磁路和变压器结构和原理

1、4.1 铁芯线圈、磁路磁路和变压器结构和原理4.2 变压器的基本结构和工作原理4.3 实用中的常见变压器学习目的与要点 电工技术中不仅要讨论电路问题，还将讨论磁路问题。因为很多电工设备与磁路都有关系，如电力系统中广泛应用的变压器、电动机、发电机、电磁铁及电工测量仪表等。 为了更好的学习变压器、电机、电器的工作特性及应用，首先在理解有关磁路的问题。磁路问题与磁场有关，与磁介质有关，而且磁场往往还与电流相关联，因此本章要先从磁路、磁场及其基本物理量进行研究。 通过本章学习，要求理解磁场的基本物理量、磁性材料的磁性能、交流铁心线圈电路；熟悉变压器的结构组成及其绕组极性测定的方法。掌握变压器的工作原理

2、(包括变压、变流和阻抗变换作用)；了解磁路及其基本定律、电磁铁、特殊变压器等。4.1 铁芯线圈、磁路 工程应用实际中，大量的电气设备都含有线圈和铁心。当绕在铁芯上的线圈通电后，铁芯就会被磁化而形成铁芯磁路，磁路又会影响线圈的电路。因此，电工技术不仅有电路问题，同时也有磁路问题。 常用电气设备铁芯示意图中红色虚线表示磁路中的工作主磁通的路径；紫色虚线表示通过空气闭合的极少部分漏磁通。1. 磁路的基本物理量ui磁通 线圈通电后使铁芯磁化，形成铁芯磁路。 通过磁路横截面的磁力线总量称为磁通，用“”来表示。单位是韦伯Wb。 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，即： 磁通是标

3、量。其大小反映了与磁场相垂直的某个截面上的磁场强弱情况。磁通的国际单位制中还有较小的单位称为麦克斯韦Mx，韦伯和麦克斯韦之间的换算关系为：1Wb=108Mx(1)磁通(2)磁感应强度 磁感应强度是表征磁场中某点强弱和方向的物理量。用大写字母“B”表示。B是矢量，B的方向就是置于磁场中该点小磁针N极的指向。匀强磁场中，B的大小可用载流导体在磁场中所受到的电磁力来定义。即： 上式中，电磁力F的单位是牛顿N、电流的单位是安培A、导体的有效长度(与磁场方向相垂直方向的长度投影)单位是米m时，磁感应强度B的单位是特斯拉T。 由=BS可知，匀强磁场中某截面S上B值越大，穿过该截面上的磁力线总量越多。因此，

4、磁感应强度也常称为磁通密度。磁感应强度的国际单位制中还有较小的单位高斯Gs，特斯拉和高斯之间的换算关系为：1T=104Gs 磁导率是反映自然界物质导磁能力的物理量，用希腊字母“”表示 。物质的种类很多，且导磁能力也各不相同，为了有效地区别它们各自的导磁能力，我们引入一个参照标准真空的磁导率0: 自然界中各种物质的磁导率均与真空的磁导率相比，可得到不同的比值，我们把这个比值称为相对磁导率，用“r”表示，即： 显然，相对磁导率无量纲，其值越大，表明该类物质的导磁性能越好；反之，导磁性能越差。(3) 磁导率 根据相对磁导率r值的不同，自然界的物质大致可分为两大类： (1)非磁性物质 如空气、塑料、铜

5、、铝、橡胶等。这些物质的导磁能力很差，磁导率均与真空的磁导率非常接近，它们的相对磁导率均约等于1。非磁性物质的磁导率可认为是常量。 如铁、镍、钴、钢及其合金等。这些物质的导磁能力非常强，其磁导率一般为真空的几百、几千乃至几万、几十万倍。如铸铁，其相对磁导率r200400；铸钢的相对磁导率r5002200；硅钢的r700010000；坡莫合金的r20000200000。显然，铁磁物质的磁导率不是常量，而是一个范围，即随外部条件变化。铁磁性物质的相对磁导率大大于1。(2)铁磁性物质(4)磁场强度 磁场强度也是表征磁场中某点强弱和方向的物理量，用大写字母“H”表示。H也是矢量，H的方向也是置于磁场中

6、该点小磁针N极的指向。磁场强度和磁感应强度有何区别和联系？ 磁感应强度是描述磁路介质的磁场某点强弱和方向的物理量，与介质的导磁率有关；磁场强度是描述电流的磁场强弱和方向的物理量，与介质的导磁率无关。它们之间的联系为： 磁场强度H的单位有安每米和安每厘米，二者之间的换算关系为：1A/m=10-2A/cm2. 磁路欧姆定律 交流铁芯线圈磁路通常由硅钢片叠压制成，导磁率很高。当套在铁芯上的线圈通电后，铁芯迅速被磁化，成为一个人为集中的强磁场。ui磁路部分电路部分交流铁芯线圈示意图 电流通过N匝线圈所形成的磁动势用Fm=NI表示，磁路对磁通所呈现的阻碍作用用磁阻Rm表示，磁动势、磁通和磁阻三者之间的关

7、系可表述为：磁路欧姆定律 磁路欧姆定律中的磁阻Rm与磁导率有关，因此对铁芯磁路来讲是一个变量，定量计算很复杂，因此没有电路欧姆定律应用得那么广泛，通常只用来定性分析磁路的情况。铁磁材料内部往往有相邻的几百个分子电流圈流向一致，这些分子电流产生的磁场叠加起来，就形成了一个个天然的小磁性区域磁畴。不同铁磁物质内部磁畴的数量不同。通常情况下，铁磁材料内部的磁畴排列杂乱无章，其磁性相互抵消，因此对外不显示磁性。 铁磁材料之所以具有高导磁性。是因为在其内部具有一种特殊的物质结构磁畴。这些磁畴相当于一个个小磁铁。磁畴是怎么形成的？显然，磁畴是由分子电流产生的。(1)高导磁性有外磁场作用时磁畴在外界磁场的作

8、用下，均发生归顺性转向，使得铁磁材料内部形成一个很强的附加磁场。3. 铁磁物质的磁性能磁滞回线中H为零时B并不为零 的现象说明铁磁材料具有剩磁性。BH0cba起始磁化曲线oa段是线性段ab段是上升段bc段是磁化曲线的膝部C点以后是饱和段起始磁化曲线反映了什么？ 起始磁化曲线的ab段反映了铁磁材料的高导磁性；c点以后说明铁磁材料具有磁饱和性。磁滞回线中B的变化总是落后于H的变化说明铁磁材料具有磁滞性。铁磁材料反复磁化一周所构成的曲线称为磁滞回线。（2）铁磁材料的磁饱和性、磁滞性和剩磁性软磁材料具有磁导率很高、易磁化、易去磁的显著特点，适用于制作各种电机、电器的铁心。软磁材料4、铁磁材料的分类和用

9、途 铁磁材料根据工程上用途的不同可以分为三大类：硬磁材料的磁导率不太高、但一经磁化能保留很大剩磁且不易去磁，适用于制作各种永久磁体。硬磁材料矩磁材料磁导率极高、磁化过程中只有正、负两个饱和点，适用于制作各类存储器中记忆元件的磁芯。矩磁材料BH0软磁性材料磁滞回线包围的面积很小。BH0硬磁性材料磁滞回线包围的面积很宽大。BH05. 铁芯损耗 根据电流的热效应原理，涡流通过铁芯时将使铁芯发热，显然涡流增加设备绝缘设计的难度，涡流严重时会造成设备的烧损。在交变磁场作用下，整块铁芯中产生的旋涡状感应电流称为涡流。涡流对电气设备有何影响？为减小涡流损耗，常用硅钢片叠压制成电机电器的铁芯。(1)磁滞损耗

10、铁磁材料反复磁化时，内部磁畴的极性取向随着外磁场的交变来回翻转，在翻转的过程中，由于磁畴间相互摩擦而引起的能量损耗称为磁滞损耗。磁滞损耗使铁芯发热。(2)涡流损耗 主磁通原理告诉我们:只要外加电压有效值及电源频率不变，铁芯中工作主磁通最大值m也将维持不变。6. 主磁通原理ui 对交流铁芯线圈而言，设工作主磁通为： 可得： 交变磁通穿过线圈时，在线圈中感应电压，其值为：主磁通原理例分析某含有气隙的铁芯线圈，线圈两端加有效值为U的交流电压，当气隙增大时，铁芯中的主磁通是增大还是减小？线圈中的电流如何变化？气隙增大时，铁芯磁路中的磁阻增加，但由于电源电压效值为U和频率f 并无改变，根据主磁通原理可知

11、，铁芯磁路中的工作主磁通并不发生改变。根据磁路欧姆定律： 磁通不变，则上式中的比值也应不变。因此，当磁阻Rm增大时，线圈中通过的电流必定增大。例分析一个交流电磁铁，因出现机械故障，造成通电后衔铁不能吸合，结果把线圈烧坏，试分析其原因。电磁铁线圈中的额定电流是根据吸合后的电流限值设定的。当通电后不能吸合时，由于铁芯和衔铁之间存有一定的气隙，造成铁芯磁路中的磁阻大大增加。民主磁通原理可知，此时铁芯磁路中的工作主磁通并不发生改变。若要满足磁路欧姆定律：就必须增大线圈中的电流，而且气隙虽小，但磁阻远大于铁芯中的磁阻，此时线圈电流将是额定电流的许多倍，从而造成线圈烧毁。你能说出根据导磁性能的不同自然界中

12、物质的分类吗？你会做吗？您能很快说出磁场几个物理量的单位吗？能否说出B和H的区别和联系？ 磁通、导磁率、磁感应强度B和磁场强度H分别表征了磁路的哪些特征？ 铁磁物质具有哪些磁性能？铁芯中存在哪些损耗？铜和铝能被磁 化吗 ？检验学习结果根据工程上用途的不同？铁磁性材料可分为几类？能否说出它们的特点和用途？1. 变压器的基本结构4.2 变压器的基本结构和工作原理u1i10AXN1N2u20axS用硅钢片叠压制成的变压器铁芯。与电源相接的一次侧绕组。|ZL|与负载相接的二次侧绕组。 变压器的主体结构是由铁芯和绕组两大部分构成的。变压器的绕组与绕组之间、绕组与铁芯之间均相互绝缘。u20AXaxS|ZL

13、|2. 变压器的工作原理u1i10N1N2(1)变压器的空载运行与变换电压原理 交变的磁通穿过N1和N2时，分别在两个线圈中感应电压： 计算它们的比值：有： 显然，改变线圈绕组的匝数即可实现电压的变换。且k1时为降压变压器；k1时为升压变压器。变压比，简称变比AX|ZL|axN2SN1u2u1i1(2)变压器的有载运行与变换电流原理变压器负载运行时，一次侧电流由i0变为i1，二次侧产生负载电流i2，而电压u20相应变为u2。 变压器负载运行时，二次侧电流i2产生副边磁动势I2N2，该磁动势对I0N1起削弱作用。i2 根据主磁通原理，只要电源电压和频率不变，铁芯中的工作主磁通的数值将维持不变。因

14、此，原边电流i0 相应增大为i1，原边磁动势也增大为I1N1，增大的部分恰好与二次侧磁动势相平衡。此时的磁动势方程式为： 磁动势平衡方程式告诉我们：变压器二次侧电流i2的大小是由负载决定的，但二次侧的能量来源于一次侧，两侧电路并没有直接的电的联系，而是通过磁耦合把能量从原边传递到副边。 由上式可得： 变压器铁芯的导磁率很高，因此满足工作主磁通需要的磁动势I0N1很小，和I1N1相比可忽略不计，所以磁动势平衡方程式又可改为： 变压器在能量传递的过程中损耗很小，因此一次侧和二次侧的容量近似相等，有：变流比ce能量传递过程中，变压器在变换电压的同时也变换了电流。(3)变压器的阻抗变换作用AX|ZL|

15、axN2SN1u2u1i1i2 设变压器副边所接负载为|ZL|，原边等效输入阻抗为|Z1|，则有：将变压器的变压比公式和变流比公式代入上式得： 上式告诉我们：只要改变变压器的匝数比，即可获得合适的二次侧对一次侧的反射阻抗|Z1|。式中k2称为负载阻抗折算到一次侧时的变换系数。已知某收音机输出变压器的原边匝数为600，副边匝数为30，原边原来接有16的扬声器。现因故要改接成4扬声器，问输出变压器的匝数N2应改为多少？例解收音机电路中，输出变压器所起的作用是：让扬声器阻抗与晶体管的输出端阻抗匹配，以使负荷上获得最大功率，从而驱动喇叭振动发出声音。收音机原阻抗变换系数为：反射阻抗：改换成4扬声器后：

16、设交流信号源电压U=100V，内阻R0=800，负载RL=8。(1)将负载直接接至信号源，负载获得多大功率？(2)经变压器阻抗匹配，求负载获得的最大功率是多少？此 时变压器变比是多少？ 例解负载直接与信号源相接时，负载上获得的功率为： 阻抗匹配时，负载折算到原绕组的反射阻抗等于800。因此负载上获得的最大功率为：变压器的变比为： 变压器输出电压u2随负载电流 i2变化的关系称为它的外特性，即：u2U2Ni2I2N0cos(-2超前cos2=1cos2滞后3. 变压器的外特性u2f（i2）外特性可用右图所示曲线描述。(1)负载为纯电阻性质时，cos=1，输出电压u2随负载电 流i2的增加略有下降

17、； 结论负载的功率因数对变压器的外特性影响很大。(2)负载为感性时，u2随i2的增加下降的程度加大；(3) 负载为容性时，输出特性曲线呈上翘状态，说明u2随 i2的增加反而加大。 变压器外特性变化的程度，可以用电压调整率U%来表示。电压调整率定义为：变压器由空载到额定I2N满载时，副边输出电压u2的变化程度。4. 电压调整率 电压调整率反映了变压器运行时输出电压的稳定性，是变压器的主要性能指标之一。 5. 变压器的损耗和效率变压器的损耗有铁耗和铜耗： 变压器工作时由于主磁通不变，因此铁损耗也基本维持不变，通常称铁耗为不变损耗；铜耗随负载电流变化，称为可变损耗。 变压器的效率是指变压器的输出功率

18、P2与输入功率P1的比值，通常百分数表示，即： 变压器没有旋转部分，因此效率比较高。控制装置中的小型电源变压器的效率通常在80%以上；电力变压器的效率一般可达95%以上。 变压器在运行中需注意，并非运行在额定负载时效率最高。实践证明，变压器所带负载为满载的70%左右时效率最高。因此，应根据负载情况采用最好的运行方式。譬如控制变压器运行台数，投入适当容量的变压器等，以使变压器能够处在高效率情况下运行。变压器能否变换直流电压？为什么？你会做吗？已知变压器UIN=220V，为使铁心不致饱和，规定m，问变压器原线圈至少应绕多少匝？ 欲制作一个220/110V的小型变压器，能否原边绕2匝，副边绕1匝？为

19、什么？ 若不慎将额定值110/36V的小容量变压器原边接到110V直流电源上，副边会产生什么情况？原边呢？检验学习结果一个交流电磁铁，额定值为工频电220V，现不慎接在了220V的直流电源上，问会不会烧坏？为什么？讯号式温度计吸湿计储油柜安全气道油表气体继电器高压套管低压套管分接开关油箱铁芯绕组放油阀门老式电力变压器的结构图4.3 实用中的常见变压器1. 电力变压器及其用途新式电力变压器的结构图 显然，电力变压器主要也是由铁芯和绕组两大部分构成，另外加上一些外部辅助和保护设备。(1)发电机出口电压一般不太高，因此无法将电能输送到远处。利用变压器变换电压的作用，将发电机出口电压升高，就可达到向远

20、距离输送电能的目的。 电力变压器的用途(2)用户不能直接使用传输的高压电。必须利用电力变压器将高压变换为低压配电值，满足各类用户对不同电压的需求。 电力系统中，电力变压器的应用十分广泛，电力变压器对电能的经济传输，合理分配和安全使用也都具有十分重要的意义。定义：把普通双绕组变压器的高压侧绕组和低压侧绕组相串联，即可构成一台自耦变压器，如下图所示。连成自耦变压器实际自耦变压器2. 自耦变压器(自耦调压器) 实际应用中，自耦变压器只用一个绕组，原绕组匝数较多，原绕组的一部分兼作副绕组。两者之间不仅有磁的耦合，而且还有电的直接联系。普通双绕组变压器AXaxN1N2AN1XaxN2AXaxN1N2u1

21、u2 自耦变压器的工作原理和普通双绕组变压器相同。因此，其变比公式与双绕组变压器一样，即：实验室中单相调压器结构原理图实验室中单相和三相调压器的实物图优点：额定容量相同时，自耦变压器与双绕组变压器相比，其单位容量所消耗的材料少、变压器的体种小、造价低，而且铜耗和铁耗都小，因而效率较高。自耦调压器的特点缺点：由于原、副边共用一个绕组，因此当高压侧遭受过电压时，会波及低压侧，为避免危险，需在自耦变压器的原、副边都装设避雷器。结论自耦调压器不能当作安全变压器来使用。3. 电焊变压器 电焊变压器是专供电焊机使用的特殊变压器。工厂和施工工地广泛使用的交流电焊机就是由一个电焊变压器和一个可变电抗器构成的。其中电焊变压器是一个降压变压器。u1u26070Vi2手柄焊钳2530V工件对电焊变压器的要求：空载时要有约为6070V足够大的引弧电压；焊接时要求电压陡降，额定负载下电压约2530V。在焊条与工件相碰不起弧、即副边短路时，短路电流要求不能过大。此外，还要求能够调节焊接电流的大小。变压器电抗器可动铁心u2/Vi2/A07030IN电焊变压器外特性 电压互感器和电流互感器又称为仪用互感器，是电力系统中使用的测量设备，其工作原理与变压器基本相同。1. 与小量程的标