大学电工技术-电子教案-项目六

第页1教学目标知识目标：了解磁路的概念，掌握电磁感应现象的特点，了解自感与互感现象；了解单相变压器的工作原理，掌握变压器的相关计算；了解特殊变压器的特点，了解掌握小型变压器参数测试及故障检修的方法。能力目标：掌握判别变压器同名端的方法；掌握小型变压器参数测试及故障检修的方法。素质目标：沟通、协作能力；观察、信息收集能力；分析总结能力。良好的职业道德和严谨的工作作风教学重点小型变压器故障检修的方法教学难点小型变压器参数测试教学手段理实一体实物讲解小组讨论、协作教学学时8教学内容与教学过程设计注释项目六变压器的使用与维护任务一用万用表判别变压器的同名端〖任务目标〗了解电磁感应现象，了解单相变压器的工作原理，掌握变压器的相关计算，掌握判别变压器同名端的方法。〖知识链接〗一、磁与磁场（一）磁的基本知识1.磁体与磁极磁体两端磁性最强的区域称为磁极。实验证明，任何磁体都具有两个磁极，而且无论怎样把磁体分割，它总是保持两个磁极。2.磁场与磁力线磁体周围存在磁力作用的空间，称为磁场。磁力线具有以下几个特征。(1)磁力线是互不交叉的闭合曲线。在磁体外部由N极指向S极，在磁体内部由S极指向N极，如图6-3(b)所示。(2)磁力线的疏密程度反映了磁场的强弱。磁力线越密表示磁场越强，越疏表示磁场越弱。(3)磁力线上任意一点的切线方向，就是该点的磁场方向。图6-3磁力线示意图3.电流产生的磁场1）通电直导线周围的磁场通电直导线周围磁场的磁力线是一些以导线上各点为圆心的同心圆，这些同心圆都在与利用磁铁，讲解磁的基本知识。第页2导线垂直的平面上。2）通电螺线管的磁场通电螺线管表现出来的磁性类似条形磁铁，一端相当于N极，另一端相当于S极，如果改变电流方向，它的N极、S极随之改变。通电螺线管的磁力线，是一些穿过线圈横截面的闭合曲线，它的方向与电流方向之间的关系也可以用安培定则来判定，用右手握住螺线管，弯曲的四指指向线圈电流方向，则拇指方向就是螺线管内的磁场方向，即大拇指指向通电螺线管的N极。（二）磁场的基本物理量1.磁通Ф磁通Ф是描述磁场在某一范围内分布情况的物理量。穿过某一截面积S的磁力线的总数就是通过该截面积的磁通Ф。磁通的单位是韦伯（Wb），简称韦。2.磁感应强度B垂直穿过单位面积的磁力线数就反映此处的磁感应强度B的大小，所以磁感应强度B又称为磁通密度。在各点磁感应强度大小相等、方向相同的均匀磁场中，磁感应强度B也可以用与磁场垂直的单位面积上的磁通来表示，即B=Φ/S或Φ=BS3.磁导率μ磁导率又称为导磁系数，是衡量物质导磁能力的物理量，用来表示磁场中介质导磁性能的强弱，其单位是亨利／米(H/m)。根据磁导率的大小，可把物质分为以下三类。(1)顺磁物质，如空气、铝、铬、铂等，其μr稍大于1。(2)反磁物质，如氢、铜等，其μr稍小于1。顺磁物质与反磁物质一般被称为非磁性材料。（3）铁磁物质，如铁、钴、镍、硅钢、坡莫合金、铁氧体等，其相对磁导率μr远大于1，可达几百甚至数万以上，且不是一个常数。铁磁物质被广泛应用于电工技术及计算机技术等方面。4.磁场强度H在通电线圈中，磁场强度H只与电流的大小有关，而与线圈中被磁化的物质，即与物质的磁导率μ无关。但通电线圈中的磁感应强度B的大小却与线圈中被磁化的物质的磁导率μ有关。H的大小由B与μ的比值决定，即磁场强度为H=B/μ二、磁性材料的磁性能（一）铁磁性材料的磁性能1.高导磁性2.磁饱和性3.磁滞性磁滞形成的原因是由于铁磁材料中磁分子的惯性和摩擦造成的。在反复磁化过程中，外部能源必须付出一定能量克服磁滞作用，这部分能量最终转变为铁心的热能损耗，故常称为磁滞损耗。磁滞回线包围的面积越大，磁滞损耗就越大。铁磁材料的性质如下。(1)能被磁体吸引。(2)能被磁化并且有剩磁和磁滞损耗。(3)磁导率不是常数。(4)磁感应强度B有一个饱和值。（二）铁磁性材料的种类及用途不同种类的铁磁材料，磁滞回线的形状不同。纯铁、硅钢、坡莫合金和软磁铁氧体等材料的磁滞回线较狭，剩磁感应强度小，矫顽磁力也小。这一类铁磁材料称为软磁材料，通常用右手定则判断磁力线的方向。理解磁场基本物理量的含义。学生总结铁磁材料的性质。第页3用于做变压器、电机、电器的铁心，如图6-14（a)所示。另一类铁磁材料，如钨钢、铝镍钴合金、稀土钴和硬磁铁氧体等，它们的磁滞回线较宽，具有较高的剩磁感应强度Br和较大的矫顽磁力Hc，这类材料称为硬磁材料，常用于制造永久磁铁，如图6-14（b)所示。还有一种矩磁性材料，这是一种具有矩形磁滞回线的铁磁性物质，如图6-14（c)所示。它的特点是当很小的外磁场作用时，就能使它磁化并达到饱和，去掉外磁场时，磁感应强度仍然保持与饱和时一样。电子计算机中作为存储元件的环形磁心就是使用的这种物质。矩磁性物质主要有锰镁铁氧体和锂锰铁氧体等。图6-14铁磁材料的分类三、电磁感应（一）电磁感应现象图6-15直导体的电磁感应现象图6-16线圈的电磁感应现象当导体作切割磁力线运动或者穿过线圈的磁通发生变化时，在导体或线圈中都会产生感应电动势。若导体或线圈构成闭合回路，则导体或线圈中将有电流流过。上述两种由磁生电现象虽然表现形式不同，但它们的本质是相同的。如果把图615中的直导体看成是一个单匝线圈，那么导体中的电流也是由于穿过线圈的磁通变化而引起的。把这种由于磁通变化而在导体或线圈中产生感应电动势的现象称为电磁感应。由电磁感应产生的电动势称为感应电动势，由感应电动势产生的电流称为感应电流。（二）电磁感应定律1.法拉第电磁感应定律上述实验现象可以总结为：线圈中感应电动势的大小与通过该线圈的磁通变化率成正比。这一规律称为法拉第电磁感应定律。2.楞次定律感应电流具有这样的方向，即感应电流产生的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化。这就是楞次定律。做实验，学生观察两种由磁产生电的现象。教师讲解法拉第电磁感应定律和楞次定律。第页4应用楞次定律判定感应电流方向的具体步骤如下。首先，要明确原来磁场的方向；其次，要明确穿过闭合线圈的磁通量是增加还是减少；然后根据楞次定律确定感应电流的磁场方向；最后利用安培定则来确定感应电流的方向。四、自感与互感（一）自感1.自感现象当线圈中的电流发生变化时，线圈本身会产生感应电动势，这个电动势总是阻碍线圈中电流的变化。这种线圈由于本身的电流发生变化而产生感应电动势的现象称为自感现象，简称自感。在自感现象中产生的感应电动势，称为自感电动势，通常用eL表示。2.自感系数当一个线圈中通有变化的电流后，使该线圈中每匝线圈具有的磁通Ф称为自感磁通。而整个线圈具有的磁通称为自感磁链，用字母Ψ表示。则Ψ=NΦ。把线圈中通过单位电流所产生的自感磁链称为自感系数，也称电感量，简称电感，用L表示，即L=Ψ/i。式中，Ψ为由自身线圈的电流所产生的自感磁链（Wb）；L为线圈的电感量（H）。3.自感电动势1)自感电动势的大小根据电磁感应定律，对于一个N匝的线性电感线圈，其感应电动势的大小为e=－N（ΔΦ/Δt）=－ΔΨ/Δt经推导得自感电动势为eL=－L（Δi/Δt）式中，Δi/Δt为电流对时间的变化率（A/s）。2)自感电动势的方向自感电动势的方向仍可以根据楞次定律来判断。自感电动势表达式中的负号正是楞次定律的反映，它表明自感电动势的方向总是和原电流变化的趋势(增大或减小)相反。4.自感现象的应用日光灯的镇流器就是利用线圈自感现象的一个例子。5.电感线圈中的磁场能量电感线圈和电容器一样都是储能元件。当电流产生磁场时，电能转化为磁场能量，储存在电感线圈内部；而磁场能量又可以通过电磁感应的作用，转化为电能。电感线圈的磁场能量的计算公式，在形式上与电场能量的计算公式相似。实践表明：电感线圈的磁场能量与线圈所通过的电流的二次方及线圈电感的乘积成正比，即WL=1/2(LI2)式中,WL为电感线圈的磁场能量（J）。（二）互感1.互感系数在两个有互感耦合的线圈中，互感磁链与产生此磁链的电流之比值，称为这两个线圈的互感系数，简称互感，其表达式为M=Ψ12/i1=Ψ21/i22.互感电动势由互感现象产生的感应电动势称为互感电动势，用eM表示。互感电动势的大小与互感系数的大小成正比，与另外一个线圈的电流变化率成正比。3.互感线圈的同名端思考自感现象在生活中的应用。举例说明互感电动现象在电工电子技术中的应用。第页5互感线圈的同名端是由两个线圈的绕向所决定的，缠绕方向相同的线圈那一端即为同名端。有了同名端，就可以用电路原理图来画互感线圈，而不再需要把线圈的绕法与结构全部画出来了。图6-26所示是图6-25的电路原理图。图6-25互感线圈的同名端图6-26用同名端表示互感线圈五、磁路及其基本定律1.磁路的基本概念为了使较小的励磁电流就能产生足够强的磁场，大多数的电气设备都具有铁心，然后将励磁线圈缠绕在铁心上。由于铁心的磁导率比周围空气或其他非铁磁材料的磁导率大很多倍，所以磁力线几乎全部都从铁心中通过而形成一闭合的路径。这种约束在铁心所限定的范围内的磁通路径，称为磁路。2.磁路欧姆定律Φ=F（μS/l）=F/l/μS=F/Rm其中，Rm称为磁阻，是表示物质对磁通具有阻碍作用的物理量，其大小与磁路中磁性材料的材质及几何尺寸有关。上述表达式与电路中的欧姆定律在形式上相似，所以称为磁路欧姆定律。其中，Rm称为磁阻，是表示物质对磁通具有阻碍作用的物理量，其大小与磁路中磁性材料的材质及几何尺寸有关。上述表达式与电路中的欧姆定律在形式上相似，所以称为磁路欧姆定律。六、交流铁心线圈电路（一）电磁关系图6-29交流线圈的磁场分布由于主磁通Φ是流经铁心的，铁心的磁导率μ是随磁场强度H而变化的，所以铁心线圈的励磁电流i和主磁通Φ不成线性关系；而漏磁通Φσ不流经铁心，其漏磁电感Lσ可近似是个定值，所以励磁电流i和漏磁通Φσ呈线性关系。（二）电压电流关系交流铁心线圈电路中的电压电流关系较为复杂，经过电磁感应定律和基尔霍夫定律推导第页6以及分析，可得出以下关系式U≈E=4.44fNΦm=4.44fNBmS（三）功率损耗交流铁心线圈功率损耗为P=UIcosφ=RI2+ΔPFe1.磁滞损耗磁滞现象使铁磁材料在交变磁化过程中产生磁滞损耗，它是由于铁磁材料内部小磁畴在交变磁化过程中来回转向，相互牵连摩擦引起发热所损耗的能量。2.涡流损耗当铁心中的磁通发生变化时，在铁心中会产生感应电动势和感应电流。这种感应电流在垂直于磁力线的平面内，呈涡旋状分布，因而称为涡流。涡流在铁心的电阻上引起功率损耗称为涡流损耗。七、单相变压器（一）变压器的用途、种类和构造1.变压器的用途和种类其主要功能是将某一电压值的交流电能转换为同频率的另一电压值的交流电能。还可用于改变电流(如电流互感器)、变换阻抗(如电子设备中的输出变压器)、变换相位(如晶闸管整流装置中的同步变压器)。变压器的种类很多，常用的有输配电用的电力变压器，电解用的整流变压器，实验用的调压变压器，电子线路中的输入、输出变压器等。2.变压器的基本构造变压器主要由铁心和线圈(也称为绕组)两部分组成。铁心是变压器的磁路通道。为了减小涡流和磁滞损耗，铁心是用磁导率较高两面涂有绝缘漆的硅钢片叠装而成的。线圈是变压器的电路部分。按结构分为高压绕组（电压较高，匝数较多）和低压绕组（电压较低，匝数较少）。（二）单相变压器的工作原理1.变压器的空载运行变压器的原绕组加额定电压，副绕组开路(不接负载)的情况，称为空载运行。一次、二次绕组的电压比等于匝数之比，只要改变一次、二次绕组匝数比，就可以进行电压变换，绕组匝数多的一侧电压高。2.变压器的负载运行变压器的一次绕组接上电压u1，二次绕组接上负载Zfz时的运行情况，称为变压器的负载运行，电路如图6-33所示。图6-33变压器的负载运行3.变压器的变换阻抗作用（三）变压器的外特性、损耗和效率1.变压器的外特性当原绕组上外加电压和副绕组的负载功率因数cosφ2不变时，副边端电压U2随负载电流I2变化的规律，称为变压器的外特性。如图6-35所示。教师讲解变压器的工作原理。第页7图6-35变压器的外特性曲线2.变压器的损耗和效率变压器负载运行时