電工學(xué)第6章課件

第6章磁路與鐵心線圈電路6.1磁路及其分析方法6.2交流鐵心線圈電路6.3變壓器6.4電磁鐵1本章要求2.了解變壓器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、運(yùn)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；4.了解三相電壓的變換方法；5.了解電磁鐵的基本工作原理及其應(yīng)用知識(shí)。1.理解磁場(chǎng)的基本物理量的意義，了解磁性材料的基本知識(shí)及磁路的基本定律，會(huì)分析計(jì)算交流鐵心線圈電路；2磁場(chǎng)的特性可用磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁導(dǎo)率等幾個(gè)物理量表示。一、磁感應(yīng)強(qiáng)度B

與磁場(chǎng)方向相垂直的單位面積上通過(guò)的磁通（磁力線），可表示磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向。B的單位：特[斯拉]（T）1T＝104Gs的單位：韋伯矢量6.1磁路及其分析方法

6.1.1磁場(chǎng)的基本物理量3三、磁場(chǎng)強(qiáng)度H

磁場(chǎng)強(qiáng)度是計(jì)算磁場(chǎng)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5安培環(huán)路定律（全電流律）：

磁場(chǎng)中任何閉合回路磁場(chǎng)強(qiáng)度的線積分,等于通過(guò)這個(gè)閉合路徑內(nèi)電流的代數(shù)和.I1I2I3電流方向和磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向符合右手定則，電流取正；否則取負(fù)。6

在無(wú)分支的均勻磁路（磁路的材料和截面積相同，各處的磁場(chǎng)強(qiáng)度相等）中，安培環(huán)路定律可寫(xiě)成：磁路長(zhǎng)度L線圈匝數(shù)NIHL：稱(chēng)為磁壓降。NI：稱(chēng)為磁通勢(shì)。一般用F表示。F=NI7四、磁導(dǎo)率

磁導(dǎo)率

是一個(gè)用來(lái)表示磁場(chǎng)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)9?一般材料的磁導(dǎo)率

和真空磁導(dǎo)率

0

的比值，稱(chēng)為該物質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率r

或10五、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(chǎng)方向雜亂無(wú)章，幾乎不受外磁場(chǎng)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(chǎng)媒質(zhì)是非磁性材料時(shí)，有：即B與H成正比，呈線性關(guān)系。由于OHB0r

1B=0H()(I)11討論磁場(chǎng)內(nèi)某一點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H與有關(guān)嗎？

由上兩式可知，磁場(chǎng)內(nèi)某一點(diǎn)的H只與電流大小、線圈匝數(shù)及該點(diǎn)的幾何位置有關(guān)，而與無(wú)關(guān)。13磁性材料的磁性能：

高導(dǎo)磁性、磁飽和性、磁滯性、非線性一、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。

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。6.1.2磁性材料的磁性能14二、磁飽和性

當(dāng)外磁場(chǎng)（或勵(lì)磁電流）增大到一定值時(shí)，磁性材料的全部磁疇的磁場(chǎng)方向都轉(zhuǎn)向與磁場(chǎng)的方向一致，磁化磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度BJ達(dá)到飽和值。磁化曲線H注當(dāng)有磁性物質(zhì)存在時(shí)B與H不成比例，與I也不成比例。BJ

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。15三、磁滯性

在鐵心線圈通有交變電流時(shí)，鐵心將受到交變磁化。但當(dāng)H減少為零時(shí)，B并未回到零值，出現(xiàn)剩磁Br。BHO12345磁感應(yīng)強(qiáng)度滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的性質(zhì)稱(chēng)為磁滯性。右圖為磁性物質(zhì)的磁滯回線。要使剩磁消失，通常需進(jìn)行反向磁化。將B=0時(shí)的H值稱(chēng)為矯頑磁力

Hc。617

幾種常見(jiàn)磁性物質(zhì)的磁化曲線a鑄鐵b鑄鋼c硅鋼片O0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0103H/(A/m)H/(A/m)12345678910103B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2ababcc18四、磁性物質(zhì)的分類(lèi)

根據(jù)滯回曲線和磁化曲線的不同，大致分成三類(lèi)：(1)軟磁材料其矯頑磁力較小，磁滯回線較窄。(鐵心)(2)永磁材料其矯頑磁力較大，磁滯回線較寬。(磁鐵)(3)矩磁材料其剩磁大而矯頑磁力小，磁滯回線為矩形。(記憶元件)HBHBHB19一、磁路的概念6.1.3磁路的分析方法在電機(jī)、變壓器及各種鐵磁元件中常用磁性材料做成一定形狀的鐵心。鐵心的磁導(dǎo)率比周?chē)諝饣蚱渌镔|(zhì)的磁導(dǎo)率高的多，磁通的絕大部分經(jīng)過(guò)鐵心形成閉合通路，磁通的閉合路徑稱(chēng)為磁路。+–NIfNSS直流電機(jī)的磁路交流接觸器的磁路21對(duì)于均勻磁路磁路中的歐姆定律二.磁路的歐姆定律：則：INSL注：由于磁性材料是非線性的，磁路歐姆定律多用作定性分析，不做定量計(jì)算。令：Rm稱(chēng)為磁阻22磁路和電路的比較（一）磁路電路磁通INR+_EI磁壓降磁動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)電流電壓降U23

三、磁路分析的特點(diǎn)(1)在處理電路時(shí)不涉及電場(chǎng)問(wèn)題，在處理磁路時(shí)離不開(kāi)磁場(chǎng)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(lái)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；25四、磁路的計(jì)算

在計(jì)算電機(jī)、電器等的磁路時(shí)，一般預(yù)先給定鐵心中的磁通（或磁感應(yīng)強(qiáng)度），而后按照所給的磁通及磁路各段的尺寸和材料去求產(chǎn)生預(yù)定磁通所需的磁通勢(shì)F＝NI。

計(jì)算均勻磁路要用磁場(chǎng)強(qiáng)度H，即NI＝HL。

如果磁路由不同的材料、長(zhǎng)度和截面積的幾段組成，則磁路由磁阻不同的幾段串聯(lián)而成：

NI＝H1L1＋H2L2＋＝（HL）26如：由三段串聯(lián)而成的繼電器磁路271）

H1＝9000A/m,I1＝H1L/N=13.5A2）H2＝260A/m，I2＝H2L/N=0.39A若I相同(0.39A)，則H相同，此時(shí)B1=0.05T，B2=0.9T。若相同,則S1是S2的17倍。若線圈中通有同樣大小的勵(lì)磁電流，要得到相等的磁通，采用磁導(dǎo)率高的鐵心材料，可使鐵心的用鐵量大為降低。結(jié)論29解磁路的平均長(zhǎng)度為

L＝（（10＋15）／2）＝39.2cm查鑄鋼的磁化曲線，當(dāng)B＝0.9T時(shí)，

H1＝500A／m于是

H1L1＝H1(L－)＝195A空氣隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度為

H0＝B0／0＝0.9／（4*10－7）＝7.2*105A/m有一環(huán)形鐵心線圈，其內(nèi)徑為10cm，外徑為15cm，鐵心材料為鑄鋼。磁路中含有一空氣氣隙，其長(zhǎng)度等于0.2cm。設(shè)線圈中通有1A電流，如要得到0.9T的磁感應(yīng)強(qiáng)度，試求線圈匝數(shù)。例230H0＝7.2*105*0.2*10-2＝1440A總磁通勢(shì)為

NI＝（HL）＝H1L1＋H0＝195＋1440＝1635A線圈匝數(shù)為

N＝NI／I＝1635若要得到相等的磁感應(yīng)強(qiáng)度，采用磁導(dǎo)率高的鐵心材料，可使線圈的用銅量大為降低。當(dāng)磁路中含有空氣隙時(shí)，由于其磁阻較大，要得到相等的磁感應(yīng)強(qiáng)度，必須增大勵(lì)磁電流（線圈匝數(shù)一定）。結(jié)論31勵(lì)磁電流：在磁路中用來(lái)產(chǎn)生磁通的電流勵(lì)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6.2交流鐵心線圈電路32IU一.直流磁路的分析直流磁路的特點(diǎn):直流磁路和電路中的恒壓源類(lèi)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(dòng)勢(shì)F=IN一定磁通和磁通成反比（線圈中沒(méi)有反電動(dòng)勢(shì)）（R為線圈的電阻）33(一)、電磁關(guān)系(二)、功率損耗I=U/R銅損PCu=I2R直流鐵心線圈U---I(NI)---恒定|____漏磁34(一)、電磁關(guān)系–+e–+e+–uNi（磁通勢(shì)）主磁通：通過(guò)鐵心閉合的磁通。漏磁通：經(jīng)過(guò)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。二.交流磁路的分析35(二)、電壓電流關(guān)系+––+–+eeuNi36設(shè)主磁通則37鐵心中磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值鐵心截面積有效值最大值38三、功率損耗1.銅損PCu：線圈電阻R上的功率損耗。

交流鐵心線圈的功率損耗主要有銅損和鐵損兩種。

Pcu=RI22.鐵損PFe：鐵心在交變磁通的作用下，由磁滯和渦流產(chǎn)生的功率損耗。

包括磁滯損耗Ph

和渦流損耗Pe。39（1）磁滯損耗（Ph）由磁滯所產(chǎn)生的能量損耗稱(chēng)為磁滯損耗（Ph）。

磁滯損耗的大?。?/p>

單位體積內(nèi)的磁滯損耗正比于磁滯回線的面積。OHB

磁滯損耗轉(zhuǎn)化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。

減少磁滯損耗的措施：

選用磁滯回線狹小的磁性材料制作鐵心。變壓器和電機(jī)中使用的硅鋼等材料的磁滯損耗較低。40(2)渦流損耗（Pe）渦流損耗:由渦流所產(chǎn)生的功率損耗。

渦流：交變磁通在鐵心內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流，稱(chēng)為渦流。渦流在垂直于磁通的平面內(nèi)環(huán)流。渦流損耗轉(zhuǎn)化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。減少渦流損耗措施：提高鐵心的電阻率。鐵心用彼此絕緣的鋼片疊成，把渦流限制在較小的截面內(nèi)。4142(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）43思考題1.將一個(gè)空心線圈先后接到直流電源和交流電源上，然后在這個(gè)線圈中插入鐵心，再接到上述的直流電源和交流電源上。如果交流電源電壓的有效值和直流電源電壓相等，在上述四種情況下，試比較通過(guò)線圈的電流和功率的大小，并說(shuō)明理由。2.如果線圈的鐵心由彼此絕緣的鋼片在垂直磁場(chǎng)方向疊成，是否也可以？3.鐵心線圈中通過(guò)直流，是否有鐵損？4.空心線圈的電感是常數(shù)，而鐵心線圈的電感不是常數(shù)，為什么？如果線圈的尺寸、形狀和匝數(shù)相同，有鐵心和沒(méi)有鐵心時(shí)，哪個(gè)電感大？鐵心線圈的鐵心在達(dá)到磁飽和與尚未達(dá)到磁飽和時(shí)，哪個(gè)電感大？44作業(yè)：6.1.4456.3變壓器

變壓器是一種常見(jiàn)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(guò)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)）UIP=I2RlIS46發(fā)電廠1.05萬(wàn)伏輸電線22萬(wàn)伏升壓變電站1萬(wàn)伏降壓…降壓實(shí)驗(yàn)室380/220伏降壓儀器36伏降壓

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：47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48變壓器的分類(lèi)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芯式變壓器符號(hào)49單相變壓器的結(jié)構(gòu)50變壓器的結(jié)構(gòu)51廣東東莞荔灣站

SFPSZ-180000/220殼式變壓器526.3.1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。利用兩個(gè)線圈匝數(shù)的比例關(guān)系來(lái)改變電壓的大小531.空載運(yùn)行情況一、電磁關(guān)系一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)開(kāi)路。+–+–+–+–+–1i0(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。542.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。+–+–+–11i1(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+–u2Z一、電磁關(guān)系55

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)二、電壓變換（空載運(yùn)行）

i10產(chǎn)生磁通（交變）（方向符合右手定則）56結(jié)論：改變?cè)褦?shù)比，就能改變輸出電壓。K為變比原、副邊電壓關(guān)系(變電壓)根據(jù)交流磁路的分析可得：時(shí)57三、電流變換（負(fù)載運(yùn)行）Z

副邊帶負(fù)載后對(duì)磁路的影響：在副邊感應(yīng)電壓的作用下，副邊線圈中有了電流i2

。此電流在磁路中也會(huì)產(chǎn)生磁通，從而影響原邊電流i1。但當(dāng)外加電壓、頻率不變時(shí)，鐵心中主磁通的最大值在變壓器空載或有負(fù)載時(shí)基本不變

。帶負(fù)載后磁動(dòng)勢(shì)的平衡關(guān)系為：58結(jié)論：原、副邊電流與匝數(shù)成反比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。即：原、副邊電流關(guān)系(變電流)59四、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60阻抗變換舉例：揚(yáng)聲器上如何得到最大輸出功率。RsRL信號(hào)源設(shè)：信號(hào)電壓的有效值:U1=50V;信號(hào)內(nèi)阻：Rs=100;負(fù)載為揚(yáng)聲器，其等效電阻：RL=8。求：負(fù)載上得到的功率解：（1）將負(fù)載直接接到信號(hào)源上，得到的輸出功率為：61Rs（2）將負(fù)載通過(guò)變壓器接到信號(hào)源上。輸出功率為：設(shè)變比則：結(jié)論：由此例可見(jiàn)加入變壓器以后，輸出功率提高了很多。原因是滿足了電路中獲得最大輸出的條件（信號(hào)源內(nèi)、外阻抗差不多相等）。62五、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)方式三相配電變壓器動(dòng)力供電系統(tǒng)（井下照明）高壓、超高壓供電系統(tǒng)常用接法:63（1）三相變壓器Y/Y0聯(lián)結(jié)線電壓之比：ACBbca+–+–+–+–64（2）三相變壓器Y0/聯(lián)結(jié)線電壓之比：ACBabc+–+–+–651）變壓器的型號(hào)六、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)

662）額定值額定電壓U1N、U2N

變壓器二次側(cè)開(kāi)路（空載）時(shí)，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(shí)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(yùn)行時(shí)，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67

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(gè)功率的關(guān)系（單相）變壓器效率容量：一次側(cè)輸入功率：輸出功率：變壓器運(yùn)行時(shí)的功率取決于負(fù)載的性質(zhì)2)額定值68U20：原邊加額定電壓時(shí)副邊的開(kāi)路電壓。電壓變化率：cos2=0.8(感性）U2I2U20I2Ncos2=1O

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。6.3.2變壓器的外特性副邊輸出電壓和輸出電流的關(guān)系。即：69

變壓器的功率損耗包括鐵心中的鐵損PFe和繞組上的銅損PCu。變壓器的效率：一般95%,負(fù)載為額定負(fù)載的(50~75)%時(shí)，最大。6.3.3變壓器的損耗與效率706.3.4特殊變壓器1.自耦變壓器ABP結(jié)構(gòu)特點(diǎn):二次繞組是一次繞組的一部分71自耦變壓器723.電流互感器（被測(cè)電流）N1（匝數(shù)少）N2（匝數(shù)多）ARi1i2注意！1.副邊不能斷開(kāi)，以防產(chǎn)生高電壓；2.鐵心、二次繞組的一端接地，以防在絕緣損壞時(shí)，在副邊出現(xiàn)過(guò)壓。實(shí)現(xiàn)用低量程的電流表測(cè)量大電流被測(cè)電流=電流表讀數(shù)N2/N1電流表73

當(dāng)電流流入兩個(gè)線圈(或流出）時(shí)，若產(chǎn)生的磁通方向相同，則兩個(gè)流入端稱(chēng)為同極性端（同名端）?；蛘哒f(shuō)，當(dāng)鐵心中磁通變化（增大或減?。r(shí)，在兩線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)極性相同的兩端為同極性端。1.同極性端(同名端)AXax**6.3.5變壓器繞組的極性AXax**74電器使用時(shí)兩種電壓（220V/110V）的切換：220V：聯(lián)結(jié)2－3110V：聯(lián)結(jié)1－3，2－42.線圈的接法1324**75220V：聯(lián)結(jié)2－3勵(lì)磁兩種接法下線圈工作情況的分析**132476110V：聯(lián)結(jié)1－3，2－41,32,4220V：聯(lián)結(jié)2－31324**說(shuō)明：兩種接法下不變，所以鐵芯磁路的設(shè)計(jì)相同勵(lì)磁'77問(wèn)題1：在110V

情況下，如果只用一個(gè)繞組（N），行不行？答：不行（兩繞組必須并繞）原邊有兩個(gè)相同繞組的電