磁路與變壓器

第5章磁路與變壓器5.1磁路的基本知識(shí)5.2交流鐵心線圈5.3變壓器的結(jié)構(gòu)與工作原理5.4電磁鐵11.磁路：主磁通所經(jīng)過(guò)的閉合路徑。5.1磁路的基本知識(shí)5.1.1.磁路的基本物理量線圈通入電流后，產(chǎn)生磁通，分主磁通和漏磁通。：主磁通：漏磁通2

表示磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小:磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向:

與電流的方向之間符合右手螺旋定則。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位:

特斯拉(T)，1T=1Wb/m2

均勻磁場(chǎng):

各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等，方向相同的

磁場(chǎng)，也稱勻強(qiáng)磁場(chǎng)。5.1.1.磁路的基本物理量2、磁感應(yīng)強(qiáng)度B33.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)。

說(shuō)明:

如果不是均勻磁場(chǎng)，則取B的平均值。在均勻磁場(chǎng)中=BS或

B=/S

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·s4.磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度H

：介質(zhì)中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與介質(zhì)磁導(dǎo)率之比。磁場(chǎng)強(qiáng)度H的單位：安培/米（A/m)45.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5磁性材料的磁性能

1、高導(dǎo)磁性

指磁性材料的磁導(dǎo)率很高，

r>>1，使其具有被強(qiáng)烈磁化的特性。2、磁飽和性

當(dāng)外磁場(chǎng)（或勵(lì)磁電流）增大到一定值時(shí)，磁性材料的全部磁疇的磁場(chǎng)方向都轉(zhuǎn)向與磁場(chǎng)的方向一致，磁化磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度BJ達(dá)到飽和值。

5.1.2磁性材料高導(dǎo)磁性、磁飽和性、磁滯性、非線性6磁化曲線B和與H的關(guān)系注當(dāng)有磁性物質(zhì)存在時(shí)B與H不成比例，與I也不成比例。3、磁滯性

當(dāng)鐵心線圈中通有交變電流（大小和方向都變化）時(shí)，鐵心就受到交變磁化，電流變化時(shí)，B隨H而變化，當(dāng)H已減到零值時(shí)，但B未回到零，這種磁感應(yīng)強(qiáng)度滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的性質(zhì)稱磁性物質(zhì)的磁滯性。7一.安培環(huán)路定律（全電流律）：5.1.3磁路基本定律磁場(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)。8

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：稱為磁動(dòng)勢(shì)。一般用F

表示。F=NI9總磁動(dòng)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，總磁動(dòng)勢(shì)等于各段磁壓降之和。例：IN10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11磁路和電路的比較（一）磁路電路磁通INR+_EI磁壓降磁動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)電流電壓降U12基本定律磁阻磁感應(yīng)強(qiáng)度安培環(huán)路定律磁路IN歐姆定律電阻電流強(qiáng)度克氏電壓定律克氏電流定律磁路與電路的比較(二)電路R+_EI135.2交流鐵心線圈5.2.1鐵心線圈的電磁關(guān)系–+e–+e+–uNi（磁通勢(shì)）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i，鐵心線圈的漏磁電感與i不是線性關(guān)系。145.2.2鐵心線圈中電壓電流關(guān)系根據(jù)KVL:+––+–+eeuNi式中：R是線圈導(dǎo)線的電阻

L是漏磁電感

當(dāng)u是正弦電壓時(shí)，其它各電壓、電流、電動(dòng)勢(shì)可視作正弦量，則電壓、電流關(guān)系的相量式為：15設(shè)主磁通則有效值

由于線圈電阻

R

和感抗X（或漏磁通）較小，其電壓降也較小，與主磁電動(dòng)勢(shì)E相比可忽略，故有式中：Bm是鐵心中磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值，單位[T]；

S是鐵心截面積，單位[m2]。165.2.3鐵心線圈的功率損耗交流鐵心線圈的功率損耗主要有銅損和鐵損兩種。1.銅損（Pcu）在交流鐵心線圈中,線圈電阻R上的功率損耗稱銅損，用Pcu

表示。Pcu

=RI2式中：R是線圈的電阻；I是線圈中電流的有效值。2.鐵損（PFe）在交流鐵心線圈中，處于交變磁通下的鐵心內(nèi)的功率損耗稱鐵損，用PFe

表示。鐵損由磁滯和渦流產(chǎn)生。+–ui17（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）。磁滯損耗的大?。?jiǎn)挝惑w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。OHB

磁滯損耗轉(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。18(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)。鐵心線圈交流電路的有功功率為：195.3變壓器的結(jié)構(gòu)與工作原理

變壓器是一種改變交流電壓和交流電流，傳遞電功率的器件，它常用于電力網(wǎng)、收音機(jī)、電視機(jī)、收錄機(jī)、電子儀器、廣播通訊等處。主要特點(diǎn):交流電磁變換變壓器功能：電力變送：電力系統(tǒng)信號(hào)傳輸：電流互感器,電子電路阻抗變換：電子電路中的阻抗匹配（如喇叭的輸出變壓器）20最簡(jiǎn)單的變壓器由兩個(gè)繞在公共鐵心上的線圈組成，線圈是變壓器的電路，鐵心是變壓器的磁路（由鐵磁物質(zhì)構(gòu)成，能使磁力線集中通過(guò)的整體稱為磁路厚0.35mm或0.5mm）。與電源相聯(lián)的線圈稱為原線圈（初級(jí)線圈），與負(fù)載相聯(lián)的線圈稱為副線圈（次級(jí)線圈）。+–+–Z5.3.1變壓器的結(jié)構(gòu)215.3.2單相變壓器的工作原理變壓器的基本工作原理，是電磁感應(yīng)定律和全電流定律的應(yīng)用，以上圖單相變壓器為例說(shuō)明。它是由一個(gè)閉合鐵心和繞在鐵心上的兩個(gè)線圈所構(gòu)成，兩個(gè)線圈是相互絕緣的，沒(méi)有電的聯(lián)系，但由于繞在同一個(gè)磁路上，故有磁的耦合。設(shè)原線圈的串聯(lián)匝數(shù)是N1匝，副線圈的串聯(lián)匝數(shù)是N2匝。如果把原線圈與交流電源接通，副線圈接電燈負(fù)載，便會(huì)看到電燈發(fā)亮的現(xiàn)象，這說(shuō)明兩個(gè)線圈之間通過(guò)電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)了能量傳遞。此時(shí)，稱為變壓器負(fù)載運(yùn)行。如果付線圈開(kāi)路，則稱變壓器空載運(yùn)行。分別介紹。+–+–Z22變壓器符號(hào)1、空載運(yùn)行變壓器的原線圈接在額定頻率、額定電壓的交流電源上，副線圈開(kāi)路，就是空載運(yùn)行，與鐵心線圈接在正弦交流電壓下的情況基本相同，只是多了一個(gè)開(kāi)路的副線圈。接上交流電源u1，原邊電流i1等于勵(lì)磁電流i10

i10

產(chǎn)生交變磁通Φ產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，

（e、Φ方向符合右手定則）。2310i1u20u2i1e2e10i1u20u2i1e2e10i1u20u2i1e2eN1N1N22根據(jù)交流磁路的分析，可得：i2=0時(shí)，u2=u20

此式是變壓器的基本公式之一，說(shuō)明在空載時(shí)，原、副邊電壓的比值近似等于原、副線圈的匝數(shù)的比值，匝數(shù)比是一個(gè)常數(shù)，稱為變比，它是變壓器的一個(gè)重要參數(shù)，只要適當(dāng)選擇變比，就能實(shí)現(xiàn)變換電壓的目的。242、變壓器負(fù)載運(yùn)行當(dāng)變壓器的副邊接上負(fù)載后，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2

的作用下，副邊線圈中有了電流i2

，因此就有電能輸出。磁動(dòng)勢(shì)平衡方程式從能量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)看，副邊有能量輸出，必然使原線圈從電源多吸取負(fù)載所需要的能量，通過(guò)全磁通傳給副線圈。當(dāng)電源電壓u1保持不變時(shí)，要使輸入能量增加，原邊電流必然增大，即從空載時(shí)的i10增加到i1。2、有載運(yùn)行

從電磁關(guān)系看，電流i2也會(huì)產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)f2=i2N2,它作用在磁路上將使主磁通Φ發(fā)生變化主電勢(shì)E1發(fā)生變化，使原方回路的電壓達(dá)到新的平衡。25

∵Z1很小，故相比總是很小的，∴可以認(rèn)為負(fù)載運(yùn)行時(shí)，U1≈E1=4.44f1N1Φm如U1保持不變，則E1近于不變，產(chǎn)生E1的Φ也近于不變，因而建立主磁通所需要的磁動(dòng)勢(shì)也基本上不隨負(fù)載變化，也近似等于空載磁動(dòng)勢(shì)f0

。即：變壓器帶負(fù)載時(shí)，作用在磁路中的磁動(dòng)勢(shì)為：i1N1+i2N2其結(jié)果仍然是近似保持原有的磁動(dòng)勢(shì)i10N1不變，i1N1+i2N2=i10N1

有兩個(gè)作用：供給產(chǎn)生主磁通的磁動(dòng)勢(shì)i10N1；補(bǔ)償i2N2的作用通常變壓器的空載電流很小，僅為額定電流的（2-10）%。26所以，原、副線圈的磁動(dòng)勢(shì)在相位上近似相反，即副線圈的磁動(dòng)勢(shì)對(duì)原線圈的磁動(dòng)勢(shì)有去磁作用。原、副線圈在滿載時(shí)的數(shù)量關(guān)系為這也是變壓器的基本公式之一，它表明原、副線圈電流之比近似等于它們的匝數(shù)比的倒數(shù)，通過(guò)改變?cè)褦?shù)比可達(dá)到變換電流的目的。274、阻抗變換作用在電路中，通常希望負(fù)載能獲得最大的輸出功率，負(fù)載獲得最大功率的條件是負(fù)載阻抗等于電源內(nèi)阻，此時(shí)稱電路實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配。在電子設(shè)備中，如揚(yáng)聲器線圈的阻抗是由制造廠規(guī)定的，不能任意改變，將它接入電子線路中，不一定能獲得最大的功率輸出。為了解決此問(wèn)題，可以通過(guò)變壓器來(lái)變換負(fù)載阻抗的數(shù)值以獲得最大的功率輸出。電路如圖。從原邊等效：結(jié)論：變壓器原邊的等效負(fù)載，為副邊所帶負(fù)載乘以變比的平方。

282930

額定電壓變壓器副邊開(kāi)路（空載）時(shí)，原、副邊繞組允許的電壓值。額定電流

變壓器滿載運(yùn)行時(shí)，原、副邊繞組允許的電流值。

額定容量

傳送功率的最大能力。（理想）1.變壓器的額定值（以單相變壓器為例）5.3.3變壓器的使用31容量SN

輸出功率P2

原邊輸入功率P1

輸出功率P2注意：變壓器幾個(gè)功率的關(guān)系效率變壓器功率因數(shù)容量：原邊輸入功率：輸出功率：322.變壓器的外特性副邊輸出電壓和輸出電流的關(guān)系。即：U2I2U20U20：原邊加額定電壓、副邊開(kāi)路時(shí)，副邊的輸出電壓。一般供電系統(tǒng)希望要硬特性（隨I2的變化，U2

變化不多）33343.變壓器的損耗與效率()為防止渦流損失，鐵芯一般由一片片導(dǎo)磁材料疊合而成。變壓器的損耗包括兩部分：銅損(PCU)：繞組導(dǎo)線電阻所致。磁滯損失：磁滯現(xiàn)象引起鐵芯發(fā)熱，造成的損失。渦流損失：交變磁通在鐵芯中產(chǎn)生的感應(yīng)電流（渦流），造成的損失。鐵損()：PFE35ABCXYZabczyx1.三相變壓器高壓繞組：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：高壓繞組接法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:5.3.4其它變壓器36（1）三相變壓器Y/Y0聯(lián)結(jié)線電壓之比：ACBbca+–+–+–+–37（2）三相變壓器Y0/聯(lián)結(jié)線電壓之比：ACBabc+–+–+–382.自耦變壓器ABPKNNIIKNNUU112212121====結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：只有一個(gè)線圈，副線圈為原線圈的一部分。高壓線圈的匝數(shù)為N1，低壓線圈的匝數(shù)為N2。原邊和副邊不僅有磁路上的聯(lián)系，還有電路上的聯(lián)系。自耦變壓器的原理和普通單相雙繞組變壓器是一樣的，在原、副線圈電壓之間同樣存在如下的關(guān)系。391）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.電壓互感器與電流互感器402）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)：3.電壓互感器與電流互感器41當(dāng)電流流入兩個(gè)線圈(或流出）時(shí)，若產(chǎn)生的磁通方向相同，則兩個(gè)流入端稱為同極性端（同名端）?；蛘哒f(shuō)，當(dāng)鐵芯中磁通變化（增大或減?。r(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(同名端)AXax**5.3.5變壓器繞組的極性及其測(cè)定AXax**42電器使用時(shí)兩種電壓（220V/110V）的切換：220V：聯(lián)結(jié)2－3110V：聯(lián)結(jié)1－3，2－4線圈的接法1324**43220V：聯(lián)結(jié)2－3勵(lì)磁兩種接法下線圈工作情況的分析**132444110V：聯(lián)結(jié)1－3，2－41,32,4220V：聯(lián)結(jié)2－31324**說(shuō)明：兩種接法下不變，所以鐵芯磁路的設(shè)計(jì)相同勵(lì)磁'45問(wèn)題1：在110V

情況下，如果只用一個(gè)繞組（N），行不行？答：不行（兩繞組必須并繞）原邊有兩個(gè)相同繞組的電源變壓器（220/110），使用中應(yīng)注意的問(wèn)題：**13241,32,4N若兩種接法鐵芯中的磁通相等，則：46問(wèn)題2：如果兩繞組的極性端接錯(cuò)，結(jié)果如何？結(jié)論：在極性不明確時(shí)，一定要先測(cè)定極性再通電。答：有可能燒毀變壓器兩個(gè)線圈中的磁通抵消燒毀感應(yīng)電勢(shì)電流

很大原因：**1324’47方法一：交流法AXax同極性端的測(cè)定方法若說(shuō)明A

與a

或X

與x

為同極性端。把兩個(gè)線圈的任意兩端(X-x)連接,然后在AX

上加一小電壓u

。測(cè)量：若說(shuō)明A

與x或X與a是同極性端；結(jié)論：48方法二：直流法mA表+_AXaxK+-**AXax+_K設(shè)K閉合時(shí)增加。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向，阻止的增加。如果當(dāng)

K

閉合時(shí)，mA表正偏，則A－a

為同極性端;如果當(dāng)K

閉合時(shí)，mA表反偏，則A－x

為同極性端結(jié)論：495.4電磁鐵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(lèi)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。50

基本結(jié)構(gòu)