電工學(xué)課程電子課件-技術(shù)第7章

第7章

磁路與變壓器

第7章磁路與變壓器7.1磁路7.2鐵心線圈7.3變壓器7.4電磁鐵磁路：主磁通所經(jīng)過(guò)的閉合路徑。i磁路的基本概念線圈通入電流后，產(chǎn)生磁通，分主磁通和漏磁通。：主磁通：漏磁通鐵心（導(dǎo)磁性能好的磁性材料）線圈7.1磁路一、磁感應(yīng)強(qiáng)度（磁通密度）與磁場(chǎng)方向相垂直的單位面積上通過(guò)的磁通（磁力線）單位：韋伯1Tesla=104高斯B

的單位：特斯拉（Tesla）7.1.1磁路的基本物理量二、磁通磁通：穿過(guò)垂直于B方向的面積S中的磁力線總數(shù)。

磁感應(yīng)強(qiáng)度B在數(shù)值上可以看成為與磁場(chǎng)方向垂直的單位面積所通過(guò)的磁通,故又稱磁通密度。磁通的單位:韋[伯](Wb)1Wb=1V·s三、磁場(chǎng)強(qiáng)度H磁場(chǎng)強(qiáng)度是計(jì)算磁場(chǎng)所用的物理量，其大小為磁感應(yīng)強(qiáng)度和導(dǎo)磁率之比。單位：B

：特斯拉：亨/米：安/米四、磁導(dǎo)率：表征各種材料導(dǎo)磁能力的物理量（亨/米）真空中的磁導(dǎo)率()為常數(shù)一般材料的磁導(dǎo)率和真空中的磁導(dǎo)率之比，稱為這種材料的相對(duì)磁導(dǎo)率，則稱為磁性材料，則稱為非磁性材料7.1.2

物質(zhì)的磁性能一、非磁性物質(zhì)

非磁性物質(zhì)分子電流的磁場(chǎng)方向雜亂無(wú)章，幾乎不受外磁場(chǎng)的影響而互相抵消，不具有磁化特性。非磁性材料的磁導(dǎo)率都是常數(shù)，有：

所以磁通與產(chǎn)生此磁通的電流I成正比，呈線性關(guān)系。當(dāng)磁場(chǎng)媒質(zhì)是非磁性材料時(shí)，有：即B與H成正比，呈線性關(guān)系。OHB0r

1B=0H

二、磁性物質(zhì)

磁性物質(zhì)內(nèi)部形成許多小區(qū)域，其分子間存在的一種特殊的作用力使每一區(qū)域內(nèi)的分子磁場(chǎng)排列整齊，顯示磁性，稱這些小區(qū)域?yàn)榇女牎?/p>

在外磁場(chǎng)作用下，磁疇方向發(fā)生變化，使之與外磁場(chǎng)方向趨于一致，物質(zhì)整體顯示出磁性來(lái)，稱為磁化。即磁性物質(zhì)能被磁化。外磁場(chǎng)

在沒(méi)有外磁場(chǎng)作用的普通磁性物質(zhì)中，各個(gè)磁疇排列雜亂無(wú)章，磁場(chǎng)互相抵消，整體對(duì)外不顯磁性。磁疇磁性材料的磁性能1.

高導(dǎo)磁性

磁性材料的磁導(dǎo)率通常都很高，磁性材料能被強(qiáng)烈的磁化，具有很高的導(dǎo)磁性能。

磁性材料主要指鐵、鎳、鈷及其合金等。

磁性物質(zhì)的高導(dǎo)磁性被廣泛地應(yīng)用于電工設(shè)備中，如電機(jī)、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放有鐵心。在這種具有鐵心的線圈中通入不太大的勵(lì)磁電流，便可以產(chǎn)生較大的磁通和磁感應(yīng)強(qiáng)度。2.

磁飽和性B

磁場(chǎng)的B-H

磁化曲線。Bab磁化曲線OHB,??

B-H

磁化曲線的特征：

Oa段：B與H幾乎成正比地增加；

ab段：B的增加緩慢下來(lái)；

b點(diǎn)以后：B增加很少，達(dá)到飽和。

有磁性物質(zhì)存在時(shí)，B與H不成正比，與I不成正比。磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率不是常數(shù)，隨H而變。

磁性物質(zhì)的磁化曲線在磁路計(jì)算上極為重要，其為非線性曲線，實(shí)際中通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出。

3.

磁滯性

磁性材料在交變磁場(chǎng)中反復(fù)磁化，其B-H關(guān)系曲線是一條回形閉合曲線，稱為磁滯回線。磁滯性：磁性材料中磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化總是滯后于外磁場(chǎng)變化的性質(zhì)。剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br(剩磁)：

當(dāng)線圈中電流減小到零(H=0)時(shí)，鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。矯頑磁力Hc：

使B=0所需的H值。磁性物質(zhì)不同，其磁滯回線和磁化曲線也不同。磁滯回線OHBBrHc???按磁性物質(zhì)的磁性能，磁性材料分為三種類型：(1)軟磁材料具有較小的矯頑磁力，磁滯回線較窄。一般用來(lái)制造電機(jī)、電器及變壓器等的鐵心。常用的有鑄鐵、硅鋼、坡莫合金即鐵氧體等。(2)永磁材料具有較大的矯頑磁力，磁滯回線較寬。一般用來(lái)制造永久磁鐵。常用的有碳鋼及鐵鎳鋁鈷合金等。(3)矩磁材料具有較小的矯頑磁力和較大的剩磁，磁滯回線接近矩形，穩(wěn)定性良好。在計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)中用作記憶元件、開(kāi)關(guān)元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體等。一.安培環(huán)路定律（全電流律）：磁場(chǎng)中任何閉合回路磁場(chǎng)強(qiáng)度的線積分,等于通過(guò)這個(gè)閉合路徑內(nèi)電流的代數(shù)和.I1I2I3電流方向和磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向符合右手定則，電流取正；否則取負(fù)。7.1.3磁路的基本定律

在無(wú)分支的均勻磁路（磁路的材料和截面積相同，各處的磁場(chǎng)強(qiáng)度相等）中，安培環(huán)路定律可寫(xiě)成：磁路長(zhǎng)度L線圈匝數(shù)NIHL：稱為磁壓降。NI：稱為磁通勢(shì)。一般用F

表示。F=NI總磁通勢(shì)

在非均勻磁路（磁路的材料或截面積不同，或磁場(chǎng)強(qiáng)度不等）中，總磁通勢(shì)等于各段磁壓降之和。例：IN對(duì)于均勻磁路磁路中的歐姆定律二.磁路的歐姆定律：則：INSL注：由于磁性材料是非線性的，磁路歐姆定律多用作定性分析，不做定量計(jì)算。令：Rm

稱為磁阻磁路和電路的比較（一）磁路電路磁通INR+_EI磁壓降磁通勢(shì)電壓降電動(dòng)勢(shì)電流U歐姆定律磁阻磁感應(yīng)強(qiáng)度安培環(huán)路定律磁路IN歐姆定律電阻電流強(qiáng)度回路電壓定律結(jié)點(diǎn)電流定律磁路與電路的比較(二)電路R+_EI※IU直流磁路的特點(diǎn):

（R

為線圈的電阻）直流鐵心線圈的功率就是線圈電阻消耗的功率，為：I恒定，φ恒定，e=0，電感相當(dāng)于短路。7.2.1直流鐵心線圈電路7.2鐵心線圈勵(lì)磁電流：在磁路中用來(lái)產(chǎn)生磁通的電流勵(lì)磁電流直流-------直流磁路交流-------交流磁路一、電磁關(guān)系–+e–+e+–uNi主磁通：通過(guò)鐵心閉合的磁通。漏磁通：經(jīng)過(guò)空氣或其它非導(dǎo)磁媒質(zhì)閉合的磁通。線圈鐵心（磁通勢(shì)）i，鐵心線圈的漏磁電感7.2.2交流鐵心線圈電路+––+–+eeuNi二、電壓電流關(guān)系根據(jù)KVL:設(shè)主磁通則有效值

由于線圈電阻

R

和漏磁通較小，其電壓降也較小，與主磁電動(dòng)勢(shì)E相比可忽略，故有ui一定時(shí)磁動(dòng)勢(shì)IN隨磁阻的變化而變化。當(dāng)外加電壓U、頻率f

與線圈匝數(shù)N一定時(shí)，便確定下來(lái)。根據(jù)磁路歐姆定律，當(dāng)交流磁路的特點(diǎn):三、功率損耗+–ui鐵心線圈交流電路的有功功率為：銅損耗Pcu鐵損耗PFe鐵損由磁滯和渦流產(chǎn)生。OHBΔPCu線圈電阻R上的損耗ΔPFe處于交變磁化下的鐵心的損耗（1）磁滯損耗（Ph）由磁滯所產(chǎn)生的能量損耗稱為磁滯損耗（Ph）。

單位體積內(nèi)的磁滯損耗正比與磁滯回線的面積和磁場(chǎng)交變的頻率f。(2)渦流損耗（Pe）渦流損耗:由渦流所產(chǎn)生的功率損耗。

渦流：交變磁通在鐵心內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流，稱為渦流。渦流在垂直于磁通的平面內(nèi)環(huán)流。渦流損耗轉(zhuǎn)化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。

減少磁滯損耗的措施：選用磁滯回線狹小的磁性材料制作鐵心。變壓器和電機(jī)中使用的硅鋼等材料的磁滯損耗較低。

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)選擇值以減小鐵心飽和程度。

磁滯損耗轉(zhuǎn)化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。硅鋼片疊成的鐵心鐵心線圈的磁路由高導(dǎo)磁硅鋼片疊成厚0.35mm或0.5mm鐵心減少渦流損耗措施：

提高鐵心的電阻率。鐵心用彼此絕緣的鋼片疊成，把渦流限制在較小的截面內(nèi)。

變壓器是一種常見(jiàn)的電氣設(shè)備，在電力系統(tǒng)和電子線路中應(yīng)用廣泛。變電壓：電力系統(tǒng)

變阻抗：電子線路中的阻抗匹配變電流：電流互感器

變壓器的主要功能有：在能量傳輸過(guò)程中，當(dāng)輸送功率P=UIcos及負(fù)載功率因數(shù)cos

一定時(shí)：電能損耗小節(jié)省金屬材料（經(jīng)濟(jì)）概述UIISP=I2Rl7.3

變壓器導(dǎo)線的截面積變壓器的分類按用途分電力變壓器(輸配電用)儀用變壓器整流變壓器

按相數(shù)分三相變壓器單相變壓器按制造方式殼式心式變壓器符號(hào)電力工業(yè)中常采用高壓輸電低壓配電，實(shí)現(xiàn)節(jié)能并保證用電安全。具體如下：

發(fā)電廠10.5kV輸電線220kV升壓儀器36V降壓…實(shí)驗(yàn)室380/220V降壓變電站

10kV降壓降壓

變壓器應(yīng)用舉例變壓器的結(jié)構(gòu)單相變壓器+–+–一次繞組N1二次繞組N2鐵心變壓器的基本結(jié)構(gòu)變壓器符號(hào)：

一次、二次繞組互不相連，能量的傳遞靠磁耦合。設(shè)變壓器空載運(yùn)行一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)開(kāi)路。i0(i0N1)空載時(shí)，鐵心中主磁通是由一次繞組磁通勢(shì)產(chǎn)生的。1+–+–+–+–1+–+–7.3.1變壓器的工作原理1.電壓變換結(jié)論：改變?cè)褦?shù)比，就能改變輸出電壓。K為變比原、副邊電壓關(guān)系根據(jù)交流磁路的分析可得：時(shí)（變電壓）

帶負(fù)載運(yùn)行情況一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)接負(fù)載。1i1(i1N1)i2(i2N2)

2有載時(shí)，鐵心中主磁通是由一次、二次繞組磁通勢(shì)共同產(chǎn)生的合成磁通。+–+–i1i2+–e2Z+–12+–e2+–u22.電流變換+–|Z|+–+–+–由上式，若U1、f不變，則m基本不變，近于常數(shù)?？蛰d磁勢(shì)：有載磁勢(shì)：=或：1.提供產(chǎn)生m的磁勢(shì)2.提供用于補(bǔ)償作用

的磁勢(shì)磁勢(shì)平衡式：一般情況下：I0(2~3)%I1N很小可忽略?；蚪Y(jié)論：一次、二次側(cè)電流與匝數(shù)成反比。+–+–+–由圖可知：結(jié)論：變壓器一次側(cè)的等效阻抗模，為二次側(cè)所帶負(fù)載的阻抗模的K2倍。3.阻抗變換(1)

變壓器的匝數(shù)比應(yīng)為：解:例1:

如圖，交流信號(hào)源的電動(dòng)勢(shì)E=120V，內(nèi)阻R0=800，負(fù)載為揚(yáng)聲器，其等效電阻為RL=8。要求:（1）當(dāng)RL折算到原邊的等效電阻時(shí)，求變壓器的匝數(shù)比和信號(hào)源輸出的功率；（2）當(dāng)將負(fù)載直接與信號(hào)源聯(lián)接時(shí),信號(hào)源輸出多大功率？信號(hào)源R0RL+–R0+–+–信號(hào)源的輸出功率：電子線路中，常利用阻抗匹配實(shí)現(xiàn)最大輸出功率。結(jié)論：接入變壓器以后，輸出功率大大提高。原因：滿足了最大功率輸出的條件：（2）將負(fù)載直接接到信號(hào)源上時(shí)，輸出功率為：ABCXYZabczyx1)三相變壓器的結(jié)構(gòu)高壓繞組：A-XB-YC-ZX、Y、Z：尾端A、B、C：首端低壓繞組：a-xb-yc-za、b、c：首端x、y、z：尾端2)三相變壓器的聯(lián)結(jié)方式聯(lián)結(jié)方式：低壓繞組接法三相配電變壓器動(dòng)力供電系統(tǒng)（井下照明）高壓、超高壓供電系統(tǒng)常用接法:高壓繞組接法4、三相電壓的變換（1）三相變壓器Y/Y0聯(lián)結(jié)線電壓之比：ACBbca+–+–+–+–（2）三相變壓器Y0/聯(lián)結(jié)線電壓之比：ACBabc+–+–+–7.3.2變壓器的銘牌數(shù)據(jù)SJL1000/10

變壓器額定容量(KVA)

鋁線圈

冷卻方式J:油浸自冷式F:風(fēng)冷式相數(shù)S:三相D:單相高壓繞組的額定電壓(KV) 1)變壓器的型號(hào)2）額定值額定電壓U1N、U2N

變壓器二次側(cè)開(kāi)路（空載）時(shí)，一次、二次側(cè)繞組允許的電壓值單相：U1N，一次側(cè)電壓，

U2N，二次側(cè)空載時(shí)的電壓三相：U1N、U2N，一次、二次側(cè)的線電壓

額定電流I1N、I2N

變壓器滿載運(yùn)行時(shí)，一次、二次側(cè)繞組允許的電流值。單相：一次、二次側(cè)繞組允許的電流值三相：一次、二次側(cè)繞組線電流

額定容量

SN

傳送功率的最大能力。單相：三相：注意：變壓器幾個(gè)功率的關(guān)系（單相）效率容量：一次側(cè)輸入功率：輸出功率：變壓器運(yùn)行時(shí)的功率取決于負(fù)載的性質(zhì)容量SN

輸出功率P2

原邊輸入功率P1

輸出功率P2變壓器的損耗包括兩部分：7.3.3變壓器的效率()

銅損(PCu)：繞組導(dǎo)線電阻的損耗。磁滯損耗和渦流損耗

鐵損(PFe)：為減少渦流損耗，鐵心一般由導(dǎo)磁鋼片疊成。變壓器的效率為一般95%,負(fù)載為額定負(fù)載的(50~75)%時(shí)，最大。輸出功率輸入功率7.3.4變壓器的外特性

當(dāng)一次側(cè)電壓U1和負(fù)載功率因數(shù)cos2保持不變時(shí)，二次側(cè)輸出電壓U2和輸出電流I2的關(guān)系，

U20：一次側(cè)加額定電壓、二次側(cè)開(kāi)路時(shí)，二次側(cè)的輸出電壓。

一般供電系統(tǒng)希望要硬特性（隨I2的變化，U2

變化不大），電壓變化率約在5%左右。電壓變化率：cos2=0.8(感性）U2I2U20I2Ncos2=1O

當(dāng)電流流入(或流出）兩個(gè)線圈時(shí)，若產(chǎn)生的磁通方向相同，則兩個(gè)流入(或流出）端稱為同極性端。??AXax?AXax1.同極性端(同名端)

或者說(shuō)，當(dāng)鐵心中磁通變化時(shí)，在兩線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)極性相同的兩端為同極性端。同極性端用“?”表示。增加+–+++–––

同極性端和繞組的繞向有關(guān)。7.3.5變壓器繞組極性及連接方法?聯(lián)接

2－3

變壓器原一次側(cè)有兩個(gè)額定電壓為110V的繞組：2.線圈的接法??1324??1324

聯(lián)接

1－3，2－4當(dāng)電源電壓為220V時(shí)：+–+–電源電壓為110V時(shí)：?jiǎn)栴}1：在110V

情況下，如果只用一個(gè)繞組（N），行不行？答：不行（兩繞組必須并接）

一次側(cè)有兩個(gè)相同繞組的電源變壓器(220/110)，使用中應(yīng)注意的問(wèn)題：??1324

若兩種接法鐵心中的磁通相等，則：+–問(wèn)題2：如果兩繞組的極性端接錯(cuò)，結(jié)果如何？結(jié)論：在同極性端不明確時(shí)，一定要先測(cè)定同極性端再通電。答：有可能燒毀變壓器兩個(gè)線圈中的磁通抵消原因：電流很大燒毀變壓器感應(yīng)電勢(shì)??1324’+–1.自耦變壓器ABP使用時(shí)，改變滑動(dòng)端的位置，便可得到不同的輸出電壓。實(shí)驗(yàn)室中用的調(diào)壓器就是根據(jù)此原理制作的。注意：原、副邊千萬(wàn)不能對(duì)調(diào)使用，以防變壓器損壞。因?yàn)镹變小時(shí)，磁通增大，電流會(huì)迅速增加。7.3.6特殊變壓器簡(jiǎn)介2.電壓互感器

用低量程的電壓表測(cè)高電壓1.副邊不能短路，以防產(chǎn)生過(guò)流；2.鐵心、低壓繞組的一端接地，以防在絕緣損時(shí)，在副邊出現(xiàn)高壓。使用注意：VR

N1（匝數(shù)多）保險(xiǎn)絲

N2（匝數(shù)少）~u（被測(cè)電壓）電壓表被測(cè)電壓=電壓表讀數(shù)N1/N23.電流互感器

用低量程的電流表測(cè)大電流（被測(cè)電流）N1（匝數(shù)少）N2（匝數(shù)多）ARi1i2電流表被測(cè)電流=電流表讀數(shù)N2/N11.副邊不能開(kāi)路，以防產(chǎn)生高電壓；2.鐵心、低壓繞組的一端接地，以防在絕緣損壞時(shí)，在副邊出現(xiàn)過(guò)壓。使用注意事項(xiàng)：7.4電磁鐵1.概述

電磁鐵是利用通電的鐵心線圈吸引銜鐵或保持某種機(jī)械零件、工件于固定位置的一種電器。當(dāng)電源斷開(kāi)時(shí)電磁鐵的磁性消失，銜鐵或其它零件即被釋放。電磁鐵銜鐵的動(dòng)作可使其它機(jī)械裝置發(fā)生聯(lián)動(dòng)。根據(jù)使用電源類型分為：直流電磁鐵：用直流電源勵(lì)磁；交流電磁鐵：用交流電源勵(lì)磁。2.基本結(jié)構(gòu)

電磁鐵由線圈、鐵心及銜鐵三部分組成，常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)如圖所示。鐵心銜鐵銜鐵

有時(shí)是機(jī)械零件、工件充當(dāng)銜鐵FFFF線圈線圈銜鐵鐵心線圈鐵心3.電磁鐵吸力的計(jì)算

電磁鐵吸力的大小與氣隙的截面積S0及氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B0的平方成正比?；竟饺缦拢菏街校築0的單位是特[斯拉]；

S0的單位是平方米；

F的單位是牛[頓]（N）。直流電磁鐵的吸力直流電