電工電子第六章

第一節(jié)交、直流鐵心線圈一、磁路的概念及磁路基本定律1.磁路

由磁性材料組成的、使磁感線集中通過的路徑稱為磁路。磁性材料也稱鐵磁物質(zhì)，以鐵、鈷、鎳為代表，或是他們的合金。

H與B的區(qū)別：(1)H∝I，與介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。單位：安/米（A/m）(2)B與電流的大小和介質(zhì)的性質(zhì)均有關(guān)。單位：特斯拉（T）。

磁感應(yīng)強(qiáng)度B

磁場強(qiáng)度H2.

鐵磁物質(zhì)的磁化曲線

鐵磁物質(zhì)的磁化曲線是磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場強(qiáng)度H之間的關(guān)系曲線。磁性物質(zhì)的分類：

硬磁物質(zhì)、軟磁物質(zhì)、矩磁物質(zhì)。鑄鐵和硅鋼的磁化曲線

非鐵磁材料的磁導(dǎo)率接近此值，而且不變。

而鐵磁材料的磁導(dǎo)率則遠(yuǎn)大于此值，而且可變。

磁導(dǎo)率

是用來表示媒質(zhì)導(dǎo)磁能力的物理量。BH

=（H/m）

真空中的磁導(dǎo)率：

0=4

×10－7H/m

i

a.

高導(dǎo)磁性

0，

r

1

常用磁性材料的磁導(dǎo)率

鑄鋼：

≈1000

0

硅鋼片：

≈(6000~7000)

0

坡莫合金：

≈(20000~200000)

0

磁性物質(zhì)的高導(dǎo)磁性被廣泛應(yīng)用于變壓器和電機(jī)中。＋u－主磁通漏磁通鐵心勵(lì)磁繞組

※

主磁通

漏磁通。b.

磁飽和性BHO初始磁化曲線c.

磁滯性剩磁矯頑磁力Hm－Hm－HcHcBHOBr－Br磁滯回線BHO基本磁化曲線式中：是磁場強(qiáng)度矢量沿任意閉合線(常取磁通作為閉合回線)的線積分；

I

是穿過閉合回線所圍面積的電流的代數(shù)和。3、安培環(huán)路定律（全電流定律）I1HI2任意選定一個(gè)閉合回線的圍繞方向，凡是電流方向與閉合回線圍繞方向之間符合右螺旋定則的電流作為正，反之為負(fù)。

安培環(huán)路定律電流正負(fù)的規(guī)定：安培環(huán)路定律將電流與磁場強(qiáng)度聯(lián)系起來。

在均勻磁場中

Hl=IN若磁路中分段為勻強(qiáng)磁場

HKlK＝IN

例:

環(huán)形線圈如圖，其中媒質(zhì)是均勻的，試計(jì)算線圈內(nèi)部中線各點(diǎn)的磁場強(qiáng)度。解:

取磁通作為閉合回線，以其方向作為回線的圍繞方向，則有：Sx

HxIN匝線圈匝數(shù)與電流的乘積NI

，稱為磁通勢，用字母

F表示，則有

F=NI磁通由磁通勢產(chǎn)生，磁通勢的單位是安[匝]。式中：N

線圈匝數(shù)；

lx=2

x是半徑為x的圓周長；

Hx

半徑x處的磁場強(qiáng)度；

NI為線圈匝數(shù)與電流的乘積。故得：Sx

HxIN匝磁路的歐姆定律是分析磁路的基本定律環(huán)形線圈如圖，其中媒質(zhì)是均勻的，磁導(dǎo)率為，試計(jì)算線圈內(nèi)部的磁通

。

解：根據(jù)安培環(huán)路定律，有設(shè)磁路的平均長度為l，則有

1）引例Sx

HxIN匝4、磁路歐姆定律

式中：F=NI

為磁通勢，由其產(chǎn)生磁通；

Rm

稱為磁阻，表示磁路對磁通的阻礙作用；

l為磁路的平均長度；

S

為磁路的截面積。2）

磁路的歐姆定律若某磁路的磁通為，磁通勢為F

，磁阻為Rm，則即有：此即磁路的歐姆定律。3）

磁路與電路的比較磁路磁通勢F磁通

磁阻電路電動(dòng)勢E電流密度J電阻磁感應(yīng)強(qiáng)度B電流I

NI+_EIR4）

磁路分析的特點(diǎn)(1)在處理電路時(shí)不涉及電場問題，在處理磁路時(shí)離不開磁場的概念；(2)在處理電路時(shí)一般可以不考慮漏電流，在處理磁路時(shí)一般都要考慮漏磁通；(3)磁路歐姆定律和電路歐姆定律只是在形式上相似。由于

不是常數(shù)，其隨勵(lì)磁電流而變，磁路歐姆定律不能直接用來計(jì)算，只能用于定性分析；(4)在電路中，當(dāng)E=0時(shí)，I=0；但在磁路中，由于有剩磁，當(dāng)F=0時(shí)，

不為零；

磁路中的空氣隙的影響

因?yàn)?/p>

1＞＞

0，所以

Rm0

＞＞Rm1

當(dāng)F一定時(shí)，因Rm0的存在，使

大大減小。若要保持

一定，則需增大磁通勢F。二、直流鐵心線圈

Φ＋U－SNNSIF

U→I→N

I→

URI=(1)電壓與電流的關(guān)系(2)

線圈的功率：P=R

I22.電磁吸力

銜鐵吸合后→磁阻

1.直流鐵心線圈電路I

不變

→B

線圈中無感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生三、交流鐵芯線圈

1.交流鐵心線圈電路u→i→Ni→

→ed

dt=－Nd

dt→e

=－Ndidt=－L

(1)電壓與電流關(guān)系設(shè)

=

msin

t則

e

=－N

mcos

t=N

msin(

t－90o)

Em

=N

m

=

2

fN

mΦ＋u－ife

E=4.44fN

m漏磁通磁路對應(yīng)的電感N

iL

=漏感抗（漏電抗）

X=ωL

=2

fL

U=UR－E

－E=－E＋j

L

I＋RI=－E＋(R＋j

L

)I=－E＋ZI漏阻抗E=－j4.44fNΦm

Φ＋u－i

－e＋

U=－E

忽略漏阻抗，有U4.44fN

m=則當(dāng)

U、f

一定時(shí)，

m

基本不變。(2)功率視在功率:S=U

I無功功率:Q=Ssin

有功功率:P=Scos

=PCu＋PFe銅損耗鐵損耗=RI2+(Ph＋Pe)磁滯損耗渦流損耗磁滯損耗Ph

渦流損耗Pe

鐵損耗使鐵心發(fā)熱。減小鐵損耗的方法①使用軟磁材料減小Ph

；②增大鐵心的電阻率，減小渦流及其損耗

；③用很薄的硅鋼片疊成鐵心，減小渦流及其損耗

。Φ(a)Φ(b)第二節(jié)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。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(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)）U

I

P=I2RlI

S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

1、變壓器的基本結(jié)構(gòu)a.

鐵心

用硅鋼片疊成。b.

繞組（線圈）一次繞組和二次繞組同心地套在鐵心上。

c.

其他油箱、油、儲(chǔ)油柜、絕緣套管、保護(hù)設(shè)備等。一、變壓器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理變壓器的磁路繞組：一次繞組二次繞組單相變壓器+–+–由高導(dǎo)磁硅鋼片疊成厚0.35mm或0.5mm鐵心變壓器的電路一次繞組N1二次繞組N2鐵心

1、變壓器的基本結(jié)構(gòu)＋u2－e1e2＋u1－ZLi2i1ΦΦ

1Φ

2電磁關(guān)系一次繞組

二次繞組

用圖形符號表示的變壓器電路ZL＋U1－I1I2＋U2

－

E1

E22、變壓器的工作原理（一）電壓變換=－E1＋Z1I1

1.一次側(cè)電壓方程

U2=ZLI2E1=－j4.44f

N1

mU1=－E1＋(R1＋jX1

)I1

2.二次側(cè)電壓方程

E2=－j4.44f

N2

m=E2－Z2I2U2=E2－(R2＋jX2

)I2

U1≈E1U2≈E2

規(guī)定

U1=U1N時(shí)，

U20=U2N。如銘牌上標(biāo)注：

10000/230VU1N/U2N=N1N2E1E2k

=I2=0I1=I0≤10%I1NU2=U20=E2U1≈E1

==k

U1U2

N1N23.電壓比

變壓器空載時(shí)※一般U2N比滿載時(shí)的電壓高5%~10%。（二）電流變換U1N≈E1=4.44fN1ΦmU1N4.44fN1Φm≈N1I1＋N2I2=

N1I0

磁通勢平衡方程：I1=－I2

N2N1N1I1＋N2I2=0忽略I0：I1I2N2N1==1k（三）阻抗變換忽略Z1、Z2、I0，則

=

U1U2I2I1

=

N1N2=

k=

kU2I2/kU2I2=

k2|Ze

|

=U1I1|Ze

|

=

k2|

ZL|＋U1－I1I2＋U2－ZLZe＋U1－I1(1)

變壓器的匝數(shù)比應(yīng)為：信號源R0RL+–R0+–+–解:例：

如圖，交流信號源的電動(dòng)勢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)比和信號源輸出的功率；（2）當(dāng)將負(fù)載直接與信號源聯(lián)接時(shí),信號源輸出多大功率？信號源的輸出功率：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)載直接接到信號源上時(shí)，輸出功率為：U2=E2－Z2I2當(dāng)U1=U1N，cos

2不變時(shí)：

U2=f(I2)

U2

I2OU2Ncos

2=1cos

2=0.8(感性)cos

2=0.8(容性)ΔU=

U2N－U2U2N×100%※電力變壓器：

ΔU≈5%

二、變壓器的外特性和效率

電壓調(diào)整率

（一）外特性（二）額定值1.額定電壓

U1N，U2N2.額定電流

I1N，I2N3.額定容量

SN=U2NI2N

=U1NI1N

4.輸出功率

P2=U2I2cos

2可變損耗(1)銅損耗

PCu=R1I12+R2I22(2)鐵損耗

PFe=Ph＋Pe

2.

效率

P1P2

=×100%不變損耗※

小型電力變壓器

=80%～90%

※大型電力變壓器

=98%～99%（三）損耗與效率1.變壓器的損耗

P=PFe＋PCu1.繞組的極性與連接

(a)繞向相同U1

與u1

是同極性端(同名端)U1

與u2

是異極性端(異名端)U1

U2

u1u2

(b)繞向相反U1

與u2

是同極性端(同名端)U1

與u1

是異極性端(異名端)U1

U2

u1u2三、變壓器的使用

(a)繞向相同

(b)繞向相反

繞組極性的標(biāo)注方法U1U2u1u2U1U2u2u1110V110V＋220V－

(a)繞組的串聯(lián)

(b)繞組的并聯(lián)繞組的正確接法＋110V－110V110V方法一：交流法把兩個(gè)線圈的任意兩端(X-x)連接,然后在AX上加一低電壓uAX

。測量：若說明A與x

或X與a

是同極性端.若

說明A與a或X與x

為同極性端。

結(jié)論：VaAXxV+–2.極性的測定方法方法二：直流法設(shè)S閉合時(shí)

增加。感應(yīng)電動(dòng)勢的方向，阻止

的增加。如果當(dāng)S閉合時(shí)，電流表正偏，則A-a為同極性端;結(jié)論：Xx電流表+_Aa+–S如果當(dāng)S閉合時(shí)，電流表反偏，則A-x為同極性端。??AXax+_S+–1.按相數(shù)分類三相變壓器、單相變壓器。2.按每相繞組的個(gè)數(shù)分類雙繞組變壓器、三繞組變壓器、自耦變壓器。3.按結(jié)構(gòu)分類心式變壓器、殼式變壓器。3.按冷卻方式分類干式變壓器、油浸式變壓器。四、各種用途的變壓器

心式變壓器鐵心繞組

殼式變壓器鐵心繞組

S9型10kV三相油浸配電變壓器樹脂澆注干式變壓器三相變壓器一、三相變壓器的種類

1.三相組式變壓器U1U2u1u2V1V2v1v2W1W2w1w2特點(diǎn)：三相之間只有電的聯(lián)系，沒有磁的聯(lián)系。三相心式變壓器U1U2u1u2V1V2v1v2W1W2w1w2特點(diǎn)：三相之間既有電的聯(lián)系，又有磁的聯(lián)系。

連接方式高壓繞組低壓繞組

星形有中性線YNyn

星形無中性線Yy

三角形DdGB:

Yyn、Yd、YNd、Yy、YNy三相繞組的連接方式最常用的三種一、電壓互感器U1U2==ku

N1N2

國產(chǎn)互感器：

U2N=100V2.使用注意(1)二次繞組禁止短路。(2)二次繞組與鐵心必須接地。1.工作原理空載運(yùn)行的降壓變壓器。u1~Vu1u2特殊用途的變壓器→

E2

二、電流互感器1.工作原理

短路運(yùn)行的升壓變壓器。I1I2==ki

N2N1

國產(chǎn)互感器：I2N=5A

2.使用注意(1)二次繞組禁止開路。開路時(shí)：I2=0，I1不變→Φ

(2)

一次繞組工作電壓較高時(shí)，二次繞組與鐵心必須接地。

~Ai2i1N1N21~2匝