第三章磁路與變壓器

3.1

電磁學(xué)的基本物理量3.1.1、磁感應(yīng)強(qiáng)度磁力線：用磁力線的疏密來表示磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，用磁力線上任何一點(diǎn)的切線方向來表示該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向．用符號(hào)Ｂ表示；

反映磁場(chǎng)內(nèi)某處磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量；有大小，有方向，是矢量；

方向:磁感應(yīng)強(qiáng)度：與電流的方向之間符合右手螺旋定則。大小:特斯拉(T)，1T=1Wb/m2

各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等，方向相同的磁場(chǎng)，也稱勻強(qiáng)磁場(chǎng)。單位:均勻磁場(chǎng):3.1.2磁通穿過垂直于B方向的面積S中的磁力線總數(shù)。

在均勻磁場(chǎng)中=BS或

B=/S磁通：說明:

如果不是均勻磁場(chǎng)，則取B的平均值。

磁感應(yīng)強(qiáng)度B在數(shù)值上可以看成為與磁場(chǎng)方向垂直的單位面積所通過的磁通,故又稱磁通密度。磁通的單位:韋伯

(Wb)3.1.3磁導(dǎo)率μ磁導(dǎo)率μ來表示物質(zhì)的導(dǎo)磁性能。μ的單位是H/m(亨/米）。真空的磁導(dǎo)率為常數(shù)，用

0表示，有：注意不同的介質(zhì)，磁導(dǎo)率μ也不同。磁導(dǎo)率值大的材料，導(dǎo)磁性能好。磁導(dǎo)率與真空磁導(dǎo)率近似相等，即

r

≈1

。如空氣、木材、紙、鋁等。材料分類：非磁性材料鐵磁性材料磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真空磁導(dǎo)率，即

r

>>1

，可達(dá)到幾百到上萬。材料如鐵、鈷、鎳及其合金等。注意鐵磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率μ是個(gè)變量，它隨磁場(chǎng)的強(qiáng)弱而變化。所以電器設(shè)備如變壓器、電機(jī)都將繞組套裝在鐵磁性材料制成的鐵心上。磁場(chǎng)強(qiáng)度H

：介質(zhì)中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與介質(zhì)磁導(dǎo)率之比。磁場(chǎng)強(qiáng)度H的單位：安培/米（A/m)3.1.4磁場(chǎng)強(qiáng)度H和B同為矢量。H的方向就是該點(diǎn)B的方向。3.2鐵磁性材料的性質(zhì)和用途1.高導(dǎo)磁性磁性材料的磁導(dǎo)率通常都很高，即r1(如坡莫合金，其r可達(dá)2105)

。磁性材料能被強(qiáng)烈的磁化，具有很高的導(dǎo)磁性能。

磁性材料主要指鐵、鎳、鈷及其合金等。

磁性物質(zhì)的高導(dǎo)磁性被廣泛地應(yīng)用于電工設(shè)備中，如電機(jī)、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放有鐵心。在這種具有鐵心的線圈中通入不太大的勵(lì)磁電流，便可以產(chǎn)生較大的磁通和磁感應(yīng)強(qiáng)度。2.磁飽和性磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場(chǎng)不會(huì)隨著外磁場(chǎng)的增強(qiáng)而無限的增強(qiáng)。當(dāng)外磁場(chǎng)增大到一定程度時(shí)，磁性物質(zhì)的全部磁疇的磁場(chǎng)方向都轉(zhuǎn)向與外部磁場(chǎng)方向一致，磁化磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度將趨向某一定值。如圖。

B-H

磁化曲線的特征：

Oa段：B，u與H幾乎成正比地增加；在b點(diǎn)附近，u值達(dá)到最大值；

ab段：B的增加緩慢下來，u值減?。?/p>

b點(diǎn)以后：B增加很少，達(dá)到飽和，u值繼續(xù)減小。有磁性物質(zhì)存在時(shí)，B與H不成正比，磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率不是常數(shù)，隨H而變。

鐵磁材料內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度B幾乎不隨外磁場(chǎng)強(qiáng)度H增加的特性，叫做磁飽和性。

OHB,BB和與H的關(guān)系3.

磁滯性磁性材料在交變磁場(chǎng)中反復(fù)磁化，其B-H關(guān)系曲線是一條回形閉合曲線，稱為磁滯回線。磁滯性：磁性材料中磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化總是滯后于外磁場(chǎng)變化的性質(zhì)。磁滯回線OHB????BrHc剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br(剩磁)：

當(dāng)線圈中電流減小到零(H=0)時(shí)，鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。矯頑磁力Hc：

使B=0所需的H值。磁性物質(zhì)不同，其磁滯回線和磁化曲線也不同。(2)永磁材料具有較大的矯頑磁力，磁滯回線較寬。一般用來制造永久磁鐵。常用的有碳鋼及鐵鎳鋁鈷合金等。(1)軟磁材料具有較小的矯頑磁力，磁滯回線較窄。一般用來制造電機(jī)、電器及變壓器等的鐵心。常用的有鑄鐵、硅鋼、坡莫合金即鐵氧體等。(3)矩磁材料具有較小的矯頑磁力和較大的剩磁，磁滯回線接近矩形，穩(wěn)定性良好。在計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)中用作記憶元件、開關(guān)元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體等。3.2.2鐵磁材料的分類

3.3直流電磁鐵和交流電磁鐵1.概述電磁鐵是利用通電的鐵心線圈吸引銜鐵或保持某種機(jī)械零件、工件于固定位置的一種電器。當(dāng)電源斷開時(shí)電磁鐵的磁性消失，銜鐵或其它零件即被釋放。電磁鐵銜鐵的動(dòng)作可使其它機(jī)械裝置發(fā)生聯(lián)動(dòng)。根據(jù)使用電源類型分為：直流電磁鐵：用直流電源勵(lì)磁；交流電磁鐵：用交流電源勵(lì)磁。3.3.1直流電磁鐵電磁鐵由線圈、鐵心及銜鐵三部分組成，常見的結(jié)構(gòu)如圖所示。鐵心銜鐵銜鐵有時(shí)是機(jī)械零件、工件充當(dāng)銜鐵FFFF線圈線圈銜鐵鐵心線圈鐵心直流電磁鐵吸力的計(jì)算：電磁鐵吸力的大小與氣隙的截面積S及氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方成正比?；竟饺缦拢菏街校築

的單位是特[斯拉]；

S

的單位是平方米；

F的單位是牛[頓]（N）。為了消除這種現(xiàn)象，在磁極的部分端面上套一個(gè)分磁環(huán)（或稱短路環(huán)），工作時(shí)，在分磁環(huán)中產(chǎn)生感應(yīng)電流，其阻礙磁通的變化，在磁極端面兩部分中的磁通1和2之間產(chǎn)生相位差，相應(yīng)該兩部分的吸力不同時(shí)為零，實(shí)現(xiàn)消除振動(dòng)和噪音。3.3.2交流電磁鐵交流電磁鐵組成與直流電磁鐵基本相同。交流電磁鐵的吸力在零與最大值之間脈動(dòng)。引起銜鐵顫動(dòng)，產(chǎn)生噪音，同時(shí)觸點(diǎn)容易損壞?？偨Y(jié)：內(nèi)容直流電磁鐵交流電磁鐵鐵芯結(jié)構(gòu)由整塊軟鋼制成,無短路環(huán)由硅鋼片制成,有短路環(huán)吸合過程電流不變,吸力逐漸加大吸力基本不變,電流減小吸合后無振動(dòng)有輕微振動(dòng)吸合不好時(shí)線圈不會(huì)過熱線圈會(huì)過熱,可能燒壞直流電磁鐵與交流電磁鐵比較

3.4電磁感應(yīng)及自感、互感法拉第（MichaelFaraday,1791-1867），偉大的英國(guó)物理學(xué)家和化學(xué)家.他創(chuàng)造性地提出場(chǎng)的思想，磁場(chǎng)這一名稱是法拉第最早引入的.他是電磁理論的創(chuàng)始人之一，于1831年發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，后又相繼發(fā)現(xiàn)電解定律，物質(zhì)的抗磁性和順磁性，以及光的偏振面在磁場(chǎng)中的旋轉(zhuǎn).3.4.1電磁感應(yīng)電流的磁效應(yīng)：1820年奧斯特首次由實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。電磁感應(yīng)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn):1822-1831年英國(guó)物理學(xué)家法拉第進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)和研究在1831年發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律。試驗(yàn)說明：當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中作相對(duì)運(yùn)動(dòng)而切割磁力線，或者通過線圈的磁通量發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)體或線圈中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，如果導(dǎo)體或線圈是閉合的，就會(huì)有電流通過。這種現(xiàn)象就稱為電磁感應(yīng)。3.4.2感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小和方向1.直導(dǎo)體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小和方向（1）大小計(jì)算。在均勻磁場(chǎng)中，長(zhǎng)度L的直導(dǎo)體以速度v作與磁感應(yīng)強(qiáng)度B垂直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：?jiǎn)挝粸椋悍兀╒）。（2）方向判別。根據(jù)右手定則來確定。2.線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小和方向（1）大小計(jì)算。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律：當(dāng)線圈中的磁通發(fā)生變化時(shí)，線圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)的大小與磁通的變化率成正比，與線圈的匝數(shù)N成正比，即：e單位為：伏特（V），磁通的單位為韋伯。（2）方向判別。根據(jù)楞次定律和右手定則來確定。3.4.3自感與互感1.自感線圈中通入變化的電流，產(chǎn)生變化的磁通，變化的磁通穿過本身線圈，使線圈感應(yīng)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),表達(dá)式：自感應(yīng)系數(shù)L:把上式帶入eL中得：?jiǎn)挝唬汉嗬℉）2.互感當(dāng)緊靠的兩個(gè)線圈，其中一個(gè)線圈流入變化的電流時(shí)，發(fā)現(xiàn)另一個(gè)線圈回路中電流表的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說明該線圈兩端產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這一現(xiàn)象叫做互感現(xiàn)象。原因：線圈1通過變化的電流后產(chǎn)生變化的磁通，由于兩線圈緊靠，有一部分磁通穿過線圈2，使線圈2感應(yīng)出互感電動(dòng)勢(shì)互感電動(dòng)勢(shì)的大小與線圈2的匝數(shù)和穿過線圈2的磁通變化率成正比。

3.5變壓器的結(jié)構(gòu)、基本工作原理與三大功能變壓器是靜止的電磁器械，在電力系統(tǒng)和電子線路中應(yīng)用廣泛。變壓器的主要功能有：變電壓（電力系統(tǒng)）變電流（電流互感器）變阻抗（電子線路中的阻抗匹配）變壓器的主要用途:經(jīng)濟(jì)地輸電合理地配電安全地用電

它利用電磁感應(yīng)原理，將一種交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N或幾種頻率相同、大小不同的交流電。例：電力工業(yè)中常采用高壓輸電低壓配電，實(shí)現(xiàn)節(jié)能并保證用電安全。具體如下：

發(fā)電廠10.5kV輸電線220kV升壓儀器36V降壓…實(shí)驗(yàn)室380/220V降壓變電站

10kV降壓降壓變壓器的分類電壓互感器電流互感器按用途分電力變壓器(輸配電用)儀用變壓器整流變壓器按相數(shù)分三相變壓器單相變壓器按制造方式殼式心式變壓器符號(hào)3.5.1變壓器的結(jié)構(gòu)變壓器的磁路繞組：一次繞組二次繞組變壓器+–+–由高導(dǎo)磁硅鋼片疊成厚0.35mm或0.5mm鐵心變壓器的電路一次繞組N1二次繞組N2鐵心單相變壓器+–+–一次繞組N1二次繞組N2鐵心一次、二次繞組互不相連，能量的傳遞靠磁耦合。變壓器的結(jié)構(gòu)單相變壓器三相電力變壓器1一信號(hào)式溫度計(jì)；2一吸濕器；3一儲(chǔ)油柜；4一油表；5一安全氣邊；6一氣體繼電器；7一高壓套管；8一低壓套管；9一分接開關(guān)；10一油箱；11—鐵心；12—線圈；13—放油閥門3.5.2變壓器的空載運(yùn)行一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)開路。+–+–+–+–1i0(i0N1)1空載時(shí)，鐵心中主磁通是由一次繞組磁通勢(shì)產(chǎn)生的。有效值:同理：主磁通按正弦規(guī)律變化，設(shè)為則(1)一次、二次側(cè)主磁通感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)根據(jù)KVL：變壓器一次側(cè)等效電路如圖由于電阻

R1和感抗X1(或漏磁通)較小,其兩端的電壓也較小,與主磁電動(dòng)勢(shì)E1比較可忽略不計(jì)，則–––+++(2)一次、二次側(cè)電壓式中R1為一次側(cè)繞組的電阻;

X1=L1為一次側(cè)繞組的感抗(漏磁感抗，由漏磁產(chǎn)生)。（匝比）K為變比對(duì)二次側(cè)，根據(jù)KVL：結(jié)論：改變?cè)褦?shù)比，就能改變輸出電壓。式中R2為二次繞組的電阻;

X2=L2為二次繞組的感抗；為二次繞組的端電壓。變壓器空載時(shí):+–u2+–+–+–i1i2+–e2+–e2式中U20為變壓器空載電壓。故有3.5.3變壓器的負(fù)載運(yùn)行一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)接負(fù)載。+–+–+–1i1有載時(shí)，鐵心中主磁通是由一次、二次繞組磁通勢(shì)共同產(chǎn)生的合成磁通。2i2+–e2+–e2+–u2Z3）電流變換(一次、二次側(cè)電流關(guān)系)有載運(yùn)行可見，鐵心中主磁通的最大值m在變壓器空載和有載時(shí)近似保持不變。即有不論變壓器空載還是有載，一次繞組上的阻抗壓降均可忽略，故有由上式，若U1、f不變，則m基本不變，近于常數(shù)。空載：有載：+–|Z|+–+–+–一般情況下：I0(2~3)%I1N很小可忽略。或結(jié)論：一次、二次側(cè)電流與匝數(shù)成反比?；颍捍艅?shì)平衡式：空載磁勢(shì)有載磁勢(shì)3.5.4變壓器的阻抗變換作用由圖可知：結(jié)論：變壓器一次側(cè)的等效阻抗模，為二次側(cè)所帶負(fù)載的阻抗模的K2倍。

+–+–+–(1)

變壓器的匝數(shù)比應(yīng)為：信號(hào)源R0RL+–R0+–+–解:例1:

如圖，交流信號(hào)源的電動(dòng)勢(shì)E=10V，內(nèi)阻R0=200，負(fù)載為揚(yáng)聲器，其等效電阻為RL=8。要求:（1）當(dāng)RL折算到原邊的等效電阻時(shí)，求變壓器的匝數(shù)比和信號(hào)源輸出的功率；（2）當(dāng)將負(fù)載直接與信號(hào)源聯(lián)接時(shí),信號(hào)源輸出多大功率？信號(hào)源的輸出功率：電子線路中，常利用阻抗匹配實(shí)現(xiàn)最大輸出功率。結(jié)論：接入變壓器以后，輸出功率大大提高。原因：滿足了最大功率輸出的條件：（2）將負(fù)載直接接到信號(hào)源上時(shí)，輸出功率為：當(dāng)電流流入(或流出）兩個(gè)線圈時(shí)，若產(chǎn)生的磁通方向相同，則兩個(gè)流入(或流出）端稱為同極性端。?AXax3.3.1同極性端(同名端)或者說，當(dāng)鐵心中磁通變化時(shí)，在兩線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)極性相同的兩端為同極性端。同極性端用“?”表示。++??AXax增加+–+–––同極性端和繞組的繞向有關(guān)。3.6

變壓器繞組的同名端及其測(cè)定?聯(lián)接

2－3變壓器原一次側(cè)有兩個(gè)額定電壓為110V的繞組：3.3.2線圈的接法??1324??1324

聯(lián)接

1－3，2－4當(dāng)電源電壓為220V時(shí)：+–+–電源電壓為110V時(shí)：?jiǎn)栴}2：如果兩繞組的極性端接錯(cuò)，結(jié)果如何？結(jié)論：在同極性端不明確時(shí)，一定要先測(cè)定同極性端再通電。答：有可能燒毀變壓器兩個(gè)線圈中的磁通抵消原因：電流很大燒毀變壓器感應(yīng)電勢(shì)??1324’+–1直流法：如果當(dāng)S閉合時(shí)，電流表正偏，則A-a為同極性端;結(jié)論：Xx電流表+_Aa+–S如果當(dāng)S閉合時(shí)，電流表反偏，則A-x為同極性端。??AXax+_S+–同極性端的測(cè)定方法：2交流法把兩個(gè)線圈的任意兩端(X-x)連接,然后在AX上加一低電壓uAX

。測(cè)量：若說明A與x

或X與a

是同極性端。若

說明A與a或X與x

為同極性端。

結(jié)論：VaAXxV+–三相變壓器3.7

三相變壓器的組成與基本原理zCcZYbByXaAx三相電力變壓器結(jié)構(gòu)示意圖三相變壓器的兩種接法及電壓的變換關(guān)系3.4.1變壓器的型號(hào)3.4變壓器的額定值SJL1000/10

變壓器額定容量(KVA)

鋁線圈

冷卻方式J:油浸自冷式F:風(fēng)冷式相數(shù)S:三相D:單相高壓繞組的額定電壓(KV) 3.4.2額定值額定電壓U1N、U2N

初級(jí)繞組的額定電壓U1N是根據(jù)變壓器本身的性質(zhì)所規(guī)定加入的電