电工电子技术第三版 叶淬dg4

电工电子技术,首 页,4.1 铁芯线圈、磁路,第4章 磁路和变压器,4.2 变压器的基本结构和工作原理,4.3 实用中的常见变压器,学习目的与要点,电工技术中不仅要讨论电路问题，还将讨论磁路问题。因为很多电工设备与磁路都有关系，如电力系统中广泛应用的变压器、电动机、发电机、电磁铁及电工测量仪表等。,为了更好的学习变压器、电机、电器的工作特性及应用，首先在理解有关磁路的问题。磁路问题与磁场有关，与磁介质有关，而且磁场往往还与电流相关联，因此本章要先从磁路、磁场及其基本物理量进行研究。,通过本章学习，要求理解磁场的基本物理量、磁性材料的磁性能、交流铁心线圈电路；熟悉变压器的结构组成及其绕组极性测定的方法。掌握变压器的工作原理(包括变压、变流和阻抗变换作用)；了解磁路及其基本定律、电磁铁、特殊变压器等。,4.1 铁芯线圈、磁路,工程应用,实际中，大量的电气设备都含有线圈和铁心。当绕在铁芯上的线圈通电后，铁芯就会被磁化而形成铁芯磁路，磁路又会影响线圈的电路。因此，电工技术不仅有电路问题，同时也有磁路问题,。,常用,电气设备铁芯示意图中红色虚线表示磁路中的工作主磁通的路径；紫色虚线表示通过空气闭合的极少部分漏磁通。,1.磁路的基本物理量,u,i,磁通,线圈通电后使铁芯磁化，形成铁芯磁路。,通过磁路横截面的磁力线总量,称为,磁通,，用“,”来表示。单位是韦伯Wb。,均匀,磁场中，磁通,等于磁感应强度,B,与垂直于磁场方向的面积,S,的乘积，即：,磁通是标量。其大小反映了与磁场相垂直的某个截面上的磁场强弱情况。磁通的国际单位制中还有较小的单位称为麦克斯韦Mx，韦伯和麦克斯韦之间的换算关系为：,1Wb=10,8,Mx,(1),磁通,(2),磁感应强度,磁感应强度是,表征磁场中某点强弱和方向,的物理量。用大写字母“,B,”表示。B是矢量，B的方向就是置于磁场中该点小磁针N极的指向。匀强磁场中，B的大小可用载流导体在磁场中所受到的电磁力来定义。即：,上式中，电磁力F的单位是牛顿N、电流的单位是安培A、导体的有效长度(与磁场方向相垂直方向的长度投影)单位是米m时，磁感应强度B的单位是特斯拉T。,由,=,BS可知，匀强磁场中某截面S上B值越大，穿过该截面上的磁力线总量越多。因此，磁感应强度也常称为磁通密度。磁感应强度的国际单位制中还有较小的单位高斯Gs，特斯拉和高斯之间的换算关系为：,1T=10,4,Gs,磁导率是反映自然界,物质导磁能力,的物理量，用希腊字母“,”表示。物质的种类很多，且导磁能力也各不相同，为了有效地区别它们各自的导磁能力，我们引入一个参照标准真空的磁导率,0:,自然界中各种物质的磁导率均与真空的磁导率相比，可得到不同的比值，我们把这个比值称为,相对磁导率,，用“,r,”表示，即：,显然，相对磁导率无量纲，其值越大，表明该类物质的导磁性能越好；反之，导磁性能越差。,(3)磁导率,根据相对磁导率,r,值的不同，自然界的物质大致可分为两大类：,(1)非磁性物质,如空气、塑料、铜、铝、橡胶等。这些物质的导磁能力很差，磁导率均与真空的磁导率非常接近，它们的相对磁导率均,约等于1,。非磁性物质的磁导率可认为是常量。,如铁、镍、钴、钢及其合金等。这些物质的导磁能力非常强，其磁导率一般为真空的几百、几千乃至几万、几十万倍。如铸铁，其相对磁导率,r,200400,；,铸钢的相对磁导率,r,5002200,；硅钢的,r,700010000,；坡莫合金的,r,20000200000。,显然，铁磁物质的磁导率,不是常量,，而是一个范围，即随外部条件变化。铁磁性物质的相对磁导率,大大于1,。,(2)铁磁性物质,(4),磁场强度,磁场强度也是,表征磁场中某点强弱和方向的物理量,，用大写字母“,H,”表示。H也是矢量，H的方向也是置于磁场中该点小磁针N极的指向。,磁场强度和磁感应强度有何区别和联系？,磁感应强度是描述磁路,介质的磁场,某点强弱和方向的物理量，与介质的导磁率有关；磁场强度是描述,电流的磁场,强弱,和方向的物理量，与介质的导磁率无关。它们之间的联系为：,磁场强度H的单位有安每米和安每厘米，二者之间的换算关系为：,1A/m=10,-2,A/cm,2.磁路欧姆定律,交流铁芯线圈磁路通常由硅钢片叠压制成，导磁率很高。当套在铁芯上的线圈通电后，铁芯迅速被磁化，成为一个人为,集中的强磁场,。,u,i,磁路部分,电路部分,交流铁芯线圈示意图,电流通过N匝线圈所形成的磁动势用F,m,=NI表示，磁路对,磁通所呈现的阻碍作用用磁阻R,m,表示，磁动势、磁通和磁阻三者之间的关系可表述为：,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律中的磁阻R,m,与磁导率,有关，因此对铁芯磁路来讲是一个变量，,定量计算很复杂，,因此没有电路欧姆定律应用得那么广泛,，,通常只用来,定性分析,磁路的情况。,铁磁材料内部往往有相邻的几百个分子电流圈流向一致，这些分子电流产生的磁场叠加起来，就形成了一个个天然的小磁性区域,磁畴,。不同铁磁物质内部磁畴的数量不同。,通常情况下，铁磁材料内部的磁畴排列,杂乱无章,，其,磁性相互抵消,，因此对外不显示磁性。,铁磁材料之所以具有高导磁性。是因为在其内部具有一种特殊的物质结构,磁畴,。,这些磁畴相当于一个个小磁铁。,磁畴是怎么形成的？,显然，磁畴是由分子电流产生的。,(1)高导磁性,有外磁场作用时,磁畴在外界磁场的作用下，均发生,归顺性转向,，使得铁磁材料内部形成一个很强的,附加磁场,。,3.铁磁物质的磁性能,磁滞回线中,H,为零时,B,并不为零 的现象说明铁磁材料具有,剩磁性,。,B,H,0,c,b,a,起始磁化曲线,oa段是,线性段,ab段是,上升段,bc段是磁化曲线的,膝部,C点以后是,饱和段,起始磁化曲线反映了什么？,起始磁化曲线的ab段反映了铁磁材料的,高导磁性,；c点以后说明铁磁材料具有,磁饱和性,。,磁滞回线中,B,的变化总是落后于,H,的变化说明铁磁材料具有,磁滞性,。,铁磁材料反复磁化一周所构成的曲线称为,磁滞回线,。,（2）铁磁材料的磁饱和性、磁滞性和剩磁性,软磁材料具有磁导率很高、易磁化、易去磁的显著特点，,适用于制作各种电机、电器的铁心,。,软磁材料,4、铁磁材料的分类和用途,铁磁材料根据工程上用途的不同可以分为三大类：,硬磁材料的磁导率不太高、但一经磁化能保留很大剩磁且不易去磁，,适用于制作各种永久磁体,。,硬磁材料,矩磁材料磁导率极高、磁化过程中只有正、负两个饱和点，,适用于制作各类存储器中记忆元件的磁芯,。,矩磁材料,B,H,0,软磁性材料磁滞回线包围的面积很小。,B,H,0,硬磁性材料磁滞回线包围的面积很宽大。,B,H,0,5.铁芯损耗,根据电流的热效应原理，涡流通过铁芯时将使铁芯发热，显然涡流增加设备绝缘设计的难度，涡流严重时会造成设备的烧损。,在交变磁场作用下，整块铁芯中产生的旋涡状,感应电流,称为,涡流,。,涡流对电气设备有何影响？,为减小涡流损耗，常用硅钢片叠压制成电机电器的铁芯。,(1)磁滞损耗,铁磁材料反复磁化时，内部磁畴的极性取向随着外磁场的交变来回翻转，在翻转的过程中，由于磁畴间相互摩擦而引起的能量损耗称为,磁滞损耗,。磁滞损耗使铁芯发热。,(2)涡流损耗,主磁通原理告诉我们:,只要外加电压有效值及电源频率不变，铁芯中工作主磁通最大值,m,也将维持不变。,6.主磁通原理,u,i,对交流铁芯线圈而言，设工作主磁通为：,可得：,交变磁通穿过线圈时，在线圈中感应电压，其值为：,主磁通原理,分析,某含有气隙的铁芯线圈，线圈两端加有效值为U的交流电压，当气隙增大时，铁芯中的主磁通是增大还是减小？线圈中的电流如何变化？,气隙增大时，铁芯磁路中的磁阻增加，但由于电源电压效值为U和频率,f,并无改变，根据主磁通原理可知，铁芯磁路中的工作主磁通,并不发生改变,。根据磁路欧姆定律：,磁通不变，则上式中的比值也应不变。因此，当磁阻R,m,增大时，线圈中通过的,电流必定增大,。,分析,一个交流电磁铁，因出现机械故障，造成通电后衔铁不能吸合，结果把线圈烧坏，试分析其原因。,电磁铁线圈中的额定电流是根据吸合后的电流限值设定的。当通电后不能吸合时，由于铁芯和衔铁之间存有一定的气隙，造成铁芯磁路中的磁阻大大增加。民主磁通原理可知，此时铁芯磁路中的工作主磁通,并不发生改变。若要满足磁路欧姆定律：,就必须增大线圈中的电流，而且气隙虽小，但磁阻远大于铁芯中的磁阻，此时线圈电流将是额定电流的许多倍，从而造成线圈烧毁。,你能说出根据导磁性能的不同自然界中物质的分类吗？,你会做吗？,您能很快说出磁场几个物理量的单位吗？能否说出B和H的区别和联系？,磁通、导磁率、磁感,应强度B和磁场强度H分别表征了磁路的哪些特征？,铁磁物质具有哪些磁性能？铁芯中存在哪些损耗？铜和铝能被磁,化吗？,检验学习结果,根据工程上用途的不同？铁磁性材料可分为几类？能否说出它们的特点和用途？,1.变压器的基本结构,4.2 变压器的基本结构和工作原理,u,1,i,10,A,X,N,1,N,2,u,20,a,x,S,用硅钢片叠压制成,的变压器铁芯。,与电源相接的,一次侧绕组。,|,Z,L,|,与负载相接的,二次侧绕组。,变压器的主体结构是由铁芯和绕组两大部分构成的。变压器的绕组与绕组之间、绕组与铁芯之间均相互绝缘。,u,20,A,X,a,x,S,|,Z,L,|,2.变压器的工作原理,u,1,i,10,N,1,N,2,(1)变压器的空载运行与变换电压原理,交变的磁通穿过N,1,和N,2,时，分别在两个线圈中感应电压：,计算它们的比值：,有：,显然，,改变线圈绕组的匝数,即可,实现电压的变换,。且,k,1时为降压变压器；,k,1时为升压变压器。,变压比，,简称变比,A,X,|,Z,L,|,a,x,N,2,S,N,1,u,2,u,1,i,1,(2)变压器的有载运行与变换电流原理,变压器负载运行时，一次侧电流由,i,0,变为,i,1,，二次侧产生负载电流,i,2,，而电压,u,20,相应变为,u,2,。,变压器负载运行时，二次侧电流,i,2,产生副边磁动势,I,2,N,2,，该磁动势对,I,0,N,1,起削弱作用。,i,2,根据主磁通原理，只要电源电压和频率不变，铁芯中的工作主磁通,的,数值将维持不变。因此，原边电流,i,0,相应增大为,i,1,，原边磁动势也增大为,I,1,N,1,，增大的部分恰好与二次侧磁动势相平衡。此时的磁动势方程式为：,磁动势平衡方程式告诉我们：变压器二次侧电流,i,2,的大小是由负载决定的，但二次侧的能量来源于一次侧，两侧电路并没有直接的电的联系，而是,通过磁耦合把能量从原边传递到副边,。,由上式可得：,变压器铁芯的导磁率很高，因此满足工作主磁通需要的磁动势,I,0,N,1,很小，和,I,1,N,1,相比可忽略不计，所以磁动势平衡方程式又可改为：,变压器在能量传递的过程中损耗很小，因此一次侧和二次侧的容量近似相等，有：,变流比ce,能量传递过程中，,变压器在变换电压的同时也变换了电流,。,(3)变压器的阻抗变换作用,A,X,|,Z,L,|,a,x,N,2,S,N,1,u,2,u,1,i,1,i,2,设变压器副边所接负载为|,Z,L,|，原边等效输入阻抗为|,Z,1,|，则有：,将变压器的变压比公式和变流比公式代入上式得：,上式告诉我们：只要改变变压器的匝数比，即可获得合适的,二次侧对一次侧的,反射阻抗|Z,1,|,。式中,k,2,称为负载阻抗折算到一次侧时的变换系数。,已知某收音机输出变压器的原边匝数为600，副边匝数为30，原边原来接有16,的扬声器。现因故要改接成4扬声器，问输出变压器的匝数,N,2,应改为多少？,收音机电路中，输出变压器所起的作用是：让扬声器阻抗与晶体管的输出端阻抗,匹配,，以使负荷上获得最大功率，从而驱动喇叭振动发出声音。,收音机原阻抗变换系数为：,反射阻抗：,改换成4,扬声器后：,设交流信号源电压,U,=100V，内阻,R,0,=800，负载,R,L,=8。,(1)将负载直接接至信号源，负载获得多大功率？,(2)经变压器阻抗匹配，求负载