電工學課程電子課件-技術第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：主磁通所經過的閉合路徑。i磁路的基本概念線圈通入電流后，產生磁通，分主磁通和漏磁通。：主磁通：漏磁通鐵心（導磁性能好的磁性材料）線圈7.1磁路一、磁感應強度（磁通密度）與磁場方向相垂直的單位面積上通過的磁通（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：穿過垂直于B方向的面積S中的磁力線總數(shù)。

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

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

物質的磁性能一、非磁性物質

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

所以磁通與產生此磁通的電流I成正比，呈線性關系。當磁場媒質是非磁性材料時，有：即B與H成正比，呈線性關系。OHB0r

1B=0H

二、磁性物質

磁性物質內部形成許多小區(qū)域，其分子間存在的一種特殊的作用力使每一區(qū)域內的分子磁場排列整齊，顯示磁性，稱這些小區(qū)域為磁疇。

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

在沒有外磁場作用的普通磁性物質中，各個磁疇排列雜亂無章，磁場互相抵消，整體對外不顯磁性。磁疇磁性材料的磁性能1.

高導磁性

磁性材料的磁導率通常都很高，磁性材料能被強烈的磁化，具有很高的導磁性能。

磁性材料主要指鐵、鎳、鈷及其合金等。

磁性物質的高導磁性被廣泛地應用于電工設備中，如電機、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磁電流，便可以產生較大的磁通和磁感應強度。2.

磁飽和性B

磁場的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；

b點以后：B增加很少，達到飽和。

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

磁性物質的磁化曲線在磁路計算上極為重要，其為非線性曲線，實際中通過實驗得出。

3.

磁滯性

磁性材料在交變磁場中反復磁化，其B-H關系曲線是一條回形閉合曲線，稱為磁滯回線。磁滯性：磁性材料中磁感應強度B的變化總是滯后于外磁場變化的性質。剩磁感應強度Br(剩磁)：

當線圈中電流減小到零(H=0)時，鐵心中的磁感應強度。矯頑磁力Hc：

使B=0所需的H值。磁性物質不同，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。一般用來制造電機、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。在計算機和控制系統(tǒng)中用作記憶元件、開關元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體等。一.安培環(huán)路定律（全電流律）：磁場中任何閉合回路磁場強度的線積分,等于通過這個閉合路徑內電流的代數(shù)和.I1I2I3電流方向和磁場強度的方向符合右手定則，電流取正；否則取負。7.1.3磁路的基本定律

在無分支的均勻磁路（磁路的材料和截面積相同，各處的磁場強度相等）中，安培環(huán)路定律可寫成：磁路長度L線圈匝數(shù)NIHL：稱為磁壓降。NI：稱為磁通勢。一般用F

表示。F=NI總磁通勢

在非均勻磁路（磁路的材料或截面積不同，或磁場強度不等）中，總磁通勢等于各段磁壓降之和。例：IN對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磁壓降磁通勢電壓降電動勢電流U歐姆定律磁阻磁感應強度安培環(huán)路定律磁路IN歐姆定律電阻電流強度回路電壓定律結點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:

（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，電感相當于短路。7.2.1直流鐵心線圈電路7.2鐵心線圈勵磁電流：在磁路中用來產生磁通的電流勵磁電流直流-------直流磁路交流-------交流磁路一、電磁關系–+e–+e+–uNi主磁通：通過鐵心閉合的磁通。漏磁通：經過空氣或其它非導磁媒質閉合的磁通。線圈鐵心（磁通勢）i，鐵心線圈的漏磁電感7.2.2交流鐵心線圈電路+––+–+eeuNi二、電壓電流關系根據KVL:設主磁通則有效值

由于線圈電阻

R

和漏磁通較小，其電壓降也較小，與主磁電動勢E相比可忽略，故有ui一定時磁動勢IN隨磁阻的變化而變化。當外加電壓U、頻率f

與線圈匝數(shù)N一定時，便確定下來。根據磁路歐姆定律，當交流磁路的特點: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）由磁滯所產生的能量損耗稱為磁滯損耗（Ph）。

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

渦流：交變磁通在鐵心內產生感應電動勢和電流，稱為渦流。渦流在垂直于磁通的平面內環(huán)流。渦流損耗轉化為熱能，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。變壓器和電機中使用的硅鋼等材料的磁滯損耗較低。

設計時應適當選擇值以減小鐵心飽和程度。

磁滯損耗轉化為熱能，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。

變壓器是一種常見的電氣設備，在電力系統(tǒng)和電子線路中應用廣泛。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：在能量傳輸過程中，當輸送功率P=UIcos及負載功率因數(shù)cos

一定時：電能損耗小節(jié)省金屬材料（經濟）概述UIISP=I2Rl7.3

變壓器導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電力工業(yè)中常采用高壓輸電低壓配電，實現(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…實驗室380/220V降壓變電站

10kV降壓降壓

變壓器應用舉例變壓器的結構單相變壓器+–+–一次繞組N1二次繞組N2鐵心變壓器的基本結構變壓器符號：

一次、二次繞組互不相連，能量的傳遞靠磁耦合。設變壓器空載運行一次側接交流電源，二次側開路。i0(i0N1)空載時，鐵心中主磁通是由一次繞組磁通勢產生的。1+–+–+–+–1+–+–7.3.1變壓器的工作原理1.電壓變換結論：改變匝數(shù)比，就能改變輸出電壓。K為變比原、副邊電壓關系根據交流磁路的分析可得：時（變電壓）

帶負載運行情況一次側接交流電源，二次側接負載。1i1(i1N1)i2(i2N2)

2有載時，鐵心中主磁通是由一次、二次繞組磁通勢共同產生的合成磁通。+–+–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：有載磁勢：=或：1.提供產生m的磁勢2.提供用于補償作用

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

變壓器的匝數(shù)比應為：解:例1:

如圖，交流信號源的電動勢E=120V，內阻R0=800，負載為揚聲器，其等效電阻為RL=8。要求:（1）當RL折算到原邊的等效電阻時，求變壓器的匝數(shù)比和信號源輸出的功率；（2）當將負載直接與信號源聯(lián)接時,信號源輸出多大功率？信號源R0RL+–R0+–+–信號源的輸出功率：電子線路中，常利用阻抗匹配實現(xiàn)最大輸出功率。結論：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）將負載直接接到信號源上時，輸出功率為：ABCXYZabczyx1)三相變壓器的結構高壓繞組：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)結方式聯(lián)結方式：低壓繞組接法三相配電變壓器動力供電系統(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)結線電壓之比：ACBbca+–+–+–+–（2）三相變壓器Y0/聯(lián)結線電壓之比：ACBabc+–+–+–7.3.2變壓器的銘牌數(shù)據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2）額定值額定電壓U1N、U2N

變壓器二次側開路（空載）時，一次、二次側繞組允許的電壓值單相：U1N，一次側電壓，

U2N，二次側空載時的電壓三相：U1N、U2N，一次、二次側的線電壓

額定電流I1N、I2N

變壓器滿載運行時，一次、二次側繞組允許的電流值。單相：一次、二次側繞組允許的電流值三相：一次、二次側繞組線電流

額定容量

SN

傳送功率的最大能力。單相：三相：注意：變壓器幾個功率的關系（單相）效率容量：一次側輸入功率：輸出功率：變壓器運行時的功率取決于負載的性質容量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，鐵心一般由導磁鋼片疊成。變壓器的效率為一般95%,負載為額定負載的(50~75)%時，最大。輸出功率輸入功率7.3.4變壓器的外特性

當一次側電壓U1和負載功率因數(shù)cos2保持不變時，二次側輸出電壓U2和輸出電流I2的關系，

U20：一次側加額定電壓、二次側開路時，二次側的輸出電壓。

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

當電流流入(或流出）兩個線圈時，若產生的磁通方向相同，則兩個流入(或流出）端稱為同極性端。??AXax?AXax1.同極性端(同名端)

或者說，當鐵心中磁通變化時，在兩線圈中產生的感應電動勢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。7.3.5變壓器繞組極性及連接方法?聯(lián)接

2－3

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

聯(lián)接

1－3，2－4當電源電壓為220V時：+–+–電源電壓為110V時：問題1：在110V

情況下，如果只用一個繞組（N），行不行？答：不行（兩繞組必須并接）

一次側有兩個相同繞組的電源變壓器(220/110)，使用中應注意的問題：??1324

若兩種接法鐵心中的磁通相等，則：+–問題2：如果兩繞組的極性端接錯，結果如何？結論：在同極性端不明確時，一定要先測定同極性端再通電。答：有可能燒毀變壓器兩個線圈中的磁通抵消原因：電流很大燒毀變壓器感應電勢??1324’+–1.自耦變壓器ABP使用時，改變滑動端的位置，便可得到不同的輸出電壓。實驗室中用的調壓器就是根據此原理制作的。注意：原、副邊千萬不能對調使用，以防變壓器損壞。因為N變小時，磁通增大，電流會迅速增加。7.3.6特殊變壓器簡介2.電壓互感器

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

N1（匝數(shù)多）保險絲

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

用低量程的電流表測大電流（被測電流）N1（匝數(shù)少）N2（匝數(shù)多）ARi1i2電流表被測電流=電流表讀數(shù)N2/N11.副邊不能開路，以防產生高電壓；2.鐵心、低壓繞組的一端接地，以防在絕緣損壞時，在副邊出現(xiàn)過壓。使用注意事項：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械零件、工件于固定位置的一種電器。當電源斷開時電磁鐵的磁性消失，銜鐵或其它零件即被釋放。電磁鐵銜鐵的動作可使其它機械裝置發(fā)生聯(lián)動。根據使用電源類型分為：直流電磁鐵：用直流電源勵磁；交流電磁鐵：用交流電源勵磁。2.基本結構

電磁鐵由線圈、鐵心及銜鐵三部分組成，常見的結構如圖所示。鐵心銜鐵銜鐵

有時是機械零件、工件充當銜鐵FFFF線圈線圈銜鐵鐵心線圈鐵心3.電磁鐵吸力的計算

電磁鐵吸力的大小與氣隙的截面積S0及氣隙中的磁感應強度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