电工电子技术基础第3章 磁路与变压器

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第3章磁路与变压器1.磁路3.1磁路的根本概念内容提要1.磁路的根本概念；2.变压器；3.特殊用途变压器。一、磁场的根本物理量磁路是用来将磁场聚集在空间一定范围内的总体，实质上是局限在一定路径内的磁场。磁场中的各个根本物理量也适用于磁路。2024/4/5〔1〕磁感应强度B

磁感应强度是描述空间某点磁场强弱与方向的物理量。

即：B的方向即该点的磁场方向，与产生该磁场的电流之间的方向关系符合右手螺旋法那么。式中：F—牛顿〔N〕，q—库仑〔C〕，v—米每秒〔m/s〕，B—特［斯拉］〔T〕。

第3章磁路与变压器2.磁场的根本物理量2024/4/5〔2〕磁通量Ф磁通量Ф〔或称为磁通〕是表示穿过某一截面S的磁感应强度矢量B的通量，也可理解为穿过该截面的磁力线总数。

即：Φ的方向与B的方向相同，即与产生该磁场的电流之间的方向关系符合右手螺旋法那么。式中：S—平方米〔m2〕Φ—韦［伯］〔Wb〕，B—特［斯拉］〔T〕。

第3章磁路与变压器2024/4/5〔3〕磁场强度H

磁场中某点的磁场强度的大小等于该点的磁感应强度与介质导磁率的比值。

即：磁场强度的大小只与其鼓励电流有关，而与介质材料的导磁性能无关。H的方向与该点的磁感应强度B的方向一致。式中：S—安/米〔A/m〕

第3章磁路与变压器〔4〕导率μ

磁导率μ是表示物质导磁性能的物理量。其SI单位是亨/米〔H/m〕。

第3章磁路与变压器

真空中的磁导率为的物质称为非磁性材料；的物质称为铁磁性材料；1.铁磁性物质的磁化二、铁磁性材料的磁性能〔1〕磁畴：在铁磁性物质内部存在许多体积约10-9cm3的磁化小区域，称为磁畴。〔2〕在没有外磁场作用时，这些磁畴的排列是无序的，它们所产生的磁场的平均值几乎等于零，对外不显示磁性。〔3〕在一定的外磁场作用下，这些磁畴将转向外磁场方向，作有序排列，显示出很强的磁性，形成磁化磁场。从而使铁磁性物质内的磁感应强度大大增强，这就是铁磁性物质在外磁场作用下产生的磁化现象。〔4〕非磁性材料内没有磁畴结构，所以不具有磁化特性。

第3章磁路与变压器2024/4/5〔a〕磁化前(b)磁化后

第3章磁路与变压器2024/4/5

由于磁化现象，从而使铁磁性材料具有高导磁性能，其磁导率很大，是工业生产中用于制造电机、电器与电工仪表的主要材料。利用铁磁性物质的高导磁性，可用较小的励磁电流产生足够大的磁通，如优质的铁磁性物质可使相同容量的变压器或电动机的重量和体积大大减小。

铁磁性材料还具有磁饱和性。当外加磁场H增加到一定程度后，即便H再继续增加，B的数值几乎不再增长，即进入饱和状态了。

第3章磁路与变压器2.高导磁性3.磁饱和性2024/4/5

磁滞性表现在铁磁性物质在交变磁场中反复磁化时，磁感应强度的变化总是滞后于磁场强度的变化。磁滞性是由于分子热运动所产生的。在交变磁化过程中，磁畴在外磁场作用下不断转向，但它的分子热运动又阻止其转向。故磁畴的转向总是跟不上外加磁场的变化，从而产生了磁滞现象。4.磁滞性

第3章磁路与变压器2024/4/5

第3章磁路与变压器〔1〕软磁性材料：容易被磁化，但去掉外磁场后，磁性大局部消失。如硅钢、铸铁、铸钢、电工钢、坡莫合金、铁氧体等都属于软磁性材料。常被用来制造变压器、交流电机和各种继电器的铁心等。5.铁磁性物质的分类和用途〔2〕硬磁性材料：须用较强的外磁场才能使之磁化，但去掉外磁场后，磁性不易消失，将保存下很强的剩磁。如碳钢、钴钢、铝镍钴合金、钕铁硼等都属于硬磁性材料。适用于制造永久磁铁、磁电式仪表、永磁式扬声器、耳机中的永久磁铁和小型直流电机中的永磁磁极等。2024/4/5〔3〕矩磁性材料：很容易被磁化，剩磁大〔不易去磁〕。如镁锰铁氧体及锂锰铁氧体等。适用于存储与记录信号，常用来制作记忆元件，比方比方计算机内部存储器的磁心和外部设备中的磁鼓、磁带及磁盘等。

第3章磁路与变压器2024/4/5

第3章磁路与变压器1.涡流及涡流损耗二、涡流与趋肤效应〔1〕涡流：铁心线圈在外加交流电源作用下，产生交变磁通穿过铁心，使得铁心内部产生感应电动势和感应电流。由于这种电流在铁心中自成回路，其形状如同水中旋涡，所以称做涡流。2024/4/5

第3章磁路与变压器〔2〕涡流损耗：涡流所经路径是有电阻的，因此会消耗能量而使得铁心发热，这种由涡流引起的电能损耗叫做涡流损耗。涡流的大小与铁心材料的电阻率成正比，与铁心的厚度成反比。故减小涡流损耗常用两种方法：一是增大铁心材料的电阻率，在钢片中渗入硅能使其电阻率大大提高。二是把铁心沿磁场方向剖分为许多薄片且相互绝缘后再叠装成铁心，以减小铁心的厚度，增大铁心中涡流路径的电阻。2024/4/5

第3章磁路与变压器2.趋肤效应〔1〕直流电通过导线时：导线横截面上各处的电流密度相等。〔2〕交流电通过导线时：导线横截面上电流的分布是不均匀的，越靠近导线中心处电流密度越小；越靠近导线外表电流密度越大。此种交变电流在导线内趋于导线外表流动的现象叫做趋肤效应〔也叫集肤效应〕。2024/4/5

第3章磁路与变压器2024/4/5〔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。它具有变换电压、变换电流、变换阻抗等作用。被广泛应用于电力系统、测量系统、电子线路和电子设备中。

第3章磁路与变压器1.变压器的用途和分类3.1变压器一、变压器的用途、分类和根本结构2024/4/5

第3章磁路与变压器〔2〕变压器的分类：按交流电的相数不同一般分为：单相变压器和三相变压器；按用途可为：输配电用的电力变压器，局部照明和控制用的控制变压器，用于平滑调压用的自耦变压器，电加工用的电焊变压器和电炉变压器，测量用的仪用互感器以及电子线路和电子设备中常用的电源变压器、耦合变压器、输入输出变压器、脉冲变压器等。2024/4/5

第3章磁路与变压器简单的电力系统示意图2024/4/5变压器的种类很多，结构形状各异，用途也各不相同，但其根本结构和工作原理却是相同的。变压器的主要结构是铁心、绕组、箱体及其它零部件。

第3章磁路与变压器2.变压器的根本结构2024/4/5〔1〕铁心铁心是变压器的主磁路，又作为绕组的支撑骨架。为了减少铁心内的磁滞和涡流损耗，通常采用含硅量为5%、厚度为0.35mm或0.5mm、两平面涂绝缘漆或经氧化膜处理的硅钢片叠装而成。按绕组套入铁心的形式，变压器分为心式和壳式两种。

第3章磁路与变压器(a)心式(b)壳式2024/4/5〔2〕绕组绕组是变压器的电路局部，一般用高强度漆包铜线〔也可用铝线〕绕制而成。接高压电网的绕组称高压绕组，接低压电网的绕组称低压绕组。〔3〕油箱及其它零部件油箱、贮油柜、绝缘导管、分接开关、气体继电器、平安气道、测温器等。

第3章磁路与变压器2024/4/5次级：与负载相接的绕组称二次绕组〔又称副边或次级绕组〕，匝数为N2，其电压、电流、电动势分别用表示。

第3章磁路与变压器初级：接电源的绕组称为一次绕组〔又称原边或初级绕组〕，匝数为N1，其电压、电流、电动势分别用表示。二、变压器的工作原理2024/4/5

第3章磁路与变压器1.变压器的变压原理〔变压器的空载运行〕

在u1的作用下，原绕组中有电流i1通过，此时i1=i0称为空载电流。它在原边建立磁动势i0N1，在铁心中产生同时交链着原、副绕组的主磁通Φ，主磁通Φ的存在是变压器运行的必要条件。2024/4/5根据电磁感应原理，主磁通会在原、副绕组中分别产生频率相同的感应电动势e1和e2。

第3章磁路与变压器由于原、副绕组本身阻抗压降很小，可以近似认为由此可以得出原边电压与副边电压之间的关系为2024/4/5K称为变压器的变压比〔简称为变比〕，该式说明变压器原、副绕组的电压与原副绕组的匝数成正比。当K>1时为降压变压器，K<1时为升压变压器。对于已经制成的变压器而言，值一定，故副绕组电压随原绕组电压的变化而变化。

第3章磁路与变压器2024/4/5【例3-1】某单相变压器接到U1=220V伏的正弦交流电源上，副边空载电压U20=20伏，副绕组匝数匝。求：变压器的变压比K及原边匝数N1。解：变压比

第3章磁路与变压器原边匝数2024/4/5

第3章磁路与变压器2.变压器的变流原理〔变压器的负载运行〕接上负载后，副绕组中便有电流i2通过，原绕组中的电流由i0变到i1，以抵消副边电流的去磁作用。正是负载的去磁作用和原边电流所作的相应变化以维持主磁通不变的这种特性，使得变压器可以通过电与磁的联系，把输入到原边的功率传递到副边电路中去。此概念是相当重要的。2024/4/5当变压器在额定负载下运行时，励磁分量i0很小，约为原边额定电流的〔2～１０〕%，在分析原、副边电流的数量关系时，可将i0忽略不计。于是有

第3章磁路与变压器说明，变压器负载运行时，其原绕组和副绕组电流有效值之比，等于它们匝数比的倒数，即变压比的倒数。这也就是变压器的电流变换原理。 2024/4/5变压器的原边接上电源电压，副边接入负载阻抗，从原边看进去，可用一个阻抗来等效，

第3章磁路与变压器3.变压器的变阻抗原理当副边的负载阻抗一定时，通过选取不同的匝数比的变压器，在原边可得到不同的等效阻抗。在一些电子设备中，利用变压器将负载的阻抗变换到正好等于电源的内阻抗，即“阻抗匹配〞。2024/4/5

第3章磁路与变压器【例3-2】一个R=10Ω的负载电阻，接在电压有效值U=12V、内阻R0=250Ω的交流信号源上。求：〔1〕上获得的功率；〔2〕假设在负载与信号源之间接入一个变压器进行阻抗变换，为使该负载获得最大功率，需选择多大变压比的变压器？〔3〕上获得的最大功率。2024/4/5

第3章磁路与变压器解：〔1〕RL直接接到电源上时，RL上获得的功率为P〔2〕阻抗匹配时变压器的变压比为〔3〕RL上获得的最大功率为PLmax很显然，利用变压器使其负载阻抗与电源内阻抗相匹配，可以获得较高的功率输出。2024/4/5变压器的效率就定义为输出功率P2与输入功率P1的百分比，即

第3章磁路与变压器4.变压器的效率由于变压器中没有转动的局部，故效率较高。通常在额定负载的80%左右时，变压器的工作效率最高。小型变压器的效率约为60%～90%，大型电力变压器的效率可达99%。2024/4/5

第3章磁路与变压器1.额定电压U1N、U2N三、变压器的额定值原绕组额定电压U1N：变压器在额定运行情况下，根据变压器的绝缘等级和允许温升所规定的原绕组的电压值。副绕组的额定电压U2N：指变压器空载、原绕组加上额定电压时，副绕组两端的空载电压。三相变压器的额定电压是指其线电压。2024/4/5

第3章磁路与变压器2.额定电流I1N、I2N是指变压器在额定运行情况下，根据绝缘材料所允许的温升而规定的原、副绕组中允许长期通过的最大电流值。三相变压器的额定电流是指其线电流。3.额定频率f我国规定标准工业频率为50Hz2024/4/5

第3章磁路与变压器4.额定容量SN额定容量是指变压器副边输出的视在功率，单位是VA或KVA。单相变压器三相变压器36

第3章磁路与变压器3.3特殊用途变压器一、自耦调压器(a)单相自耦调压器的外形图(b)单相自耦调压器的原理图(c)三相自耦变压器的原理图2024/4/5

第3章磁路与变压器使用自耦调压器时还应注意如下几点：〔1〕原绕组接交流电源，副绕组接负载，不能接错，否那么可能会发生触电事故或烧毁变压器。所以，自耦变压器不允许作为平安变压器使用。〔2〕接通电源前，应将调压器上的手柄〔滑动触头〕旋至零位，通电后再逐渐将输出电压调到所需数值。使用完毕后，手柄应退回到零位。38