電工學(xué)第6章磁路和鐵芯線圈電路課件

第6章磁路和與鐵心線圈電路

在很多電工設(shè)備中，不僅有電路的問題，同時還有磁路的問題。只有同時掌握了電路和磁路的基本理論，才能對各種電工設(shè)備作出作全面的分析。

本章結(jié)合磁路和鐵心線圈電路的分析，討論變壓器和電磁鐵,作為應(yīng)用實例。6·1磁路及其分析方法

電工設(shè)備中，常用磁性材料做成一定形狀的鐵心。鐵心的磁導(dǎo)率比周圍空氣或其它物質(zhì)的磁導(dǎo)率高得多，因此鐵心線圈中電流產(chǎn)生的磁通，絕大部分經(jīng)過鐵心而閉合。這種人為造成的磁通的閉合路徑，稱為磁路。

磁路問題是局限于一定路徑內(nèi)的磁場問題，磁場的各個基本物理量也適用于磁路。6·1磁路及其分析方法6·1·1磁場的基本物理量

1.磁感應(yīng)強度

磁感應(yīng)強度

B是表示磁場內(nèi)某點的磁場強弱和方向的物理量。它是一個矢量，它與電流(電流產(chǎn)生磁場)之間的方向關(guān)系可用右手螺旋定則來確定。

磁感應(yīng)強度的單位：特[斯拉](T)或韋[伯]每平方米(Wb/m2)。

2.磁通

磁感應(yīng)強度B與垂直于磁場方向的面積S的乘積，稱為通過該面積的磁通

，即

=BS或B=

/S。

磁感應(yīng)強度在數(shù)值上可以看作與磁場方向相垂直的單位面積所通過的磁通，故又稱為磁通密度。磁通的單位：韋[伯](Wb)或伏秒(Vs)。6·1磁路及其分析方法6·1·2磁性材料的磁性能

磁性材料主要是指鐵、鎳、鈷及其合金。

1.高導(dǎo)磁性

磁性材料的磁導(dǎo)率很高，r>>1，具有被強烈磁化的特性。

由于高導(dǎo)磁性，在具有鐵心的線圈中通入不大的勵磁電流，便可產(chǎn)生足夠大的磁通和磁感應(yīng)強度。

2.磁飽和性

將磁性材料放入磁場強度為

H

的磁場內(nèi)，會受到強烈的磁化。開始時B與H近于成正比地增加，而后隨著H的增加，B的增加緩慢下來，最后趨于磁飽和。

由于磁通與B成正比，產(chǎn)生磁通的勵磁電流I與H成正比，因此在存在磁性物質(zhì)的情況下，與I也不再成正比。磁飽和BHOBJ6·1磁路及其分析方法矯頑磁力剩磁6·1·2磁性材料的磁性能

3.磁滯性

當(dāng)鐵心線圈中通有交流電時，鐵心就受到交變磁化。在電流變化一次時，磁感應(yīng)強度B的變化將滯后于磁場強度H的變化，這種性質(zhì)稱為磁滯性。反映B隨H而變化的關(guān)系曲線稱為磁滯回線。

按磁性物質(zhì)的磁性能，磁性材料可以分成三種類型：

(1)軟磁材料：矯頑磁力小，剩磁小，用于制造電機電器及變壓器的鐵心；

(2)永磁材料：矯頑磁力大，剩磁大，用于制造永久性磁鐵；

(3)矩磁材料：矯頑磁力小，剩磁大，用于制造計算機和控制系統(tǒng)中的記憶元件、開關(guān)元件和邏輯元件。

6·1磁路及其分析方法6·1·3磁路的分析方法根據(jù)安培環(huán)路定律，可得出Hl=NI。式中N是線圈的匝數(shù)；l是磁路的平均長度；H是磁路鐵心的磁場強度。

線圈匝數(shù)與電流的乘積NI稱為磁通勢，即F=NI，磁通就是由它產(chǎn)生的，單位：安[培](A)。

將H=B/和B=/S代入上式，得，式中R稱為磁路的磁阻，S為磁路的截面積。

上式與電路的歐姆定律在形式上相似，所以稱為磁路的歐姆定律。

6·2交流鐵心線圈電路

鐵心線圈分為兩種：直流鐵心線圈和交流鐵心線圈。

直流鐵心線圈通直流電來勵磁，產(chǎn)生的磁通是恒定的，線圈和鐵心中不會感應(yīng)出電動勢來；在一定電壓

U

下，線圈中的電流

I只和線圈本身的電阻R有關(guān)；功率損耗也只有RI2；所以分析起來比較簡單。

交流鐵心線圈通交流電來勵磁，線圈中的電磁關(guān)系、電壓電流關(guān)系及功率損耗等幾個方面都比較復(fù)雜，與直流心線圈有所不同。6·2交流鐵心線圈電路

6·2·1電磁關(guān)系

圖所示交流線圈是具有鐵心的，磁通勢Ni產(chǎn)生的磁通絕大部分通過鐵心而閉合，這部分磁通稱為主磁通或工作磁通。此外還有很少的一部分漏磁通。這兩個磁通在線圈中產(chǎn)生兩個感應(yīng)電動勢：主磁電動勢e和漏磁電動勢e。

eui(Ni)

e

漏磁通主要不經(jīng)過鐵必，所以鐵心線圈的漏磁電感L是常數(shù)。

主磁通主要通過鐵心，所以鐵心線圈的主磁電感L不是常數(shù)。

鐵心線圈是一個非線性電感元件。6·2交流鐵心線圈電路6·2·2電壓電流關(guān)系

根據(jù)基爾霍夫定律

當(dāng)u是正弦電壓時，式中各量可視為正弦量，于是

式中X=L，稱為漏磁感抗，它是由漏磁通引起的。

由于主磁電感不是常數(shù)，所以設(shè)主磁通=msint，則主磁電動勢6·2交流鐵心線圈電路6·2·3功率損耗

在交流鐵心線圈中，除線圈電阻R

上有功率損耗RI(所謂銅損耗

PCu)外，處于交變磁化下的鐵心中也有功率損耗(所謂鐵損耗

PFe)。

鐵損耗是由磁滯和渦流產(chǎn)生的。

由磁滯所產(chǎn)生的鐵損耗稱為磁滯損耗

Ph，磁滯損耗要引起鐵心發(fā)熱。為了減小磁滯損耗，應(yīng)選用磁滯回線狹小的磁性材料制造鐵心。

由渦流所產(chǎn)生的鐵損耗稱為渦流損耗Pe，渦流損耗也會引起鐵心發(fā)熱。為了減小渦流損耗，在順磁場方向的鐵心可由彼此絕緣的鋼片疊成，這樣就可以限制渦流只能在較小的截面內(nèi)流通。

鐵心線圈交流電路的有功功率為

6·3變壓器

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

在輸電方面，當(dāng)輸送功率P=UIcos及功率因數(shù)cos為一定時，電壓U愈高，則線路電流I愈小。這不僅可以減小輸電線路的截面積，節(jié)省材料，同時還可以減小線路的功率損耗。因此在輸電時必須利用變壓器將電壓升高。在用電方面，為了保證用電的安全和合乎用電設(shè)備的電壓要求，還要利用變壓器將電壓降低。

在電子線路中，除電源變壓器外，變壓器還用來耦合電路，傳遞信號，并實現(xiàn)阻抗匹配。此外，尚有自耦變壓器、互感器及各種專用變壓器。

變壓器的種類很多，但是它們的基本構(gòu)造和工作原理是相同的。

6·3變壓器6·3·1變壓器的工作原理變壓器一般由閉合鐵心、高壓繞組、低壓繞組等幾個主要部分構(gòu)成。

與電源相連的繞組稱為一次繞組(或初級繞組、原繞組)，與負載相連的繞組稱為二次繞組(或次級繞組、副繞組)。當(dāng)一次繞組接上交流電壓u1時，一次繞組中便有電流i1通過。一次繞組的磁通勢N1i1產(chǎn)生的磁通絕大部分通過鐵心而閉合，從而在二次繞組中感應(yīng)出電動勢。6·3變壓器6·3·1變壓器的工作原理

e1

u1

i1

(N1i1)

e2

i2(N2i2)1

e1

2

e2

電磁關(guān)系6·3變壓器6·3·1變壓器的工作原理1.電壓變換當(dāng)u1

是正弦電壓時一次繞組電路二次繞組電路當(dāng)u1

是正弦電壓時6·3變壓器6·3·1變壓器的工作原理1.電壓變換當(dāng)變壓器空載時一次繞組電路二次繞組電路一次、二次繞組的電壓之比稱為變壓器的變比

在電源一定時，只要改變匝數(shù)比就可以得出不同的輸出電壓。

變比在變壓器在鉻牌上注明，它表示一次、二次繞組的額定壓之比。6·3變壓器6·3·1變壓器的工作原理2.電流變換

變壓器一次、二次繞組的電流之比近似等于它們的匝數(shù)比的倒數(shù)。變壓器中的電流雖然由負載的大小確定，但是一次、二次繞組中電流的比值是差不多不變的。當(dāng)負載增加時，I2和N2I2隨著增大，而I1和N1I1也必須相應(yīng)增大，以抵償二次繞組的電流和磁通勢對主磁通的影響，從而維持主磁通的最大值近于不變。變壓器的空載電流i0很小，N1i00，所以6·3變壓器6·3·1變壓器的工作原理2.電流變換二次繞組的額定電壓與額定電流的乘積稱為變壓器的額定容量,即

SN=U2NI2NU1NI1N(單相)這是視在功率(單位是VA)，與輸出功率(單位是W)不同。6·3變壓器6·3·1變壓器的工作原理3.阻抗變換

變壓器還具有阻抗變換的作用，以實現(xiàn)“匹配”。

在圖中負載阻抗模|Z|接在變壓器二次側(cè)，而圖中點畫線部分可以用一個阻抗模|Z|來等效替代，兩者的關(guān)系

采用不同的匝數(shù)比，把負載阻抗變換為所需要的、比較合適的數(shù)值，這種做法通常稱為阻抗匹配。

N1N2|Z|i1i2u1+-u2+-|Z|i1u1+-6·3變壓器6·3·2變壓器的外特性由式和可以看出，當(dāng)電源電壓U1

不變時，隨著二次繞組電流I2的增加(負載增加),一次、二次繞組阻抗上的電壓降便增加，這將使二次繞組的端電壓U2發(fā)生變動。

當(dāng)電源電壓U1和負載功率因數(shù)cos2為常數(shù)時，U2和I2的變化關(guān)系可用外特性曲線

U2=f(I2)來表示。

通常希望電壓U2的變動愈小愈好。從空載到額定負載，二次繞組電壓的變化程度用電壓變化率U表示在一般變壓器中，由于其電阻和漏磁感抗均甚小，電壓變化率為5%左右。U2

OI2

U20

I2N

cos2=1cos2=0.8(滯后)6·3變壓器6·3·3變壓器的損耗與效率變壓器的功率損耗包括鐵心中的鐵損耗PFe和繞組上的銅損耗PCu兩部分。鐵損耗的大小與鐵心內(nèi)磁感應(yīng)強度的最大值有關(guān)，而銅損耗則與負載大小有關(guān)。

變壓器的效率

式中，P2為變壓器的輸出功率，P1為輸入功率。

變壓器的功率損耗很小，所以效率很高，通常在90%以上。在一般電力變壓器中，當(dāng)負載為額定值的50%~70%

時，效率達到最大值。6·3變壓器[例題]有一帶電阻負載的三相變壓器,其額定數(shù)據(jù)如下:SN=100kVA,U1N=6000V,U2N=U20=400V,f=50Hz。繞組為Y/Y0聯(lián)結(jié)。由試驗測得:PFe=600W,額定負載時的PCu=2400W。試求:(1)變壓器的額定電流;(2)滿載和半載時的效率。[解](1)

(2)電阻性負載cos=1P2=100kW

6·3變壓器6·3·4特殊變壓器

2.電流互感器

一次繞組的匝數(shù)很少，它串聯(lián)在被測電路中。二次繞組的匝數(shù)較多，它與電流表或其他儀表及繼電器的電流線圈連接。根據(jù)變壓器原理，電流互感器是根據(jù)變壓器的原理制成的。它主要用來擴大測量交流電流的量程。還可以使測量儀表與高壓電路隔開，以保證人身與設(shè)備的安全。式中，Ki是電流互感器的變換系數(shù)。

6·3變壓器6·3·4特殊變壓器

2.電流互感器

電流互感器可以將大電流變換為小電流，電流表的讀數(shù)乘上變換系統(tǒng)Ki即為被測的大電流I1。測流鉗是電流互感器的一種變形。它的鐵心如同一鉗，用彈簧壓緊。測量時可以隨時隨地測量線路中的電流。

在使用電流互感器時，二次繞組電路是不允許斷開的。6