《電工電子技術(shù) 》課件-第4章 變壓器及應(yīng)用

第4章變壓器及應(yīng)用4.1磁路及基本物理量4.2磁路基本定律4.3交流鐵芯線圈與電磁鐵4.4變壓器4.1磁路及基本物理量4.1.1磁路的概念電流產(chǎn)生磁場，即通電導(dǎo)體周圍存在著磁場。主磁通通過的閉合路徑稱為磁路，用以產(chǎn)生磁場的電流稱為勵磁電流。下一頁返回圖4-1電氣設(shè)備的磁路上一頁返回4.1磁路及基本物理量4.1.2磁路的主要物理量1.磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B是表示磁場內(nèi)某點(diǎn)磁場強(qiáng)弱及方向的物理量，它是一個矢量。它的方向就是該點(diǎn)磁場的方向，它與電流之間的方向可用右手螺旋定則來確定，其大小是用一根電導(dǎo)線在磁場中受力的大小來衡量的。磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小也可用通過垂直于磁場方向單位面積的磁力線數(shù)來表示。2.磁通在磁場中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B與垂直于磁場方向的某一截面積S的乘積稱為磁通Φ3．磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率μ是一個用來表示磁場介質(zhì)磁性的物理量，也就是用來衡量物質(zhì)導(dǎo)磁能力的物理量，真空的磁導(dǎo)率是一個常量，任一種物質(zhì)的磁導(dǎo)率μ和真空的磁導(dǎo)率μ0的比值，稱為該物質(zhì)的相對磁導(dǎo)率

上一頁返回4.1磁路及基本物理量4.1.2磁路的主要物理量4.磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度是進(jìn)行磁場計算時引用的一個輔助計算量，也是矢量，用H表示。通過它來確定磁場與電流間的關(guān)系。當(dāng)線圈中具有鐵心時，因?yàn)殍F磁物質(zhì)的磁飽和現(xiàn)象、導(dǎo)磁系數(shù)不是常數(shù)，磁通與勵磁電流之間不再是正比關(guān)系，這樣在研究與計算磁路時就比較麻煩，為了簡化起見，引入磁場強(qiáng)度這樣一個輔助量，當(dāng)磁路由一種磁性材料組成，且各處截面積S相等，如圖5.2所示，根據(jù)磁路的安培環(huán)路定律，磁路的磁場強(qiáng)度為上一頁返回4.2磁路基本定律4.2.1安培環(huán)路定律1.安培環(huán)路定律安培環(huán)路定律又稱全電流定律，是分析磁場的基本定律。其內(nèi)容是:磁場強(qiáng)度矢量在磁場中沿任何閉合回路的線積分，等于穿過該閉合回路所包圍面積內(nèi)電流的代數(shù)和，即2.磁路的歐姆定律上一頁返回4.2磁路基本定律3.電磁感應(yīng)定律當(dāng)流過線圈的電流發(fā)生變化時，線圈中的磁通也隨之變化，并在線圈中出現(xiàn)感應(yīng)電流，這表明線圈中感應(yīng)了電動勢。電磁感應(yīng)定律指出，感應(yīng)電動勢為上一頁返回4.3交流鐵芯線圈與電磁鐵4.3.1交流鐵芯線圈交流鐵芯線圈，是指線圈中加入鐵芯，并在線圈兩端加正弦交流電壓。交流鐵芯線圈是用正弦交流電來勵磁的，其電磁關(guān)系與直流鐵芯線圈有很大不同。在直流鐵芯線圈中，因?yàn)閯畲烹娏魇侵绷鳎浯磐ㄊ呛愣ǖ?，在鐵芯和線圈中不會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。而交流鐵芯線圈的電流是變化的，變化的電流會產(chǎn)生變化的磁通，于是會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。而交流鐵芯線圈的電流關(guān)系也與磁路情況有關(guān)。圖4-4交流鐵芯線圈在上式中，若設(shè)磁通為正弦量Φ=Φmsinωt，則有上一頁返回4.3交流鐵芯線圈與電磁鐵4.3.1交流鐵芯線圈感應(yīng)電動勢的有效值與主磁通的最大值關(guān)系為如果忽略線圈電阻及漏磁通，則有電壓及感應(yīng)電動勢的有效值與主磁通的最大值關(guān)系為上一頁返回4.3交流鐵芯線圈與電磁鐵4.3.2交流鐵芯線圈的功率損耗交流鐵芯線圈的損耗包括銅損△PCu，和鐵損△PFe兩部分。銅損△PCu是線圈電阻R上的有功功率損耗，是由線圈導(dǎo)線發(fā)熱引起的。銅損的值為△PCu=I2R式中，I是線圈電流，R是線圈電阻。鐵損△PFe是處于交變磁化下的鐵芯中的有功功率損耗，主要是由磁滯和渦流產(chǎn)生的。工程中常用兩種方法減少渦流損耗，一是增大鐵芯材料的電阻率;二是用片型鐵芯，片間涂上絕緣漆，用這種硅鋼片疊成的鐵芯代替整塊鐵芯，既加長了渦流路徑，又增加了渦流電阻，使渦流損耗大大減少。綜上所述，交流鐵芯線圈電路總的有功功率為P=UIcosφ=△PCu+△PFe=I2R+I2R0式中，R0是鐵損對應(yīng)的等效電阻。圖4-5片狀鐵芯上一頁返回4.3交流鐵芯線圈與電磁鐵4.3.3電磁鐵圖4-6電磁鐵的幾種形式利用通電線圈在鐵心里產(chǎn)生磁場，由磁場產(chǎn)生吸力的機(jī)構(gòu)統(tǒng)稱為電磁鐵。電磁鐵是把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種設(shè)備，通過電磁鐵的銜鐵可以獲得直線運(yùn)動和某一定角度的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。電磁鐵可分為線圈、鐵心及銜鐵三部分。主要有：1.直流電磁鐵；2.交流電磁鐵。上一頁返回4.4變壓器4.4變壓器4.4.1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，具有變換電壓、變換電流、變換阻抗的功能，因而在電力系統(tǒng)中和電子線路的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在輸電方面，當(dāng)輸送功率及負(fù)載功率因數(shù)一定時，電壓越高，線路中的電流就越小，這樣不僅可以減少輸電線的截面積，節(jié)省材料，還可以減少線路的功率損耗，因此輸電時必須利用變壓器將電壓升高。在用電方面，從安全和制造成本考慮，一般使用比較低的電壓，如380V,220V,特殊的地方還要用到36V,24V或12V，這時需要利用變壓器將電壓降低到用戶需要的電壓等級。在電子線路中，變壓器不僅用來變換電壓，提供電源，還用來藕合電路，傳遞信號，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。在測量方面，可利用電壓互感器、電流互感器的變壓、變流作用，擴(kuò)大交流電壓表及交流電流表的測量范圍。此外，在工程技術(shù)領(lǐng)域中，還大量使用各種不同的專用變壓器，如自藕變壓器、電焊變壓器、電爐變壓器、整流變壓器等。雖然變壓器的種類很多，用途各異，但基本結(jié)構(gòu)和工作原理是相同的。上一頁返回4.4.2變壓器的結(jié)構(gòu)變壓器通常由一個公共鐵芯和兩個或兩個以上的線圈(又稱繞組)組成。按照鐵芯和繞組結(jié)構(gòu)形式的不同，分為心式變壓器和殼式變壓器兩類，如圖4-7所示。圖4-7芯式變壓器和殼式變壓器鐵芯是變壓器的磁路部分，為減少渦流和磁滯損耗，鐵芯多用厚度為0.35~0.55mm的硅鋼片疊成，硅鋼片兩側(cè)涂有絕緣漆，使片間絕緣。繞組是變壓器的電路部分，用絕緣銅導(dǎo)線或鋁導(dǎo)線繞制，繞制時多采用圓柱形繞組。除了鐵芯和繞組之外，變壓器一般有外殼，用來保護(hù)繞組免受機(jī)械損傷，并起散熱和屏蔽作用。較大容量的還具有冷卻系統(tǒng)、保護(hù)裝置以及絕緣套管等。大容量變壓器通常采用三相變壓器。4.4變壓器上一頁返回4.4.3變壓器的工作原理圖4-8變壓器的工作原理圖變壓器的基本原理是電磁感應(yīng)原理，現(xiàn)以單相雙繞組變壓器為例說明其基本工作原理。它們的有效值分別為E1=4.44fN1ΦmE2=4.44fN2Φm式中，f為頻率，N為匝數(shù)；Φm為主磁通最大值。4.4變壓器上一頁返回4.4變壓器4.4.3變壓器的工作原理1.變壓器的電壓變換作用原、副邊電壓之比稱為變壓比或變比?？梢?，電壓比等于原、副邊線圈的匝數(shù)比。因此，只要改變線圈的匝數(shù)比，就可得到不同的輸出電壓，從而達(dá)到變電壓的目的。上一頁返回4.4.3變壓器的工作原理4.4變壓器2.變壓器的電流變換作用這表明變壓器負(fù)載工作時，原、副邊線圈的電流有效值I1和I2近似地與它們的匝數(shù)成反比。因此，變壓器具有變換電流的作用，它在變換電壓的同時也變換了電流。上一頁返回4.4變壓器4.4.3變壓器的工作原理3.變壓器的阻抗變換作用圖4-9變壓器的阻抗變換從圖4-9(a),(b)兩圖，得負(fù)載阻抗的模為|Z|反映到原繞組的阻抗模|Z′|為上式表明，負(fù)載Z通過變比為k的變壓器接至電源，與負(fù)載Z′直接接至電源的效果是一樣的，從而實(shí)現(xiàn)了阻抗變換作用，因此采用不同的變比，可以把負(fù)載阻抗變換為所要求的值。在電子線路中，常用這種方法來實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配，以提高信號的傳輸功能。上一頁返回4.4變壓器4.4.4特殊變壓器1.自藕變壓器自藕變壓器只有一個繞組，其中高壓繞組的一部分兼作低壓繞組，因此高、低繞組之間不但有磁的聯(lián)系，也有電的聯(lián)系，如圖4-10所示。自藕變壓器與單相雙繞組變壓器一樣，也可以用來變換電壓與