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第四章磁路及变压器 概述第一节磁路与磁路欧姆定律第二节变压器的基本结构第三节变压器的工作原理第四节变压器的外特性第五节变压器的额定值 第六节其他类型的变压器 概述 实际电路中有大量电感元件的线圈中有铁心 线圈通电后铁心就构成磁路 磁路又影响电路 因此电工技术不仅有电路问题 同时也有磁路问题 变压器是常用的动力设备 以电磁感应为工作基础 本章主要介绍磁路基本知识 变压器工作原理及基本特性 在电力系统中 若要输送一定的电功率 电压越高 线路电流就越小 从而可减少线路上的损耗和导线的金属用量 这就需要变压器将交流发电机发出的电压升高 在用电时 为了保证用电安全和符合用电设备的电压要求 还要用变压器降低电压 在电子设备中 常常采用变压器来提供所需要的高压或低压 此外 变压器还常用来耦合电路 传送信号 并实现阻抗匹配 常用的电工设备 例如变压器 电动机 磁电式仪表等都是以电磁感应为工作基础的 工作时都会产生磁场 磁通经过的闭合路径称为磁路 第一节磁路与磁路欧姆定律 例如 1 磁感应强度B 表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量 大小 方向与电流的方向之间符合右手螺旋定则 B的单位 特斯拉 T 1T 1Wb m2 磁场的基本物理量 2 磁通 大小 穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数 在均匀磁场 BS或B S 磁通 的单位 韦 伯 Wb 1Wb 1V s 描述磁场中某一范围内磁场强弱的物理量 3 磁场强度H 大小 介质中某点的磁感应强度B与介质磁导率 之比 单位 安培 米 A m 描述磁场中某点上磁场强弱的物理量 磁场强度H只与产生磁场的电流以及这些电流分布有关 而与磁介质的磁导率无关 真空的磁导率为常数 用 0表示 4 磁导率 表示磁场媒质磁性的物理量 衡量物质的导磁能力 相对磁导率 r 的单位 亨 米 H m 能被强烈的磁化 具有很高的导磁性能 主要指钢 铁 镍 钴及其合金等 铁磁物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中 如电机 变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心 在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流 便可以产生较大的磁通和磁感应强度 铁磁材料 1 软磁材料一般用来制造电机 电器及变压器等的铁心 常用的有铸铁 硅钢 坡莫合金及软磁铁氧体等 2 硬磁材料 永磁材料 一般用来制造永久磁铁 常用的有炭钢 铝镍钴合金 稀土及硬磁铁氧体等 3 矩磁材料主要用于计算机随机存取的记忆装置 常用的有镁锰铁氧体等 铁磁材料分为三种类型 均匀磁路 不均匀磁路 均匀磁路 不均匀磁路简单磁路 复杂磁路直流磁路 交流磁路 磁路的欧姆定律 式中 是磁场强度矢量沿任意闭合曲线 常取磁通作为闭合回线 的线积分 1 安培环路定律 全电流定律 I NI是穿过闭合回线所围面积的电流的代数和 2 磁路欧姆定律 环形线圈如图 其中媒质是均匀的 磁导率为 试计算线圈内部的磁通 解 根据安培环路定律 有 设磁路的平均长度为l 则有 1 引例 式中 F NI为磁通势 由其产生磁通 Rm称为磁阻 表示磁路对磁通的阻碍作用 l为磁路的平均长度 S为磁路的截面积 即有 2 磁路的欧姆定律 若某磁路的磁通为 磁通势为F 磁阻为Rm 则 称为磁路的欧姆定律 注意 磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似 由于 不是常数 其随励磁电流而变 磁路欧姆定律不能直接用来计算 只能用于定性分析 当磁路不均匀时 结论 当磁路中含有空气隙时 由于其磁阻较大 要得到相等的磁感应强度 必须增大励磁电流 设线圈匝数一定 当磁路不均匀时 磁阻也分段 各种典型电力变压器 第二节变压器的基本结构 单相电源变压器 三相电力变压器 单相自耦变压器 变压器分类 变压器结构 变压器的磁路 变压器的电路 变压器结构 原 副绕组在电路上是相互分开的 但二者却处在同一磁路上 第三节变压器工作原理 一 空载运行和电压变换 原绕组边接交流电源 副绕组边开路 空载时 铁心中主磁通 是由一次绕组磁通势产生的 有效值 主磁通按正弦规律变化 设为则 同理 由于空载电流很小 约为额定电流的3 8 且原绕组内阻和漏磁通也很小 所以一般可认为 结论 改变匝数比 就能改变输出电压 U20为变压器空载电压 故有 可见 铁心中主磁通的最大值 m在变压器空载和有载时近似保持不变 即有 如果U1 f不变 则 m基本不变 空载 有载 二 有载运行和电流变换 由 一 电流关系 一般情况下i10很小 可忽略 磁势平衡 空载磁势 有载磁势 因为有载时 二 电压关系 故仍有 综上所述 变压器具有变换电压和变换电流的作用 原 副边电压 电流的近似关系为 书 例4 1 例4 2 由图可知 可证 三 阻抗变换 书 例4 3 1 变压器的匝数比应为 解 交流信号源的电动势Us 120V 内阻R0 800 负载为扬声器 其等效电阻为RL 8 试求 1 当RL折算到原边的等效电阻时 求变压器的匝数比和信号源输出的功率 2 当将负载直接与信号源联接时 信号源输出多大功率 例题 信号源的输出功率 2 将负载直接接到信号源上时 输出功率为 电子线路中 常利用阻抗匹配实现最大输出功率 结论 接入变压器以后 输出功率大大提高 原因满足了最大功率输出的条件 第四节变压器的外特性 当电源电压U1和负载功率因数cos 2保持不变时 副边输出电压U2和输出电流I2的关系 U2 f I2 一般供电系统希望要硬特性 随I2的变化 U2变化不大 电压变化率约在3 6 电压变化率 U20为空载时副边电压 I2N为额定运行时的副边电流 此时电压下降了 1 变压器的型号 第五节变压器的额定值 1 额定电压U1N U2N变压器副边开路 空载 时 原 副边绕组允许的电压值 2 额定值 2 额定电流I1N I2N变压器满载运行时 原边 副边绕组允许的电流值 3 额定容量SN传送功率的最大能力 容量SN 输出功率P2 原边输入功率P1 输出功率P2 注意 变压器几个功率的关系 单相 效率 变压器的损耗包括两部分 铜损 PCu 绕组导线电阻的损耗 涡流损耗 铁损 PFe 变压器的效率为 负载为额定负载的 50 60 时 最大 输出功率 输入功率 变压器效率 4 额定频率额定频率为变压器的运行频率 我国的标准工业频率为50Hz 5 温升环境温度为40 时 变压器绕组通过额定电流时的最高容许温升 一 自耦变压器 第六节其他类型的变压器 特点 原 副绕组既有磁的联系 又有电的联系 使用时 改变滑动端的位置 便可得到不同的输出电压 实验室中用的调压器就是根据此原理制作的 注意 原边 副边千万不能对调使用 否则 因为N变小时 磁通增大 电流会迅速增加 在电子仪器设备中往往需要多种电压 则在一个铁心上绕多组线圈 有 二 多绕组变压器 可以根据各次级线圈的匝数来确定变比 以获得所需的各种电压 三 三相变压器 用于测量的变压器称为仪用互感器 采用互感器的主要目的是扩大测量仪表的量程 使测量仪表与大电流或高电压电路隔离 四 仪用互感器 按用途分为电流互感器和电压互感器两种 1 二次侧不能短路 以防产生过电流 2 铁心 低压绕组的一端接地 以防在绝缘损坏时 在二次侧出