普通電路 (3)課件

模塊五磁路和變壓器項(xiàng)目一磁場的基本物理量1、磁感應(yīng)強(qiáng)度B磁感應(yīng)強(qiáng)度B是表示磁場內(nèi)某點(diǎn)的磁場強(qiáng)弱及方向的物理量。它是一個(gè)空間矢量，其方向與該點(diǎn)磁力線切線方向一致，與產(chǎn)生該磁場的電流之間的方向關(guān)系符合右螺旋法則，其大小可用B＝F/Il來衡量。若磁場內(nèi)各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等、方向相同，則稱此磁場為均勻磁場。在國際單位制（SI）中，磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位是（特斯拉T）。2、磁通Ф在均勻磁場中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B（如果不是均勻磁場，則取B的平均值）與垂直于磁場方向的面積S的乘積，稱為通過該面積的磁通Ф，即由此可見，磁感應(yīng)強(qiáng)度BS上通過的磁通，故磁感應(yīng)強(qiáng)度又稱為磁通密度。在國際單位制中，磁通的單位是伏·秒，通常稱為韋伯（Wb），簡稱韋。3、磁場強(qiáng)度H磁場強(qiáng)度H是計(jì)算磁場時(shí)所引用的一個(gè)物理量，也是一個(gè)矢量，通過它來確定磁場與電流之間的關(guān)系，即上式是安培環(huán)路定律，又稱為全電流定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，它是計(jì)算磁路的基本公式。其中∮Hdl是磁場強(qiáng)度矢量H沿任意閉合回線l（常取磁通作為閉合回線）的線積分，∑I是穿過該閉合回線所圍面積的電流的代數(shù)和。它的單位是安／米（A／m）。4、磁導(dǎo)率μ磁導(dǎo)率μ是用來表示磁場媒質(zhì)磁性的物理量，即用來衡量物質(zhì)導(dǎo)磁性能的物理量。它與磁場強(qiáng)度的乘積等于磁感應(yīng)強(qiáng)度，即

B＝μH

磁導(dǎo)率的單位是亨／米（H／m）。真空的磁導(dǎo)率μ＝4π×10－7H／m。任意一種物質(zhì)的磁導(dǎo)率與真空的磁導(dǎo)率之比稱為相對(duì)磁導(dǎo)率，用μr表示，即項(xiàng)目二磁性材料和磁路的歐姆定律1.磁性材料的磁性能自然界的所有物質(zhì)按其磁導(dǎo)率的大小，可分為磁性材料和非磁性材料兩大類。磁性材料的導(dǎo)磁性能好，磁導(dǎo)率大，如鐵、鋼、鎳及鈷等；非磁性材料的導(dǎo)磁性能差，磁導(dǎo)率小，如銅、鋁、紙和空氣等。磁性材料是制造變壓器、電機(jī)及電器等各種電氣設(shè)備的主要材料，磁性材料的磁性能對(duì)電磁器件的性能和工作狀態(tài)有很大影響，磁性材料的磁性能主要表現(xiàn)為高導(dǎo)磁性、磁飽和性和磁滯性。（1）高導(dǎo)磁性磁性材料具有很強(qiáng)的導(dǎo)磁能力，在外磁場作用下，其內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)大大增強(qiáng)，相對(duì)磁導(dǎo)率可達(dá)幾百、幾千甚至幾萬。磁性材料的磁性能被廣泛地應(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。利用優(yōu)質(zhì)的磁性材料可使同一容量電機(jī)的重量和體積大大減小。當(dāng)有磁性材料存在時(shí)，B與H不成正比，所以磁性材料的磁導(dǎo)率μ不是常數(shù)，它將隨著H的變化而變化，如圖5-3所示為μ＝f（H）曲線。由于磁通Ф與B成正比，產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流I與H成正比，所以在有磁性材料的情況下，Ф與I也不成正比，對(duì)于不同的磁性材料，其磁化曲線也不相同。（3）磁滯性當(dāng)磁性線圈中通有交變電流時(shí)，磁性材料將受到交變磁化。在電流交變的一個(gè)周期中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨磁場強(qiáng)度H變化的關(guān)系如圖5-4所示。由圖可見，當(dāng)磁場強(qiáng)度H減小時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度B并不沿著原來這條曲線回降，而是沿著一條比它高的曲線緩慢下降。這種磁感應(yīng)強(qiáng)度滯后于磁場強(qiáng)度變化的性質(zhì)稱為磁性物質(zhì)的磁滯性。當(dāng)線圈電流減小到零時(shí)，磁場強(qiáng)度H也減小到零時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B并不等于零而仍然有一定的值，磁性材料仍然保有一定的磁性，這部分剩余的磁性稱為剩磁，用Br表示（見圖5-4）。如果要去掉剩磁，使B=0，必須施加一反方向磁場強(qiáng)度（－Hc），Hc的大小稱為矯頑磁力，它表示鐵磁材料反抗退磁的能力。在磁性材料反復(fù)磁化的過程中，表示B與H變化關(guān)系的封閉曲線稱為磁滯回線，如圖5-4所示。不同的磁性材料，其磁性能、磁化曲線和磁滯回線也不相同。磁性材料按其磁性能可分為軟磁材料、硬磁材料（又稱永磁材料）和矩磁材料三種類型。軟磁材料的剩磁和矯頑磁力較小，磁滯回線形狀較窄，所包圍的面積較小，但磁化曲線較陡，即磁導(dǎo)率較高。它既容易磁化，又容易退磁，常見的軟磁材料有純鐵、鑄鐵、硅鋼、玻莫合金以及非金屬軟磁鐵氧體等。一般用于有交變磁場的場合，如用來制造鎮(zhèn)流器、變壓器、電動(dòng)機(jī)以及各種中、高頻電磁元件的鐵心等。非金屬軟磁鐵氧體在電子技術(shù)中應(yīng)用也很廣泛，如計(jì)算機(jī)的磁心、磁鼓及錄音機(jī)的磁帶、磁頭等。

硬磁材料的剩磁和矯頑磁力較大，磁滯回線形狀較寬，所包圍的面積較大，適用于制作永久磁鐵，如揚(yáng)聲器、耳機(jī)、電話機(jī)、錄音機(jī)以及各種磁電式儀表中的永久磁鐵都是硬磁材料制成的，常見硬磁材料有碳鋼、鈷鋼及鐵鎳鋁鈷合金等；近年來稀土永磁材料發(fā)展很快，像稀土鈷、稀土釹鐵硼等，其矯頑磁力更大。

矩磁材料的磁滯回線近似于矩形，剩磁很大，接近飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，穩(wěn)定性良好；但矯頑磁力較小，易于翻轉(zhuǎn)。常在計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)中用作記憶元件、邏輯元件和開關(guān)元件，矩磁材料有鎂錳鐵氧體及某些鐵鎳合金等。項(xiàng)目四變壓器變壓器是利用電磁感應(yīng)原理傳輸電能或信號(hào)的器件，具有變壓、變流、變阻抗和隔離的作用，是一種常見的電氣設(shè)備，它的種類很多，在電力系統(tǒng)和電子線路中應(yīng)用十分廣泛。1.變壓器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理（1）變壓器的基本結(jié)構(gòu)變壓器由鐵心和繞組兩大部分組成，圖5-8（a）和（b）分別是它的結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號(hào)。這是一個(gè)簡單的雙繞組變壓器，在一個(gè)閉合的鐵心上套有兩個(gè)繞組，繞組與繞組之間以及繞組與鐵心之間都是絕緣的。繞組通常用絕緣的銅線或鋁線繞成，與電源相連的繞組，稱為原繞組；與負(fù)載相連的繞組，稱為副繞組。為了減少鐵心中的磁滯損耗和渦流損耗，變壓器的鐵心大多用（0.35~0.5）mm厚的硅鋼片疊成，為了降低磁路的磁阻，一般采用交錯(cuò)疊裝方式，即將每層硅鋼片的接縫錯(cuò)開。變壓器按鐵心和繞組的組合形式，可分為心式和殼式兩種，如圖5-9所示。心式變壓器的鐵心被繞組所包圍，而殼式變壓器的鐵心則包圍繞組。心式變壓器用鐵量比較少，多用于大容量的變壓器，如電力變壓器都采用心式結(jié)構(gòu)；殼式變壓器用鐵量比較多，但不需要專門的變壓器外殼，常用于小容量的變壓器，如各種電子設(shè)備和儀器中的變壓器多采用殼式結(jié)構(gòu)。變壓器按冷卻方式又可分為自冷式和油冷式（常用于三相變壓器中）兩種，在自冷式變壓器中，熱量依靠空氣的自然對(duì)流和輻射直接散發(fā)到周圍空氣中。當(dāng)變壓器的容量較大時(shí)常采用油冷式，此時(shí)變壓器的鐵心和繞組全部浸在變壓器油內(nèi)，使其產(chǎn)生的熱量通過變壓器油傳給箱壁而散發(fā)到空氣中去。（2）變壓器的工作原理①電壓變換變壓器的原繞組接交流電壓u1且副繞組開路時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)稱為空載運(yùn)行，如圖5-10所示。這時(shí)副繞組中的電流i2＝0，開路電壓用u20表示。原繞組中通過的電流為空載電流i10，各量的參考方向如圖5-10所示。圖中N1為原繞組的匝數(shù)，N2為副繞組的匝數(shù)。②電流變換如果變壓器的副繞組接上負(fù)載，則在副繞組感應(yīng)電動(dòng)勢e2的作用下，副繞組將產(chǎn)生電流i2。這時(shí)，原繞組的電流將由i10增大為i1，如圖5.11所示。副繞組電流i2越大，原繞組電流i1也就越大。由副繞組電流i2產(chǎn)生的磁動(dòng)勢i2N2也要在鐵心中產(chǎn)生磁通，即這時(shí)變壓器鐵心中的主磁通應(yīng)由原、副繞組的磁動(dòng)勢共同產(chǎn)生。由U1＝E1＝4.44fN1Фm可知，在原繞組的外加電壓（電源電壓U1）和頻率f不變的情況下，主磁通Фm基本保持不變。因此，有負(fù)載時(shí)產(chǎn)生主磁通的原、副繞組的合成磁通勢（i1N1＋i2N2）應(yīng)和空載時(shí)產(chǎn)生主磁通的原繞組的磁通勢i0N1基本相等，用公式表示，即

i1N1＋i2N2＝i10N1

如用相量表示，則為這一關(guān)系稱為變壓器的磁動(dòng)勢平衡方程式。③阻抗變換作用變壓器除了有變壓和變流的作用外，還有變換阻抗的作用，以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。圖5-12（a）所示的變壓器原繞組接電源u1，副繞組的負(fù)載阻抗模為|Z|，對(duì)于電源來說，圖中虛線框內(nèi)的電路可用另一個(gè)阻抗模|Z’|來等效代替，如圖5-12（b）所示。所謂等效，就是它們從電源吸取的電流和功率相等，即接在電源上的阻抗模|Z’|和接在變壓器副繞組的負(fù)載阻抗模|Z|是等效的。當(dāng)忽略變壓器的漏磁和損耗時(shí)，等效阻抗可通過下面計(jì)算得出。原、副繞組電壓比Ku（又稱匝數(shù)比）不同時(shí)，負(fù)載阻抗模|Z|折算到原繞組的等效阻抗模|Z’|也不同。通過選擇合適的電壓比Ku，可以把實(shí)際負(fù)載阻抗模變換為所需的、比較合適的數(shù)值，這就是變壓器的阻抗變換作用。在電子電路中，為了提高信號(hào)的傳輸功率，常用變壓器將負(fù)載阻抗變換為適當(dāng)?shù)臄?shù)值，即阻抗匹配。2.變壓器的額定值（1）額定電壓U1N和U2N額定電壓是根據(jù)變壓器的絕緣強(qiáng)度和允許溫升而規(guī)定的正常工作電壓有效值，單位為V或kV。（2）額定電流I1N和I2N額定電流是指變壓器長期工作時(shí)，根據(jù)其允許溫升而規(guī)定的正常工作電流有效值，單位為A。（3）額定容量SN變壓器的額定容量SN是指變壓器副繞組U2N和I2N的乘積，單位為VA或kVA。（4）額定頻率fN額定頻率fN是指變壓器應(yīng)接入的電源頻率。我國電力系統(tǒng)工業(yè)用電的標(biāo)準(zhǔn)頻率為50Hz。（5）額定溫升τN變壓器的額定溫升τN是指在基本環(huán)境溫度（＋40℃）下，規(guī)定變壓器在連續(xù)運(yùn)行時(shí)，允許變壓器的工作溫度超出環(huán)境溫度的最大溫升。3變壓器的外特性及效率（1）變壓器的外特性當(dāng)變壓器原繞組電壓U1和負(fù)載功率因數(shù)cosφ2一定時(shí)，副繞組電壓U2隨負(fù)載電流I2變化的曲線稱為變壓器的外特性，用U2＝f（I2）表示。圖5-14畫出了變壓器的兩條外特性曲線。對(duì)于電阻性和電感性負(fù)載來說，外特性曲線是稍向下傾斜的，感性負(fù)載的功率因數(shù)越低，U2下降得越快。從空載到額定負(fù)載，變壓器外特性的變化程度可用電壓變化率ΔU來表示，即當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，通常希望電壓U2的變化愈小愈好，在—般變壓器中，其電阻和漏磁感抗均很小，電壓變化率較小，電力變壓器的電壓變化率一般在5％左右，而小型變壓器的電壓變化率可達(dá)20％。（2）變壓器的效率變壓器的效率通常用輸出功率P2與輸入功率P1之比來表示，即4.變壓器繞組的極性（1）繞組的極性及同名端的概念繞組的極性是指繞組在任意瞬時(shí)兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢的瞬時(shí)極性，它總是從繞組的相對(duì)瞬時(shí)電位的低電位端（常用符號(hào)“－”來表示）指向高電位端（常用符號(hào)“＋”來表示）。兩個(gè)磁耦合作用聯(lián)系起來的繞組，如變壓器的原、副繞組，當(dāng)某一瞬時(shí)原繞組某一端點(diǎn)的瞬時(shí)電位相對(duì)于原繞組的另一端為正時(shí)，副繞組也必有一對(duì)應(yīng)的端點(diǎn)，其瞬時(shí)電位相對(duì)于副繞組的另一端點(diǎn)也為正。我們把原、副繞組電位瞬時(shí)極性相同的端點(diǎn)稱為同極性端，也稱為同名端，通常用符號(hào)“·”表示。（2）繞組的串聯(lián)和并聯(lián)圖5-23（a）中的1和3是同名端，當(dāng)然2和4也是同名端。當(dāng)電流從兩個(gè)線圈的同名端流入（或流出）時(shí)，產(chǎn)生的磁通的方向相同；或者當(dāng)磁通變化（增大或減?。r(shí)，在同名端感應(yīng)電動(dòng)勢的極性也相同。在圖5-23（b）和（c）中，繞組中的電流正在增大，感應(yīng)電動(dòng)勢的極性（或方向）如圖中所示。在使用變壓器或者其他有磁耦合的互感線圈時(shí)，要注意線圈的正確聯(lián)接。譬如，一臺(tái)變壓器的原繞組有相同的兩個(gè)繞組，如圖5-23（a）中的1-2和3-4。當(dāng)接到220V的電源上時(shí)，兩繞組應(yīng)串聯(lián)（假設(shè)兩個(gè)繞組的額定電壓都為110V），如圖5-23（b）所示；接到110V的電源上時(shí)，兩繞組應(yīng)并聯(lián)，如圖5-23（c）所示。如果聯(lián)接錯(cuò)誤，串聯(lián)時(shí)將2和4兩端聯(lián)在一起，將1和3兩端接電源，這樣，兩個(gè)繞組的磁通勢就互相抵消，鐵心中不產(chǎn)生磁通，繞組中也就沒有感應(yīng)電動(dòng)勢，繞組中將流過很大的電流，把變壓器燒毀。如果將其中一個(gè)線圈反繞，如圖5-24所示，則1和4兩端應(yīng)為同名端，串聯(lián)時(shí)應(yīng)將2和4兩端聯(lián)在一起?？梢姡膬啥耸峭?，還和線圈繞向有關(guān)。只要線圈繞向知道，同名端就不難確定。（3）同名端的判斷①直流法將變壓器的兩個(gè)繞組按圖5-25所示的方法連接，當(dāng)開關(guān)S閉合瞬間，如電流表的指針正向偏轉(zhuǎn)，則繞組A的1端和繞組B的3端為同名端，這是因?yàn)楫?dāng)不