōu)?/p>

則可認(rèn)為磁感應(yīng)強(qiáng)度就是垂直穿過(guò)單位面積上的磁力線數(shù)，因此磁感應(yīng)強(qiáng)度又稱為磁通密度。

3.1.3磁導(dǎo)率各種物質(zhì)在磁場(chǎng)中表現(xiàn)是不一樣的，有的會(huì)增強(qiáng)磁場(chǎng)，有的會(huì)削弱磁場(chǎng)，這主要與各種物質(zhì)的導(dǎo)磁性能有關(guān)。為了衡量物質(zhì)的導(dǎo)磁性能而引入了磁導(dǎo)率這個(gè)物理量，用符號(hào)μ表示，它的物理單位是亨/米（H/m）。經(jīng)測(cè)定，真空中的磁導(dǎo)率為一個(gè)常數(shù)，用μ0表示，有自然界中，大多數(shù)的物質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)弱影響甚微，有的物質(zhì)使磁場(chǎng)略比真空中增強(qiáng)，如空氣、錫、鋁等；有的物質(zhì)使磁場(chǎng)略比真空中減弱，如銅、銀、石墨等，它們的磁導(dǎo)率μ≈μ0，而只有鐵、鎳、鈷及其合金，他們的磁導(dǎo)率μ很大，能使磁場(chǎng)大為增強(qiáng)，我們將這類物質(zhì)稱為鐵磁材料。3.1.4磁場(chǎng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B的計(jì)算在實(shí)際中往往很難求得，因?yàn)樗粌H與電流、導(dǎo)體的形狀、位置有關(guān)，而且還與物質(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān)。為了方便地計(jì)算出B，我們引入了一個(gè)輔助物理量，稱為磁場(chǎng)強(qiáng)度，用符號(hào)H表示。在電工技術(shù)中，用簡(jiǎn)單的形式來(lái)計(jì)算出某一區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度，而要計(jì)算出磁場(chǎng)中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，則可用公式來(lái)表示：B=μH

式中，μ為該點(diǎn)處的物質(zhì)磁導(dǎo)率。

（3-2）

磁場(chǎng)強(qiáng)度也是一個(gè)矢量，磁場(chǎng)中某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向即為該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向。它的物理量單位是：A/m（或A/cm）。磁場(chǎng)強(qiáng)度的引入不僅簡(jiǎn)化了磁場(chǎng)計(jì)算,而且常用來(lái)分析鐵磁材料的磁化狀況。

3.2鐵磁材料的性質(zhì)和用途

3.2.1鐵磁材料的性質(zhì)

1.高導(dǎo)磁性鐵磁材料具有極強(qiáng)的被磁化特性，在外磁場(chǎng)的作用下能產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外磁場(chǎng)的附加磁場(chǎng)。這是什么原因造成的呢？原來(lái)在鐵磁材料內(nèi)部，存在著許多體積很小的自然磁化區(qū)，稱為磁疇。它們像一個(gè)個(gè)小磁鐵，在未被磁化時(shí)，這些磁疇排列雜亂無(wú)章，他們的磁場(chǎng)相互抵消，對(duì)外不顯出磁性，如圖3.2（a）所示。

圖3.2鐵磁材料磁疇分布示意圖(a)磁化前；

(b)磁化后

2.磁飽和性

鐵磁材料在被磁化的過(guò)程中，隨著外磁場(chǎng)的逐步增強(qiáng)，鐵磁材料內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度B變化如圖3.3所示，這條曲線稱為鐵磁材料的磁化曲線。從圖上可看出，B與H的關(guān)系是一條曲線，說(shuō)明兩者是非線性關(guān)系；又根據(jù)B=μH，說(shuō)明鐵磁材料μ值不是常數(shù)。磁導(dǎo)率μ與H曲線，如圖3.3所示。

圖3.3B-H磁化曲線及μ-H曲線

從B-H、μ-H曲線可知：Oa段——磁化開(kāi)始，B、μ值較小；ab段幾乎直線上升,B、μ值增加很大，特別是b點(diǎn)附近μ值達(dá)到最大值；bc段曲線的膝部,變化緩慢，B值增加緩慢，μ值反而減少；cs段曲線平坦，B值幾乎不變，μ值繼續(xù)減少。我們將cs段鐵磁材料內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度B幾乎不隨外磁場(chǎng)強(qiáng)度H增加的特性,叫做磁飽和性。

圖3.4磁滯回線

3.磁滯性在外磁場(chǎng)H作正、負(fù)變化（即大小和方向不斷變化）的反復(fù)磁化過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)鐵磁材料內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化總是落后于外磁場(chǎng)的變化，這一特性稱為磁滯性。鐵磁材料經(jīng)反復(fù)磁化后，可得到如圖3.4所示的近似于對(duì)稱的閉合曲線，稱為磁滯回線。

從圖中可看出，當(dāng)外磁場(chǎng)H從零開(kāi)始增加，B也隨之增加，如圖中的Oa段;當(dāng)B達(dá)到Bm飽和后，減小H，B也隨之減小，但并不沿著原線段Oa而是沿著ab段曲線下降；當(dāng)H=0時(shí)，而此時(shí)B并不等于零，說(shuō)明此時(shí)鐵磁材料內(nèi)部尚有一部分磁性，稱為剩磁Bτ；如果要去掉剩磁，必須加上一定大小的反方向磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc，稱為矯頑力，如圖中的bc段；如果反向磁場(chǎng)繼續(xù)增強(qiáng)，鐵磁材料將會(huì)反向磁化，如圖中的cd段。這樣反復(fù)改變H值，鐵磁材料中的B值，總是滯后地跟著變化，形成一個(gè)閉合的曲線abcdefa，這個(gè)閉合的B-H曲線，稱為磁滯回線。3.2.2鐵磁材料的分類

1.軟磁材料如硅鋼、鑄鋼、純鐵、坡莫合金等，這些材料的磁滯回線較狹窄，面積較??；剩磁（Bτ）和矯頑力（Hc）都較小，但磁導(dǎo)率高，磁滯損耗小，容易磁化，也易退磁，常用來(lái)制造電機(jī)變壓器、電器的鐵芯。

2.硬磁材料

如碳鋼、鎢鋼、鈷鋼和鎳鋼合金等，這類材料的磁滯回線較寬，面積較小；剩磁（Bτ）和矯頑力（Hc）都較大，一旦經(jīng)磁化后不易消失剩磁，常用來(lái)制造各種形狀的永久磁鐵、揚(yáng)聲器磁鋼。軟磁材料和硬磁材料的磁滯回線如圖3.5所示。圖3.5軟磁材料和硬磁材料的磁滯回線

3.矩磁材料

如鐵氧體材料等，這類材料的磁滯回線近似于矩形，如圖3.6所示。較小的外磁場(chǎng)就能使磁化達(dá)到飽和，去掉外磁場(chǎng)仍能保持飽和值，常用來(lái)制造電子計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的磁芯等記憶元件。圖3.6矩磁材料的磁滯回線3.3直流電磁鐵和交流電磁鐵3.3.1直流電磁鐵

電磁鐵一般都由激磁線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成，如圖3.7（a）所示。直流電磁鐵的工作原理如圖3.7（b）所示直流電磁鐵銜鐵的吸力與兩極的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和兩磁極的面積S有關(guān)，經(jīng)計(jì)算，作用的銜鐵上的吸力大小為式中，F(xiàn)的單位為牛頓（N），空氣間隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位為特斯拉（T），鐵芯截面積S的單位為米2（m2）。此外，銜鐵吸力還與空氣間隙δ有關(guān)，如圖3.8所示。從圖中可看出，當(dāng)電磁鐵剛通電啟動(dòng)時(shí)，銜鐵芯之間的間隙最大，此時(shí)吸力最小，當(dāng)銜鐵與鐵芯完全閉合后，此時(shí)吸力最大。而激磁線圈通入的激磁電I的大小與銜鐵與鐵芯之間的間隙無(wú)關(guān)，它取決于線圈的直流電阻R和加上線圈上的電壓U。圖3.7幾種電磁鐵

圖3.8直流電磁鐵的工作特性

3.3.2交流電磁鐵

交流電磁鐵的組成與直流電磁鐵基本相同。由于線圈中通入的是正弦交變電流，故而其鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度將隨電流的變化而變化（見(jiàn)圖3.9），時(shí)而為零，時(shí)而達(dá)到最大值Bm,隨時(shí)間作正弦規(guī)律變化。但由于交流電磁鐵兩磁極間的吸力F與兩極間的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方成正比，故而吸力F也將時(shí)而為零，時(shí)而達(dá)到最大值Fm。這樣吸力F將在零和最大值之間脈動(dòng)，引起銜鐵的顫動(dòng)，

產(chǎn)生噪聲，

并會(huì)使被控的一些金屬觸點(diǎn)燒壞。

圖3.9交流電磁鐵極間吸間吸力的變化曲線為了消除銜鐵的顫動(dòng)，可在磁極的端面上嵌入一個(gè)短路環(huán)，如圖3.10所示。由圖可見(jiàn)，當(dāng)磁極的磁通發(fā)生變化時(shí)，短路環(huán)中便產(chǎn)生感應(yīng)電流以阻礙磁通的變化，使得環(huán)路內(nèi)的磁通Φ1與Φ2產(chǎn)生一個(gè)相位差，就可使兩部分的磁通和吸力不會(huì)同時(shí)為零，這樣就消除了銜鐵的顫動(dòng)。圖3.10磁極端面上的短路環(huán)

交流電磁鐵的線圈通往的電流有效值和銜鐵受到吸力F的平均值，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得還與銜鐵與鐵芯間的空氣間隙δ大小有關(guān)，如圖3.11所示。從圖上可看出，交流電磁鐵剛啟動(dòng)時(shí)，線圈中通入的電流有效值為最大，此時(shí)銜鐵受到的吸力為最小，隨著氣隙的縮小，電流有效值減小，而吸力增大；當(dāng)銜鐵完全吸合后，線圈中的電流最小，而銜鐵的吸力達(dá)到最大。因此，在實(shí)際工作中，當(dāng)銜鐵被卡住，或鐵芯端面有油污或鐵屑時(shí)，都會(huì)造成銜鐵和鐵芯端面之間吸合不好，這樣會(huì)造成振動(dòng)和噪聲，嚴(yán)重的還會(huì)使線圈電流過(guò)大發(fā)熱而燒霈。所以，平時(shí)必須加以維護(hù)，

確保交流電磁鐵正常工作。

圖3.11交流電磁鐵工作特性

3.4電磁感應(yīng)及自感、互感

3.4.1電磁感應(yīng)

實(shí)驗(yàn)一，將一根直導(dǎo)體放在均勻磁場(chǎng)中，并以速度v朝著磁力線垂直方向運(yùn)動(dòng)，在導(dǎo)體的兩端接上一個(gè)檢流計(jì)，如圖3.12所示。當(dāng)導(dǎo)體左、右切割磁力線時(shí)，可以看到檢流計(jì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)；而如果導(dǎo)體不運(yùn)動(dòng)時(shí)，檢流計(jì)指針是不動(dòng)的。實(shí)驗(yàn)二，將線圈兩端與檢流計(jì)連接，而將磁鐵插入或拔出線圈，如圖3.13所示。當(dāng)磁鐵插入線圈時(shí)，檢流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)；而當(dāng)磁鐵在線圈中不動(dòng)時(shí)，檢流計(jì)指針不動(dòng)，當(dāng)磁鐵拔出線圈時(shí)，檢流計(jì)指針?lè)聪蚱D(zhuǎn)。圖3.12實(shí)驗(yàn)一示意圖

圖3.13實(shí)驗(yàn)二示意圖

以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，當(dāng)導(dǎo)體對(duì)磁場(chǎng)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)而切割磁力線，或者通過(guò)線圈的磁通量發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)體或線圈中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，如果導(dǎo)體或線圈是閉合的，就會(huì)有電流通過(guò)。這兩種不同條件卻結(jié)果相同的（都產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)）現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)。由于電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)叫做感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)而產(chǎn)生的電流稱為感應(yīng)電流。

3.4.2感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小和方向

1.直導(dǎo)體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小和方向（1）大小計(jì)算。在均勻磁場(chǎng)中，長(zhǎng)度L的直導(dǎo)體以速度v作與磁感應(yīng)強(qiáng)度B垂直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，

實(shí)驗(yàn)證明其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

e=BLv（3-3）

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的單位為伏特（V）。

（2）方向判別。直導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向可用右手定則確定：伸開(kāi)右手，大拇指與四指垂直，讓磁力線垂直穿過(guò)手心，大拇指指向直導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向，而四指的指向即為感應(yīng)電流方向。在這里，應(yīng)注意直導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)應(yīng)將直導(dǎo)體看成一個(gè)電源，電源的電動(dòng)勢(shì)方向規(guī)定是負(fù)極指向正極，這樣感應(yīng)電熱方向與感應(yīng)電流方向是一致的。若直導(dǎo)體不閉合而切割磁力線時(shí)，直導(dǎo)體中只有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)而無(wú)感應(yīng)電流。

2.線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小和方向

（1）大小計(jì)算。法拉第電磁感應(yīng)定律告訴我們：當(dāng)線圈中的磁通發(fā)生變化時(shí)，線圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)的大小與磁通的變化率成正比，

與線圈的匝數(shù)N成正比，即

（3-4）

式中，磁通Φ的單位為韋伯（Wb），e的單位為伏特（V）。

（2）方向判別。線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向可用楞次定律和右手螺旋定則來(lái)確定。楞次定律指出：如果線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是由于穿過(guò)線圈的磁通發(fā)生變化而產(chǎn)生的,則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在線圈中流過(guò)的感應(yīng)電流，

其產(chǎn)生的磁通將力圖阻止原磁通的改變。

在圖3.14（a）中，當(dāng)磁鐵插入線圈時(shí)，線圈中的磁通量增加，根據(jù)楞次定律，線圈流過(guò)的感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向應(yīng)與磁鐵的磁場(chǎng)方向相反，應(yīng)用右手螺旋定則可確定：大拇指向上表示磁場(chǎng)方向——圖中虛線的磁力線，而彎曲的四指表示感應(yīng)電流方向，由此定出，線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極性是上面“+”，下面“-”。在圖3.14（b)中，當(dāng)磁鐵拔出時(shí)，線圈中的磁通量將減小，同樣根據(jù)楞次定則，大拇指向下，表示磁場(chǎng)方向——圖中虛線的磁力線，而彎曲的四指表示感應(yīng)電流方向，由此定出，線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極性是上面“-”，下面“＋”。如果用一個(gè)表達(dá)式來(lái)表示法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律，即

（3-5）式中，“-”表示線圈的感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通將力圖阻止原磁通的改變。

圖3.14磁鐵插入或拔出線圈時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向

3.4.3自感與互感

1.自感

如果線圈中通入變化的電流，它將會(huì)使線圈中產(chǎn)生變化的磁通，如圖3.15所示。變化的磁通穿過(guò)本身線圈，必將使線圈感應(yīng)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)由于在自己本身線圈中而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為自感電動(dòng)勢(shì)，用eL表示,其表達(dá)式為

（3-６）

圖3.15自感

自感電動(dòng)勢(shì)是由于線圈本身流入變化的電流而產(chǎn)生的，為了找出eL與i的關(guān)系而引入一個(gè)新的物理量——自感應(yīng)系數(shù)，簡(jiǎn)稱電感,符號(hào)用Ｌ表示。它與線圈的幾何形狀結(jié)構(gòu)及磁導(dǎo)率有關(guān)。對(duì)于空心線圈，由于ＮΦ與電流i的比值為一常數(shù)，故定義電感L的物理單位是亨利（H），較小的單位是毫亨（mH），

1H=103mH。

把上式變形為NΦ＝Li,代入eL表達(dá)式，得若是空心線圈，

便可得

(3-7)上式說(shuō)明：線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與線圈的電感及線圈中的電流變化率成正比；而負(fù)號(hào)則表示自感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與電流的變化率相反，其物理意義是eL起著阻礙電流變化的作用。即當(dāng)i增加時(shí)，eL與i方向相反，以阻礙電流的增大，而當(dāng)電流減小時(shí)，eL則與i方向相同，以阻礙電流的減小。因此，電感線圈在電路中能起著穩(wěn)定電流的作用。對(duì)于有鐵芯線圈的電感元件，由于L并非常數(shù)，所以不能用以上公式來(lái)定量計(jì)算eL，而只能作一些定性分析。

2.互感

當(dāng)緊靠的兩個(gè)線圈，其中一個(gè)線圈流入變化的電流時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)另一個(gè)線圈回路中電流表的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明該線圈兩端產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這一現(xiàn)象叫做互感現(xiàn)象。該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為互感電動(dòng)勢(shì)，用符號(hào)eM表示，而由互感電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電流稱為互感電流，用符號(hào)iM表示，如圖３.１６所示。圖中，接入變化電流的線圈1稱為初級(jí)線圈（主線圈），而與電流表相連接的線圈2稱為次級(jí)線圈（副線圈）。圖3.16互感

eM產(chǎn)生的原因是線圈1通過(guò)變化的電流i1后產(chǎn)生的變化磁通Φ1，由于兩線圈緊靠，故有一部分磁通Φ12穿過(guò)線圈2，使線圈2感應(yīng)出互感電動(dòng)勢(shì)eM，互感電動(dòng)勢(shì)的大小與線圈2的匝數(shù)和穿過(guò)線圈2的磁通變化率成正比。汽車中的點(diǎn)火線圈就是利用互感原理制成的。如圖3.17所示為一傳統(tǒng)點(diǎn)火線圈的點(diǎn)火原理圖，其工作過(guò)程如下：圖3.17傳統(tǒng)點(diǎn)火系原理圖

（1）觸點(diǎn)閉合。鐵芯中形成磁路：當(dāng)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)1閉合，發(fā)動(dòng)機(jī)工作，驅(qū)動(dòng)斷電小軸旋轉(zhuǎn)，小軸上端的斷電器凸輪不斷地使觸點(diǎn)4閉合與斷開(kāi)，當(dāng)觸點(diǎn)閉合時(shí)，點(diǎn)火線圈3初級(jí)繞組中有電流流過(guò)，電流由蓄電池“+”極→點(diǎn)火開(kāi)關(guān)附加電阻→點(diǎn)火線圈初級(jí)繞組N1→斷電器觸點(diǎn)4→搭鐵蓄電池“-”極，則鐵芯中有磁通通過(guò)，形成磁路。（2）觸點(diǎn)斷開(kāi)。次級(jí)繞組產(chǎn)生高壓：當(dāng)斷電凸輪將觸點(diǎn)4打開(kāi)時(shí)，這時(shí)點(diǎn)火線圈初級(jí)繞組N1電路被切斷，初級(jí)電流及電芯中的磁通迅速消失，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在點(diǎn)火線圈次級(jí)繞組N2感應(yīng)出高壓感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)時(shí)，該電動(dòng)勢(shì)可達(dá)15000V到20000V。

（3）火花塞放電。高壓次級(jí)繞組電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將火花塞電極間隙擊穿，形成火花，點(diǎn)燃混合氣。此時(shí)高壓電流由點(diǎn)火線圈次級(jí)繞組N2→高壓導(dǎo)線→火花塞→搭鐵→蓄電池→點(diǎn)火開(kāi)關(guān)1→附加電阻2→次級(jí)繞組N2

。當(dāng)觸點(diǎn)4斷開(kāi)，磁場(chǎng)消失時(shí)，在點(diǎn)火線圈初級(jí)繞組Ｎ1中根據(jù)自感應(yīng)原理，將感應(yīng)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，可達(dá)200～300V。它將在觸點(diǎn)處形成火花，使觸點(diǎn)燒壞。為了減少這一影響，在觸點(diǎn)4兩端并聯(lián)一個(gè)電容6。3.5變壓器的結(jié)構(gòu)、基本工作原理與三大功能

3.5.1變壓器的基本結(jié)構(gòu)

1.鐵芯它是由0.35～0.5mm厚的硅鋼片表面涂絕緣漆交疊而成的，這是為了減少渦流和磁滯損耗。

其作用是為磁通提供磁路。

圖3.18變壓器的基本結(jié)構(gòu)(a)芯式；(b)殼式

2.繞組

繞組，即線圈，它一般由絕緣導(dǎo)線繞制成不同匝數(shù)的線圈。與電源相連的繞組稱為初次繞組或初級(jí)線圈，與負(fù)載相連的繞組稱為次級(jí)繞組或次級(jí)線圈。繞組與繞組，繞組與鐵芯間用絕緣材料隔開(kāi)。

3.5.2變壓器的空載運(yùn)行

如圖3.19所示，變壓器初級(jí)繞組開(kāi)關(guān)S1閉合，接上交流電壓，次級(jí)繞組開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)，不接負(fù)載，這種狀態(tài)稱為變壓器的空載運(yùn)行。

圖3.1９

變壓器空載運(yùn)行

在外加正弦交流電壓u1的作用下，變壓器初級(jí)繞組便有i0交流電流通入，稱為空載電流，其有效值I0很小，一般約為額定電流的3％～８％。這樣，初級(jí)繞組中便有i0·N1（稱磁通勢(shì)）的產(chǎn)生，從而建立起交變的磁場(chǎng)。由于鐵芯的磁導(dǎo)率比空氣或油的磁導(dǎo)率大許多，故而絕大部分磁通經(jīng)過(guò)鐵芯閉合，并與初、次級(jí)繞組耦合，稱為主磁通Φ，而僅有一小部分磁通在穿過(guò)初級(jí)繞組后沿附近空間與初級(jí)繞組耦合，稱為漏磁通Φδ1，由于I0很小，故而漏磁通Φδ1也很小，在分析時(shí)略去不計(jì)。上述的變化過(guò)程，

我們可用下面表達(dá)式來(lái)簡(jiǎn)單的分析：

式中，e1即為初級(jí)繞組由于Φ的變化而產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)，起到平衡u1的作用；e2即為次級(jí)繞組由于Φ的變化而產(chǎn)生的互感電動(dòng)勢(shì)，而u20即為次級(jí)繞組空載時(shí)的開(kāi)路端電壓。如設(shè)Φ＝Φmsinωt,則因?yàn)棣兀?πf，所以e1的有效值為

（3-８）

同理

由以上式子得

（3-９）

由于初級(jí)繞組的電阻較小，故而u1≈-e1,即而

所以

式中，KU稱為變壓器的變壓比，也稱匝數(shù)比。當(dāng)KU＞1，即為N1＞N2時(shí)，此時(shí)變壓器是用作降壓的；而當(dāng)KU＜1，即N1＜N2時(shí)，此時(shí)變壓器是用作升壓的。在實(shí)際中，我們可根據(jù)需要，適當(dāng)選擇N1和N2,即可達(dá)到升壓或降壓的目的。3.5.3變壓器的負(fù)載運(yùn)行

將開(kāi)關(guān)S2閉合，變壓器次級(jí)繞組接上負(fù)載，這種狀態(tài)稱為變壓器的負(fù)載運(yùn)行。次級(jí)繞組接上負(fù)載的阻抗Z后，在電動(dòng)勢(shì)E2的作用下，就有電流i2流過(guò)，產(chǎn)生了磁通勢(shì)i2N2，根據(jù)楞次定律，i2N2將阻礙鐵芯中原來(lái)的主磁通Φ的變化，影響Φm的大小。但由于電源電壓U1和頻率f一定時(shí)，根據(jù)U1≈E1＝4.44fΦmN1，Φm應(yīng)該近似不變，但要保持Φm不變，則必須使初級(jí)電流從i0增加到i1，以致由i1N1來(lái)維持Φm基本不變。這樣，初、次級(jí)繞組之間雖然沒(méi)有電的直接聯(lián)系，而通過(guò)主磁通Φ將初、次級(jí)繞組聯(lián)系起來(lái)形成磁的耦合。用表達(dá)式表示，即或用相量表示為

一般情況下，Ｉ0較小，當(dāng)變壓器接近滿載狀態(tài)時(shí)，相對(duì)于和而言，可忽略不計(jì)，則有

則其大小關(guān)系為

（3-11）

式中，KI稱為變流比。

上式告訴我們，變壓器的高壓繞組匝數(shù)多，而流過(guò)電流小；低壓繞組匝數(shù)少，而流過(guò)的電流大。電流小可選擇較小的導(dǎo)線截面，電流大要選擇較大的導(dǎo)線截面，因此從繞組的導(dǎo)線粗、

細(xì)便可以區(qū)分出高低壓繞組。

3.5.4變壓器的阻抗變換作用

變壓器除了變換電壓和變換電流外，還可以進(jìn)行阻抗變換。所謂阻抗變換見(jiàn)圖3.20（a）所示，是指變壓器次級(jí)繞組接的負(fù)載的阻抗Z，轉(zhuǎn)換為圖3.20（b）虛線框部分的初級(jí)繞組接入電源兩端的等效阻抗Z′。

圖3.20負(fù)載阻抗的等效變換

由于

得

因?yàn)?/p>

所以

（3-12）

如果Z和Z′已經(jīng)確定的情況下，我們只需要適當(dāng)調(diào)整匝數(shù)比KU，就可以達(dá)到阻抗匹配的目的。這一原理，在要求交流信號(hào)最大功率輸出時(shí)得到了較好的應(yīng)用。變壓器的三大功能就是指變壓、

變流及阻抗變換。

例3-1

有一臺(tái)機(jī)床控制變壓器，初級(jí)電壓為220V，次級(jí)電壓為36V，如果次級(jí)接入一個(gè)100W、36V的燈泡，若不考慮變壓器繞組的阻擾,問(wèn)初次的電流為多少？

解次級(jí)接入100W、

36V的燈泡為電阻性負(fù)載,故次級(jí)電流為

例3-2

揚(yáng)聲器俗稱喇叭，可近似認(rèn)為是純電阻負(fù)載，設(shè)其阻值為8Ω。（1）若直接接到內(nèi)阻為200Ω,電動(dòng)勢(shì)為10V的交流信號(hào)源上，求揚(yáng)聲器上獲得的功率；（2）為了達(dá)到阻抗匹配，揚(yáng)聲器和交流信號(hào)源間應(yīng)接入匝數(shù)比為多大的變壓器，此時(shí)揚(yáng)聲器獲得的功率為多少？

解

（2）

此時(shí)揚(yáng)聲器與交流信號(hào)源如圖3.21所示。

圖3.21例3-2圖

3.6變壓器繞組的同名端及其測(cè)定

在實(shí)際工作中，有時(shí)要把繞組串聯(lián)起來(lái)，以增高電壓；有時(shí)又要把繞組并聯(lián)起來(lái)，以增大電流。如圖3.22中兩個(gè)繞組A和B的匝數(shù)相同，繞向一致，額定電壓都為110V，如要把它們接到220V交流電源上去時(shí)，必須2、3相連，1、4接220V電壓；而如果要把它們接到110V交流電壓上去時(shí)，則必須1、3相連，2、4相連后再接上110V電壓，如圖3.23所示。圖3.22兩個(gè)繞組串聯(lián)

圖3.23兩個(gè)繞組并聯(lián)

在圖3.22和圖3.23中，線圈A和B上打“·”的端口，叫做同名端（或同極性端）。這是由于此時(shí)該兩個(gè)繞組的同名端1、3同時(shí)流進(jìn)電流（或同時(shí)流出電流），兩繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)方向在鐵芯中是一致的。如圖3.22，它們相互疊加使初級(jí)電路的電壓u1達(dá)到平衡。uR為繞組電阻上的電壓，uLS為繞組與空氣形成的漏感抗上的電壓。如果接錯(cuò)，則兩個(gè)繞組A和B產(chǎn)生的磁通勢(shì)方向在鐵芯中相反，相互抵消，則反電動(dòng)勢(shì)e1疊加e2為零，則將使u1=uR+uLS

。又由于繞組的電阻和漏感抗很小，

將使電路中電流很大，

以致燒壞變壓器繞組。

1.直流法

如圖3.24所示，圖中繞組A的兩個(gè)端點(diǎn)1、2接入開(kāi)關(guān)S和電動(dòng)勢(shì)為Ｅ的電源，繞組B的兩個(gè)端點(diǎn)3、4接檢流器G表。＋、-為G的電壓參考方向，若指針正向偏轉(zhuǎn)，則實(shí)際電壓與參考方向一致；若指針?lè)聪蚱D(zhuǎn)，則實(shí)際方向與參考方向相反。當(dāng)開(kāi)關(guān)S迅速閉合時(shí)刻，若表的指針正向偏轉(zhuǎn)一下，則1端和3端為同名端，若指針?lè)聪蚱D(zhuǎn)一下，則1端和4端為同名端。圖3.24繞組同名端測(cè)定法（a)直流法；（b）

交流法

2.交流法如圖3.24（b）所示，將A、B兩個(gè)繞組的任意兩個(gè)端點(diǎn)連接在一起，如2端和4端連在一起，并在任意一個(gè)繞組（如A繞組）加上一個(gè)電壓值較低的交流電壓u，然后用交流電壓表測(cè)量：U12、U13和U34。如測(cè)得U13＝U12-U34，則1端和3端為同名端；若測(cè)得U13＝U12+U34

，

則1端和4端為同名端。

3.7三相變壓器的組成與基本原理

在輸、配電工作中，都采用三相正弦交流電，如要把三相發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的三相電壓升高或者降低變?yōu)橥l率的三相電壓，一般采用三相變壓器實(shí)現(xiàn)。

圖3.2５即為一個(gè)三相變壓器，它的鐵芯具有三個(gè)鐵芯柱，每個(gè)鐵芯柱上各裝有一個(gè)初級(jí)繞組和一個(gè)次級(jí)繞組。高壓繞組的始端為A、B、C，末端為X、Y、Z；低壓繞組的始端為a、b、c，末端為x、y、z。三相變壓器繞組的常用接法有Y／Y0和Y／△等幾種，分子表示高壓繞組的接法，分母表示低壓繞組的接法，Y0表示星形接法,帶有中點(diǎn)引出線,如圖3.2６(a)、(b)所示。圖3.25三相變壓器

圖3.2６三相變壓器的連接法（a）

Ｙ／Ｙ0接法；

(b)Ｙ／△接法

當(dāng)初級(jí)繞組接成Ｙ形，并通入對(duì)稱的三相交流電壓時(shí)，則在三個(gè)繞組中產(chǎn)生的磁通（見(jiàn)圖3.2７）也是對(duì)稱的。如圖3.2７（a）中的t1時(shí)刻，A相繞組的磁通ΦA(chǔ)達(dá)到正方向最大值時(shí)，而B(niǎo)相和Ｃ相的磁通ΦB和ΦC恰好是反方向且值為最大值的一半，而t1時(shí)刻的鐵芯中磁通方向和路徑如圖3.27(b)所示。其余時(shí)刻，可以根據(jù)3.2７(a)圖曲線作出相應(yīng)的3.2７(b)圖中ΦA(chǔ)、ΦB、ΦC的方向和路徑。圖3.2７三相變壓器鐵芯中的磁通(a)三相磁通曲線；

(b)瞬時(shí)t1的磁通方向

3.8變壓器的額定值、損耗與效率問(wèn)題

3.8.1變壓器的額定值

1.額定電壓U1N和U2N

初級(jí)繞組的額定電壓U1N是根據(jù)變壓器的絕緣強(qiáng)度和容許溫升所規(guī)定加入的電壓值，而次級(jí)繞組的額定電壓U2N是在初級(jí)繞組加上額定電壓時(shí)次級(jí)繞組的空載電壓。在三相變壓器中，U1N和U2N都是指線電壓。

2.額定電流I1N和Ｉ2N額定電流I1N和Ｉ2N是根據(jù)絕緣材料的強(qiáng)度所容許的溫度而長(zhǎng)期容許通過(guò)的電流最大值。在三相變壓器中，I1N和Ｉ2N是指線電流。

3.額定容量

額定容量是用視在功率來(lái)表示的，單位為伏安（V·A）或千伏安（kV·A）。在單相變壓器中

SN=U2NI2N

在三相變壓器中

4.額定頻率fN這是指加到變壓器初級(jí)繞組上的電壓允許頻率。在我國(guó),規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)頻率為５0Ｈｚ。在電氣線路中，單相和三相變壓器的圖形符號(hào)如圖3.2８所示。圖3.2８單相和三相變壓器的圖形符號(hào)(a)單相；

(b)三相

3.8.2變壓器的損耗與效率變壓器的輸入功率

式中，φ1為初級(jí)線圈的輸入電壓u1和輸入電流i1的相位差。變壓器的輸出功率(3-16)式中，φ2為次級(jí)線圈的輸出電壓u2和輸出電流i2的相位差。

變壓器的功率損耗

ΔP=P1-P2（3-17）

變壓器的效率

（3-18）

變壓器的效率一般較高，大容量變壓器在額定負(fù)載時(shí)的效率可達(dá)９８％～９９％，小容量變壓器的效率約為７0％～８0％。變壓器的效率還與負(fù)載有關(guān)，輕載時(shí)效率很低，因此我們應(yīng)合理選擇變壓器的容量，以免長(zhǎng)期輕載或空載工作。

3.9特

殊

變

壓

器

3.9.1自耦變壓器普通變壓器的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組是互相分開(kāi)的。而如果將變壓器制成如圖3.2９所示的那樣，將初級(jí)繞組和次級(jí)繞組合在一起，則初級(jí)繞組和次級(jí)繞組之間不僅有磁的聯(lián)系，又有電的聯(lián)系，這種變壓器稱為自耦變壓器。自耦變壓器的工作原理與普通變壓器相同，它也具有變壓，變流和變換阻抗的作用，即：

只要適當(dāng)選擇N2，就可得到所需的次級(jí)電壓U2。

自耦變壓器也有單相和三相之分，一般實(shí)驗(yàn)室中常用的調(diào)壓器如圖3.30所示。它利用滑動(dòng)觸頭來(lái)改變次級(jí)繞組的匝數(shù)，從而達(dá)到改變電壓數(shù)值的目的。圖3.2９自耦變壓器圖3.30調(diào)壓器的外形和電路

自耦變壓器具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、節(jié)省用銅量、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，但也有缺點(diǎn)，因?yàn)槌跫?jí)和次組線圈之間有電的直接聯(lián)系，使用中應(yīng)加以注意。例如，初級(jí)和次級(jí)不可接錯(cuò)，否則會(huì)造成電源短路或燒壞變壓器的后果。又如，自耦變壓器繞組的接地端不能誤接到電源火線端，因?yàn)榧词勾渭?jí)電壓很低，但人觸及到次級(jí)繞組的任一端時(shí)都有觸電的危險(xiǎn)。因此，按照電氣安全操作章程規(guī)定，

自耦變壓器不允許作為安全變壓器使用。

3.9.2儀用互感器

1.電壓互感器

電壓互感器一般就是一個(gè)降壓變壓器，如圖3.31所示。它是用來(lái)擴(kuò)大交流電壓表量程的。

根據(jù)變壓器的工作原理將電壓互感器匝數(shù)較多的初級(jí)繞組接入被測(cè)高壓電路，匝數(shù)較少的次級(jí)繞組與電壓表相連。由于

即

圖3.31電壓互感器的接線圖則被測(cè)線路電壓是伏特表被測(cè)電壓的KU倍。一般次級(jí)的額定電壓設(shè)計(jì)為100V，因此在不同電壓等級(jí)的電路中，電壓互感器的變壓比就會(huì)有所不同，如10000/100和35000／100等。在實(shí)際使用中，次級(jí)電路不允許短路，否則會(huì)產(chǎn)生比額定電流大得多的短路電流，從而燒壞互感器。另外，為了安全運(yùn)行，必須將次級(jí)繞組的一端與鐵芯同時(shí)接地，以免當(dāng)繞組間絕緣損壞時(shí)，次級(jí)繞組也帶上高壓電，造成人員傷亡。

2.電流互感器

電流互感器也是根據(jù)變壓器的工作原理制成的。它主要用來(lái)擴(kuò)大交流電流表的量程，如圖3.32所示。電流互感器的初級(jí)繞組的匝數(shù)較少、導(dǎo)線較粗，與被測(cè)線路的負(fù)載相串聯(lián)；而次級(jí)繞組匝數(shù)較多、導(dǎo)線較細(xì)，與測(cè)量?jī)x表相連，

一般設(shè)計(jì)額定電流為５

A。

圖3.32電流互感器的接線圖由于

所以

即負(fù)載電流等于測(cè)量?jī)x表電流的KI倍。在實(shí)際電路中，變流比是不同的，一般有10／５、20／５、30／５、

40／５、５0／５等等。

在使用電流互感器時(shí)，次級(jí)繞組是不允許斷開(kāi)的。否則會(huì)使鐵芯嚴(yán)重過(guò)熱，次級(jí)繞組產(chǎn)生很高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而導(dǎo)致絕緣損壞而引起事故。此外，在使用中為了安全起見(jiàn)，電流互感器的鐵芯和次級(jí)繞組的一端應(yīng)接地。在實(shí)際工作中，常使用鉗形電流表，它也是一種電流互感器，如圖3.33所示。圖3.33鉗形電流表

鉗形電流表的次級(jí)繞組與一只電流表相連形成回路，其鐵芯像把鉗子，可以開(kāi)合。測(cè)量時(shí)先張開(kāi)鐵芯，把待測(cè)電流的一根導(dǎo)線放入鉗中，然后再閉合。這樣，待測(cè)導(dǎo)線成為電流互感器的初級(jí)繞組，只有一匝線圈，經(jīng)過(guò)變換，在電流表上就可直接讀出待測(cè)導(dǎo)線的電流有效值。3.9.3脈沖式變壓器

脈沖式變壓器是用來(lái)變換脈沖電壓的，其作用是將輸入的脈沖電壓（即不是連續(xù)變化的電壓，而是斷續(xù)變化的電壓）經(jīng)變壓器變換后，輸出的脈沖電壓波形失真盡可能的小，這是其最基本的要求。于是，脈沖變壓器的鐵芯一般使用高導(dǎo)磁率的鐵淦氧合金和鈹莫合金材料，

以減小磁路的功率損耗。

在晶閘管可控整流電路的觸發(fā)電路中，經(jīng)常要用到脈沖變壓器。其初級(jí)繞組（也可叫做一次側(cè)繞組）接在晶閘管的觸發(fā)電路中，而次級(jí)繞組（也可叫做二次側(cè)繞組）則接在晶閘管控制極和陰極控制回路。由于觸發(fā)電路功率較小，而晶閘管主電路功率較大，為了電路運(yùn)行安全，必須將初、次級(jí)繞組安全地隔離開(kāi)來(lái)，因此在制造工藝上有特殊的要求。如采用特厚漆膜的聚酯漆包圓線，在繞制過(guò)程中不能有擦壞、擦破漆膜現(xiàn)象，初、次級(jí)繞組之間加墊絕緣薄膜或漆布等，以確保脈沖變壓器初、次級(jí)繞組間的絕緣耐壓不低于1７５0V。

由于一般觸發(fā)電路都帶有功率放大電路，其三極管的耐壓都可達(dá)到７５V以上，因此往往不需要通過(guò)脈沖變壓器來(lái)升高電壓，故初、次級(jí)繞組的匝數(shù)取得一樣（當(dāng)然如需要升高電壓仍可通過(guò)改變其初次級(jí)繞組的匝數(shù)來(lái)達(dá)到）。在現(xiàn)代汽車電子控制系統(tǒng)中，信號(hào)電壓通常都是脈沖信號(hào)電壓。例如，在電容儲(chǔ)能式點(diǎn)火系統(tǒng)中，要將12V直流電升高