第4章磁路與鐵心線圈電路

電工與電子技術(shù)

第4章磁路與鐵心線圈電路4.2磁性材料的磁性能4.4變壓器4.1磁場的幾個物理量4.3交流鐵心線圈電路教學(xué)要求2.了解變壓器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、運行特性和繞組的同極性端，理解變壓器額定值的意義；3.掌握變壓器電壓、電流和阻抗變換作用。1.理解磁場的基本物理量的意義，了解磁性材料的基本知識；4.1磁場的幾個物理量4.1.1磁感應(yīng)強度磁感應(yīng)強度B:

表示磁場內(nèi)某點磁場強弱和方向的物理量。磁感應(yīng)強度B的大小:磁感應(yīng)強度B的方向:

與電流的方向之間符合右手螺旋定則。磁感應(yīng)強度B的單位:

特斯拉(T)，1T=1Wb/m2

均勻磁場:

各點磁感應(yīng)強度大小相等，方向相同的

磁場，也稱勻強磁場。4.1.2磁通磁通：穿過垂直于B方向的面積S中的磁力線總數(shù)。

說明:

如果不是均勻磁場，則取B的平均值。在均勻磁場中=BS或B=/S。

磁感應(yīng)強度B在數(shù)值上可以看成為與磁場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·s4.1.3磁場強度磁場強度H

：介質(zhì)中某點的磁感應(yīng)強度B與介質(zhì)磁導(dǎo)率之比。磁場強度H的單位：安培/米（A/m)

任意選定一個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。

式中：是磁場強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。安培環(huán)路定律電流正負的規(guī)定：安培環(huán)路定律（全電流定律）I1HI2安培環(huán)路定律將電流與磁場強度聯(lián)系起來。

在均勻磁場中

Hl=IN例:

環(huán)形線圈如圖，其中媒質(zhì)是均勻的，試計算線圈內(nèi)部各點的磁場強度。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：SxHxIN匝磁場強度矢量沿任意閉合線的線積分=穿過閉合回線所圍面積的電流的代數(shù)和安培環(huán)路定律線圈匝數(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[培]。式中：N線圈匝數(shù)；

lx=2x是半徑為x的圓周長；

Hx

半徑x處的磁場強度；

NI為線圈匝數(shù)與電流的乘積。故得：SxHxIN匝真空的磁導(dǎo)率為常數(shù)，用

0表示，有：4.1.4磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率：表示磁場媒質(zhì)磁性的物理量，衡量物質(zhì)的導(dǎo)磁能力。相對磁導(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。磁導(dǎo)率的單位：亨/米（H/m）例：環(huán)形線圈如圖，其中媒質(zhì)是均勻的，磁導(dǎo)率為，試計算線圈內(nèi)部各點的磁感應(yīng)強度。解：半徑為x處各點的磁場強度為故相應(yīng)點磁感應(yīng)強度為SxHxIN匝由上例可見,磁場內(nèi)某點的磁場強度H只與電流大小、線圈匝數(shù)、以及該點的幾何位置有關(guān)，與磁場媒質(zhì)的磁性()

無關(guān)；而磁感應(yīng)強度B與磁場媒質(zhì)的磁性有關(guān)。4.1.5物質(zhì)的磁性1.非磁性物質(zhì)非磁性物質(zhì)分子電流的磁場方向雜亂無章，幾乎不受外磁場的影響而互相抵消，不具有磁化特性。非磁性材料的磁導(dǎo)率都是常數(shù)，有：所以磁通與產(chǎn)生此磁通的電流I成正比，呈線性關(guān)系。當(dāng)磁場媒質(zhì)是非磁性材料時，有：即B與H成正比，呈線性關(guān)系。由于OHB0r

1B=0H()(I)2.磁性物質(zhì)磁性物質(zhì)內(nèi)部形成許多小區(qū)域，其分子間存在的一種特殊的作用力使每一區(qū)域內(nèi)的分子磁場排列整齊，顯示磁性，稱這些小區(qū)域為磁疇。

在外磁場作用下，磁疇方向發(fā)生變化，使之與外磁場方向趨于一致，物質(zhì)整體顯示出磁性來，稱為磁化。即磁性物質(zhì)能被磁化。磁疇外磁場在沒有外磁場作用的普通磁性物質(zhì)中，各個磁疇排列雜亂無章，磁場互相抵消，整體對外不顯磁性。磁疇4.3交流鐵芯線圈電路4.3.1電磁關(guān)系–+e–+e+–uNi（磁通勢）主磁通：通過鐵芯閉合的磁通。漏磁通：經(jīng)過空氣或其它非導(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。4.3.2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，其它各電壓、電流、電動勢可視作正弦量，則電壓、電流關(guān)系的相量式為：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，與主磁電動勢E相比可忽略，故有式中：Bm是鐵心中磁感應(yīng)強度的最大值，單位[T]；

S是鐵心截面積，單位[m2]。4.3.3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。+–ui磁路與電路的比較磁路磁通勢F磁通磁阻電路電動勢E電流密度J電阻磁感應(yīng)強度B電流INI+_EIR4.4

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及負載功率因數(shù)cos

一定時：電能損耗小節(jié)省金屬材料（經(jīng)濟）4.4.1

概述UIP=I2RlIS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4.4.2

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。(1)空載運行情況1.電磁關(guān)系一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)開路。+–+–+–+–+–1i0(i0N1)1空載時，鐵心中主磁通是由一次繞組磁通勢產(chǎn)生的。(2)帶負載運行情況1.電磁關(guān)系一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)接載。+–+–+–11i1(i1N1)i1i2(i2N2)

2有載時，鐵心中主磁通是由一次、二次繞組磁通勢共同產(chǎn)生的合成磁通。2i2+–e2+–e2+–u2Z2.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)電動勢根據(jù)KVL：變壓器一次側(cè)等效電路如右圖由于電阻

R1和感抗X1(或漏磁通)較小,其兩端的電壓也較小,與主磁電動勢E1比較可忽略不計，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)。（匝比）K為變比對二次側(cè)，根據(jù)KVL：結(jié)論：改變匝數(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:+–u2+–+–+–i1i2+–e2+–e2式中U20為變壓器空載電壓。故有三相電壓的變換ABCXYZabczyx1)三相變壓器的結(jié)構(gòu)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力供電系統(tǒng)（井下照明）高壓、超高壓供電系統(tǒng)常用接法:（1）三相變壓器Y/Y0聯(lián)結(jié)線電壓之比：ACBbca+–+–+–+–（2）三相變壓器Y0/聯(lián)結(jié)線電壓之比：ACBabc+–+–+–3.電流變換(一次、二次側(cè)電流關(guān)系)有載運行

可見，鐵心中主磁通的最大值m在變壓器空載和有載時近似保持不變。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|+–+–+–一般情況下：I0(2~3)%I1N很小可忽略。或結(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2.提供用于補償作用

的磁勢磁勢平衡式：空載磁勢有載磁勢4.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)所帶負載的阻抗模的K2倍。

+–+–+–(1)

變壓器的匝數(shù)比應(yīng)為：信號源R0RL+–R0+–+–解:例1:

如圖，交流信號源的電動勢E=120V，內(nèi)阻R0=800，負載為揚聲器，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，求變壓器的匝數(shù)比和信號源輸出的功率；（2）當(dāng)將負載直接與信號源聯(lián)接時,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）將負載直接接到信號源上時，輸出功率為：1）

變壓器的型號5.變壓器的銘牌和技術(shù)數(shù)據(jù)SJL1000/10

變壓器額定容量(KVA)

鋁線圈

冷卻方式J:油浸自冷式F:風(fēng)冷式相數(shù)S:三相D:單相

高壓繞組的額定電壓(KV)

2）

額定值額定電壓U1N、U2N

變壓器二次側(cè)開路（空載）時，一次、二次側(cè)繞組允許的電壓值單相：U1N，一次側(cè)電壓，

U2N，二次側(cè)空載時的電壓三相：U1N、U2N，一次、二次側(cè)的線電壓額定電流I1N、I2N

變壓器滿載運行時，一次、二次側(cè)繞組允許的電流值。單相：一次、二次側(cè)繞組允許的電流值三相：一次、二次側(cè)繞組線電流

額定容量

SN

傳送功率的最大能力。單相：三相：容量S