《電工技術(shù)基礎(chǔ)》課件-第6章0724

電工電子技術(shù)（上）自動(dòng)化學(xué)院電工教研組第6章

磁路與變壓器§6.1

磁路§6.2

磁路的分析方法§6.3

變壓器*HYIT0第6章

磁路與變壓器本章要求：1.掌握交直流磁路的分析和計(jì)算2.掌握單相變壓器的結(jié)構(gòu)、工作原理以及電壓變換、電流變換和阻抗變換的功能；3.了解磁路及其基本定律，效率、功率損耗。*HYIT3§6.1

磁路*1HYIT6.1.1磁場(chǎng)的基本物理量磁感應(yīng)強(qiáng)度B:

表示磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量。一、磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(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的大小:磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位:

特斯拉(T)，1T=1Wb/m2

§6.1

磁路*13HYIT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)。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)。

在均勻磁場(chǎng)中

=BS或

B=/S說明:

如果不是均勻磁場(chǎng)，則取B的平均值。

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的磁通,故又稱磁通密度。磁通

的單位:韋[伯](Wb)1Wb=1V·s§6.1

磁路*13HYIT三、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)四、磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率

：表示磁場(chǎng)媒質(zhì)磁性的物理量，衡量物質(zhì)的導(dǎo)磁能力。磁導(dǎo)率

的單位：亨/米（H/m）真空的磁導(dǎo)率為常數(shù)，用

0表示，有：§6.1

磁路*13HYIT相對(duì)磁導(dǎo)率

r：

任一種物質(zhì)的磁導(dǎo)率

和真空的磁導(dǎo)率

0的比值。6.1.2磁性材料的磁性能

磁性材料主要指鐵、鎳、鈷及其合金等。一、高導(dǎo)磁性

磁性材料的磁導(dǎo)率通常都很高，即

r1(如坡莫合金，其

r可達(dá)2

105)

。磁性材料能被強(qiáng)烈的磁化，具有很高的導(dǎo)磁性能?！?.1

磁路*13HYIT

磁性物質(zhì)的高導(dǎo)磁性被廣泛地應(yīng)用于電工設(shè)備中，如電機(jī)、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(lì)磁電流，便可以產(chǎn)生較大的磁通和磁感應(yīng)強(qiáng)度。二、磁飽和性

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)而無限的增強(qiáng)。當(dāng)外磁場(chǎng)增大到一定程度時(shí)，磁性物質(zhì)的全部磁疇的磁場(chǎng)方向都轉(zhuǎn)向與外部磁場(chǎng)方向一致，磁化磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度將趨向某一定值。如圖?！?.1

磁路*13HYITBJ

磁場(chǎng)內(nèi)磁性物質(zhì)的磁化磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線；B0

磁場(chǎng)內(nèi)不存在磁性物質(zhì)時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度直線；B

BJ曲線和B0直線的縱坐標(biāo)相加即磁場(chǎng)的B-H

磁化曲線。B0BJB?a?b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(diǎn)以后：B增加很少，達(dá)到飽和?！?.1

磁路*13HYIT三、磁滯性磁滯性：磁性材料中磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化總是滯后于外磁場(chǎng)變化的性質(zhì)。

磁性材料在交變磁場(chǎng)中反復(fù)磁化，其B-H關(guān)系曲線是一條回形閉合曲線，稱為磁滯回線。剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br(剩磁)：

當(dāng)線圈中電流減小到零(H=0)時(shí)，鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。矯頑磁力Hc：

使B=0所需的H值。

磁性物質(zhì)不同，其磁滯回線和磁化曲線也不同。OHB??Br??Hc磁滯回線§6.1

磁路*13HYIT按磁性物質(zhì)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(jī)、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(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)中用作記憶元件、開關(guān)元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體等?！?.2磁路的分析方法*13HYIT6.2.1直流磁路安培環(huán)路定律（全電流定律）式中：是磁場(chǎng)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。I1HI2安培環(huán)路定律電流正負(fù)的規(guī)定：

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)。

§6.2磁路的分析方法*13HYIT安培環(huán)路定律將電流與磁場(chǎng)強(qiáng)度聯(lián)系起來。

在均勻磁場(chǎng)中

Hl=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)部各點(diǎn)的磁場(chǎng)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§6.2磁路的分析方法*13HYIT

線圈匝數(shù)與電流的乘積NI

稱為磁通勢(shì)，用字母F表示，則有：F=NI

磁通由磁通勢(shì)產(chǎn)生，磁通勢(shì)的單位是安[培]。式中：N--線圈匝數(shù)；

lx=2

x--半徑為x的圓周長(zhǎng)；

Hx

--半徑x處的磁場(chǎng)強(qiáng)度；

NI--線圈匝數(shù)與電流的乘積。故得：Sx

HxIN匝§6.2磁路的分析方法*13HYIT6.2.2交流磁路一、電磁關(guān)系主磁通

：通過鐵心閉合的磁通。

與i不是線性關(guān)系。漏磁通

：經(jīng)過空氣或其它非導(dǎo)磁媒質(zhì)閉合的磁通。

–+e–+e

+–uNi線圈鐵心（磁通勢(shì)）

i，鐵心線圈的漏磁電感§6.2磁路的分析方法*13HYIT二、電壓電流關(guān)系根據(jù)KVL: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：§6.2磁路的分析方法*13HYIT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]。§6.3變壓器*13HYIT6.3.1變壓器的用途和基本結(jié)構(gòu)

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§6.3變壓器*13HYIT

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§6.3變壓器*13HYIT變壓器的結(jié)構(gòu)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§6.3變壓器*13HYIT變壓器的分類電壓互感器電流互感器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(hào)§6.3變壓器*13HYIT6.3.2變壓器的工作原理單相變壓器+–+–一次繞組N1二次繞組N2鐵心

一次、二次繞組互不相連，能量的傳遞靠磁耦合?！?.3變壓器*13HYIT(1)空載運(yùn)行情況1.電磁關(guān)系一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)開路。+–+–+–+–+–

1

i0(i0N1)

1空載時(shí)，鐵心中主磁通

是由一次繞組磁通勢(shì)產(chǎn)生的。§6.3變壓器*13HYIT(2)帶負(fù)載運(yùn)行情況一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)接負(fù)載。+–+–+–

1

1i1(i1N1)i1i2(i2N2)

2有載時(shí)，鐵心中主磁通

是由一次、二次繞組磁通勢(shì)共同產(chǎn)生的合成磁通。

2i2+–e2+–e2+–u2

Z

§6.3變壓器*13HYIT2.電壓變換（設(shè)加正弦交流電壓）有效值:同理：主磁通按正弦規(guī)律變化，設(shè)為則(1)一次、二次側(cè)主磁通感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)§6.3變壓器*13HYIT根據(jù)KVL：變壓器一次側(cè)等效電路如圖

由于電阻

R1和感抗X1(或漏磁通)較小,其兩端的電壓也較小,與主磁電動(dòng)勢(shì)E1比較可忽略不計(jì)，則–––+++(2)一次、二次側(cè)電壓式中R1為一次側(cè)繞組的電阻;

X1=

L1為一次側(cè)繞組的感抗(漏磁感抗，由漏磁產(chǎn)生)?！?.3變壓器*13HYIT（匝比）K為變比對(duì)二次側(cè)，根據(jù)KVL：結(jié)論：改變?cè)褦?shù)比，就能改變輸出電壓。式中R2為二次繞組的電阻;

X2=

L2為二次繞組的感抗；為二次繞組的端電壓。變壓器空載時(shí):+–u2+–+–+–

i1i2+–e2+–e2式中U20為變壓器空載電壓。故有§6.3變壓器*13HYIT3.電流變換(一次、二次側(cè)電流關(guān)系)有載運(yùn)行

可見，鐵心中主磁通的最大值

m在變壓器空載和有載時(shí)近似保持不變。即有

不論變壓器空載還是有載，一次繞組上的阻抗壓降均可忽略，故有由上式，若U1、f不變，則

m基本不變，近于常數(shù)?？蛰d：有載：+–|Z|+–+–+–§6.3變壓器*13HYIT一般情況下：I0(2~3)%I1N很小可忽略?；蚪Y(jié)論：一次、二次側(cè)電流與匝數(shù)成反比?；颍?.提供產(chǎn)生

m的磁勢(shì)2.提供用于補(bǔ)償作用

的磁勢(shì)磁勢(shì)平衡式：空載磁勢(shì)有載磁勢(shì)§6.3變壓器*13HYIT4.阻抗變換由圖可知：

結(jié)論：變壓器一次側(cè)的等效阻抗模，為二次側(cè)所帶負(fù)載的阻抗模的K2倍。+–+–+–§6.3變壓器*13HYIT6.3.3變壓器的工作特性

當(dāng)一次側(cè)電壓U1和負(fù)載功率因數(shù)cos

2保持不變時(shí)，二次側(cè)輸出電壓U2和輸出電流I2的關(guān)系，U2=f(I2)。

U20：一次側(cè)加額定電壓、二次側(cè)開路時(shí)，二次側(cè)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：cos

2=0.8(感性）U2I2U20I2Ncos

2=1O§6.3變壓器*13HYIT6.3.4變壓器的損耗與效率為減少渦流損耗，鐵心一般由導(dǎo)磁鋼片疊成。

變壓器的損耗包括兩部分：銅損(

PCu)：繞組導(dǎo)線電阻的損耗。渦流損耗：交變磁通在鐵心中產(chǎn)生的感

應(yīng)電流(渦流)造成的損耗。磁滯損耗：磁滯現(xiàn)象引起鐵心發(fā)熱，造

成的損耗。

鐵損(

PFe)：變壓器的效率為輸出功率輸入功率§6.3變壓器一般

95%,負(fù)載為額定負(fù)載的(50~75)%時(shí)，

最大。6.3.5變壓器的額定參數(shù)一、額定電壓U1N/U2N

額定電壓是指變壓器在允許的絕緣和溫升情況下所施加規(guī)定的電壓值。額定電壓U1N是一次側(cè)額定施加的電壓，U2N是一次側(cè)施加額定電壓，二次側(cè)空載時(shí)的輸出電壓。對(duì)于三相變壓器是指其線電壓，單位是伏特（V）或千伏（KV）。二、額定電流I1N/I2N

額定電流是指變壓器在允許絕緣和溫升情況下而規(guī)定的電流值。一般是一次側(cè)施加額定電壓，二次側(cè)帶額定負(fù)載時(shí)對(duì)應(yīng)的一、二次電流。對(duì)于三相變壓器是指其線電流，單位是安培（A）或千安（KA）?！?.3變壓器三、額定容量SN表示變壓器占用電網(wǎng)的容量，單位是伏安（VA）或千伏安(KVA)，對(duì)于單相變壓器其容量為一次側(cè)額定電壓、電流的乘積；對(duì)于三相變壓器，其容量為一次側(cè)額定電壓、電流乘積的倍。

變壓器分單相和三相兩種，一般均制成三相變壓器以直接滿足輸配電的要求。小型變壓器有制成單相的，特大型變壓器做成單相后，組成三相變壓器組，以滿足運(yùn)輸?shù)囊?。四、相?shù)

變壓器的額定頻率即是所設(shè)計(jì)的運(yùn)行頻率，我國(guó)為50Hz。五、額定頻率§6.3變壓器6.3.6互感器

互感器