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1、第3章 磁路和变压器,3.1 磁路的基本知识 3.2 电磁感应 3.3 交流铁心线圈电路 3.4 变压器结构和工作原理 3.5 变压器的额定值与运行特性 3.6 常用变压器 3.7 变压器使用知识,学习要求,电流的磁效应、磁路的概念、物理量和定律 电磁感应现象、定律及应用 交流铁心线圈电路的分析 变压器结构和工作原理及特性 常用变压器的结构特点、作用,3.1 磁路的基本知识,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。常见磁路如下图所示，a) 电磁铁，b) 变压器，c) 直流电机。,3.1.1 电流的磁效应,1
2、.磁场 就是磁有效工作场所或空间，磁场与电场 一样，是一种看不见、摸不着而客观存在的一种 物质，并具有力和能的性质。 2.磁场的方向和磁力线 处于磁场中的小磁针N极受力的方向规定为 磁场的方向，磁力线是在磁场中人为画出的曲 线，曲线上切线的方向为磁场方向。,3.电流的磁效应 磁铁并不是磁场的唯一来 源，观察下图的奥斯特电流实验现象，表明电流 能产生磁场；同时处于磁场中的电流也受到磁场 作用而产生磁场力，说明电和磁密不可分。,3.1.2 磁路的主要物理量,1磁感应强度B,磁感应强度B是表示磁场内某点磁场强弱及方向的物理量。 在磁场中放一通电导线，B的大小等于其所受磁场力F与电流I和导线长度L乘积
3、的比值，B的方向用右手螺旋定则确定。单位是特斯拉(T)。,2磁通,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，单位是韦伯(Wb)。,3磁导率,磁导率表示物质的导磁性能，单位是亨/米(H/m)。,真空的磁导率,非铁磁物质的磁导率与真空极为接近，铁磁物质的磁导率远大于真空的磁导率。,相对磁导率r：物质磁导率与真空磁导率的比值。非铁磁物质r近似为1，铁磁物质的r远大于1。,4磁场强度H,磁场强度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，单位是安米（Am）。是为了简化计算而引入的辅助物理量。,3.1.3 铁磁材料的磁性能,铁磁材料是工业生产中用于制造变压器、电机
4、、电器和电工仪表的主要材料之一。 高导磁性：磁导率可达102104，由铁磁材料组成的磁路磁阻很小，在线圈中通入较小的电流即可获得较大的磁通。 磁饱和性：B不会随H的增强而无限增强，H增大到一定值时，B不能继续增强。 磁滞性：铁心线圈中通过交变电流时，H的大小和方向都会改变，铁心在交变磁场中反复磁化，在反复磁化的过程中，B的变化总是滞后于H的变化。,铁磁材料的类型：,软磁材料：磁导率高，磁滞特性不明显，矫顽力和剩磁都小，磁滞回线较窄，磁滞损耗小。 硬磁材料：剩磁和矫顽力均较大，磁滞性明显，磁滞回线较宽。 矩磁材料：只要受较小的外磁场作用就能磁化到饱和，当外磁场去掉，磁性仍保持，磁滞回线几乎成矩形
5、。,磁化曲线,磁滞回线,磁路：主磁通所经过的闭合路径。,3.1.3 磁路和基本定律,1. 磁路的基本概念,线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏磁通。,2. 磁路欧姆定律,称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用。,因铁磁物质的磁阻Rm不是常数，它会随励磁电流I的改变而改变，因而通常不能用磁路的欧姆定律直接计算，但可以用于定性分析很多磁路问题。上式类似于电路欧姆定律，电路与磁路有许多相似之处，比较如下：,磁路和电路的比较（一）,磁 路,电 路,磁通,I,N,R,+,_,E,I,磁压降,磁动势,U,基本定律,磁阻,磁感应 强度,安培环路 定律,磁 路,I,N,欧姆定律,电阻,电流 强度,克氏 电压定律
6、,克氏 电流定律,磁路与电路的比较 (二),电 路,R,+,_,E,I,3.2 电磁感应现象和定律,电磁感应是许多电器设备工作的理论基础，本节从电磁感应现象、感应电流、感应电动势、电磁感应定律和自感及互感及方面进行介绍。,3.2.1 电磁感应,1.场产生电流的现象，称之为电磁感应 现象，其电流称之为感应电流。 2.感应电流的方向：可用右手定则和楞 次定律进行判断。 3.感应电动势：在出现电磁感应时，一 定在感应电动势，其方向与感应电流一样,3.2.2 电磁感应定律,3.2.3 自感和互感现象,1.自感：在电路中的线圈，当流过的电流发 生变化时，线圈本身所产生的感应电动势阻碍线 圈中电流的变化，
7、称之为自感现象，简称自感。 2.互感：线圈与线圈之间的磁场相互作用所 产生的电磁感应现象，称之为互感。 自感和互感遵循电磁感应规律，在电工电子 技术中应用广泛。,设线圈的电阻为R，主磁电动势为e和漏感电动势为e，由KVL，有：,3.3.1 电磁关系,e 的有效值为：,3.3 交流铁心线圈电路,写成相量形式：,设漏磁电感为L，则：,3.3.2 功率损耗,在交流铁心线圈电路中，线圈电阻上的功率损失为铜耗，铁心在交变磁化的损耗为铁耗,3.3.3 等效电路,为简化交流铁心线圈的分析和计算，在遵循等效条件下，可用等效电路进行分析和计算，即引入下图所示的交流电路模型。,图中X0是反映线圈能量储放的等效感抗
8、。,3.4 变压器结构和工作原理,变压器是一种利用电磁感应原理制成的静止的电器设备，具有变换电压、电流和阻抗的作用。基于变压器的多种功能，它在电力系统和输电和配电、电工电子技术、测试、控制和驱动技术诸方面得到广泛应用。,变压器应用举例,3.4.1 变压器的分类,按变压器的用途分类：有电力变压器和特殊变压器两大类。 变压器按结构分类：有壳式和心式两类 变压器按工作电源的相数分类：单相变压器和三相变压器。,单相变压器,3.4.2 变压器的基本结构,变压器主要由铁心和线圈两部分组成,铁心是变压器的磁路通道，线圈是变压器的电路部分，铁心用硅钢片叠压而成，线圈用绝缘的导线绕制而成，下面为芯式和壳式结构示
9、意图。,工作过程：,3.4.3 变压器的工作原理,变压器是按电磁感应原理工作的。如在变压器的原边线圈通以交流电，交变电流在铁心中产生交变磁动势，由此产生交变磁通，交变磁通同时穿过原线圈和副线圈，并分别产生感应电动势。,1. 空载运行 ：原边接入电源，副边开路。,接上交流电源,（ 方向符合右手定则）,结论：改变匝数比，就能改变输出电压。,K为变比,原、副边电压关系,根据交流磁路的分析 可得：,时,（变电压）,2.负载运行,Z,副边带负载后对磁路的 影响：在副边感应电压的 作用下，副边线圈中有了 电流 i2 。此电流在磁路中 也会产生磁通，从而影响原边电流 i1。但当外加电压、频率不变时，铁芯中主
10、磁通的最大值在变压器空载或有负载时基本不变 。带负载后磁动势的平衡关系为：,结论：原、副边电流与匝数成反比,由于变压器铁芯材料的导磁率高、空载励磁电流 很小，可忽略 。即：,原、副边电流关系,（变电流）,3. 变压器的阻抗变换作用,从原边等效：,结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以 变比的平方。,3.4.4 变压器绕组的极性,变压器在使用中有时需要把绕组串联以提高电压、并联以增大电流，它们的正确联接至关重要，否则不仅达不到目的，可能还会出现严重的后果。为此，应首先确定变压器绕组间的相对极性，即所谓同名端。 同名端可用直流和交流法进行测定,(1)同极性端的标记，图a正接，图b反接,(2
11、)同极性端的测定,上图a为直流法，毫安表的指针正偏1和3是同极性端；反偏1和4是同极性端。,上图b为交流法，U13=U12U34时1和3是同极性端； U13=U12U34时1和4是同极性端。,3.5 变压器的额定值与运行特性,变压器的运行特性主要有外特性和效率特性。在电源电压恒定时，负载功率因数不变的条件下，副边电压随负载电流变化的关系称为外特性。变压器的效率与负载电流之间的关系称为效率特性。 为了正确使用和确保变压器正常运行，变压器的额定值是基本参数。,3.5.1 变压器的额定值,1 .额定电压UN：指变压器副绕组空载时各绕组的电压。三相变压器是指线电压。 2 .额定电流IN：指允许绕组长时
12、间连续工作的线电流。 3 .额定容量SN：在额定工作条件下变压器的视在功率。,其他额定值还有额定温升和额定频率,单相变压器：,三相变压器：,3.5.2 变压器的外特性,副边输出电压和输出电流的关系。即：,UN：原边加额定电压、 副边开路时，副边的输 出电压。,3.5.3 变压器的功率、损耗与效率,为防止涡流损失，铁芯一般由一片片导磁材料叠合而成。,3.6 常用变压器,1自耦变压器,特点：副绕组是原绕组的一部分，原、副压绕组不但有磁的联系，也有电的联系。,(1)电压互感器：电压互感器的原绕组匝数很多，并联于待测电路两端；副绕组匝数较少，与电压表及电度表、功率表、继电器的电压线圈并联。用于将高电压
13、变换成低电压。使用时副绕组不允许短路。其接线原理示意如下图a所示：,2仪用互感器,(2)电流互感器：原绕组线径较粗，匝数很少，与被测电路负载串联；副绕组线径较细，匝数很多，与电流表及功率表、电度表、继电器的电流线圈串联。用于将大电流变换为小电流。使用时副绕组电路不允许开路，其接线示意如下图b。,电流互感器应用示例- 钳形电流表,3.6.3 脉冲变压器,脉冲数字技术已广泛应用于计算机和自动控制等许多领域。 脉冲变压器的作用就是在脉冲电路中，用于实现电路之间的耦合、放大和阻抗变换等作用，以完成信号的传递和功率放大。,3.6.4 其他几种变压器,多绕组变压器：变压器的次级有两个以上的绕组或初、次级都
14、有两个以上的绕组，称之为多绕组变压器。它多用于各种电子设备中，输出多种电压。 三相变压器：现在的电力系统都是三相制的，因而三相变压器的应用极为广泛，其基本结构和原理类似于单相变压器。,电焊变压器：交流电焊是生产制造中应用广泛的一种手段，其核心组件之一是交流降压电焊变压器。由于在焊接过程中，负载经常从无载到短路之间急剧变化，为维持负载电流的稳定，焊接变压器应具有急剧下降的外特性。,3.7 变压器使用知识,变压器的选择：根据变压器的用途和工作环境以及特殊要求，先确定变压器的种类和型号，再由现场工作技术数据的需要选择所需变压器。 变压器的安装：必须按照有关安装工艺要求，并在安装前应仔细阅读安装及使用
15、说明书。,变压器的维护：变压器在使用前，必须进行认真而细致的检验。除了常规的外观检查，还需要对变压器的电磁性能作必要的检查工作。变压器在使用过程中，应定期地进行保养和维护工作，以排除变压器的隐患，有效地避免事故的发生。,阅读与应用 1. 电磁铁 利用通电线圈在铁心里产生磁场，由磁场产生吸力的机构称为电磁铁。电磁铁在生产中的应用极为普遍，例如，机床工业中用于夹持工件进行加工的电磁工作台；传递动力的电磁离合器、液压传动中的电磁阀；自动控制系统中用于换接电路的继电器和接触器等。电磁铁是把电能转换为机械能的一种设备，通过电磁铁的衔铁可以获得直线运动和某一定角度的回转运动。 电磁铁由线圈、铁心和衔铁三部
16、分组成，电磁铁按励磁电流的不同，分为直流电磁铁和交流电磁铁。下面分别作简单说明：,1) 直流电磁铁 电磁铁的吸力是它的主要参数之一。吸力的大小与气隙的截面积S0及气隙中磁感应强度B0的平方成正比。计算吸力的基本公式为 上式中，B0的单位是T，S0的单位是m，F的单位是N。 直流电磁铁的特点为： 铁心中的磁通恒定，没有铁损，铁心用整块材料制成； 励磁电流I=U/R，与衔铁的位置无关，外加电压全部降在绕阻电阻R上，R的电阻值较大； 当衔铁吸合时，由于磁路气隙减小，磁阻随之减小，磁通增大，吸力也相应增大，因而衔铁被牢牢吸住。,2) 交流电磁铁 当交流电通过绕阻时，在铁心中产生交变磁通，因为电磁力与磁通的平方成正比，所以即使
