电工电子饶蜀华第5章

第5章磁路及变压器5.1磁路的基本知识5.2交流铁芯线圈5.3变压器的用途、结构及工作原理5.4特殊变压器及电磁铁5.1磁路的基本知识5.1.1磁路的概念电流产生磁场，即通电导体周围存在着磁场。在电磁铁、变压器、电机等电工设备中，为了用较小的电流产生较大的磁场，通常把线圈绕在磁性材料制成的铁芯上，当有电流通过线圈时，电流产生的磁通绝大部分通过铁芯，通过铁芯的磁通称为主磁通，用字母Φ表示;小部分沿铁芯以外空间闭合的磁通称为漏磁通，用Φσ表示，由于漏磁通很小，在工程中常略去不计。下一页返回5.1磁路的基本知识主磁通通过的闭合路径称为磁路，用以产生磁场的电流称为励磁电流。如图5-1所示为几种电气设备的磁路，图5-1(a)所示是电磁铁的磁路，磁路中有很短的空气隙;图5-1(b)所示是变压器的一种磁路，它由同一种磁性材料组成，且各段截面积基本相等，这种磁路称为均匀磁路;图5-1(c)所示是直流电机的磁路，磁路中也有空气隙，且磁路的磁性材料不一定相同。上一页下一页返回5.1磁路的基本知识5.1.2磁路的主要物理量1.磁感应强度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，它是一个矢量。磁感应强度的单位是特斯拉(T)，简称特。1T=1Wb/m2(5-1)若磁场中各点的磁感应强度大小相等、方向相同，则为均匀磁场。上一页下一页返回5.1磁路的基本知识2.磁通均匀磁场中，磁通中等于磁感应强度B与垂直方向的面积S的乘积，即故B又称磁通密度。如果不是均匀磁场，为计算方便起见，可取B的平均值。磁通Φ的单位是韦伯(Wb)，简称韦。1Wb=1V·s（伏·秒）上一页下一页返回（5-2）5.1磁路的基本知识3.磁导率磁导率μ是表示物质导磁性能的物理量，它的单位是亨/米(H/m)。由实验测出真空的磁导率为μ0=4π×10-7H/m在说明物质的磁性能时，往往不直接用磁导率μ，而是用μ与真空磁导率μ0的比值μr表示，即μr称为相对磁导率。上一页下一页返回（5-3）5.1磁路的基本知识4.磁场强度由于磁性物质的磁导率户不是常数，磁场的计算比较复杂，为了简化计算，引入磁场强度H这一辅助物理量。磁场强度只与产生磁场的电流以及这些电流的分布有关，而与磁介质的磁导率无关。磁场强度的单位是安/米(A/m)。磁场强度H与磁感应强度B之间的关系为上一页下一页返回（5-4）5.1磁路的基本知识5.1.3磁路基本定律1.安培环路定律安培环路定律又称全电流定律，是分析磁场的基本定律。其内容是:磁场强度矢量在磁场中沿任何闭合回路的线积分，等于穿过该闭合回路所包围面积内电流的代数和，即计算电流代数和时，绕行方向符合右手螺旋定则的电流取正号，反之取负号。上一页下一页返回5.1磁路的基本知识在电工技术中，常常遇到如图5-1(b)所示的情况，即闭合回路上各点的磁场强度H相等且其方向与闭合回路的切线方向一致，则安培环路定律可简化为∑I=Hl式中，l为回路(磁路)长度.由于电流I和闭合回路绕行方向符合右手螺旋定则，线圈有N匝，电流就穿过回路N次。因此∑I=NI=F所以Hl=NI=F（5-5）式中，F称为磁动势，单位是安（A）。上一页下一页返回5.1磁路的基本知识2.磁路的欧姆定律在如图5-1(b)中，磁通Φ为式中，称为磁阻，是表示磁路对磁通具有阻碍作用的物理量，它与磁路的材料及几何尺寸有关。式(5-6)与电路中的欧姆定律在形式上相似，称为磁路的欧姆定律。因为磁性材料的磁阻Rm不为常数，因此式(5-6)只能作定性分析，不能作定量计算。上一页下一页返回5.1磁路的基本知识3.电磁感应定律当流过线圈的电流发生变化时，线圈中的磁通也随之变化，并在线圈中出现感应电流，这表明线圈中感应了电动势。电磁感应定律指出，感应电动势为式中，N为线圈匝数。感应电动势的方向由的符号与感应电动势的参考方向比较而定。上一页下一页返回5.1磁路的基本知识当，即穿过线圈的磁通增加时，eo，这时感应电动势的方向与参考方向相反，表明感应电流产生的磁场要阻止原来磁场的增加;当，即穿过线圈的磁通减少时，e0,这时感应电动势的方向与参考方向相同，表明感应电流产生的磁场要阻止原来磁场的减少。上一页返回5.2交流铁芯线圈所谓交流铁芯线圈，是指线圈中加入铁芯，并在线圈两端加正弦交流电压。5.2.1线圈感应电动势与磁通的关系交流铁芯线圈是用正弦交流电来励磁的，其电磁关系与直流铁芯线圈有很大不同。在直流铁芯线圈中，因为励磁电流是直流，其磁通是恒定的，在铁芯和线圈中不会产生感应电动势。而交流铁芯线圈的电流是变化的，变化的电流会产生变化的磁通，于是会产生感应电动势。而交流铁芯线圈的电流关系也与磁路情况有关。下一页返回5.2交流铁芯线圈设线圈电压u、电流i、磁通Φ及感应电动势e的参考方向如图5-2所示，有式中，N为线圈匝数。在上式中，若设磁通为正弦量Φ=Φmsinωt，则有上一页下一页返回5.2交流铁芯线圈可见，磁通Φ为正弦量，感应电动势e也是正弦量，且感应电动势e的相位比磁通Φ的相位滞后90°，并且感应电动势的有效值与主磁通的最大值关系为上式是一个重要的公式，它清楚地说明铁芯线圈中的电磁转换的大小关系，在电机工程的分析计算中常常用到。上一页下一页返回5.2交流铁芯线圈在图5-2中，如果忽略线圈电阻及漏磁通，则有从上式中可见，若电压为正弦量时，磁通也为正弦量。且电压u的相位比磁通中的相位超前900,即在铁芯线圈两端加上正弦交流电压u，铁芯线圈中必定产生正弦交变的磁通中，以及感应电动势e，且均为同频率的正弦量，并且电压及感应电动势的有效值与主磁通的最大值关系为上式表明，在忽略线圈电阻R及漏磁通Φσ的条件下，当线圈匝数N及电源频率f一定时，主磁通的最大值Φm由励磁线圈的外加电压有效值U确定，与铁芯的材料及尺寸无关。上一页下一页返回（5-28）5.2交流铁芯线圈5.2.2交流铁芯线圈的功率损耗交流铁芯线圈的损耗包括铜损△PCu，和铁损△PFe两部分。铜损△PCu是线圈电阻R上的有功功率损耗，是由线圈导线发热引起的。铜损的值为△PCu=I2R式中，I是线圈电流，R是线圈电阻。铁损△PFe是处于交变磁化下的铁芯中的有功功率损耗，主要是由磁滞和涡流产生的。在磁化过程中产生的热损耗，称为磁滞损耗。硅钢是交流铁芯的理想材料，其磁滞损耗较小。上一页下一页返回5.2交流铁芯线圈当绕在铁芯上的线圈中通有交变电流时，铁芯中的主磁通也是交变的，磁路中交变的磁通不仅使线圈产生感应电动势，也会在铁芯中产生感应电动势，这个感应电动势使铁芯产生涡旋状的感应电流，称为涡流，如图5-3(a)所示。涡流使铁芯发热，其产生的功率损耗称为涡流损耗。上一页下一页返回5.2交流铁芯线圈工程中常用两种方法减少涡流损耗，一是增大铁芯材料的电阻率，在钢中渗透硅即保持了良好的导磁性，又使电阻率大大提高;二是用片型铁芯，片间涂上绝缘漆，用这种硅钢片叠成的铁芯代替整块铁芯，既加长了涡流路径，又增加了涡流电阻，使涡流损耗大大减少。片状铁芯如图5-3(b)所示。综上所述，交流铁芯线圈电路总的有功功率为P=UIcosφ=△PCu+△PFe=I2R+I2R0式中，R0是铁损对应的等效电阻。上一页返回5.3变压器的用途、结构及工作原理5.3.1变压器的用途变压器是根据电磁感应原理制成的一种静止的电气设备，具有变换电压、变换电流、变换阻抗的功能，因而在电力系统中和电子线路的各个领域得到广泛应用。在输电方面，当输送功率及负载功率因数一定时，电压越高，线路中的电流就越小，这样不仅可以减少输电线的截面积，节省材料，还可以减少线路的功率损耗，因此输电时必须利用变压器将电压升高。下一页返回5.3变压器的用途、结构及工作原理在用电方面，从安全和制造成本考虑，一般使用比较低的电压，如380V,220V,特殊的地方还要用到36V,24V或12V，这时需要利用变压器将电压降低到用户需要的电压等级。在电子线路中，变压器不仅用来变换电压，提供电源，还用来藕合电路，传递信号，实现阻抗匹配。在测量方面，可利用电压互感器、电流互感器的变压、变流作用，打一大交流电压表及交流电流表的测量范围。此外，在工程技术领域中，还大量使用各种不同的专用变压器，如自藕变压器、电焊变压器、电炉变压器、整流变压器等。虽然变压器的种类很多，用途各异，但基本结构和工作原理是相同的。上一页下一页返回5.3变压器的用途、结构及工作原理5.3.2变压器的结构变压器通常由一个公共铁芯和两个或两个以上的线圈(又称绕组)组成。按照铁芯和绕组结构形式的不同，分为心式变压器和壳式变压器两类，如图5-4所示。铁芯是变压器的磁路部分，为减少涡流和磁滞损耗，铁芯多用厚度为0.35~0.55mm的硅钢片叠成，硅钢片两侧涂有绝缘漆，使片间绝缘。心式变压器的绕组套在铁芯柱上，绕组装配方便，用铁量较少，多用于大容量变压器。壳式变压器的铁芯把绕组包围在中间，这种变压器制造工艺复杂，用铁量也较多，但不必使用专门的变压器外壳，常用于小容量的变压器，如电子线路的变压器。铁芯的叠装一般采用交错方式，即每层硅钢片的接缝错开，这样可降低磁路磁阻，减少励磁电流。上一页下一页返回5.3变压器的用途、结构及工作原理绕组是变压器的电路部分。与铁芯线圈不同，变压器通常有两个或两个以上的线圈，多数还需要以一定方式联接。一般小容量变压器绕组用高强度漆包线绕成，接电源的绕组称为原绕组(又称初级绕组或一次绕组)，接负载的绕组称为副绕组(又称次级绕组或二次绕组)。5.3.3变压器的工作原理变压器的基本原理是电磁感应原理，现以单相双绕组变压器为例说明其基本工作原理。上一页下一页返回5.3变压器的用途、结构及工作原理如图5-5所示，当原边绕组上加上电压u1时，流过电流i1，在铁芯中就产生交变磁通，其中绝大部分磁通经铁芯闭合，为主磁通Φ。此外还有很少一部分磁通经空气或其他非铁磁性物质闭合，为漏磁通Φσ，这两个磁通分别在线圈中感应主电动势e和漏感电动势eσ。两侧绕组分别感应主电动势e1、e2。e1和e2也按正弦规律变化，它们的有效值分别为E1=4.44fN1ΦmE2=4.44fN2Φm式中，f为频率，N为匝数；Φm为主磁通最大值。上一页下一页返回5.3变压器的用途、结构及工作原理1.变压器的电压变换作用当变压器副边空载时(副边开路，其电压设为U20),，如果忽略漏磁通和原边绕组上的压降(空载电流很小)，则原、副绕组的电动势近似等于原、副边电压，即U1≈E1U20≈E2此时，原、副边电压之比称为变压比或变比，即可见，电压比等于原、副边线圈的匝数比。因此，只要改变线圈的匝数比，就可得到不同的输出电压，从而达到变电压的目的。上一页下一页返回（5-10）5.3变压器的用途、结构及工作原理2.变压器的电流变换作用当变压器负载运行时，绕组电阻、铁芯的磁滞及涡流总会产生一定的能量损耗，但与其变压器输出功率相比，其值要小得多，一般情况下可以忽略不计。而将变压器视为理想变压器，此时输入变压器的功率全部输出给所接的负载，即U1I1=U2I2从前面的分析可以得出这表明变压器负载工作时，原、副边线圈的电流有效值I1和I2近似地与它们的匝数成反比。因此，变压器具有变换电流的作用，它在变换电压的同时也变换了电流。上一页下一页返回（5-11）5.3变压器的用途、结构及工作原理3.变压器的阻抗变换作用设接在变压器绕组的负载阻抗为Z，如图5-6(a)所示，在忽略变压器漏磁压降及电阻压降的情况下，用阻抗Z′代替图5-6(a)中虚线框内的部分，如图5-6(b)所示。等效后原绕组的电流I1,、电压U1均不改变。从图5-6(a),(b)两图，得负载阻抗的模为|Z|反映到原绕组的阻抗模|Z′|为上一页下一页返回（5-12）5.3变压器的用途、结构及工作原理上式表明，负载Z通过变比为k的变压器接至电源，与负载Z′直接接至电源的效果是一样的，从而实现了阻抗变换作用，因此采用不同的变比，可以把负