第3章磁路與鐵心線圈電路

第3章磁路與變壓器3.1磁路及其分析方法3.2交流鐵心線圈電路3.3變壓器一、磁路3.1磁路及其分析方法磁路：主磁通所經(jīng)過的閉合路徑。i線圈通入電流后，產(chǎn)生磁通，分主磁通和漏磁通。：主磁通：漏磁通鐵心（導(dǎo)磁性能好的磁性材料）線圈主磁通：通過鐵心閉合的磁通。漏磁通s：經(jīng)過空氣或其它非導(dǎo)磁媒質(zhì)閉合的磁通。磁場的特性可用磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通、磁場強(qiáng)度、磁導(dǎo)率等幾個物理量表示。1、磁感應(yīng)強(qiáng)度

與磁場方向相垂直的單位面積上通過的磁通（磁力線），可表示磁場內(nèi)某點的磁場強(qiáng)弱和方向。B的單位：特[斯拉]（T）1T＝104Gs的單位：韋伯矢量二、磁場的基本物理量2、磁通

磁感應(yīng)強(qiáng)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。如磁場內(nèi)各點的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小相等，方向相同，這樣的磁場則稱為均勻磁場。＝BS的單位：伏?秒，通稱為韋[伯]Wb

或麥克斯韋Mx1Wb＝108Mx

3、磁場強(qiáng)度

磁場強(qiáng)度是計算磁場所用的物理量，其大小為磁感應(yīng)強(qiáng)度和導(dǎo)磁率之比。H的單位：安／米

的單位：亨／米矢量4、磁導(dǎo)率

磁導(dǎo)率是一個用來表示磁場媒質(zhì)磁性和衡量物質(zhì)導(dǎo)磁能力的物理量。?真空中的磁導(dǎo)率為常數(shù)?一般材料的磁導(dǎo)率和真空磁導(dǎo)率0

的比值，稱為該物質(zhì)的相對磁導(dǎo)率r

或磁性材料的磁性能

一、高導(dǎo)磁性

指磁性材料的磁導(dǎo)率很高，

r>>1，使其具有被強(qiáng)烈磁化的特性。三、磁性材料的磁性能高導(dǎo)磁性、磁飽和性、磁滯性、非線性

磁性物質(zhì)的磁化磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場不會隨著外磁場的增強(qiáng)而無限的增強(qiáng)。二、磁飽和性BJ

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

磁場內(nèi)不存在磁性物質(zhì)時的磁感應(yīng)強(qiáng)度直線；B

BJ曲線和B0直線的縱坐標(biāo)相加即磁場的B-H磁化曲線。OHBB0BJB?a?b磁化曲線磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場不會隨著外磁場的增強(qiáng)而無限的增強(qiáng)。當(dāng)外磁場增大到一定程度時，磁性物質(zhì)的全部磁疇的磁場方向都轉(zhuǎn)向與外部磁場方向一致，磁化磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度將趨向某一定值。如圖。

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點以后：B增加很少，達(dá)到飽和。OHBB0BJB?a?b

有磁性物質(zhì)存在時，B與H不成正比，磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率不是常數(shù)，隨H而變。

有磁性物質(zhì)存在時，與I不成正比。

磁性物質(zhì)的磁化曲線在磁路計算上極為重要，其為非線性曲線，實際中通過實驗得出。

OHB,B磁化曲線B和與H的關(guān)系3.磁滯性磁性材料在交變磁場中反復(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。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變化的性質(zhì)。磁滯回線OHB????BrHc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，鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。例如:永久磁鐵的磁性就是由剩磁產(chǎn)生的；自勵直流發(fā)電機(jī)的磁極，為了使電壓能建立，也必須具有剩磁。

3.磁滯性磁滯回線OHB????BrHc但剩磁也存在著有害的一面，例如，當(dāng)工件在平面磨床上加工完畢后，由于電磁吸盤有剩磁，還將工件吸住。為此要通入反向去磁電流，去掉剩磁，才能取下工件。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。BrHcH（I）B(φ)0BrHcH（I）B(φ)0BrHcH（I）B(φ)0鐵磁材料分類：軟磁材料（磁滯回線窄長。常用做磁頭、磁心等）永磁材料（磁滯回線寬。常用做永久磁鐵）矩磁材料（磁滯回線接近矩形。可用做記憶元件）。四、磁路的分析方法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SxHxIN匝式中：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磁通磁阻電路電動勢E電流密度J電阻磁感應(yīng)強(qiáng)度B電流INI+_EIR勵磁電流：在磁路中用來產(chǎn)生磁通的電流勵磁電流直流-------直流磁路

交流-------交流磁路磁路分析直流磁路交流磁路3.2交流鐵心線圈電路鐵心線圈分為：直流鐵心線圈和交流鐵心線圈IU直流磁路的特點:直流磁路和電路中的恒壓源類似直流電路中

E

固定I

隨R變化隨變化

直流磁路中

F固定

一定一定磁動勢F=IN一定磁通和磁阻成反比（線圈中沒有反電動勢）（R為線圈的電阻）一.直流磁路的分析二.交流磁路的分析(交流鐵心線圈電路)：主磁通：漏磁通ui1.電磁關(guān)系電路方程：一般情況下很小交流激勵線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢：主磁通：漏磁通的感應(yīng)電勢和產(chǎn)生2.電壓電流關(guān)系ui+-++--假設(shè)則最大值有效值ui+-++--一定時磁動勢IN隨磁阻的變化而變化。當(dāng)外加電壓U、頻率f

與線圈匝數(shù)N一定時，便基本不變。根據(jù)磁路歐姆定律，當(dāng)交流磁路的特點:交流磁路和電路中的恒流源類似交流磁路中：

固定F隨變化直流電路中：

IS固定U

隨R變化ui+-++--交流磁路中磁阻對電流的影響

電磁鐵吸合過程的分析：在吸合過程中若外加電壓不變,則基本不變。iu電磁鐵吸合前(氣隙大）

大起動電流大電磁鐵吸合后(氣隙?。┬‰娏餍?/p>

如果氣隙中有異物卡住，電磁鐵長時間吸不上，線圈中的電流一直很大，將會導(dǎo)致過熱，把線圈燒壞。

注意：(U不變，I不變）(I隨Rm

變化）（

U不變時，基本不變）直流磁路交流磁路磁路小結(jié)（隨Rm變化）鐵損PFe:磁滯損耗:

Ph:磁滯現(xiàn)象引起鐵芯發(fā)熱造成的損失。渦流損耗Pe:交變磁通在鐵芯中產(chǎn)生的感應(yīng)電流（渦流），造成的損失?？朔椒?1.磁滯損耗:選用軟磁材料.2.渦流損耗:采用硅鋼片,疊加而成3.功率損耗銅損Pcu:——線圈電阻R上的損耗（）.鐵心線圈交流電路的有功功率為：Ph=UIh=KhfBmVPe=UIe=Kef2BmV2=1.62Bm<1TBm>1T3.3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。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：電能損耗小節(jié)省金屬材料（經(jīng)濟(jì)）UIP=I2RlIS電力工業(yè)中常采用高壓輸電低壓配電，實現(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…實驗室380/220V降壓變電站10kV降壓降壓單相變壓器+–+–Z變壓器的結(jié)構(gòu)變壓器的磁路繞組：一次繞組二次繞組由高導(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鐵心各式各樣的變壓器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3.3.1變壓器的工作原理一次、二次繞組互不相連，能量的傳遞靠磁耦合。單相變壓器+–+–Z一次繞組N1二次繞組N2鐵心(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(fù)載運行情況1.電磁關(guān)系一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)接負(fù)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(1)三相變壓器的結(jié)構(gòu)高壓繞組：U2、V2、W2:尾端U1、V1、W1:首端低壓繞組：u1、v1、w1:首端u2、v2、w2:尾端(2)三相變壓器的聯(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:U1U2u1u2V1V2v1v2W1W2w1w21)三相變壓器Y/Y0聯(lián)結(jié)線電壓之比：U1+–+–V2W3w1+–+–v1u12)三相變壓器Y0/聯(lián)結(jié)線電壓之比：U1+–+–+–V1W1u1v1w13.電流變換(一次、二次側(cè)電流關(guān)系)有載運行即：鐵心中主磁通的最大值m在變壓器空載和有載時基本是恒定的。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，故有當(dāng)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。可得磁勢平衡式：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(fù)載的阻抗模的K2倍。+–+–+–(1)

變壓器的匝數(shù)比應(yīng)為：解:例1:

如圖，交流信號源的電動勢E=120V，內(nèi)阻R0=800，負(fù)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(fù)載直接與信號源聯(lián)接時,信號源輸出多大功率？R0+–+–RL信號源+–R0RL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(fù)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SN

輸出功率P2

一次側(cè)輸入功率P1

輸出功率P2注意：變壓器幾個功率的關(guān)系(單相)效率容量：一次側(cè)輸入功率：輸出功率：變壓器運行時的功率取決于負(fù)載的性質(zhì)2)額定值3.3.2變壓器的外特性當(dāng)一次側(cè)電壓U1和負(fù)載功率因數(shù)cos2保持不變時，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，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：cos2=0.8(感性）U2I2U20I2Ncos2=1O3.3.2變壓器的效率()變壓器的損耗包括兩部分：銅損(PCu)：繞組導(dǎo)線電阻的損耗。與負(fù)載大?。ㄕ扔陔娏髌椒剑┯嘘P(guān)。

鐵損(PFe)：變壓器的效率為一般95%,負(fù)載為額定負(fù)載的(50~75)%時,最大。輸出功率輸入功率磁滯損耗：渦流損耗它與鐵心內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值Bm的平方成正比。與負(fù)載大小無關(guān)。使用時，改變滑動端的位置，便可得到不同的輸出電壓。實驗室中用的調(diào)壓器就是根據(jù)此原理制作的。注意：一次、二次側(cè)千萬不能對調(diào)使用，以防變壓器損壞。因為N變小時，磁通增大，電流會迅速增加。3.3.4特殊變壓器1.自耦變壓器ABP+–+–二次側(cè)不能短路，以防產(chǎn)生過流；2.鐵心、低壓繞組的一端接地，以防在絕緣損壞時，在二次側(cè)出現(xiàn)高壓。使用注意事項：電壓表被測電壓=電壓表讀數(shù)N1/N22.電壓互感器實現(xiàn)用低量程的電壓表測量高電壓VR

N1（匝數(shù)