磁路与变压器 3

电工电子技术第3章磁路与变压器项目一磁路的认识项目二学习变压器它们有什么共性的知识？如图3-1实验室中常用的电器你能说出它们的工作原理吗？(1)利用磁路的基本性质和基本定律，理解交流铁芯线圈电路的电磁关系；(2)能够利用变压器的变压、变流及变阻抗性质正确地选择和使用变压器，并在生活和学习中，积极发现那些应用了电和磁关系的器件。(3)学会正确使用电流互感器、钳形表及调压器等“变压器”，掌握使用这些仪器的场合和注意事项。任务目标项目一磁路的认识任务一了解磁路及其基本定律任务二掌握交流铁芯线圈电路的电磁关系任务一了解磁路及其基本定律1.磁场的相关物理量2.磁性材料的磁性能3.磁路的基本定律4.磁路的欧姆定律1.磁场的相关物理量（1）磁感应强度B用该点磁场作用于垂直于磁场方向且通有1A电流的1m长导体上的力F来衡量。磁感应强度的单位：特[斯拉]（T）或韦伯/米2（Wb/m2），两者的关系为：1T=1Wb/m2。磁感应强度B是个矢量，其方向可用右螺旋定则来确定。如果磁场内各点的磁感应强度大小相等、方向相同，则称为均匀磁场。描述磁场中某点的磁场强弱和方向的物理量FBlI（2）磁通Ф磁场中，磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，称为通过该面积的磁通Ф，即Ф=BS或在国际单位制（SI）中，磁通的单位是韦[伯]（Wb）（3）磁导率μ磁导率μ是用来表示物质导磁性能的物理量，单位是亨/米（H/m）。不同物质的磁导率不同，真空中的磁导率μ0为一常数，即μ0=4π×10-7H/m。某材料的相对磁导率μr是该材料的磁导率与真空中的磁导率μ0的比值，即根据磁导率的大小，可将物质分为磁性材料和非磁性材料两类。非磁性材料，如银、铝、铜等，其μr≈1；而磁性材料，如钢、铁、钴、镍及其合金等，其μr值很大，且不是常数，随磁感应强度和温度的变化而变化。（4）磁场强度H磁场强度H是磁场中某点的磁感应强度与磁导率的比值，也是个矢量，即在SI单位制中，其单位为安[培]/米（A／m）BH2.磁性材料的磁性能（1）高导磁性（2）磁饱和性（3）磁滞性①软磁材料：磁头②硬磁材料：碳钢、钨钢，做永久磁铁。③矩磁材料：铁镍合金，用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。剩磁感应强度矫顽磁力3.磁路的基本定律用来产生磁通的电流称为励磁电流，流过励磁电流的线圈称为励磁线圈。由直流电流励磁的磁路称为直流磁路，由交流电流励磁的磁路称为交流磁路。人为用铁芯使磁通集中通过的路径称为磁路4.磁路的欧姆定律磁路电路名称符号表示单位名称符号表示单位磁通ΦWb电流IA磁动势F=ΦRmA电动势EV磁阻1/H电阻Ω磁路欧姆定律电路欧姆定律任务二掌握交流铁芯线圈电路的电磁关系已知线圈匝数为N，损耗电阻为R，主磁通Φ和漏磁通Φσ产生感应电压分别是e和eσ。根据KVL，铁芯线圈中的电压满足方程LS为漏磁感有效值铁芯线圈电阻的电压降iR和漏磁电动势eσ很小，可忽略，则设Φ=Φmsinωt，则当外加电压U、电源频率f及线圈匝数N一定时，主磁通的幅值Φm保持恒定不变，与磁路性质无关交流铁芯线圈中，除了在线圈电阻上有功率损耗外,铁芯也有功率损耗∆P=∆PCu+∆PFe=∆PCu+∆Ph+∆Pe铜损:线圈电阻上损耗的功率I2R铁损:铁芯的功率损耗磁滞损耗涡流损耗项目二学习变压器任务一认识变压器任务二了解特殊的变压器任务一认识变压器1．变压器的结构2．变压器的工作原理3．变压器的变压、变流、变阻抗作用4．变压器的额定技术指标1．变压器的结构变压器由铁芯和绕在铁芯上的多个绕组两部分组成TC绕组由漆包铜线绕制而成，是变压器的电路部分。一般变压器有两个绕组，与电源相连的绕组称为一次绕组(或称原绕组、初级绕组)，与负载相连的绕组称为二次绕组(或称副绕组、次级绕组)，匝数分别为N1和N2，一次、二次绕组套装在同一铁芯柱上。有时为了得到多组输出电压，二次侧就接成多组绕组。2．变压器的工作原理当一次绕组接上交流电压u1时，一次绕组中便有电流i1通过，一次绕组的磁动势N1i1产生的磁通Φ1绝大部分通过铁芯而闭合，从而在二次绕组中产生感应电动势。如果二次绕组中接有负载，那么二次绕组中就有电流i2通过，二次绕组的磁动势N2i2也产生磁通Φ2，其绝大部分也通过铁芯而闭合。铁芯中的磁通是两者的合成，称为主磁通Φ，它交链一次、二次绕组并在其中分别感应出电动势为e1和e2。此外，一次、二次绕组的磁动势还分别产生与本绕组相交链的漏磁通Φσ1和Φσ2，它们分别在各自绕组中感应出漏磁电动势eσ1和eσ2。变压器提供给负载的电压就是e2和eσ2的叠加量u`。3．变压器的变压、变流、变阻抗作用（1）电压变换（2）电流变换（3）阻抗变换（1）电压变换励磁电流i1（一次电流）产生的主磁通Φ，即通过一次绕组也通过二次绕组，分别产生感应电压u1、u20。在忽略漏磁通和线圈电阻的情况下，可知一次电压的有效值为U1≈E1=4.44fN1Φm同理，在Φ的作用下，二次产生的感应电压有效值为U20≈E2=4.44fN2Φm变压器的变比k1，为降压变压器（2）电流变换变压器的一次绕组接上电源，二次绕组接有负载的运行状态称负载运行状态N1i1+N2i2=N1i0空载电流很小,故N1i1≈－N2i2U1I1＝U2I2变压器可以把一次侧绕组的能量通过Φm的联系传输到二次侧绕组中，实现了能量的传输。〖例3.1〗已知变压器N1＝1000匝，N2＝200匝，U1＝220V，I2＝10A，负载为纯电阻，求变压器的二次电压U2、一次电流I1和输入功率P1、输出功率P2(忽略变压器的漏磁和损耗)。解：输入功率P1＝U1I1cosφ1＝220×2×1＝440W输出功率P2＝U2I2cosφ2＝44×10×1＝440W（3）阻抗变换负载阻抗ZL接在变压器二次侧，对电源来说点划线框内部分可用另一个阻抗ZL′来等效代替（两端输入的电压、电流和功率不变）。得出：例3.2〗有一信号源的电压为1.5V，内阻抗为240Ω，负载阻抗为60Ω。欲使负截获得最大功率，必须在信号源和负载之间接一阻抗匹配变压器，使变压器的输入阻抗等于信号源的内阻抗，如图所示。问变压器的电压比，一、二次的电流各为多少?解：电压比一次侧电流二次侧电流I2=kI1=2×3.1=6.2mA4．变压器的额定技术指标(1)额定电压U1N和U2N原边额定电压（或称一次额定电压）U1N是指根据绝缘材料和允许发热所规定的应加在一次绕组上的正常电压的有效值。副边额定电压（或称二次额定电压）U2N是指原边为额定电压U1N时副边的空载电压的有效值。三相变压器的U1N和U2N均指线电压。（2）额定电流I1N和I2N原边、副边额定电流I1N和I2N是指根据绝缘材料和允许发热所规定的一次、二次绕组中允许长期通过的电流限额（有效值）。三相变压器的I1N和I2N均指线电流。（3）额定容量SN额定容量SN是指变压器输出的额定视在功率，单位为伏安（V·A）或千伏安（kV·A）。对单相变压器：SN=U2NI2N≈U1NI1N（V·A）对三相变压器：SN=U2NI2N≈U1NI1N（V·A）（4）额定频率fN额定频率fN是指电源的工作频率。我国的工业频率是50Hz。（5）变压器的效率N变压器的效率N是指变压器的输出功率P2N与对应的输入功率P1N的比值，通常用小数或百分数表示。任务二了解特殊的变压器1．自耦变压器2．电流互感器1．自耦变压器1122UNkUN12211ININk只要适当选择N2，即可在二次侧获得所需的电压（a）自耦变压器的电路示意图（b）三相自耦变压器（c）调压器自耦变压器的一、二次之间有电的直接联系，当高压侧发生接地或二次绕组断线等故障时，高压将直接串入低压侧造成人身事故。其次，一次和二次不可接错，否则很容易造成电源被短路或烧坏自耦变压器。另外，当三相自耦变压器绕组接地端误接到电源相线时，即使二次电压很低，人触及二次侧任一端均有触电的危险。2．电流互感器用于测量用的变压器称为仪用互感器，简称互感器。按用途可分为电流互感器和电压互感器。电流互感器的一次绕组匝数很少，串联在被测电路上；二次绕组匝数很多，与仪表相串联构成闭合回路。I1＝kiI2（a）电流互感器原理接线图（b）钳形电流表电流互感器接于高压电路，为了保证安全，二次线圈的一端及互感器铁芯必须接地，而且使用时副绕组电路不允许开路本章节束