2010年11月7日星期日

【资料】什么是压电效应?正压电效应与逆压电效应的区别?

什么是压电效应?正压电效应与逆压电效应的区别?

压电效应定义一:

在缺少对称中心的晶态物质中,由电极化强度产生与电场强度成线性关系的机械变形和反之由机械变形产生电极化强度的现象。与压电效应同时还能发生电致伸缩。

压电效应定义二:

不存在对称中心的异极晶体,受外力作用发生机械应变时在晶体中诱发出介电极化或电场的现象(称为正压电效应),或者在这种晶体加上电场使晶体极化,而同时出现应变或应力的现象(称为逆压电效应)。

什么是压电效应?


压电效应:某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后, 它又会恢复到不带电的状态,这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时,电荷的极性也随之改变。相反,当在电介质的极化方向上施加电场,这些电介质也 会发生变形,电场去掉后,电介质的变形随之消失,这种现象称为逆压电效应,或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。

正压电效应与逆压电效应的区别?

正压电效应

是指:当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷;当外力撤去后,晶体又恢复到不带电的 状态;当外力作用方向改变时,电荷的极性也随之改变;晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。

逆压电效应

是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变 形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的,并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变 形压电效应,但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。
 
依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。
 
这里再介绍一下电致伸缩效应。电致伸缩效应,即电介质在电场的作用下,由于感应极化作用而产生应变,应变大小与电场平方成正比,与电场方向无 关。压电效应仅存在于无对称中心的晶体中。而电致伸缩效应对所有的电介质均存在,不论是非晶体物质,还是晶体物质,不论是中心对称性的晶体,还是极性晶 体。

【资料】变压器发明简史

变压器是根据电磁感应定律,将交流电变换为同频率、不同电压交流电的非旋转式电机。因此,变压器是随着电磁感应现象的发现而诞生,经过许多科学家不断完善、改进而形成的。
1  变压器的雏形—感应线圈
1888年,英国著名物理学家弗来明(J.A.Fleming,1849-1945)在他的名著《The Alternating Current Transformers》(交流变压器)中开宗明义地说:“At the head of this long line of illustrious investigators stand the pre-eminent names of Faraday and Henry. On the foundation-stons of truth laid done by them all subsequent builders have been content to rest”(在一大批研究变压器的杰出人士中,领头的是巨人法拉弟和亨利,他们奠定了真理的基石,而所有后来者则致力于大厦的完成)。
所以,追溯变压器的发明史,还得从法拉弟和亨利说起。
1831年8月29日,法拉第采用图1所示的实验装置进行磁生电的实验。图1中,圆环用7/8英寸的铁棍制成,圆环外径6英寸;A是三段各24英尺 长铜线绕成的线圈(三段间可根据需要串联);B是50英尺铜线绕成的2个线圈(2个线圈可以串联);1为电池;2为开关;3为检流器。实验时,当合上开关 2后,法拉第发现检流器3摆动,即线圈B和检流器3中有电流流过。也就是说,法拉第通过这个实验发现了电磁感应现象。法拉第进行这个实验的装置(法拉第感 应线圈,图2)实际上是世界上第一只变压器雏形,以后法拉第又作了数次实验,同年10月28日还制成了第一台圆盘式直流发电机。同年11月24日,法拉第 向英国皇家学会报告了他的实验及其发现,从而使法拉第被公认为电磁感应现象的发现者,他也顺理成章地成为变压器的发明人。

图1  法拉第实验装置原理图(1831年8月29日)
但实际上最早发明变压器的是美国著名科学家亨利。1830年8月,时为纽约奥尔巴尼 (Albang)学院教授的亨利利用学院假期,采用图3所示的实验装置进行磁生电实验。当他合上开关K,发现检流计P的指针摆动;打开开关K,又发现检流 计P的指针向相反方向摆动。实验中,当打开开关K时,亨利还在线圈B的两端间观察到了火花。亨利还发现,改变线圈A和B的匝数,可以将大 (Intensity)电流变为小(Quantity)电流,也可将小电流变为大电流。实际上,亨利这个实验是电磁感应现象的非常直观的关键性实验,亨利 这个实验装置也实际上是一台变压器的雏形。但是,亨利做事谨慎,他没有急于发表他的实验成果,他还想再做一些实验。然而假期已过,他只得将这件事搁置一 旁。后来他又进行了多次实验,直到1832年才将实验论文发表在《美国科学和艺术杂志》第7期上。但是,在此以前,法拉第首先公布了他的电磁感应实验,介 绍了他的实验装置,因此电磁感应现象的发明权只能归法拉弟,变压器的发明权也非法拉弟莫属了。亨利虽然非常遗憾地与电磁感应现象的发现权和变压器的发明权 擦肩而过,但他在电学上的贡献、对变压器发明的贡献则是有目共睹的。特别值得一提的是,亨利实验装置比法拉弟感应线圈更接近于现代通用的变压器。

图2  法拉第感应线圈

图3  亨利实验装置原理图(1830年8月)
从现代变压器原理来看,法拉弟感应线圈是一只单心闭合磁路双绕组式变压器。由于当时没有交流电源,所以它是一种原始的脉冲变压器,而亨利变压器则是一种原始的双心开路磁路双绕组式脉冲变压器。
1835年,美国物理学家佩奇(C.J.Page,1812~1868)制成图4所示的感应线圈,该线圈是世界上第一只自耦变压器,利用自动锤的振动使水银接通或断开电路。在副边线圈感生的电动势能使一个真空管的电火花达4.5英寸长。
图4  佩奇感应线圈原理图
1837年,英国牧师卡兰(N.J.Callan)将佩奇变压器分成无电气连接的两部分(图5),当打开开关M、断开线圈A的电路时,则线圈B的两端间S将会产生火花。

图5  卡兰感应线圈原理图

与法拉弟、亨利的变压器一样,佩奇和卡兰变压器都是利用断续直流工作的设备,只能用于实验观察,都无实际应用价值。
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德国技师鲁姆科尔夫 (H.D.Ruhmkorff,1803~1877)在变压器发明史上是一个贡献较大的人。他生于德国,后到巴黎定居,并自设精密机械制造工场。鲁姆科尔 夫在理论上并无建树,但他善于研究他人的建议,并利用他心灵手巧的特长付诸实践,制造了一些优良的感应线圈。1842年,在Masson和Brequet 的指导下,他开始对卡兰变压器进行研究。1850年制成第一只感应线圈(Inductorium)。1851年,他提出第一个感应火花线圈(变压器)的专 利,鲁姆科尔夫感应线圈如图6、图7所示。铁心用软铁丝制成,原边线圈包绕在铁心上,副边线圈则包绕在原边线圈上。原边线圈由蓄电池供电,并通过一个磁化 铁心机构反复开、合水银开关,使原边线圈中通以脉动直流电反复改变方向。副边线圈中则感应一个交变电流。与以前的感应线圈相比,鲁姆科尔夫感应线圈有较大 的改进。首先副边线圈的绝缘更加可靠,线圈用涂漆铜线绕成,线圈层间用纸或漆稠绝缘,副边线圈与原边线圈则用一只玻璃管隔开;其次,鲁姆科尔夫采用E.English 和C.Bright的发明,将副边线圈分成几段,各段间彼此分开,然后串在一起。这样可使电位差最大的点(出线端S—S)之间的距离最远。后来,鲁姆科尔 夫对该线圈进行了改进,如将以前采用的水银开关改为酒精开关,不但可消除开关火花,而且可防止氧化;此外,他还在原边线圈接入电容器以提高感应电压。鲁姆 科尔夫线圈由于功率较大,不但可用作实验,而且还可用于放电治疗。因此可以说,鲁姆科尔夫感应线圈是第一个有实用价值的变压器。
 

图6  鲁姆科尔夫感应线圈示意图

图7  鲁姆科尔夫感应线圈(1850年)
图8为鲁姆科尔夫感应线圈复原图
 

图8  鲁姆科尔夫感应线圈及复原图
为了获得更大的火花,1856年,英国电工技师 瓦里(C.F.Varley,1828~1883)也对卡兰变压器作了改进(图9、图10),他采用一只双刀双掷开关来回改变电流方向,使线圈A中的电流 交替改变方向,从而线圈B中感应出一个交变电流,因此可以说,瓦里感应线圈是交流变压器的始祖。

图9  瓦里感应线圈原理图

图10  瓦里感应线圈(1856年)
1862年,莫里斯(Morris)、魏尔(Weave)和蒙克顿(Moncktom)取得一个将感应线圈用于交流电的专利权。
1868年,英国物理学家格罗夫(W.R.Grove,1811~1896)采用图9所示的装置将交流电源V与线圈A相连,在线圈B中得到一个电压不同的交流电流。因此格罗夫感应线圈实际上是世界上第一只交流变压器。

图11  格罗夫感应线圈原理图(1868年)
继格罗夫之后,许多人对感应线圈进行了研究,提 出了一些改进建议。例如,美国人富勒(J.B.Fuller)在19世纪70年代初对感应线圈进行了理论研究,提出感应线圈应采用闭合铁心,原边线圈采用 并联而不是当时大多数感应线圈所采用的串联。但是他的想法生前只向他的上司谈过,直到他死后不久,人们发现他的手稿。1879年2月,人们将他的手稿整理 发表,他关于感应线圈的设想才得以公诸于世。
1876年,俄国物理学家雅勃洛奇科夫(Л.Н.Яълочков,1847~1894)发明“电烛”,采用一只两个绕组的感应线圈,原边与交流电源相连,为高压侧,副边低压侧的交流电向“电烛”供电。这只感应线圈实际上是一台不闭合磁芯的单相变压器。
1882年,俄国工程师И.Ф.乌萨金在莫斯科首次展出了有升压、降压感应线圈的高压变电装置。
2  高兰德—吉布斯二次发电机
19世纪80年代后,交流电进入人类社会生活, 变压器的原理也为许多人所了解,人们自然而然想到将变压器用于实际交流电路中。在这方面迈出第一步并做出重大贡献的是法国人高兰德 (L.Gauland,1850~1888)和英国人吉布斯(J.D.Gibbs)。1882年9月13日,它们在英国申请了第一个感应线圈及其供电系统 的专利(№.4362),他们称这种感应线圈为“Secondary generator”(二次发电机)。图12为高兰德—吉布斯二次发电机原理图,原边线圈数与副边线圈数之比为1∶1,原边线圈串联,而副边线圈均分为数 段,分别与电灯1相连。高兰德—吉布斯二次发电机(变压器)是一种开路铁心变压器,它通过推进、拉出铁心来控制电压,原边线圈他们仍坚持采用串联(虽然麦 克斯韦在1865年就证明,原边线圈如果采用串联,副边电压就不能单独控制)。

图12  高兰德—吉布斯二次发电机原理图
1—电灯  2—开关  3—交流电源
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1882年10月7日,他们制成了第一台 3000V/100V的二次发电机,1983年又制成一台容量约5kVA的二次发电机在伦敦郊外一个小型电工展览会上展出表演。当年,他们为伦敦市区铁路 提供了几台小型变压器(图13)。1884年,他们在意大利都灵技术博览会上展出了

图13  高兰德—吉布斯二次发电机(1883年)
他们的变压器,并表演了交流远距离输电。采用开 磁路变压器串联交流输电系统,将30kW、133Hz的交流电输送到40km远处。当年他们还售出了几台类似的变压器,其中图14为售给意大利物理学家费 拉里斯(G.Ferraris,1847~1897)的实验用变压器。该变压器铁心为铁丝组成的开路铁心,原边线圈由0.25mm厚铜片绕成的445个环 (匝)组成,但它们在高度方向

图14  高兰德—吉布斯二次发电机(1884年)
分成4段,通过正前方的塞子将副边线圈的4段串联或并路,从而改变副边的输出电压。图15为另一种高兰德—吉布斯二次发电机,这台二次发电机可以通过调节输出电压而改变输出功率的大小。

图15  高兰德—吉布斯二次发电机
1884年3月4日,高兰德和吉布斯在美国申请第一个有关开路铁心变压器的专利(№.297924)—“产生和利用二次电流的装置”(图16);
1885年,高兰德和吉布斯受岗茨工厂变压器的启发,研究采用闭路铁心结构的变压器。1886年3月6日,他们在美国申请有关闭合磁路变压器的专利(№.351589)。图17为1886年制造的闭路铁心式高兰德—吉布斯二次发电机。
图16  高兰德—吉布斯在美国申请的第一个变压器专利(№.297924)的附图
 

图17  高兰德—吉布斯闭路铁心式二次发电机(1886年)
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3  齐伯诺夫斯基—德里—布拉什(Z-D-B)变压器
高兰德—吉布斯二次发电机(变压器)虽然开辟了 变压器的实际应用领域,但早期这种变压器存在某些先天不足,如开路铁心、原边线圈串联等。首先对此质疑和作出改进的是匈牙利岗茨工厂(Ganz)的三个年 轻工程师布拉什(O.T.Blathy,1860~1939)、齐伯诺夫斯基(C.Zipernowsky, 1853~1942)和德里(M.Deri,1854~1938)。
布拉什1883年进入岗茨工厂,长期担任技术负 责人。他一生发明颇丰,曾获得100多项专利权,包括变压器、电压调整器、汽轮发电机等。布拉什是首次研究交流发电机并联运行人之一,他还发明了许多电机 设计程序和设计计算方法。另外,他在1885年首先引入单词“Transformer”(变压器),这一简明传神的术语很快为人们所认同和接受,迅速取代 以往采用的“感应线圈”、“二次发电机”等术语,一直沿用至今。
齐伯诺夫斯基是1878年成立的岗茨工厂电气部的奠基人之一。1893年,他提任匈牙利布达佩斯技术大学的电气教授。他一生取得40多项专利权,曾任匈牙利电工学会主席30年。
德里1882年加入岗茨工厂,他长期在销售部工作,但对电机和变压器颇有研究。他曾设计复激交流发电机,还发明了以他名字命名的双电刷推斥式电动机—德里电动机。
1884年,意大利都灵技术博览会召开,布拉什 和岗茨工厂一批技术人员参观了该博览会,见到了会上展出的高兰德—吉布斯二次发电机。布拉什当时敏锐地觉察到这种二次发电机有很大发展前途,注意到这种变 压器的优点及不足之处。在博览会上,布拉什曾问高兰德:“为什么你们的二次发电机不采用闭路铁心?”高兰德不假思索地回答:“采用闭路铁心非常危险,而且 很不经济。”
1884年7月,布拉什从都灵回到布达佩斯后, 立即将都灵博览会上的所见所闻告诉了齐伯诺夫斯基和达里,他们决定立即进行变压器的改进实验。布拉什建议采用闭路铁心,齐伯诺夫斯基建议将原边线圈串联改 为并联,并和德里一道进行研究实验。1884年8月7日,他们在岗茨工厂实验杂志上介绍了有关闭合磁路铁心的变压器(图18)。


图18  Z-D-B变压器示意图
1884年冬,德里在维也纳贸易联合会展示了他 们的发明。1885年1月2日,齐伯诺夫斯基和德里在奥地利申请第一个有关并联运行变压器的专利(№.37/101),图19为该专利中的附图。同年2月 2日他们三人在奥地利和德国申请第二个变压器专利(奥地利专利№.35/2446,德国专利№.40414)。

图19  奥地利专利№.37/101的附图
1884年9月16日,岗茨工厂制成的第一台变压器(1400W,f=Hz,120/72V,变比1.67),它是一台单相壳式、闭路铁心(铁丝)变压器。同年,岗茨工厂还制造了另外4台变压器。图20为最原始的Z-D-B变压器。
1885年5月1日,匈牙利布拉佩斯国家博览会 开幕,一台150V、70Hz单相交流发电机发出的电流,经过75台岗茨工厂5kVA变压器(闭路铁心,并联,壳式)降压,点燃了博览会场的1067只爱 迪生灯泡,其光耀夺目的壮观场面轰动了世界。所以,后来人们把1885年5月1日作为现代实用变压器的诞生日而加以纪念。布达佩斯博览会使岗茨工厂名扬四 海,博览会期间工厂就接到一批订单。

图20  最原始的Z-D-B变压器(1884年)
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图21和图22分别为1885年和1887年的岗茨变压器。从图可以看出,它们均为心式变压器,与现代变压器已十分接近。

 图21  Z-D-B为G.费兰里斯实验室制造的变压器(1885年)(3000W,变比1∶2或1∶4)
1885年6月至10月,Z-D-B变压器参加 了伦敦发明展览会,并在会上作了演示。高兰德—吉布斯公司的工程师贝尔费尔德(R.Belfield)参观了伦敦发明展览会,对Z-D-B变压器很感兴 趣。1885年5月7日,齐伯诺夫斯基、德里和布拉什在美国申请第一个闭路铁心

图22  Z-D-B全金属变压器(1887年) (E形铁片铁心,4000VA,1926/105V,2.19/38A,42Hz)
变压器及交流配电系统的专利(№.352105)。
齐伯诺夫斯基—德里—布拉什(Z-D-B)变压 器是变压器技术发展史上的重要里程碑,它所采用的闭路铁心、原边并联等基本结构一直沿用至今。可以说Z-D-B变压器已使现代变压器的结构基本定型,从此 变压器正式进入交流电流的输电、配电领域,有力地推动了交流电流的普及应用,促进了现代交流电机的发展。
1888年,岗茨工厂向德国西门子—哈尔斯克 (Simens-Halske)公司转让变压器专利权。不久,另外两家德国公司也购买了岗茨工厂的变压器专利权。1890年,法国、西班牙的公司也购买了 岗茨的变压器专利。从19世纪80年代后期开始,变压器在欧洲迅速推广,到1889年已总共生产1000台变压器,到1899年突破10000台。在20 世纪20年代前,岗茨工厂在变压器制造领域一直保持世界领先水平。
4  变压器技术在美国的传播和发展
19世纪80年代初,当欧洲人正致力于改进变压 器、探索变压器应用领域的时候,大洋彼岸美国的爱迪生公司正沉醉于在直流电系统方面的成功及由此带来的丰厚利润之中,对交流电系统、对变压器不屑一顾。但 此时,由火车空气制动器起家的威斯汀豪斯(W.Westinghouse,1846~1914)正想涉足交流电领域。1885年春,他漫游欧洲,参观了伦 敦和布达佩斯,与当时欧洲发明家也有接触,对高兰德—布吉斯二次发电机很感兴趣,当即决定购买几台二次发电机。1885年5月,西屋空气制动器公司的年轻 工程师潘塔伦里(Pantaleoni)因父亲病逝,回意大利奔丧,他到都灵拜会他的大学老师时,遇到正在都灵技术博览会的高兰德,当时高兰德正安装 Lanzo和Circe间的交流系统。潘塔伦里对此十分感兴趣,立即给威斯汀豪期打电报,报告他的观感。威斯汀豪斯十分重视,回电潘塔伦里,要他与高兰德 联系,买下高兰德、吉布斯在美国申请的有关变压器的独家专有权。经友好协商,高兰德同意了威斯汀豪斯的要求。
1885年9月1日,西屋空气制动器公司订购的高兰德—吉布斯二次发电机和西门子Siemens公司单相交流发电机从欧洲运到美国。
1885年11月23日,贝尔费尔德 (R.Belfield)作为高兰德—吉布斯的全权代表到达美国匹兹堡,向西屋空气制动器公司转让变压器技术,并帮助该公司设计新型(闭路铁心)变压器。 1886年1月5日,他到Great Barrington,帮助斯坦利(W.Stanley,时为威斯汀豪斯的助手)建设。运行Great Barrington 3000V交流输电线。1886年3月20日,美国第一条交流输电线建成投入运行,这标志美国电气时代的真正开始!
威斯汀豪斯除了以实业家胆识招揽人才、购买专 利、订购设备、发展交流电系统和变压器外,还身体力行,潜心于变压器的研究。1886年1月8日,他组建威斯汀豪斯电气公司(西屋电气公司),大踏步地进 入电气(主要是交流电)领域,正式进入变压器的研究和工业化生产。1886年2月,他申请了有关配电系统和闭路铁心变压器的2项美国专利(№ .342552和№.342553)。图23为西屋公司最早的变压器。1888年,西屋公司制成40盏电灯用2kW变压器。1891年,西屋公司制成第一 台充油变压器(10kV电压)(图24)。

图23  西屋公司早期变压器

图24  西屋公司充油变压器(1891年)
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与威斯汀豪斯积极开拓、发展变压器工业成为鲜明 对照的,是爱迪生对变压器的漠视和短视态度。当时,爱迪生电灯公司的电灯和直流发电机独霸北美大陆,远销欧洲。爱迪生踌躇满志,对刚刚出现的交流电供电系 统既不屑一顾,又怀有一丝敌意(这为以后的美国交直流之战埋下了种子)。1885年,爱迪生公司代表李博(J.W.Lieb)参观都灵博览会,见到了展出 的交流电配电系统和变压器。但李博与爱迪生一样,是一名顽固的直流主义者,他向爱迪生打了一报告,报告了他的观感,对会上展出的交流配电系统和变压器横加 挑剔指责。这份报告也更坚定了爱迪生反对交流电的决心。1886年,布拉什到美国,会见爱迪生,双方签订了一个协议,由爱迪生公司出资2万美元购买岗茨工 厂在美国申请的变压器的的独家专利使用权。但是,爱迪生公司出资压根就不想发展交流电系统和变压器,签订这项协议只不过是让其它公司发展交流电、发展变压 器的一种策略。因此,这一纸协议的直接后果是阻碍了Z-D-B变压器在美国的推广应用。这种情况直到1892年,爱迪生公司合并为通用电气公司后才得以根 本改变。
在美国变压器发展史上,还有两个人也作出了不可磨灭的贡献。他们是斯坦利(W.Stanley,1856~1927)和斯特拉(N.Tesla,1856~1943)。
斯坦利1883年开始接触交流电,对变压器在交 流电系统中的作用有深刻的论述。他曾多次称变压器是“heart of the alternating current system”(交流电系统的心脏)。1883~1884年,他在自己的小型实验室里就进行过变压器的研究。1884年2月,他受雇于威斯汀豪斯,成为他 的助手,主持设计制造交流系统及变压器。1885年9月29日制成美国第一台原边线圈并联、闭合磁路铁心的变压器(图25),并在西屋空气制动器公司车间 里进行了试验。1885年10月23日,他在美国申请第一个有关闭路铁心变压器的专利(№.349612);同年11月23日,他提出3个专利,其中2个 带变压器的配电系统的专利(№.372943和№.372944),1个是开路铁心变压器的专利(№.349611),这4个专利都转让给了威斯汀豪斯。 1885年12月,他主持建设美国第一个交流输电系统—Great Barringto交流输电系统。1886年3月20日,该系统建成投运。1890年他离开西屋电气公司,1891年他在Pittsfield组建斯坦利 电气制造公司,继续研制变压器。图26为斯坦利公司的一种商用变压器。1891年,斯坦利公司制成25kVA商用变压器(图27)。1892年,斯坦利公 司研制成15kV变压器,使美国交流电输电电压一举突破10kV,从而打开了高电压输电的大门。斯坦利也因而赢得了“电气传输之父”的美名。1903年, 他将公司并入GE公司。在GE公司,他继续指导GE公司开发变压器。因此使西屋公司和GE公司早期的变压器技术同宗同源,都是采用壳式变压器结构,直到 1918年GE公司改用心式变压器后,两者才分道扬辘。

图25  斯坦利主持设计制造的第一台变压器(1885年)(500V/100V) 

图26  斯坦利公司商用变压器

图27  斯坦利公司25kVA变压器(1891年)
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特斯拉是誉为“电工天才”的美籍克罗地亚科学 家,他在交流电系统和交流电动机方面的贡献享誉世界。1888年,他受聘到西屋公司工作后也在变压器方面作出了成绩。1890年,他离开西屋公司自立门 户,继续研究变压器。图28为1891年发明的特斯拉高频变生器原理,图29为特斯拉高频变压器复原图。变压器原边线圈为12匝Φ5mm的铜线,绕在一个 Φ55mm的玻璃管上。副边线圈380匝,Φ0.2mm铜线,绕在一个Φ113mm的玻璃管上。原副边线圈放入一个高50cm、内径Φ16.5cm的玻璃 管内,浸入绝缘矿物油内。原边线圈与振荡电路相连,副边线圈两端可获得105~106Hz的高频电流,并可观察到明显的火花。这台变压器曾用于研究高频电 振荡现象,并曾藉此观察到集肤效应。
 

图28  特斯拉高频发生器原理图(1891年)
 
5  三相变压器的诞生
高兰特—吉布斯二次发电机和Z-D-B变压器都是单相变压器,发明三相变压器的则是被
 

图29  特斯拉高频变压器(1891年)
誉为“三相交流电之父”的俄国科学家多利沃—多 布罗夫斯基。1888年,他提出三相电流可以产生旋转磁场,并发明三相同步发电机和三相鼠笼式电动机。1889年,他为解决三相电流的传输及供电问题,开 始研究三相变压器。与当时的单相变压器相比,多利沃—多布罗夫斯基三相变压器的原边、副边线圈并无太大差别,主要区别是在铁心布置方面。当年,他申请第1 个三相变压器铁心的专利,3个心柱在周向垂直对称布置,上、下与两个轭环相连。这种结构类似欧洲中世纪的修道院,故称为“Tempeltype(寺院 式)”,如图30(a)所示。“寺院式”结构后来又发展出图30(b)和图30(c)式。1891年,西门子公司又首先采用了框式铁心,见图30(d)。

图30  三相变压器铁心
世界上第一台三相变压器出现于1891年。当年 8月,世界博览会在德国法兰克福(Frankfurt)召开,会议组织者为了展示交流电的输送和应用,在175km外的德国劳芬(Lauffen)的波特 兰(Portland)水泥厂内装设了一套三相水轮发电机组(210kVA,150r/min,40Hz,相电压55V),向博览会上的1000盏电灯和 一台100马力的三相感应电动机供电。为此,德国通用电气公司(AEG)和瑞士奥立康(Oerlikon)厂分别为劳芬-法兰克福工程提供了4台和2台三 相变压器。在劳芬,AEG公司提供了2台三相升压变压器(每台100kVA,变比为1∶160,Y-Y接),Oerlikon工厂提供了一台升压变压器 (150kVA,变比为1∶155);在法兰克福的两座降压变电所,则分别装有2台AEG公司生产的三相降压变压器(变比为123∶1)向电动机供电,以 及一台Oerlikon工厂生产的三相降压变压器(变比为116∶1)向1000盏电灯供电。实测变压器的最高效率已达到96%。图31为AEG公司制造 的三相变压器。
6  其它变压器
除上面介绍的多种变压器外,19世纪后期及20世纪初期,还有许多人也进行了变压器的研究工作,制成了形形色色的变压器,使早期变压器异彩纷呈,也为后期各型变压器的发展积累了宝贵的经验和教训。
英国科学家费兰特 (S.Z.Ferranti,1864~1930)对变压器进行了研究,并于1885年取得有关闭合磁路变压器专利权。1888年研制成铁片弯成圆形组成 铁心的变压器(图32)。1891年制成一台10kV/2kV的较大容量的变压器,其铁心由10段组成,每段铁心均由弯成圆形的铁片组成,各段铁心间的间 隙用作通风冷却(图33)。

图31  AEG公司三相变压器(1891年)

图32  费兰特变压器(1888年)
1884年,英国电工学家J.霍普金森(J.Hopkinson,1849~1898)和他的弟弟E.霍普金森(E.Hopkinson,1859~1922)申请闭合磁路变压器的专利。
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1891年,莫迪(M.W.Mordey)为布拉什(Brush)公司设计制成一台采用叠片铁心的变压器(图34)。
美国电工学家汤姆森(E.Thomson,1853~1937)早在1879年就在弗朗克林(Franklin)学院研究过变压器。1886年,他制成第一台电焊变压器,其副边线圈为单匝,不久又制成恒流变压器(图35)。
迪克(Disk)和肯尼迪(R.Kennedey)发明了一种采用H形铁心的变压器结构(图36)。

1889年,英国斯温伯恩(M.Swinburne)发明“刺猬式”油浸变压器,这种变压器现在仍有应用。
除此之外,在19世纪80、90年代研究变压器 的人士还有Masson, Feldmann, W.Sturgeon, J.A.Fleming, W.B.Esson, I.Chenut, G.Ferrais, R.Ruhlman, W.Peukert, K.Zickier, G.Kapp, E.Hospitalier, F.Uppenborn, A.Urbanitzky, R.E.Crompton, K.D.Mackenzie, G.Forbes, S.Straub, F.Wilking, M.A.A.Roiti, M.Swinburne, Kittler,等等。

图33  费兰特10kV/2kV变压器(1891年)

图34  莫迪叠片铁心变压器(1891年)

图35  汤姆森恒流变压器(1886年)

图36  迪克—肯尼迪变压器剖面图

【资料】选择保险丝的十大要素

选择保险丝的十大要素:

  • 额定电流
  • 额定电压
  • 环境温度
  • 电压降 / 冷电阻
  • 熔断特性
  • 过载能力
  • 时间 / 电流特性
  • 分断能力
  • 熔化热能值
  • 耐久性(寿命)
  • 结构特征
  • 外形 / 尺寸
  • 安装形式
  • 安全认证

【资料】振荡电路、RC振荡电路以及LC振荡电路

振荡电路、RC振荡电路以及LC振荡电路

什么是振荡电路

能够产生振荡电流的电路叫做振荡电路。一般由电阻、电感、电容等元件和电子器件所组成。由电感线圈l和电容器c相连而成的lc电路是最简单的一种振荡电路,其固有频率为f=[sx(]1[]2πlc。

什么是RC振荡电路
 


采用RC选频网络构成的振荡电路称为RC振荡电路,它适用于低频振荡,一般用于产生1Hz~1MHz的低频信号。因为对于RC振荡电路来说,增大电阻R即可降低振荡频率,而增大电阻是无需增加成本的。
 
常用LC振荡电路产生的正弦波频率较高,若要产生频率较低的正弦振荡,势必要求振荡回路要有较大的电感和电容,这样不但元件体积大、笨重、安装不便,而且制造困难、成本高。因此,200kHz以下的正弦振荡电路,一般采用振荡频率较低的RC振荡电路。

常用的RC振荡电路
 


有相移式和桥式两种。
 
(1)RC移相式振荡器,具有电路简单,经济方便等优点,但选频作用较差,振幅不够稳定,频率调节不便,因此一般用于频率固定、稳定性要求不高的场合。其振荡频率是
 
fo=1/2π√6RC
 
[1] (2)RC桥式振荡器 将RC串并联选频网络和放大器结合起来即可构成RC振荡电路,放大器件可采用集成运算放大器。
 
如图所示,RC串并联选频网络接在运算放大器的输出端和同相输入端之间,构成正反馈,Rf、R1接在运算放大器的输出端和反相输入端之间,构成负反馈。正 反馈电路和负反馈电路构成一文氏电桥电路(如图右所示),运算放大器的输入端和输出端分别跨接在电桥的对角线上,所以,把这种振荡电路称为RC桥式振荡电路。
 
(如图)振荡信号由同相端输入,故构成同相放大器,输出电压Uo与输入电压Ui同相,其闭环电压放大倍数等于Au=Uo/Ui=1+(Rf/R1)。 而RC串并联选频网络在ω=ωo=1/RC时,Fu=1/3,εf=0°,所以,只要|Au|=1+(Rf/R1)>3,即Rf>2R1,振 荡电路就能满足自激振荡的振幅和相位起振条件,产生自激振荡,振荡频率fo等于
 
fo=1/2πRC
 
采用双联可调电位器或双联可调电容器即可方便地调节振荡频率。在常用的RC振荡电路中,一般采用切换高稳定度的电容来进行频段的转换(频率粗调),再采用双联可变电位器进行频率的细调。

什么是LC振荡电路
 


LC振荡电路基本电路一个不计电阻的LC电路,就可以实现电磁振荡,也称LC回路。

LC振荡电路物理模型的满足条件

①整个电路的电阻R=0(包括线圈、导线),从能量角度看没有其它形式的能向内能转化,即热损耗为零。
 
②电感线圈L集中了全部电路的电感,电容器C集中了全部电路的电容,无潜布电容存在。
 
③LC振荡电路在发生电磁振荡时不向外界空间辐射电磁波,是严格意义上的闭合电路,LC电路内部只发生线圈磁场能与电容器电场能之间的相互转化,即便 是电容器内产生的变化电场,线圈内产生的变化磁场也没有按麦克斯韦的电磁场理论激发相应的磁场和电场,向周围空间辐射电磁波。
 
能产生大小和方向都随周期发生变化的电流叫振荡电流。能产生振荡电流的电路叫振荡电路。其中最简单的振荡电路叫LC回路。
 
振荡电流是一种交变电流,是一种频率很高的交变电流,它无法用线圈在磁场中转动产生,只能是由振荡电路产生。
 
充电完毕(充电开始):电场能达到最大,磁场能为零,回路中感应电流i=0。
 
放电完毕(放电开始):电场能为零,磁场能达到最大,回路中感应电流达到最大。
 
充电过程:电场能在增加,磁场能在减小,回路中电流在减小,电容器上电量在增加。从能量看:磁场能在向电场能转化。
 
放电过程:电场能在减少,磁场能在增加,回路中电流在增加,电容器上的电量在减少。从能量看:电场能在向磁场能转化。
 
在振荡电路中产生振荡电流的过程中,电容器极板上的电荷,通过线圈的电流,以及跟电流和电荷相联系的磁场和电场都发生周期性变化,这种现象叫电磁振荡。

【资料】压电式传感器以及压电式传感器原理

压电式传感器以及压电式传感器原理
 

压电式传感器
 


基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电 路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简 单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施,而且输出的直流响应差,需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。
 
  






压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指:当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电 荷;当外力撤去后,晶体又恢复到不带电的状态;当外力作用方向改变时,电荷的极性也随之改变;晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大 多是利用正压电效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象,又称电致伸缩效应。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工 程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型 5种基本形式(见图)。压电晶体是各向异性的,并非所有晶体都能在这 5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应,但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。

压电式传感器原理
 

压电效应是压电传感器的主要工作原理,压电传感器不能用于静态测量,因为经过外力作用后的电荷,只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的,所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。
压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传23213感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传23213感器在 飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用,特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部 燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业,例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压 力,也可以用来测量微小的压力。
压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中,比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的,因为测量动态压力是如此普遍,所以压电传感器的应用就非常广泛.

【资料】消弧线圈的作用,消弧线圈的原理

消弧线圈的作用,消弧线圈的原理
 


提问:

消弧线圈的作用及原理?
 


回答:

在变压器的分类中,没有消弧变压器这一说法,你说的消弧变压器可能是在变压器上并联消弧线圈起到
消弧作用。
消弧线圈的作用:
一个电网的存在必然存在着漏电.从那里漏的电呢? 电缆对地的电容!

我们知道,我们采用的是50Hz的频率.而且在传输的过程中是没有零线的,主要的目的是为了节约成本!
代替零线的自然就是大地.三相点他们对大地的距离不一样也就是对大地的电容也不一样!

既然电容不一样,那么漏电流也不一样.漏掉的 电流跑到那里去了呢?

这要取决于那条线路距离大地最近.因为漏调的电流要跑到另外的线路中!

假如A失去电流,那么B或者C就得到电流!容性电流=A-B|A-C

线路越长容性电流就越大!容性电流越大,当发生接地的时候弧光就不容易熄灭!通过引入消弧线圈来保证
整个变电站的接地时候的电流<5A就可以消灭接地弧光!

当然:引入消弧线圈后,变电站的系统有可能是过补(电感电流大于电容电流)或者是欠补(电感电流小于电
容电流)但绝对不能相同(电感电流等于电容电流)!