《电工电子技术》-磁路与变压器

第3章磁路与变压器3.1磁路的基本知识3.2交流铁心线圈电路3.3单相变压器3.4特殊变压器3.1磁路的基本知识电流产生磁场，磁场变化或运动又产生感应电动势。在大多数情况下，电气设备的磁场都是由电流来产生的，并且利用铁磁性材料将磁场集中在一定的范围内，形成磁路。

3.1.1磁场的基本物理量磁场的特性可用下列几个基本物理量来表示。

1.磁感应强度B磁感应强度B是描述空间某点磁场的强弱和方向的物理量，它是一个矢量。它的大小可用该点磁场作用于1m长，通有1A电流的导体上的作用力F来衡量()。磁感应强度B的方向可根据产生磁场的电流方向，用右手螺旋定则来确定。B的单位为特斯拉(T)。

2.磁通Ф

磁通Ф是描述磁场在某一范围内分布情况的物理量。穿过某一截面积S的磁力线的总数就是通过该截面积的磁通Φ。垂直穿过单位面积的磁力线数就反映此处的磁感应强度B的大小。所以磁感应强度B又称为磁通密度。或Φ=BS式中，磁通Φ的单位是韦伯(Wb)，面积S的单位为米2(m2)。

3.磁导率μ磁导率又称为导磁系数，是用来衡量物质导磁能力的物理量，用来表示磁场中介质导性能的强弱，其单位是亨利／米(H/m)。就导磁能力来说，大体可分为磁性材料和非磁性材料两大类。非磁性材料，如铜、铝、空气等，它们的导磁能力很差，磁导率接近于真空的磁导率μ0(μ0=4л×10-7H/m)，且为一常数。磁性材料，如铁、钴、镍及其合金，它们的导磁能力很强，它们的磁导率可以是真空磁导率μ0的数百、数千乃至数万倍，而且不是一个常数。各种材料的磁导率通常用真空磁导率μ0的倍数表示，称为相对磁导率μr，即4.磁场强度H同一通电线圈内的磁场强弱（用磁感应强度B来表征），不仅与所同电流的大小有关，而且与线圈内磁场介质的导磁性能有关。在通电线圈中，H这个单位只与电流的大小有关，而与线圈中被磁化的物质，即与物质的磁导率μ无关。但通电线圈中的磁感应强度B的大小却与线圈中被磁化的物质的磁导率μ有关。H的大小由B与μ的比值决定，即磁场强度为3.1.2磁路和磁路的基本定律由于铁心的磁导率比周围空气或其他非铁磁材料的磁导率大很多倍，所以磁力线几乎全部都从铁心中通过而形成一闭合的路径．这种约束在铁心所限定的范围内的磁通路径，称为磁路。磁路的形成当线圈中通过电流时，大部分磁通沿铁心、衔铁和工作气隙构成回路，这部分磁通称为主磁通。还有一小部分磁通，它们没有经过铁心、衔铁和工作气隙形成构成的回路，而是经空气自成回路，这部分磁通称为漏磁通。通过实验发现，励磁电流I越大，通电线圈产生的磁场就越强；线圈的匝数N越多，通电线圈产生的磁场也越强。把励磁线圈匝数N和励磁电流I的乘积称为磁通势F。当磁通势F一定时，磁通Φ与μ、S成正比，而与l成反比。它们之间的运算关系是：其中，Rm称为磁阻，是表示物质对磁通具有阻碍作用的物理量，其大小与磁路中磁性材料的材质及几何尺寸有关。上式称为磁路欧姆定律。下表列出磁路与电路对应的物理量及其关系式。3.1.3铁磁性材料的磁性质1.铁磁性材料的磁性能铁磁性材料是指铁、钴、镍及其合金。它们具有下列磁性能。(1)高导磁性(2)磁饱和性通过实验可测出铁磁材料的磁感应强度B随外加磁场的磁场强度H变化的曲线(B～H磁化曲线)，如下图所示。磁感应强度B的变化滞后于磁场强度H的变化，这种现象称为磁滞现象。2.铁磁性材料的种类及用途软磁材料硬磁材料矩磁性材料3.2交流铁心线圈电路直流铁心线圈的励磁电流是直流电流，铁心中产生的磁通是恒定的，在线圈和铁心中不会产生感应电动势，其损耗仅仅是电流通过线圈作功的热损耗。交流铁心线圈的励磁电流是交流电流，铁心中产生的磁通是交变的，在线圈和铁心中会产生感应电动势，存在着电磁关系、电压和电流关系以及功率损耗等问题。上图是交流铁心线圈的电路图。由于主磁通Φ是流经铁心的，铁心的磁导率μ是随磁场强度H而变化的，所以铁心线圈的励磁电流i和主磁通Φ不呈线性关系；而漏磁通Φσ不流经铁心，其漏磁电感Lσ可近似是个定值，所以励磁电流i和漏磁通Φσ呈线性关系。3.2.1电磁关系3.2.2电压电流关系交流铁心线圈电路中的电压电流关系较为复杂，经过电磁感应定律和基尔霍夫定律推导以及分析，可得出以下关系式U≈E=4.44ƒNΦm=4.44ƒNBmS对于交流铁心线圈来讲，当电压、频率、线圈匝数一定时，Φm基本保持不变，即交流铁心线圈具有恒磁通特性。3.2.3功率损耗与直流线圈不同，交流铁心线圈的功率损耗除了有铜损，还有由于铁心的交变磁化作用产生的铁损。所以，交流铁心线圈功率损耗为:P=UIcosφ=RI2+ΔPFe铜损是由于铁心线圈有电阻R，电流通过时产生的热损耗。铁损是由磁滞损耗和涡流损耗两部分组成，是线圈通以交流电时线圈交变磁化时的铁心损耗。3.3单相变压器

3.3.1变压器的基本结构1.变压器的用途和种类变压器是一种常见的电气设备，其主要功能是将某一电压值的交流电能，转换为同频率的另一电压值的交流电能。变压器的种类很多，常用的有：输配电用的电力变压器；电解用的整流变压器；实验用的调压变压器；电子线路中的输入、输出变压器等。虽然变压器种类很多，结构上也各有特点，但它们的基本结构和工作原理是类似的。2.变压器的基本构造变压器主要由铁心和线圈(也叫绕组)两部分组成。铁心是变压器的磁路通道。为了减小涡流和磁滞损耗，铁心是用磁导率较高而且相互绝缘的硅钢片叠装而成的。变压器的铁心结构3.3.2单相变压器的工作原理在变压器原线圈中产生自感电动势的同时，在副线圈中也产生了互感电动势。这时，如果在副线圈上接上负载，那么电能将通过负载转换成其他形式的能。1.变压器的空载运行变压器的原绕组加额定电压，副绕组开路(不接负载)的情况，称为空载运行。

当一次绕组接电源电压ｕ1

，一次绕组中通过的电流称为空载电流，用符号i10表示。i10建立变压器铁芯中的磁场，故又称为励磁电流。主磁通在一次绕组中产生的感应电动势为：同理，二次绕组中的感应电动势为因此或写成有效值2.变压器的负载运行变压器的一次绕组接上电压u1，二次绕组接上负载Zƒz，时的运行情况，称为变压器的负载运行。由于变压器接通负载，感应电动势，将在二次绕组中产生电流，一次绕组中的电流由变化为因此，负载时，变压器铁芯中的主磁通Φ由磁动势和共同作用产生。根据恒磁通原理，由于负载和空载时一次电压不变，因此铁心中主磁通的最大值Φm不变，故磁动势。这是变压器接负载时的磁动势平衡方程式。由于空载电流比较小，与负载时电流相比，可以忽略空载磁动势，因此：改写为或写成有效值反映了变压器变换电流的功能，即一次、二次绕组的电流之比等于匝数比的倒数。3.变压器的变换阻抗作用负载接在变压器副边，图中虚线框部分可以用一个阻抗来等效代换，两者从电源取用的电压、电流和功率相同。在实际工作中可以选用不同匝数比的变压器，将负载阻抗变换为所需要的阻抗值。在电子线路中常利用变压器的这种阻抗变换作用实现阻抗匹配。4.变压器的外特性、损耗和效率（1）变压器的外特性当原绕组上外加电压和副绕组的负载功率因数cosφ2不变时，副边端电压U2随负载电流I2变化的规律，称为变压器的外特性。从图中可看出，负载性质和功率因数不同时，从空载(I2=0)到满载(I2=I2N)，变压器副边电压U2变化的趋势和程度是不同的。，我们用副边电压变化率(或称电压调整率)来表示。副边电压变化率ΔU(％)规定为：当原边接在额定电压和额定频率的交流电源上，副边开路电压U2N和在指定的功率因数下副边输出额定电流时的副边电压U2的算术差与副边额定电压U2N的百分比值，即它反映了变压器供电电压的稳定性，一般电力变压器的电压变化率约为3%～5%。（2）变压器的损耗和效率

变压器负载运行时，原边从电源输入有功功率P1，其中很小部分消耗于原绕组的电阻(称为原边铜损)和铁心(称为铁损，包括磁滞损耗和涡流损耗)中，其余部分以主磁通为媒介通过电磁感应传递给副绕组，称为电磁功率。副边获得的电磁功率，除去副绕组的铜损，其余的传输给负载，这就是变压器的输出功率P2。变压器的效率为：一般电力变压器的效率很高，为95％～99％。变压器的铁损和铜损可以通过空载试验和短路试验测得。3.3.3单相变压器的额定值1.额定电压额定电压是根据变压器的绝缘强度和允许温升而规定的电压值，以伏或以千伏为单位。变压器的额定电压有原边额定电压U1N和副边额定电压U2N。2.额定电流额定电流是根据变压器允许温升而规定的电流值，以安或千安为单位，变压器的额定电流有原边额定电流I1N和副边额定电流I2N。3.额定容量变压器额定容量是指其副边的额定视在功率SN，以伏安或千伏安为单位。额定容量反映了变压器传递电功率的能力。SN和U2N、I2N间的关系，对单相变压器为：对三相变压器为：4.额定频率我国规定标准工频频率为50Hz，有些国家则规定为60Hz，使用时应注意。5.额定温升变压器的额定温升是以环境温度为+40℃作参考，规定在运行中允许变压器的温度超出参考环境温度的最大温升。3.3.4变压器线绕的极性绕组同名端是绕组与绕组间、绕组与其它电气元件间正确连接的依据，并可用来分析原、副绕组间电压的相位关系。在变压器绕组接线及电子技术中的放大电路、振荡电路、脉冲输出电路等的接线与分析中，都要用到同名端概念。绕组的极性，是指绕组在任意瞬时两端产生的感应电动势的瞬时极性，它总是从绕组的相对瞬时电位的低电位端(用符号“—”表示)，指向高电位端(用符号“+”表示)。把原、副绕组电位瞬时极性相同的端点称为同极性端，也称为同名端。绕组的同名端可标以符号标记“·”，以便识别。已制成的变压器、互感器等，通常都无法从外观上看出绕组的绕向，如果使用时需要知道它的同名端，可通过实验方法测定同名端。直流电感法交流感应法3.4特殊变压器3.4.1自耦变压器若变压器的原、副绕组有一部分是共用的，这类的变压器叫自耦变压器。自耦变压器的原、副绕组之间既有磁的耦合，又有电的联系。自耦变压器的低压绕组与高压绕组直接有电的联系，要采用同样的绝缘，而且使用中有不够安全的缺点。因此，一般变比要求很大的电力变压器和输出电压为12V、36v的安全灯的变压器都不采用自耦变压器。有的自耦变压器利用滑动触头均匀改变副绕组的匝数，从而能改变输出电压。这种可以平滑地调节输出电压的自耦变压器称为调压器。单相调压器外形单相调压器接线原理3.4.2仪用互感器仪用互感器也有称为交流互感器，是供测量、自动控制及保护用的一种特殊用途变压器。使用互感器，可将交流高电压变换成低电压或将交流大电流变换为小电流，然后送给测量仪表或控制、保护和自动装置。这样可扩大测量仪表的量程，满足自动控制