項(xiàng)目7磁路與變壓器的分析任務(wù)1認(rèn)識(shí)磁路7.1.1磁路的基本概念1.磁現(xiàn)象和磁體古代人們就發(fā)現(xiàn)了天然磁石吸引鐵器的現(xiàn)象，我國春秋戰(zhàn)國時(shí)期的一些著作已有關(guān)于磁石的記載和描述，而東漢學(xué)者王充在《論衡》一書中描述的“司南”，被公認(rèn)是最早的磁性定向工具，12世紀(jì)初，我國已有指南針用于航海的明確記載。2.電流的磁效應(yīng)1820年4月，有一次奧斯特演示電流磁效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)電池與鉑絲相連時(shí)，靠近鉑絲的小磁針擺動(dòng)了，他經(jīng)過深入地研究，并于1820年7月宣布了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而首次揭示了電與磁的關(guān)系。自奧斯特實(shí)驗(yàn)之后，安培等人又做了很多實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)不僅通電導(dǎo)線對(duì)磁場(chǎng)有作用力，磁體對(duì)通電導(dǎo)線也有作用力，例如，把一段直導(dǎo)線懸掛在U形磁鐵的兩極間，通以電流，導(dǎo)線就會(huì)移動(dòng)。他們還發(fā)現(xiàn)，任意兩條通電導(dǎo)線之間也有作用力。3.磁場(chǎng)在磁鐵或電流(運(yùn)動(dòng)電荷)周圍的空間里存在著磁場(chǎng)，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)任何置于其中的其他磁體或電流施加作用力。也就是說運(yùn)動(dòng)著的電荷(即電流)周圍的空間存在磁場(chǎng)，并且這個(gè)磁場(chǎng)又會(huì)對(duì)處于其中的運(yùn)動(dòng)電荷(電流)產(chǎn)生成力作用。規(guī)定在磁場(chǎng)中的任一點(diǎn)，小磁針靜止時(shí)北極所指的方向，就是該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向。電流周圍存在著磁場(chǎng)。當(dāng)直導(dǎo)線有電流通過時(shí)，在其周圍就存在著磁場(chǎng)，如圖所示。磁場(chǎng)的方向與電流方向之間的關(guān)系用右手螺旋定則判定4.磁路為了充分有效地利用磁場(chǎng)能量，以較小勵(lì)磁電流產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)，通常用高導(dǎo)磁性能的鐵磁材料做成一定形狀的鐵心，把線圈繞在鐵心上面，如變壓器、電機(jī)、接觸器、繼電器等電磁器件。當(dāng)線圈通以電流時(shí)，磁通大部分經(jīng)過鐵心而形成閉合回路，這種磁通集中通過的路徑就稱為磁路。電磁鐵是由勵(lì)磁繞組(線圈)、靜鐵心和動(dòng)鐵心(銜鐵)三個(gè)基本部分組成。當(dāng)勵(lì)磁繞組通以電流時(shí)，磁場(chǎng)的磁通絕大部分通過鐵心、銜鐵及其間的空氣隙而形成閉合的磁路，這部分磁通稱為主磁通。有極小部分磁通在鐵心以外通過大氣形成閉合回路，這部分磁通電稱為漏磁通。7.1.2磁路的主要物理量1．磁感應(yīng)強(qiáng)度B把在磁場(chǎng)中，垂直于磁場(chǎng)方向的通電直導(dǎo)線、受到的磁場(chǎng)力F與通過的電流I和導(dǎo)線的長(zhǎng)度L的乘積的比值，叫做通電導(dǎo)線所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，用B表示。即2．磁通

穿過磁場(chǎng)中某一面積的磁感應(yīng)線的條數(shù)，叫做穿過這個(gè)面積的磁通量。磁通量簡(jiǎn)稱磁通，用Φ表示。單位是Wb(韋伯)。磁通量的大小與磁場(chǎng)的強(qiáng)弱程度、面積的大小以及該間跟磁場(chǎng)方向的夾角有關(guān)，3．磁導(dǎo)率

磁導(dǎo)率是表示物質(zhì)磁性能的物理量，它的單位是亨/米（H/m）。任意一種物質(zhì)的磁導(dǎo)率與真空的磁導(dǎo)率之比稱為相對(duì)磁導(dǎo)率，用

表示，即4磁場(chǎng)強(qiáng)度H磁場(chǎng)強(qiáng)度是進(jìn)行磁場(chǎng)分析時(shí)引用的一個(gè)輔助物理量，定義為7.1.3鐵磁材料根據(jù)導(dǎo)磁性能的好壞，自然界的物質(zhì)可分為兩大類。一類物質(zhì)稱為鐵磁材料，如鐵、鋼、鎳、鈷等，這類材料的導(dǎo)磁性能好，磁導(dǎo)率

值大；另一類為非鐵磁材料，如銅、鋁、紙、空氣等，這類材料的導(dǎo)磁性能差。鐵磁材料的磁性能主要表現(xiàn)為高導(dǎo)磁性、磁飽和性和磁滯性。1．高導(dǎo)磁性磁性物質(zhì)的分子間有一種特殊的作用力而使每一區(qū)域內(nèi)的分子都整齊排列，顯示磁性，這些小區(qū)域稱為磁疇，在無外磁場(chǎng)作用時(shí)，磁疇排列混亂，磁場(chǎng)相互抵消，對(duì)外不顯磁性。當(dāng)在外磁場(chǎng)的作用下鐵磁物質(zhì)的磁疇就順著外磁場(chǎng)的方向轉(zhuǎn)向，顯示出磁性。隨著外磁場(chǎng)的增強(qiáng)，磁疇就逐漸轉(zhuǎn)到外磁場(chǎng)相同的方向上，產(chǎn)生了很強(qiáng)的與外磁場(chǎng)同方向的磁化磁場(chǎng)，這種現(xiàn)象稱為磁化。2．磁飽和性在鐵磁材料的磁化過程中，隨著勵(lì)磁電流的增大，外磁場(chǎng)和附加磁場(chǎng)都將增大，當(dāng)勵(lì)磁電流增大到一定值時(shí)幾乎所有的磁疇與外磁場(chǎng)的方向一致，附加磁場(chǎng)就不在隨勵(lì)磁電流的增大而繼續(xù)增強(qiáng)，這種現(xiàn)象稱為磁飽和現(xiàn)象。材料的磁化特性可用磁化曲線表示，鐵磁材料的磁化曲線如圖所示圖中可看出，曲線分成三段：oa段：B與H差不多成正比例增長(zhǎng)；ab段：隨著H的增長(zhǎng)，B增長(zhǎng)緩慢，此段為曲線的膝部；bc段：隨著H的進(jìn)一步增長(zhǎng)，B幾乎不增長(zhǎng)，達(dá)到飽和狀態(tài)。3．磁滯性如果勵(lì)磁電流是大小和方向都隨時(shí)間變化的交變電流，則鐵磁材料將受到交變磁化。在電流交變的一個(gè)周期中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H變化的關(guān)系如圖所示。鐵磁材料按其磁性能又可分為軟磁材料、硬磁材料和矩磁材料三種類型，如圖所示。7.1.4磁路的歐姆定律磁路的歐姆定律是磁路最基本的定律，現(xiàn)以鐵心線圈來說明磁路的歐姆定律說明：磁路和電路有很多相似之處，見表7-1，7.2任務(wù)2認(rèn)識(shí)互感電路與鐵心線圈電路7.2.1互感電路1.自感現(xiàn)象與互感現(xiàn)象當(dāng)電感線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，使線圈的磁鏈也發(fā)生變化，從而在其自身兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓的現(xiàn)象稱為自感現(xiàn)象。2.互感系數(shù)互感磁鏈與產(chǎn)生它的電流之間存在著一定的函數(shù)關(guān)系，當(dāng)線圈周圍媒介為非鐵磁性物質(zhì)時(shí)，它們之間的關(guān)系是線性的。L=Ψ/i，L1=Ψ1/i1=Ψ11/i1把與線圈1交鏈的磁鏈Ψ12與產(chǎn)生它的電流i2的比值定義為互感系數(shù)，簡(jiǎn)稱互感。用符號(hào)M12表示，即3.互感電壓uL1為線圈1中電流i1引起的自感電壓，uL2為線圈2中電流i2引起的自感電壓。由此，可得互感的情況為uM1為線圈2中電流i2產(chǎn)生的磁通在線圈1中引起的互感電壓，uM2為線圈1個(gè)的電流i1產(chǎn)生的磁通在線圈2中引起的互感電壓.耦合電感的電壓是自感電壓和互感電壓疊加的結(jié)果。如兩個(gè)耦合電感L1和L2中有變動(dòng)的電流，設(shè)Ll和L2中的電壓和電流分別為u1、i1入和u2、i2，則有4.互感耦合系數(shù)在工程上為了表征兩耦合線圈耦合的緊密程度，通常用耦合系數(shù)K表示，耦合系數(shù)K定義為耦合線圈K的大小取決于線圈的匝數(shù)、尺寸、幾何形狀、骨架材料、線圈之間的相對(duì)位置。如果兩線圈靠得很緊密或緊密地繞在一起，則K值接近于1，此時(shí)互感最大，K＝1時(shí)，稱為全耦合，5.互感電壓的同名端（1）定義兩個(gè)互感線圈中，實(shí)際極性始終一致的兩個(gè)端點(diǎn)稱為同名端。其特點(diǎn)是電流若同時(shí)從兩個(gè)互感線圈同名端流入，則兩個(gè)電流所產(chǎn)生的磁通相互增強(qiáng)。（2）判別方法兩個(gè)互感線圈同名端的判別可用右手螺旋法則判斷。如圖所示，線圈L1電流i1從1流進(jìn)，按右手螺旋法則，右手抓握線圈，大拇指伸直，四指方向與電流i1流向相同，大拇指方向?yàn)殡娏鱥1產(chǎn)生的磁通Φ1方向。而線圈L2電流i2從4流進(jìn)，按右手螺旋法則，四指方向與電流i2流向相同，大拇指方向?yàn)殡娏鱥2產(chǎn)生的磁通Φ2方向。Φ1、Φ2方向一致，相互增強(qiáng)。因此，1、4端為同名端?！纠?-1】已知互感線圈如圖所示，試分別判斷并標(biāo)記同名端。解：判斷并標(biāo)記同名端見圖。（3）同名端的測(cè)試方法1）直流法。直流法測(cè)試如圖7-14所示，線圈L1通過開關(guān)K接到直流電壓源，直流電壓表接到線圈L2的兩端。2)交流電壓法將兩線圈的b端和d端短接，在a，b端加交流電源us，用交流電壓表分別測(cè)量有效值Uab，Ucd，Uac。7.2.2交流鐵心線圈電路1.電磁關(guān)系繞在鐵心上的線圈通以交流電后就是交流鐵心線圈。下面以圖所示的交流鐵心線圈電路為例討論其中的電磁關(guān)系。主磁通電動(dòng)勢(shì)的最大值，有效值為可見，外加電壓的相位超前于鐵心中磁通900，而外加電壓的有效值對(duì)正弦激勵(lì)的交流鐵心線圈，當(dāng)電源的電壓和頻率不變，其主磁通基本上恒定不變。磁通僅與電源有關(guān)，而與磁路無關(guān)。2.功率損耗在交流鐵心線圈中，除了在線圈電阻上有功率損耗(由于鐵心在交變磁化的情況下也引起功率損耗(這部分損耗叫鐵損，用

表示)，鐵損是由鐵磁物質(zhì)的渦流和磁滯現(xiàn)象所產(chǎn)生的。鐵損包括磁滯損耗和渦流損耗兩部分。(1)磁滯損耗

鐵心在交變磁通的作用下被反復(fù)磁化，在這一過程中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化落后于H，這種現(xiàn)象稱為磁滯，由于磁滯現(xiàn)象造成的能量損耗稱為磁滯損耗。(2)渦流損耗

交變磁通穿過鐵心時(shí)，鐵心中在垂直于磁通方向的平面內(nèi)要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，這種感應(yīng)電流稱為渦流。由于鐵心本身具有電阻，渦流在鐵心中也要產(chǎn)生能量損耗，稱為渦流損耗。綜上所述，交流鐵心線圈電路的功率損耗為操作訓(xùn)練1互感電路同名端測(cè)試1.訓(xùn)練目的1）掌握直流通斷法測(cè)量互感線圈同名端。2）掌握交流電壓法測(cè)試互感線圈同名端。2.仿真測(cè)試（1）直流通斷法（2）用交流電壓法1）按圖所示繪制仿真電路，電壓源Us是為5V、頻率f＝50Hz的正弦電壓。2））打開仿真開關(guān)，測(cè)出Uac和Ucd，將仿真數(shù)據(jù)記入表中，3.實(shí)際操作測(cè)定兩互感耦合線圈的同名端時(shí)，在兩線圈內(nèi)插入一個(gè)公共U型鐵芯以增強(qiáng)耦合的程度，分別用圖7-17和圖7-18所示的直流通斷法(直流電源us＝5V)和交流電壓法(交流電源5V，f＝50H2)，測(cè)定耦合線圈的同名端，并記下兩線圈的同名端標(biāo)號(hào)。注意兩種方法測(cè)定的同名端是否相同。任務(wù)3認(rèn)知變壓器7.3.1變壓器的結(jié)構(gòu)與原理1.變壓器的結(jié)構(gòu)變壓器是由鐵心和繞組兩個(gè)基本部分組成的。大型變壓器除鐵心和繞組外還有—些其他部件：油箱、冷卻裝置、保護(hù)裝置和出線裝置。變壓器按鐵心和繞組的組合方式，可分為心式和殼式兩種。心式變壓器的鐵心被繞組所包圍，而殼式變壓器的鐵心則包圍繞組。殼式變壓器用鐵量比較多，常用于小容量的變壓器。2.變壓器的工作原理（1）空載運(yùn)行變壓器一次繞組接交流電壓

，二次側(cè)開路，這種運(yùn)行狀態(tài)為空載運(yùn)行。變壓器在空載時(shí)的電壓變換關(guān)系可見，一、二次繞組上電壓的比值等于兩者的匝數(shù)比，K

稱為變壓器的電壓比。當(dāng)K＞1時(shí)，稱為降壓變壓器；當(dāng)K＜1時(shí)，稱為升壓變壓器；當(dāng)K＝1時(shí)，稱為隔離變壓器。（2）負(fù)載運(yùn)行變壓器的一次繞組接在具有額定電壓的交流電源上，二次繞組接上負(fù)載的運(yùn)行，稱為負(fù)載運(yùn)行，1）負(fù)載運(yùn)行時(shí)的磁通勢(shì)平衡方程2）電流變換作用變壓器一次、二次繞組的電流在數(shù)值上近似地與它們的匝數(shù)成反比。3）變壓器的阻抗變換理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試可以證明：負(fù)載阻抗等于擴(kuò)音機(jī)電源內(nèi)阻抗時(shí)，可在負(fù)載上得到最大的輸出功率，稱為阻抗匹配。因此，在大多數(shù)的擴(kuò)音機(jī)設(shè)備與喇叭之間都接有一個(gè)變阻抗的變壓器，通常稱之為線間變壓器。7.3.2變壓器的外特性和額定值1．變壓器的外特性變壓器在負(fù)載運(yùn)行時(shí)，變壓器二次側(cè)接入負(fù)載的變化，必然導(dǎo)致一、二次側(cè)電流的變化，使得一、二次側(cè)的阻抗壓降發(fā)生變化，從而使二次電壓隨負(fù)載的增減而變化。二次電壓U2隨二次電流I2變化的特性曲線

稱為變壓器的外特性。2．額定值（1）一次額定電壓UIN

：指正常情況下一次繞組應(yīng)當(dāng)施加的電壓。（2）一次額定電流

：指在UIN作用下一次繞組允許長(zhǎng)期通過的最大電流。（3）二次額定電壓U2N

：指在一次額定電壓UIN時(shí)的二次空載電壓。（4）二次額定電流

：指在一次額定電壓UIN時(shí)的二次繞組允許長(zhǎng)期通過的最大電流。（5）額定容量SN

：指輸出的額定視在功率。3．變壓器的損耗變壓器的損耗有銅損和鐵損兩種。銅損是一、二次繞組中流過電流時(shí)，在繞組電阻上產(chǎn)生的損耗，其值為4．變壓器的效率變壓器在運(yùn)行時(shí)有損耗，因此變壓器的輸出功率總小于輸入功率。變壓器的效率是指輸出功率P2與輸入功率Pl比值的百分?jǐn)?shù)，即7.3.3幾種常用的變壓器1．三相變壓器2．自耦變壓器自耦變壓器分可調(diào)式和固定抽頭兩種形式。如圖所示。這種變壓器只有一個(gè)繞組，二次繞組從是一次繞組N1的一部分。因此，它的工作特點(diǎn)是一、二次繞組不僅有磁的聯(lián)系，而且有電的聯(lián)系。3．電流互感器電流互感器的作用是將電路中的交流大電流轉(zhuǎn)換成小電流，用于