《电工电子技术 》课件-第4章 变压器及应用

第4章变压器及应用4.1磁路及基本物理量4.2磁路基本定律4.3交流铁芯线圈与电磁铁4.4变压器4.1磁路及基本物理量4.1.1磁路的概念电流产生磁场，即通电导体周围存在着磁场。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。下一页返回图4-1电气设备的磁路上一页返回4.1磁路及基本物理量4.1.2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。它的方向就是该点磁场的方向，它与电流之间的方向可用右手螺旋定则来确定，其大小是用一根电导线在磁场中受力的大小来衡量的。磁感应强度的大小也可用通过垂直于磁场方向单位面积的磁力线数来表示。2.磁通在磁场中，磁感应强度B与垂直于磁场方向的某一截面积S的乘积称为磁通Φ3．磁导率磁导率µ是一个用来表示磁场介质磁性的物理量，也就是用来衡量物质导磁能力的物理量，真空的磁导率是一个常量，任一种物质的磁导率µ和真空的磁导率µ0的比值，称为该物质的相对磁导率

上一页返回4.1磁路及基本物理量4.1.2磁路的主要物理量4.磁场强度磁场强度是进行磁场计算时引用的一个辅助计算量，也是矢量，用H表示。通过它来确定磁场与电流间的关系。当线圈中具有铁心时，因为铁磁物质的磁饱和现象、导磁系数不是常数，磁通与励磁电流之间不再是正比关系，这样在研究与计算磁路时就比较麻烦，为了简化起见，引入磁场强度这样一个辅助量，当磁路由一种磁性材料组成，且各处截面积S相等，如图5.2所示，根据磁路的安培环路定律，磁路的磁场强度为上一页返回4.2磁路基本定律4.2.1安培环路定律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2.磁路的欧姆定律上一页返回4.2磁路基本定律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，感应电动势为上一页返回4.3交流铁芯线圈与电磁铁4.3.1交流铁芯线圈交流铁芯线圈，是指线圈中加入铁芯，并在线圈两端加正弦交流电压。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。图4-4交流铁芯线圈在上式中，若设磁通为正弦量Φ=Φmsinωt，则有上一页返回4.3交流铁芯线圈与电磁铁4.3.1交流铁芯线圈感应电动势的有效值与主磁通的最大值关系为如果忽略线圈电阻及漏磁通，则有电压及感应电动势的有效值与主磁通的最大值关系为上一页返回4.3交流铁芯线圈与电磁铁4.3.2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。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;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。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。图4-5片状铁芯上一页返回4.3交流铁芯线圈与电磁铁4.3.3电磁铁图4-6电磁铁的几种形式利用通电线圈在铁心里产生磁场，由磁场产生吸力的机构统称为电磁铁。电磁铁是把电能转换为机械能的一种设备，通过电磁铁的衔铁可以获得直线运动和某一定角度的回转运动。电磁铁可分为线圈、铁心及衔铁三部分。主要有：1.直流电磁铁；2.交流电磁铁。上一页返回4.4变压器4.4变压器4.4.1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。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，扩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。上一页返回4.4.2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4-7所示。图4-7芯式变压器和壳式变压器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。绕组是变压器的电路部分，用绝缘铜导线或铝导线绕制，绕制时多采用圆柱形绕组。除了铁芯和绕组之外，变压器一般有外壳，用来保护绕组免受机械损伤，并起散热和屏蔽作用。较大容量的还具有冷却系统、保护装置以及绝缘套管等。大容量变压器通常采用三相变压器。4.4变压器上一页返回4.4.3变压器的工作原理图4-8变压器的工作原理图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。它们的有效值分别为E1=4.44fN1ΦmE2=4.44fN2Φm式中，f为频率，N为匝数；Φm为主磁通最大值。4.4变压器上一页返回4.4变压器4.4.3变压器的工作原理1.变压器的电压变换作用原、副边电压之比称为变压比或变比。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。上一页返回4.4.3变压器的工作原理4.4变压器2.变压器的电流变换作用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。上一页返回4.4变压器4.4.3变压器的工作原理3.变压器的阻抗变换作用图4-9变压器的阻抗变换从图4-9(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，可以把负载阻抗变换为所要求的值。在电子线路中，常用这种方法来实现阻抗的匹配，以提高信号的传输功能。上一页返回4.4变压器4.4.4特殊变压器1.自藕变压器自藕变压器只有一个绕组，其中高压绕组的一部分兼作低压绕组，因此高、低绕组之间不但有磁的联系，也有电的联系，如图4-10所示。自藕变压器与单相双绕组变压器一样，也可以用来变换电压与