鐵心線(xiàn)圈與變壓器

鐵心線(xiàn)圈與變壓器15.3電磁鐵15.1磁路的基本概念15.2鐵心線(xiàn)圈電路15.4變壓器第15章鐵心線(xiàn)圈與變壓器第2頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解磁路的基本物理量和基本定律；了解鐵磁性材料的磁性能以及磁損耗概念；理解交流鐵心線(xiàn)圈電路的基本電磁關(guān)系以及電壓電流關(guān)系；了解電磁鐵的基本結(jié)構(gòu)以及工作原理；了解變壓器的基本結(jié)構(gòu)、同極性端及特殊變壓器的特點(diǎn)；掌握變壓器的工作原理及額定值的意義。第3頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天磁路：主磁通所經(jīng)過(guò)的閉合路徑。

F

線(xiàn)圈通入電流后，產(chǎn)生磁通，分主磁通和漏磁通。F：主磁通

F：漏磁通鐵心（導(dǎo)磁性能好的鐵磁性材料）線(xiàn)圈15.1磁路的基本概念i第4頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天15.1.1磁路的基本物理量SBF=磁感應(yīng)強(qiáng)度（磁通密度）：B：?jiǎn)挝唬禾厮估═）磁通：F

：?jiǎn)挝唬喉f伯（Wb）磁動(dòng)勢(shì)：F：?jiǎn)挝唬喊玻ˋ）磁場(chǎng)強(qiáng)度：H：?jiǎn)挝唬喊?米（A/m）磁導(dǎo)率：

：?jiǎn)挝唬汉?米（H/m）F=NIlHNI=表征各種材料導(dǎo)磁能力的物理量mBH=第5頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天

真空中的磁導(dǎo)率()為常數(shù)0m稱(chēng)為這種材料的相對(duì)磁導(dǎo)率

一般材料的磁導(dǎo)率m和真空中的磁導(dǎo)率m0之比，，則稱(chēng)為磁性材料，則稱(chēng)為非磁性材料-70104=pm·非磁性材料：磁導(dǎo)率低，如真空、空氣；磁性材料：磁導(dǎo)率高，如鐵磁物質(zhì)。第6頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天分子中的電子環(huán)繞原子核運(yùn)動(dòng)和本身的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形成分子電流，分子電流產(chǎn)生磁場(chǎng)。每個(gè)分子基本上相當(dāng)于一個(gè)小磁鐵。磁性物質(zhì)內(nèi)，分成許多小區(qū)域，分子間的特殊作用力使每個(gè)區(qū)域內(nèi)的分子磁鐵排列整齊，顯示磁性，稱(chēng)為：磁疇。磁疇在沒(méi)有外電場(chǎng)作用時(shí)，各磁疇排列混亂，磁場(chǎng)互相抵消，對(duì)外不顯磁性。15.1.2鐵磁性材料的磁性能第7頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天B0在鐵心上繞上線(xiàn)圈，通入

電流，產(chǎn)生磁場(chǎng)：B0

B0：以空氣為介質(zhì)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度。B0Bj在外磁場(chǎng)的作用下，磁疇就順向外磁場(chǎng)的方向，顯示出磁性，產(chǎn)生很強(qiáng)的磁化磁場(chǎng)。B0外電流越大，磁化磁場(chǎng)越大，當(dāng)外電流增大到一定值時(shí)，磁疇全部轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)的方向，Bj最大。Bj第8頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天結(jié)論：（1）用鐵磁材料作磁路時(shí)，通入不大的勵(lì)磁電流，可產(chǎn)生足夠大的磁通和磁感應(yīng)強(qiáng)度。（2）用鐵磁材料作磁路時(shí)，可以做成大電感。非磁性材料沒(méi)有磁疇的結(jié)構(gòu)，不具有磁化的特性。第9頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天

H（4）鐵磁材料的不是常數(shù)，

隨電流變化。（5）鐵心線(xiàn)圈的電感是隨電流變化的。鐵心線(xiàn)圈是非線(xiàn)性電感。（3）磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場(chǎng)不會(huì)隨著外磁場(chǎng)的增強(qiáng)而無(wú)限增強(qiáng)，當(dāng)外磁場(chǎng)增大到一定值時(shí)，全部磁疇的磁場(chǎng)方向都轉(zhuǎn)向與外磁場(chǎng)的方向一致。這時(shí)：磁化磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bj

即達(dá)到飽和值?？招木€(xiàn)圈是線(xiàn)性電感。第10頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天非線(xiàn)性！m不是常數(shù)矯頑力矯頑磁力剩磁剩磁磁滯性磁飽和非線(xiàn)性鐵磁性材料的磁性能非線(xiàn)形；強(qiáng)磁化性；磁飽和性；磁滯性?；敬呕€(xiàn)：B=f（H）或

F=f（I）H（I）B(F)0QPB（

F）H（I）ti勵(lì)磁電流勵(lì)磁電流ti001122334455661第11頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天

根據(jù)磁性能，磁性材料又可分為三種：軟磁材料（磁滯回線(xiàn)窄長(zhǎng)。常用做磁頭、磁心等）、永磁材料（磁滯回線(xiàn)寬。常用做永久磁鐵）、矩磁材料（滯回線(xiàn)接近矩形?？捎米鲇洃浽?。B（

F）H（I）B（

F）H（I）B（

F）H（I）第12頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天對(duì)于均勻磁路15.1.3磁路的歐姆定律則：

INSL由于磁性材料的

不為常數(shù)，磁路歐姆定律只用作定性分析，不做定量計(jì)算。slRmm=令：Rm

稱(chēng)為磁阻φmRLSNIF==m注意！第13頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天磁路和電路的比較磁通Φ磁壓降HL磁動(dòng)勢(shì)INF=電動(dòng)勢(shì)電流電壓降UEI電路R+_EIU磁路IN

磁阻SlRmμ=電阻SlRγ=mRF=Φ歐姆定律REI=歐姆定律第14頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天F——反映通電線(xiàn)圈勵(lì)磁能力的大小Rm——表示磁路的材料對(duì)磁通起阻礙作用的物理量。反映磁路導(dǎo)磁性能的強(qiáng)弱，它只與磁路的尺寸、材料的導(dǎo)磁率有關(guān)。對(duì)于不同材料或不同截面組成的幾段磁路，磁路的總磁阻為各段磁阻之和。第15頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天INF=SlRmm=

一定：

大Rm小F小I小

小Rm大F大I大I一定：

大Rm小

大

小Rm大

小第16頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天對(duì)帶有空氣隙的磁路l1、

1l2、

20.5l0Rm0中，雖然l0很小，但

0很小，因此Rm0很大，使整個(gè)磁路的磁阻大大增加。I不變：Rm大

小

不變：Rm大I大電工設(shè)備的磁路中要盡量減小空氣隙.第17頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天例1一環(huán)型鐵心線(xiàn)圈，尺寸如圖示，鐵心材料為鑄鋼，磁路中含有長(zhǎng)度為0.2厘米的空氣隙。設(shè)線(xiàn)圈中通有1A的電流，如要得到0.9T的磁感應(yīng)強(qiáng)度，試求線(xiàn)圈匝數(shù)。15cm10cm0.2cmI解:磁路的平均長(zhǎng)度為L(zhǎng)=(10+15)*3.14=39.2cm鑄鋼磁路的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1=39.2-0.2=39cm查磁化曲線(xiàn),當(dāng)B=0.9T時(shí)，H=500AH1L1=500·39·10-2=195A氣隙磁路長(zhǎng)度為H0L0=B0L0/

0

=1440ANI=H1L1+H0L0=1635A?L0=0.2cm

0=410-7Hm第18頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天勵(lì)磁電流：在磁路中用來(lái)產(chǎn)生磁通的電流。（線(xiàn)圈中的電流）15.2鐵心線(xiàn)圈電路分類(lèi)：直流鐵心線(xiàn)圈交流鐵心線(xiàn)圈勵(lì)磁電流為直流電勵(lì)磁電流為交流電將線(xiàn)圈繞制在鐵心上就構(gòu)成了鐵心線(xiàn)圈。第19頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天15.2.1直流鐵心線(xiàn)圈勵(lì)磁電流為直流：

RUI=（R

為線(xiàn)圈的電阻）IUU一定I一定，與磁路特性無(wú)關(guān)；

磁動(dòng)勢(shì)恒定：F=NI

磁通：)(mRFΦ=Rm一定Φ

一定，恒定磁通，無(wú)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生；

功率損耗：P=I2R只由線(xiàn)圈中的電流和線(xiàn)圈電阻決定。第20頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天直流電磁鐵磁路如圖示。分析在銜鐵吸合前后的電流、磁通的變化情況。IU1）因電流只與電源電壓和線(xiàn)圈電阻有關(guān)，所以，吸合前后電流不變：I=U/R2）因磁動(dòng)勢(shì)一定，F(xiàn)=NI吸合前，磁路中氣隙大，磁阻大，Φ??；吸合后，磁路中氣隙小，磁阻小，Φ大。)(mRFΦ=例2第21頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天：主磁通：漏磁通uΦsΦesei15.2.2交流鐵心線(xiàn)圈交流勵(lì)磁：線(xiàn)圈中上加正弦交流電壓，勵(lì)磁電流為交流電流產(chǎn)生交變磁通在線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)uΦsΦi（iN）e=-NdΦdtes=-NdΦsdt電流與磁通方向符合右螺旋法則第22頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天電路方程：eeuuR-+-+=)()(sΦ

：漏磁通，很??；R：線(xiàn)圈電阻，很小，1.基本電磁關(guān)系uΦsΦesei假設(shè)則tfNΦmwpcos2=最大值有效值mmfNΦUU44.42

=tNΦumwwcos

mmfNΦUp2

第23頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、功率損耗

P=Pcu+Pfe

銅損：Pcu=I2Rcu鐵損：Pcu=Ph+Pe

Ph：磁滯損耗：

鐵心材料的磁滯回線(xiàn)面積采用軟磁性材料做鐵心可以減少磁滯損耗。Pe：渦流損耗：與鐵心的截面積、電源頻率、磁感應(yīng)強(qiáng)度有關(guān)。采用順磁場(chǎng)方向的硅鋼片疊成的鐵心可以減少渦流損耗。第24頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天mNfUF44.4

當(dāng)外加電壓U、頻率f

與線(xiàn)圈匝數(shù)N一定時(shí)，

便一定。與磁路的導(dǎo)磁材料和尺寸無(wú)關(guān)。mΦ3.交流磁路的特點(diǎn)mR

一定，磁動(dòng)勢(shì)IN隨磁阻

的變化而變化；mΦmRΦIN=uiX0RFeRcuX

線(xiàn)圈鐵心交流鐵心線(xiàn)圈的串聯(lián)等效電路：

第25頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天uiX0RFeRcuX

線(xiàn)圈鐵心RCu:線(xiàn)圈電阻。X

:漏磁通引起的感抗。RFe:鐵心電阻。X0:鐵心存儲(chǔ)能量引起的感抗。第26頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天在吸合過(guò)程中若外加電壓U不變,則Φ

不變。iumRΦIN=

電磁鐵吸合后(氣隙小）

小電流小。mR

如果氣隙中有異物卡住，電磁鐵長(zhǎng)時(shí)間吸不上，線(xiàn)圈中的電流一直很大，將會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱，把線(xiàn)圈燒壞。交流電磁鐵磁路如圖示。分析在銜鐵吸合前后的電流、磁通的變化情況。電磁鐵吸合前(氣隙大）

大電流大；mR例3注意！第27頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天(U不變，I不變）(I

隨Rm

變化）（U不變時(shí)，基本不變）直流磁路交流磁路磁路小結(jié)（隨Rm變化）第28頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天思考(1)將交流鐵心線(xiàn)圈接到與其額定電壓值相等的直流電壓上，會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象？(2)將直流鐵心線(xiàn)圈接到有效值與其額定電壓值相等的交流電壓上，會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象？感抗XL以及與PFe對(duì)應(yīng)的等效電阻RFe將不存在線(xiàn)圈電流U/RCu將很大，以至燒壞線(xiàn)圈。將產(chǎn)生感抗XL以及與PFe對(duì)應(yīng)的等效電阻RFe磁路的磁通達(dá)不到額定狀態(tài)，且鐵心（整塊鐵）將會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱。第29頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天15.3電磁鐵結(jié)構(gòu)：鐵心、繞組、銜鐵IU工作原理：線(xiàn)圈通電產(chǎn)生電磁力吸合銜鐵線(xiàn)圈斷電電磁力消失釋放銜鐵應(yīng)用：工業(yè)控制線(xiàn)圈鐵心銜鐵氣隙電磁吸力：f=1078

B02S0

（牛頓）經(jīng)驗(yàn)公式氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度氣隙截面面積第30頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天15.3.1直流電磁鐵勵(lì)磁線(xiàn)圈加直流電壓—直流鐵心線(xiàn)圈。電磁吸力：F=1078

B02S0

（牛頓）線(xiàn)圈電流：銜鐵吸合過(guò)程中吸力不斷增強(qiáng)。為什么？銜鐵吸合過(guò)程中電流不變。第31頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天15.3.2交流電磁鐵勵(lì)磁線(xiàn)圈加交流電壓—交流鐵心線(xiàn)圈。電磁吸力：?jiǎn)栴}：電磁吸力以?xún)杀兜碾娫搭l率波動(dòng)，引起震動(dòng)和噪聲。解決：在部分磁路上加分磁環(huán)，使兩部分磁路中的磁通產(chǎn)生相位差，消除震動(dòng)和噪聲。第32頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天為什么？線(xiàn)圈電流：銜鐵吸合過(guò)程中電流不斷減小。銜鐵吸合過(guò)程中吸力大小不變。電磁吸力：使用交流電磁鐵時(shí)不允許通電后長(zhǎng)時(shí)間不吸合！第33頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天交流電磁鐵：勵(lì)磁線(xiàn)圈加交流電壓—交流鐵心線(xiàn)圈。直流電磁鐵：勵(lì)磁線(xiàn)圈加直流電壓—交流鐵心線(xiàn)圈。交、直流電磁鐵的區(qū)別：1）交流電磁鐵的鐵心是硅鋼片疊成，直流電磁鐵的鐵心可以是一整塊軟鋼；2）交流電磁鐵吸合前后電流要變，直流電磁鐵吸合前后電流不變；3）交流電磁鐵吸合前后吸力不變，直流電磁鐵吸合前后吸力要變。思考產(chǎn)生以上三個(gè)不同點(diǎn)的原因是什么？第34頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天變壓器功能：變電壓：電力系統(tǒng)變阻抗：電子電路中的阻抗匹配（如喇叭的輸出變壓器）變電流：電流互感器15.4變壓器第35頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天

發(fā)電廠(chǎng)1.05萬(wàn)伏輸電線(xiàn)22萬(wàn)伏升壓變電站

1萬(wàn)伏降壓

變壓器應(yīng)用舉例…降壓實(shí)驗(yàn)室380/220伏降壓儀器36伏降壓第36頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天單相變壓器鐵芯原邊繞組副邊繞組15.4.1變壓器的基本結(jié)構(gòu)鐵心：變壓器的磁路。高、低壓繞組.原邊（一次繞組）：接電源的繞組副邊（二次繞組）：接負(fù)載的繞組變壓器符號(hào)：第37頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天15.4.2變壓器的工作原理工作過(guò)程u2Φi1N1u1i2N2參考方向的確定

原邊是電源的負(fù)載；

副邊是負(fù)載的電源；N1N2e1e2

原、副邊的e與

符合右螺旋法則；第38頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天空載運(yùn)行：原邊接入電源，副邊開(kāi)路。接上交流電源原邊電流

i1等于勵(lì)磁電流i10

產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)1i

i10

產(chǎn)生磁通

（交變）e,方向符合右螺旋法則1.電壓變換原理注意第39頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天結(jié)論：改變?cè)褦?shù)比，就能改變輸出電壓。K為變比1u根據(jù)交流鐵心線(xiàn)圈的電磁關(guān)系分析可得：mΦNfE1144.4=

U1mΦNfE2244.4=

U2第40頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天有載運(yùn)行：副邊接入負(fù)載。E1

U1E2

U2忽略線(xiàn)圈電阻和漏磁通的影響所以，電壓比為第41頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.電流變換原理ZNiNiNi102211

+因?yàn)椋嚎蛰d時(shí)：勵(lì)磁電流是：

i10磁動(dòng)勢(shì)是：i10N1有載時(shí)：勵(lì)磁電流是：i1與

i2磁動(dòng)勢(shì)是：i1N1+i2N2所以：當(dāng)電源電壓的大小和頻率一定時(shí)，鐵心中的磁通大小一定。產(chǎn)生同樣磁通的磁動(dòng)勢(shì)相等磁勢(shì)平衡方程式：44.411mΦNfU

第42頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天由于變壓器鐵芯材料的導(dǎo)磁率高，空載勵(lì)磁電流很小，可忽略。10i0Z0

+11NI22NI11NI22NI-NiNiNi102211

+即：第43頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天1）原、副邊電流的大小與匝數(shù)成反比；結(jié)論2）副邊電流對(duì)原邊電流起去磁作用；3）副邊電流取決于負(fù)載，原邊電流取決于副邊電流。ZRL

i2

i1

負(fù)載電阻增大時(shí)，原邊電流如何變化？第44頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天LZ3.阻抗變換原理22IUZL=u1i1

22222211KZKIUKIKUIUZLL====

第45頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天信號(hào)源電動(dòng)勢(shì)E=80V

，內(nèi)阻R0=400

，負(fù)載電阻RL=4

。1）負(fù)載直接接在信號(hào)源上時(shí)，信號(hào)源的輸出功率。1）將負(fù)載直接接到信號(hào)源上，得到的輸出功率為：例2求：2）阻抗匹配時(shí)變壓器的變比及輸出功率功率。解：2）阻抗匹配時(shí)應(yīng)使RL=R0將負(fù)載通過(guò)變壓器接到信號(hào)源上變換阻抗。第46頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天ELR1N2NR0輸出功率為：21=10

NNK則變比：LLRKR2=

=400

′′′第47頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天變壓器滿(mǎn)載運(yùn)行時(shí)，原、副邊繞組允許的電流值。NNNNNIUIUS2211==（理想）15.4.3變壓器的主要技術(shù)指標(biāo)和額定值變壓器副邊開(kāi)路（空載）時(shí)，原、副邊繞組允許的電壓值。1）額定電壓U1N/U2N2）額定電流I1N/I2N3）額定容量SN變壓器輸出的額定視在功率。第48頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天變壓器輸出功率與輸入功率的比值。4）額定效率hN5）額定頻率fN電源的工作頻率。50Hz6）電壓調(diào)整