电工电子技术第4单元 磁路与变压器

第4单元 磁路与变压器
4.1
自感与互感电压
4.2
变压器的基本结构和工作原理
4.3
实用中的几种常见变压器
4.4
变压器的铭牌和常用术语
4.5
变压器同名端判断方法
4.6
识读与安装光控节能灯电路
4.7
识读与安装电力变压器低压电压型漏电保护电路
第一部分 任 务 导 入
在第2单元我们讨论了没有互感的正 弦交流电路，但是在实际工作中，互感电 路用得很多，特别像变压器等，已成为当 前电力设备中不可缺少的元件。 它的用途很广、类型众多，但基本原 理仍是互感耦合。
4.2 变压器的基本结构和工作原理
变压器是一种静止的电器，是根据 电磁感应的原理，把某一电压等级的交 流电能转换为同频率的另一电压等级的 交流电能，以便于电能的经济输送、灵 活分配和安全使用。
变压器除了用于改变电压之外，还可以用来 改变电流（如变流器、大电流发生器等），阻抗 变换（如电子电路中的输入、输出变压器），改 变相位（如改变线圈的连接方法以改变压器的极 性或组别）等。 它是输配电、用电、电工测量、电子技术等 方面不可缺少的重要电气设备。
4.1.2 互感电动势
在图4-3中，线圈2所产生的感应电动 势称为互感电动势。因为线圈2与线圈1无 电的联系，仅是通过铁芯有关的耦合。 电气设备中用量较大的变压器就是一 种互感原理的典型应用。 互感原理在变压器上的典型应用示意 图如图4-4所示。
图4-4 互感原理在变压器上的典型应用示意图
互感电动势的大小可由以下公式计 算： E=−N· d/dt 式中，E——感应电动势，单位为V； N——线圈的匝数； d/dt——磁通的变化率，的单 位为Wb，t的单位为s。
4.2.1 变压器的基本结构
变压器根据铁芯的结构不同可分为 心式与壳式两大类，如图4-5所示。 它们均是由铁芯与线圈绕组两部分 构成的。
图4-5 变压器两大类结构示意图
1．铁芯
铁芯用于构成变压器的磁路系统，且作 为变压器的机械骨架。 铁芯主要由铁轭与铁芯柱两部分组成， 铁芯柱上套装着变压器线圈绕组，铁轭用于 连接铁芯柱使磁路闭合。
① 在线圈1中产生感应电动势的现象称为 自感电动势。 ② 在线圈2中产生感应电动势的现象则称 为互感电动势。
4.1.1 自感电动势
通过线圈1本身的电流I变化而产生 的感应电动势，称为自感电动势，用EL 表示。 自感电动势绝对值的大小可用以下 公式计算： EL=−L· dI/dt
式中，L——自感系数，单位为H； dI/dt——线圈中电流变化率，电 流I的单位为A，时间t的单位为s。
3．了解和熟悉其他常用变压器的结构特 点和应用场合。
第二部分 相 关 途很广，类型也较多，但 基本原理仍是互感耦合。 电磁感应的自感与互感可用图4-3所示 的示意图来表示。
图4-3 自感和互感示意图
在线圈1电路接通或切断瞬间，电流I 作增大或减小的变化，由电流I产生的磁通 也作增强或减弱的变化，该磁通不仅穿 过线圈1，同时也切割线圈2，故在线圈1和 线圈2中均产生感应电动势。
由上式可看出，自感电动势EL的绝 对值等于线圈本身的电感L（自感系数） 与该线圈电流变化率的乘积。 当L为常数时，EL的大小只与电流的 变化率dI/dt成正比。 自感电动势EL起着阻碍电流I变化的 作用。
电感L的单位是亨利（简称亨），用 字母H表示。 一个线圈通以1A电流，线圈中的磁 链正好是1Wb，此线圈的电感就是1H。 此外，还可以取毫亨（mH）、微亨 （H）作为电感的单位，它们之间的关 系为 1mH=10−3H或1H=10−3mH=10−6H
图4-1所示为由一只晶体管构成的光 控节能灯电路，该电路中的电源变压器T 就具有互感作用。
图4-1 光控节能灯电路
图4-2所示为电力变压器低压电压型 漏电保护电路，该电路中的电力变压器T 就具有互感作用。
图4-2 电力变压器低压电压型漏电保护电路图
由于电路存在着互感，因此它的计 算和分析都与前者有所不同。 本单元将对这种电路进行讨论。 在互感电路中，互感的一些特殊性 质，各种等效电路，虽然是从同一数学 关系以不同的表现形式推导的，但绝不 是凭空想象出来的，而是从不同的角度 反映了互感电路的各个矛盾方面。
2．电位器RP向下滑动时
当图4-3中所示电位器的滑动触头向下 滑动时，串入原线圈1中的电阻值增大，则 原电流I减小，原磁通（即穿过副线圈2 中的）亦减小。
根据楞次定律，此时副线圈2中互感电 流所产生的附加磁通1的方向与原磁通 的 方向相同，以阻止原磁通 的减少，若此时 将右手大拇指指向1或（原磁通）方向， 弯曲四指的指向即为副线圈2在此时的互感 电动势方向。
由电磁感应的定律可得知，此时副 线圈2不仅要产生互感电动势E，还要产 生互感电流（因电路闭合）。 根据楞次定律，这个互感电流（图 4-3中未画出）要产生一个与原磁通 方 向相反的附加磁通1，以阻止原磁通 的增多。
这样，根据附加磁通1的方向，伸出 右手将大拇指指向附加磁通1的方向，则 弯曲四指的指向即为副线圈2中的互感电动 势E的方向。
例如，在变压器等效电路中，变压 器不但能变换电压，还有变换阻抗的作 用，输出变压器、自耦变压器等都是根 据这一特性而制成的。 这些基本知识都是必须掌握的，从 而为今后的分析和计算互感电路打下基 础。
对于本单元的学习有如下要求。 1．了解和熟悉自感和互感的各种特性及 计算方法。 2．了解和熟悉理想变压器、全耦合变压 器和一般变压器的结构、原理，以及使用 方法。
4.1.3 楞次定律
以图4-3所示电路为例，感应电动势的方 向，可以用楞次定律来判定。 楞次定律又称为电磁惯性定律，其内容 是，闭合回路中感应电流产生的磁场，总是 阻止回路中原有磁通量的变化。
1．电位器RP向上滑动时
当图4-3中所示电位器的滑动触头向上 滑动时，串入原线圈1中的电阻值减小，使 通过原线圈的电流I增大，该电流所产生的 磁通 方向不变，并穿过或切割副线圈2后 构成闭合磁路，但此时穿过副线圈2中的磁 通（原磁通）增多（因原电流I增大）。