電工學(xué)簡明教程(第二版) 第三章 磁路和變壓器

1、第第3 3章章 磁路與電壓器磁路與電壓器第第 3 章章 磁路與變壓器磁路與變壓器第第3 3章章 磁路與電壓器磁路與電壓器第第 3 章磁路與變壓器章磁路與變壓器3.1磁路及其分析方法磁路及其分析方法3.2交流鐵心線圈電路交流鐵心線圈電路3.3變壓器變壓器3.4電磁鐵電磁鐵第第3 3章章 磁路與電壓器磁路與電壓器3.1磁路及其分析方法磁路及其分析方法3.1.1磁場的基本物理量磁場的基本物理量1磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B 矢量矢量單位：單位：T均勻磁場均勻磁場 磁場內(nèi)各點(diǎn)的磁場內(nèi)各點(diǎn)的 B 大小相等，方向相同。大小相等，方向相同。2磁通磁通 標(biāo)量標(biāo)量單位：單位：Wb對于均勻磁場對于均勻磁場 = B S3

2、磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率 真空磁導(dǎo)率真空磁導(dǎo)率 0 = 4 10 7 H/m ( (亨亨/ /米米) )相對磁導(dǎo)率相對磁導(dǎo)率 r = / 0對于鐵磁材料對于鐵磁材料 r = 102 1054磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度H 矢量矢量 定義定義H = B/ 單位：單位：A/m ( (安安/ /米米) )第第3 3章章 磁路與電壓器磁路與電壓器3.1.2磁性材料的磁性能磁性材料的磁性能1高導(dǎo)磁性高導(dǎo)磁性在外磁場的作用下，磁性物質(zhì)被強(qiáng)烈在外磁場的作用下，磁性物質(zhì)被強(qiáng)烈磁化而呈現(xiàn)出很強(qiáng)的磁性。磁化而呈現(xiàn)出很強(qiáng)的磁性。HmHmBrHCBH2磁滯性磁滯性 B 的變化落后于的變化落后于 H。 剩磁剩磁矯頑力矯頑力第第3 3章章 磁路

3、與電壓器磁路與電壓器3磁飽和性磁飽和性H 增加，增加，B 增加很小的現(xiàn)象。增加很小的現(xiàn)象。HmHmBrHCBHB - H - HbcBH aa、c 段段 值大、過值大、過 c 點(diǎn)出現(xiàn)飽和點(diǎn)出現(xiàn)飽和3.1.2磁性材料的磁性能磁性材料的磁性能第第3 3章章 磁路與電壓器磁路與電壓器3.1.3磁路的分析方法磁路的分析方法磁路是研究局限于一定范圍內(nèi)的磁場問題。磁路與磁路是研究局限于一定范圍內(nèi)的磁場問題。磁路與電路一樣，也是電工學(xué)課程所研究的基本對象。電路一樣，也是電工學(xué)課程所研究的基本對象。I 主磁通主磁通 漏磁通漏磁通鐵心鐵心線圈線圈磁路：磁通相對集中通過的路徑。磁路：磁通相對集中通過的路徑。第第3

4、 3章章 磁路與電壓器磁路與電壓器3.1.3磁路的分析方法磁路的分析方法1磁通連續(xù)性原理：磁通連續(xù)性原理：0d SSB通過任意閉合面的磁通量通過任意閉合面的磁通量 總為總為 0。即穿入閉合面。即穿入閉合面的磁感線，必同時穿出該閉合面。的磁感線，必同時穿出該閉合面。2安培環(huán)路定律：安培環(huán)路定律： lIlH dI1I2I3磁場強(qiáng)度沿任意閉合路徑的線磁場強(qiáng)度沿任意閉合路徑的線積分，等于穿過該閉合路徑所包圍積分，等于穿過該閉合路徑所包圍的電流的代數(shù)和。的電流的代數(shù)和。321dIIIl lH第第3 3章章 磁路與電壓器磁路與電壓器3磁路的歐姆定律磁路的歐姆定律lNui +根據(jù)根據(jù) lIlH d得得H l

5、 = N I磁通勢：磁通勢：F = N I( (單位單位：安安) )磁壓降：磁壓降： H l mRFSlNIHllSSHSB 磁路歐姆定律：磁路歐姆定律：mRF 磁路為不同材料組成時磁路為不同材料組成時 )(2211HllHlHNI磁路磁阻：磁路磁阻：RmSlR m第第3 3章章 磁路與電壓器磁路與電壓器3.2交流鐵心線圈電路交流鐵心線圈電路1感應(yīng)電動勢與磁通的關(guān)系感應(yīng)電動勢與磁通的關(guān)系 Nui ee +設(shè)：設(shè)： = msin ttNedd tNedd e = N mcos t = Emsin( t 90 )Em = N m = 2 f N m = 2 f NBmS 感應(yīng)電動勢的有效值：感應(yīng)電

6、動勢的有效值：mmm44. 4222 NfNfEE 第第3 3章章 磁路與電壓器磁路與電壓器2外加電壓與磁通的關(guān)系外加電壓與磁通的關(guān)系 Nui ee +uFm = iN uR = iR ( (主磁通主磁通) )tNedd ( (漏磁通漏磁通) )tNedd 由由 KVL： u = iR e e 因?yàn)橐驗(yàn)?R 和和 e 很小很小所以所以u eU 的有效值的有效值U E = 4.44 f N mU = 4.44 f NBmS第第3 3章章 磁路與電壓器磁路與電壓器3功率損耗功率損耗 Ni e +u+e+(1)(1)磁滯損耗磁滯損耗鐵心反復(fù)磁化時所消耗鐵心反復(fù)磁化時所消耗的功率。的功率。( (2)

7、)渦流損耗渦流損耗 在鐵心中產(chǎn)生的感應(yīng)電流在鐵心中產(chǎn)生的感應(yīng)電流而引起的損耗。而引起的損耗。 ( (3) )鐵心損耗鐵心損耗鐵心損耗鐵心損耗 = = 磁滯損耗磁滯損耗 + + 渦流損耗渦流損耗 ( (4) )銅損耗銅損耗線圈電阻產(chǎn)生的損耗線圈電阻產(chǎn)生的損耗PCu = I2R第第3 3章章 磁路與電壓器磁路與電壓器3.3變壓器變壓器3.3.1變壓器的工作原理變壓器的工作原理1變壓器的分類變壓器的分類按用途分按用途分：電力變壓器，特種用途變壓器。電力變壓器，特種用途變壓器。按相數(shù)分按相數(shù)分：單相、三相和多相變壓器。單相、三相和多相變壓器。按繞組數(shù)分按繞組數(shù)分：雙繞組、多繞組及自耦變壓器。雙繞組、多

8、繞組及自耦變壓器。2變壓器的結(jié)構(gòu)變壓器的結(jié)構(gòu)變壓器鐵心變壓器鐵心：硅鋼片疊壓而成。硅鋼片疊壓而成。變壓器繞組變壓器繞組：高強(qiáng)度漆包線繞制而成。高強(qiáng)度漆包線繞制而成。其他部件其他部件：油箱、冷卻裝置、保護(hù)裝置等。油箱、冷卻裝置、保護(hù)裝置等。第第3 3章章 磁路與電壓器磁路與電壓器變壓器鐵心變壓器鐵心：硅鋼片疊壓而成。硅鋼片疊壓而成。變壓器繞組變壓器繞組：高強(qiáng)度漆包線繞制而成。高強(qiáng)度漆包線繞制而成。其他部件其他部件：油箱、冷卻裝置、保護(hù)裝置等。油箱、冷卻裝置、保護(hù)裝置等。鐵心鐵心線圈線圈殼式變壓器殼式變壓器心式變壓器心式變壓器鐵心鐵心線圈線圈2變壓器的結(jié)構(gòu)變壓器的結(jié)構(gòu)第第3 3章章 磁路與電壓器磁

9、路與電壓器 1N1i1一次繞組一次繞組二次繞組二次繞組3變壓器的工作原理變壓器的工作原理u1+e1+e 1 +N2e2u20SZLi2+tNedd11 tNedd111 tNedd22 變壓器符號變壓器符號U1U2u1u2第第3 3章章 磁路與電壓器磁路與電壓器u1 i1( i1N1) 1 e 1 e1i2 (i2N2 ) 2 e 23變壓器的工作原理變壓器的工作原理e2S|Z| 1N1N2 i1e2u2e1u1e 1 2i2+e 2+第第3 3章章 磁路與電壓器磁路與電壓器 1N1N2 I0E2 U20E1 U1 E 1 +( (1) )電壓變換電壓變換變壓器空載：變壓器空載：01111IR

10、EEU 11EU E1 = 4.44 f N1 m220EU E2 = 4.44 f N2 m21201EEUU 21m2m12120144. 444. 4NNfNfNEEUU 結(jié)論結(jié)論U1U20 = = KN1N2 變比變比第第3 3章章 磁路與電壓器磁路與電壓器( (2) ) 電流變換電流變換SZLN1N2 I1E2 U2 E1 U1 E 1 I2+ E 2 +N1I1= N2 I2 ( I0 小小)結(jié)論結(jié)論產(chǎn)生主磁通產(chǎn)生主磁通 的磁通勢的磁通勢有效值有效值I0 = I1N (2.5 5)變壓器接負(fù)載：變壓器接負(fù)載：012211INININ 02211 ININ2211ININ KNNII

11、11221 第第3 3章章 磁路與電壓器磁路與電壓器( (3) )阻抗變換阻抗變換I2KZLU2U1I1Z0E+結(jié)論結(jié)論ZL可利用變壓器進(jìn)行阻抗匹配可利用變壓器進(jìn)行阻抗匹配1221212212221()NUUNNUNINIIN LL1212 UUZZII ，LL212()NZZN 第第3 3章章 磁路與電壓器磁路與電壓器4變壓器的銘牌數(shù)據(jù)變壓器的銘牌數(shù)據(jù)( (1) )額定容量額定容量 SN三相變壓器三相變壓器SN = U1NI1N= U2NI2N單相變壓器單相變壓器SN = U1NI1N = U2NI2N ( (2) )額定電壓額定電壓 U1N 和和 U2NU2N 應(yīng)比滿載運(yùn)行時的輸出電壓應(yīng)比

12、滿載運(yùn)行時的輸出電壓 U2 高出高出 5% 10%。( (3) )額定電流額定電流 I1N 和和 I2N 允許通過的最大電流。允許通過的最大電流。( (4) )額定頻率額定頻率 fN第第3 3章章 磁路與電壓器磁路與電壓器 例例 11有一臺有一臺額定容量額定容量 50 kV A、額定電壓、額定電壓 3300/220 V 的變壓器，高壓繞組為的變壓器，高壓繞組為 6000 匝，匝，試求：試求：( (1) )低低壓繞組匝數(shù)；壓繞組匝數(shù)；( (2) )高壓邊高壓邊 低壓邊額定電流；低壓邊額定電流；( (3) )當(dāng)一次側(cè)保當(dāng)一次側(cè)保持額定電壓不變，二持額定電壓不變，二次側(cè)達(dá)到額定電流，輸出功率次側(cè)達(dá)到

13、額定電流，輸出功率 9 kW， cos = 0.8 時的二次側(cè)端電壓時的二次側(cè)端電壓 U2。 解解 ( (1) )21N2N1NNUU 40033002206000N1N212 UUNN( (2) )A1 .15A3300105031NNN1 USII2N=K I1N=600040015.1 A = 226.5 A( (3) ) P = U2I2Ncos PI2N cos U2 =39 103227 0.8=V = 215 V第第3 3章章 磁路與電壓器磁路與電壓器I2KRLU2U1I1R0E+ 例例 2 如圖所示，交流信號源如圖所示，交流信號源 E = 120 V，內(nèi)阻內(nèi)阻 R0 = 800

14、 ，負(fù)載負(fù)載 RL = 8 。( (1) )當(dāng)當(dāng) RL 折算到一次側(cè)的等效電折算到一次側(cè)的等效電阻阻 R L = R0 時，求變壓器的匝數(shù)和信號源的輸出功率；時，求變壓器的匝數(shù)和信號源的輸出功率；( (2) )當(dāng)將負(fù)載直接與信號源連接時，信號源輸出多大功率？當(dāng)將負(fù)載直接與信號源連接時，信號源輸出多大功率？ 解解 RL108800 1LL21 RRNN) )( (W5 . 4W8008008001202L2L0 RRREP( (2) )W176. 0W888001202L2L0 RRREP第第3 3章章 磁路與電壓器磁路與電壓器3.3.2變壓器的外特性變壓器的外特性cos = 0.8cos =

15、10U2I2 外特性外特性 U2 = f (I2)電壓變化率電壓變化率U20 U2U20 U =100%U20I2NI2KRLU2U1I1RiUs+第第3 3章章 磁路與電壓器磁路與電壓器3.3.3變壓器的損耗與效率變壓器的損耗與效率1損耗損耗 P = PCu+ PFe銅損銅損222211CuIRIRP 鐵損鐵損 PFe 與與 Bm 有關(guān)有關(guān)2效率效率%100%100FeCu2212 PPPPPP = (90 99)%第第3 3章章 磁路與電壓器磁路與電壓器3.3.4特殊變壓器特殊變壓器U1N1N2Z ZL LU2+ + U1 N1N2 U2ZLI1 I2 I+ + 1自耦變壓器自耦變壓器KN

16、NUU 2121KNNII11221 21III 第第3 3章章 磁路與電壓器磁路與電壓器2電流互感器電流互感器3.3.4特殊變壓器特殊變壓器KNNII11221 N1N2負(fù)載負(fù)載Ai1i22121INNI 用來擴(kuò)大測量交流電流的量程用來擴(kuò)大測量交流電流的量程注意：測量時二次繞組電路不允許開路。注意：測量時二次繞組電路不允許開路。第第3 3章章 磁路與電壓器磁路與電壓器3.3.5變壓器繞組的極性變壓器繞組的極性1234ii 1 2同名端同名端1同名端同名端感應(yīng)電動勢的同極性端感應(yīng)電動勢的同極性端+e1e21234第第3 3章章 磁路與電壓器磁路與電壓器2 與與 3 相連，相連， 兩個兩個 1

17、的方向相同的方向相同u = e1 e1+ R1i + R1i= 2e1+ 2R1i2 與與 4 相連，相連， 兩個兩個 1 的方向相反的方向相反u = e1+ e1 + R1i + R1i = 2R1i正確連接方法正確連接方法，u 加在加在 1、4 端端錯誤連接方法錯誤連接方法，u 加在加在 1、3 端端產(chǎn)生很大電流，不允許產(chǎn)生很大電流，不允許2繞組的連接繞組的連接1234ii 1 1e1e1+1234ii 1 1e1e1+第第3 3章章 磁路與電壓器磁路與電壓器3.4電磁鐵電磁鐵銜鐵銜鐵鐵心鐵心鐵心鐵心線圈線圈線圈線圈銜鐵銜鐵結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) ：線圈、鐵心、銜鐵：線圈、鐵心、銜鐵利用電磁力實(shí)現(xiàn)某一機(jī)

18、械發(fā)生動作的電磁元件。利用電磁力實(shí)現(xiàn)某一機(jī)械發(fā)生動作的電磁元件。第第3 3章章 磁路與電壓器磁路與電壓器1直流電磁鐵直流電磁鐵 FB0 結(jié)論：吸力變大！結(jié)論：吸力變大！通入直流，無鐵損，鐵心用整塊的鑄鋼、軟鋼。通入直流，無鐵損，鐵心用整塊的鑄鋼、軟鋼。( (1) )電磁吸力電磁吸力0207810SBF ( (2) )吸合前后的電磁吸力變化情況吸合前后的電磁吸力變化情況對電流對電流U = IR U 不變時，不變時，I 不變不變磁通勢磁通勢Fm = IN = Um= Rm，也不變也不變吸合吸合前前Rm = Rm0 + Rm1后后Rm= Rm1所以在吸合后所以在吸合后 S 不變不變第第3 3章章 磁

19、路與電壓器磁路與電壓器( (1) ) 平均電磁吸力平均電磁吸力鐵心由硅鋼片疊成；鐵心由硅鋼片疊成；有分磁環(huán)。有分磁環(huán)。2交流電磁鐵交流電磁鐵02m71610SBF ( (2) ) 吸合前后的電磁吸力吸合前后的電磁吸力 不不變變根據(jù)根據(jù) U = 4.44 f N m當(dāng)當(dāng) U，f，N 不變不變， m不變不變 Bm 不變不變 吸力吸力 F 不變。不變。磁通勢磁通勢 Fm = i N = Um= Rm前前Rm = Rm0 + Rm1后后Rm = Rm1吸合吸合所以在吸合過程中所以在吸合過程中，吸力不變吸力不變， 勵磁電流由大變小勵磁電流由大變小大大 i N 有效值有效值 I 大大 小小 i N 有效值有效值 I 小小 第第