模块五 磁路和变压器项目一项目一 磁场的基本物理量磁场的基本物理量1、磁感应强度、磁感应强度B 磁感应强度B是表示磁场内某点的磁场强弱及方向的物理量。它是一个空间矢量，其方向与该点磁力线切线方向一致，与产生该磁场的电流之间的方向关系符合右螺旋法则，其大小可用BF/Il来衡量。若磁场内各点的磁感应强度大小相等、方向相同，则称此磁场为均匀磁场。在国际单位制（SI）中，磁感应强度的单位是（特斯拉T）。 2、磁通、磁通 在均匀磁场中，磁感应强度B（如果不是均匀磁场，则取B的平均值）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，即 由此可见，磁感应强度B在数值上等于垂直磁场方向的单位面积S上通过的磁通，故磁感应强度又称为磁通密度。在国际单位制中，磁通的单位是伏秒，通常称为韦伯（Wb），简称韦。3、磁场强度、磁场强度H 磁场强度H是计算磁场时所引用的一个物理量，也是一个矢量，通过它来确定磁场与电流之间的关系，即 上式是安培环路定律，又称为全电流定律的数学表达式，它是计算磁路的基本公式。其中Hdl是磁场强度矢量H沿任意闭合回线 l（常取磁通作为闭合回线）的线积分， I是穿过该闭合回线所围面积的电流的代数和。它的单位是安米（Am）。4、磁导率、磁导率 磁导率是用来表示磁场媒质磁性的物理量，即用来衡量物质导磁性能的物理量。它与磁场强度的乘积等于磁感应强度，即 BH 磁导率的单位是亨米（Hm）。真空的磁导率4107Hm。任意一种物质的磁导率与真空的磁导率之比称为相对磁导率，用r表示，即 项目二项目二 磁性材料和磁路的欧姆定律磁性材料和磁路的欧姆定律1. 磁性材料的磁性能磁性材料的磁性能 自然界的所有物质按其磁导率的大小，可分为磁性材料和非磁性材料两大类。磁性材料的导磁性能好，磁导率大，如铁、钢、镍及钴等；非磁性材料的导磁性能差，磁导率小，如铜、铝、纸和空气等。 磁性材料是制造变压器、电机及电器等各种电气设备的主要材料，磁性材料的磁性能对电磁器件的性能和工作状态有很大影响，磁性材料的磁性能主要表现为高导磁性、磁饱和性和磁滞性。 （1）高导磁性）高导磁性 磁性材料具有很强的导磁能力，在外磁场作用下，其内部的磁感应强度会大大增强，相对磁导率可达几百、几千甚至几万。 磁性材料的磁性能被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。利用优质的磁性材料可使同一容量电机的重量和体积大大减小。 （2）磁饱和性）磁饱和性 在磁性材料的磁化过程中，随着励磁电流的增大，外磁场和附加磁场都将增大，但当励磁电流增大到一定值时，几乎所有的磁畴都与外磁场的方向一致，附加磁场就不再随励磁电流的增大而继续增强，整个磁化磁场的磁感应强度BJ接近饱和，这种现象称为磁饱和现象，如图5-2所示。 其中B0是在外磁场作用下如果磁场内不存在磁性材料时的磁感应强度，若将BJ曲线和B0直线的纵坐标相加，便得出BH磁化曲线。此曲线可分成三段：0a段的B与H差不多成正比地增加；ab段的B增加较缓慢，增加速度下降；b点以后部分的B增加很小，逐渐趋于饱和。 当有磁性材料存在时，B与H不成正比，所以磁性材料的磁导率不是常数，它将随着H的变化而变化，如图5-3所示为f（H）曲线。由于磁通与B成正比，产生磁通的励磁电流I与H成正比，所以在有磁性材料的情况下，与I也不成正比，对于不同的磁性材料，其磁化曲线也不相同。（3）磁滞性）磁滞性 当磁性线圈中通有交变电流时，磁性材料将受到交变磁化。在电流交变的一个周期中，磁感应强度B随磁场强度H变化的关系如图5-4所示。由图可见，当磁场强度H减小时,磁感应强度B并不沿着原来这条曲线回降，而是沿着一条比它高的曲线缓慢下降。这种磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁性物质的磁滞性。 当线圈电流减小到零时，磁场强度H也减小到零时，磁感应强度B并不等于零而仍然有一定的值，磁性材料仍然保有一定的磁性，这部分剩余的磁性称为剩磁，用Br表示（见图5-4）。如果要去掉剩磁，使B=0，必须施加一反方向磁场强度（Hc），Hc的大小称为矫顽磁力，它表示铁磁材料反抗退磁的能力。在磁性材料反复磁化的过程中，表示B与H变化关系的封闭曲线称为磁滞回线，如图5-4所示。 不同的磁性材料，其磁性能、磁化曲线和磁滞回线也不相同。磁性材料按其磁性能可分为软磁材料、硬磁材料（又称永磁材料）和矩磁材料三种类型。 软磁材料的剩磁和矫顽磁力较小，磁滞回线形状较窄，所包围的面积较小，但磁化曲线较陡，即磁导率较高。它既容易磁化，又容易退磁，常见的软磁材料有纯铁、铸铁、硅钢、玻莫合金以及非金属软磁铁氧体等。一般用于有交变磁场的场合，如用来制造镇流器、变压器、电动机以及各种中、高频电磁元件的铁心等。非金属软磁铁氧体在电子技术中应用也很广泛，如计算机的磁心、磁鼓及录音机的磁带、磁头等。 硬磁材料的剩磁和矫顽磁力较大，磁滞回线形状较宽，所包围的面积较大，适用于制作永久磁铁，如扬声器、耳机、电话机、录音机以及各种磁电式仪表中的永久磁铁都是硬磁材料制成的，常见硬磁材料有碳钢、钴钢及铁镍铝钴合金等；近年来稀土永磁材料发展很快，像稀土钴、稀土钕铁硼等，其矫顽磁力更大。 矩磁材料的磁滞回线近似于矩形，剩磁很大，接近饱和磁感应强度，稳定性良好；但矫顽磁力较小，易于翻转。常在计算机和控制系统中用作记忆元件、逻辑元件和开关元件，矩磁材料有镁锰铁氧体及某些铁镍合金等。 2. 磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律 为了使较小的励磁电流产生足够大的磁感应强度（或磁通），通常把电机、变压器等元件中的磁性材料做成一定形状的铁心。铁心的磁导率比周围空气或其它物质的磁导率要高很多，因此，磁通的绝大部分经过铁心而形成一个闭合通路。如图5-5所示为环形线圈的磁路。 磁路和电路有很多相似之处，但它们的实质不同，分析和处理磁路比电路复杂得多，应注意以下几个问题：（1）在处理磁路时，离不开磁场的概念，一般都要考虑漏磁通；（2）由于磁导率不是常数，它随工作状态即励磁电流而变化，所以一般不提倡直接应用磁路的欧姆定律和磁阻来进行定量计算，但在许多场合可用于定性分析。项目四项目四 变压器变压器 变压器是利用电磁感应原理传输电能或信号的器件，具有变压、变流、变阻抗和隔离的作用，是一种常见的电气设备，它的种类很多，在电力系统和电子线路中应用十分广泛。 1. 变压器的基本结构和工作原理变压器的基本结构和工作原理（1）变压器的基本结构）变压器的基本结构 变压器由铁心和绕组两大部分组成，图5-8（a）和（b）分别是它的结构示意图和图形符号。这是一个简单的双绕组变压器，在一个闭合的铁心上套有两个绕组，绕组与绕组之间以及绕组与铁心之间都是绝缘的。绕组通常用绝缘的铜线或铝线绕成，与电源相连的绕组，称为原绕组；与负载相连的绕组，称为副绕组。为了减少铁心中的磁滞损耗和涡流损耗，变压器的铁心大多用（）mm厚的硅钢片叠成，为了降低磁路的磁阻，一般采用交错叠装方式，即将每层硅钢片的接缝错开。 变压器按铁心和绕组的组合形式，可分为心式和壳式两种，如图5-9所示。心式变压器的铁心被绕组所包围，而壳式变压器的铁心则包围绕组。心式变压器用铁量比较少，多用于大容量的变压器，如电力变压器都采用心式结构；壳式变压器用铁量比较多，但不需要专门的变压器外壳，常用于小容量的变压器，如各种电子设备和仪器中的变压器多采用壳式结构。变压器按冷却方式又可分为自冷式和油冷式（常用于三相变压器中）两种，在自冷式变压器中，热量依靠空气的自然对流和辐射直接散发到周围空气中。当变压器的容量较大时常采用油冷式，此时变压器的铁心和绕组全部浸在变压器油内，使其产生的热量通 过变压器油传给箱壁而散发到空气中去。 （2）变压器的工作原理）变压器的工作原理电压变换电压变换 变压器的原绕组接交流电压u1且副绕组开路时的运行状态称为空载运行，如图5-10所示。这时副绕组中的电流i20，开路电压用u20表示。原绕组中通过的电流为空载电流i10，各量的参考方向如图5-10所示。图中N1为原绕组的匝数，N2为副绕组的匝数。 由于副绕组开路，这时变压器的原绕组电路相当于一个交流铁心线圈电路，通过的空载电流i10就是励磁电流，且产生磁动势i10 N1，此磁动势在铁心中产生的主磁通通过闭合铁心，既穿过原绕组，也穿过副绕组，于是在原绕组和副绕组中分别感应出电动势e1和e2。e1及e2与的参考方向之间符合右手螺旋定则（见图5-10）时，由法拉第电磁感应定律可得 由于铁心线圈电阻R上的电压降iR和漏磁通电动势e都很小，均可忽略不计，故原、副绕组中的电动势e1和e2的有效值近似等于原、副绕组上电压的有效值，即 电流变换电流变换 如果变压器的副绕组接上负载，则在副绕组感应电动势e2的作用下，副绕组将产生电流i2。这时，原绕组的电流将由i10增大为i1，如图所示。副绕组电流i2越大，原绕组电流i1也就越大。由副绕组电流i2产生的磁动势i2N2也要在铁心中产生磁通，即这时变压器铁心中的主磁通应由原、副绕组的磁动势共同产生。 由U1E1fN1m可知，在原绕组的外加电压（电源电压U1）和频率f不变的情况下，主磁通m基本保持不变。因此，有负载时产生主磁通的原、副绕组的合成磁通势（i1N1i2N2）应和空载时产生主磁通的原绕组的磁通势i0N1基本相等，用公式表示，即 i1N1i2N2i10N1 如用相量表示，则为 这一关系称为变压器的磁动势平衡方程式。阻抗变换作用阻抗变换作用 变压器除了有变压和变流的作用外，还有变换阻抗的作用，以实现阻抗匹配。图5-12 （a）所示的变压器原绕组接电源u1，副绕组的负载阻抗模为|Z|，对于电源来说，图中虚线框内的电路可用另一个阻抗模|Z|来等效代替，如图5-12（b）所示。所谓等效，就是它们从电源吸取的电流和功率相等，即接在电源上的阻抗模|Z|和接在变压器副绕组的负载阻抗模|Z|是等效的。当忽略变压器的漏磁和损耗时，等效阻抗可通过下面计算得出。 原、副绕组电压比Ku（又称匝数比）不同时，负载阻抗模|Z|折算到原绕组的等效阻抗模|Z|也不同。通过选择合适的电压比Ku，可以把实际负载阻抗模变换为所需的、比较合适的数值，这就是变压器的阻抗变换作用。在电子电路中，为了提高信号的传输功率，常用变压器将负载阻抗变换为适当的数值，即阻抗匹配。2. 变压器的额定值变压器的额定值（1）额定电压U1N和U2N 额定电压是根据变压器的绝缘强度和允许温升而规定的正常工作电压有效值，单位为V或kV。 （2）额定电流I1N和I2N 额定电流是指变压器长期工作时，根据其允许温升而规定的正常工作电流有效值，单位为A。 （3）额定容量SN 变压器的额定容量SN是指变压器副绕组U2N和I2N的乘积，单位为VA或kVA。 （4）额定频率fN 额定频率fN是指变压器应接入的电源频率。我国电力系统工业用电的标准频率为50Hz。 （5）额定温升N 变压器的额定温升N是指在基本环境温度（40）下，规定变压器在连续运行时，允许变压器的工作温度超出环境温度的最大温升。3 变压器的外特性及效率变压器的外特性及效率（1）变压器的外特性）变压器的外特性 当变压器原绕组电压U1和负载功率因数cos2一定时，副绕组电压U2随负载电流I2变化的曲线称为变压器的外特性，用U2f（I2）表示。图5-14画出了变压器的两条外特性曲线。对于电阻性和电感性负载来说，外特性曲线是稍向下倾斜的，感性负载的功率因数越低，U2下降得越快。 从空载到额定负载，变压器外特性的变化程度可用电压变化率U来表示，即 当负载变化时，通常希望电压U2的变化愈小愈好，在般变压器中，其电阻和漏磁感抗均很小，电压变化率较小，电力变压器的电压变化率一般在5左右，而小型变压器的电压变化率可达20。（2）变压器的效率）变压器的效率变压器的效率通常用输出功率P2与输入功率P1之比来表示，即4. 变压器绕组的极性变压器绕组的极性（1）绕组的极性及同名端的概念 绕组的极性是指绕组在任意瞬时两端产生的感应电动势的瞬时极性，它总是从绕组的相对瞬时电位的低电位端（常用符号“”来表示）指向高电位端（常用符号“”来表示）。两个磁耦合作用联系起来的绕组，如变压器的原、副绕组，当某一瞬时原绕组某一端点的瞬时电位相对于原绕组的另一端为正时，副绕组也必有一对应的端点，其瞬时电位相对于副绕组的另一端点也为正。我们把原、副绕组电位瞬时极性相同的端点称为同极性端，也称为同名端，通常用符号“”表示。 （2）绕组的串联和并联 图5-23（a）中的1和3是同名端，当然2和4也是同名端。当电流从两个线圈的同名端流入（或流出）时，产生的磁通的方向相同；或者当磁通变化（增大或减小）时，在同名端感应电动势的极性也相同。在图5-23（b）和（c）中，绕组中的电流正在增大，感应电动势的极性（或方向）如图中所示。 在使用变压器或者其他有磁耦合的互感线圈时，要注意线圈的正确联接。譬如，一台变压器的原绕组有相同的两个绕组，如图5-23（a）中的1-2和3-4。当接到220V的电源上时，两绕组应串联（假设两个绕组的额定电压都为110V），如图5-23（b）所示；接到110V的电源上时，两绕组应并联，如图5-23（c）所示。如果联接错误，串联时将2和4两端联在一起，将1和3两端接电源，这样，两个绕组的磁通势就互相抵消，铁心中不产生磁通，绕组中也就没有感应电动势，绕组中将流过很大的电流，把变压器烧毁。 如果将其中一个线圈反绕，如图5-24所示，则1和4两端应为同名端，串联时应将2和4两端联在一起。可见，哪两端是同名端，还和线圈绕向有关。只要线圈绕向知道，同名端就不难确定。（3）同名端的判断直流法 将变压器的两个绕组按图5-25所示的方法连接，当开关S闭合瞬间，如电流表的指针正向偏转，则绕组A的1端和绕组B的3端为同名端，这是因为当不断增大的电流刚流进绕组A的1端时，1端的感应电动势极性为“”，而电流表正向偏转，说明绕组B的3端此时也为“”，所以1、3端为同名端。如电流表的指针反向偏转，则绕组A的1端和绕组B的4端为同名端。交流法 把变压器的两个绕组的任意两端连在一起（如2端和4端），在其中一个绕组（如A绕组）上接上一个较低的交流电压，如图5-26所示，再用交流电压表分别测量U12、U13和U34，若U13U12U34，则1端和3端为同名端；若U13U12U34，则1端和3端为异名端（即1端和4端为同名端）。