1、第6章 磁路与铁心线圈电路,6.2 交流铁心线圈电路,6.1 磁路及其分析方法,6.3 变压器,6.1 磁路及其分析方法,1. 磁感应强度,磁感应强度B : 表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。,磁感应强度B的方向: 与电流的方向之间符合右手螺旋定则。,磁感应强度B的单位: 特斯拉(T)，1T = 1Wb/m2,均匀磁场: 各点磁感应强度大小相等，方向相同的 磁场，也称匀强磁场。,6.1.1 磁场的基本物理量,2. 磁通,磁通 ：B与穿过垂直于B方向的面积A中的乘积。,说明: 如果不是均匀磁场，则取B的平均值。,在均匀磁场中 = BA 或 B= /A,磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方向
2、垂直的单位面积所通过的磁通,故又称磁通密度。,磁通 的单位:韦伯(Wb) 1Wb =1Vs,3. 磁场强度,磁场强度H ：计算磁场所引用的物理量（矢量），确定磁场与电流之间的关系。,磁场强度H的单位 ：安培/米（A/m),真空的磁导率为常数，用 0表示，有：,4. 磁导率,磁导率 ：表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质 的导磁能力。,相对磁导率 r： 任一种物质的磁导率 和真空的磁导率0的比值。,磁导率 的单位：亨/米（H/m）,6.2 磁性材料的磁性能,1. 高导磁性,磁性材料的磁导率通常都很高，即 r 1 (如坡莫合金，其 r 可达 2105 ) 。 磁性材料能被强烈的磁化，具有很高的导磁性
3、。,磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。,磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度。,2. 磁饱和性,在外磁场作用下，磁畴方向发生变化，使之与外磁场方向趋于一致，物质整体显示出磁性来，称为磁化。即磁性物质能被磁化。,磁畴,外磁场,磁畴,磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。当外磁场增大到一定程度时，磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值。如图。,B-H 磁化曲线的特征： Oa段：B 与H几乎
4、成正比地增加； ab段： B 的增加缓慢下来； b点以后：B增加很少，达到饱和。,有磁性物质存在时，B 与 H不成正比，磁性物质的磁导率不是常数，随H而变。,磁性物质的磁化曲线在磁路计算上极为重要，其为非线性曲线，实际中通过实验得出。,B和与H的关系,3. 磁滞性,磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B-H关系曲线是一条回形闭合曲线，称为磁滞回线。,磁滞性：磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于 外磁场变化的性质。,磁滞回线,Br,Hc,剩磁感应强度Br (剩磁) ： 当线圈中电流减小到零(H=0)时，铁心中的磁感应强度。,矫顽磁力Hc： 使 B = 0 所需的 H 值。,磁性物质不同，其磁滞回线
5、和磁化曲线也不同。,几种常见磁性物质的磁化曲线,按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型：(1)软磁材料 具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金即铁氧体等。(2)永磁材料 具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金。(3)矩磁材料 具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性良好。在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等。,6.1.3 磁路分析方法,1. 磁路的概念,在电机、变压器及各种铁磁元件中常用磁性材料做成一定形状的铁心。铁心的磁导率比周围
6、空气或其它物质的磁导率高的多，磁通的绝大部分经过铁心形成闭合通路，磁通的闭合路径称为磁路。,直流电机的磁路,交流接触器的磁路,安培环路定律：,磁场强度沿任意闭合路径的线积分，等于穿过该闭合 路径所包围的电流的代数和。,安培环路定律将电流与磁场强度联系起来。,在均匀磁场中 Hl = IN,安培环路定律,安培环路定律将电流与磁场强度联系起来。,在均匀磁场中 Hl = IN,式中：F=NI 为磁通势，由其产生磁通； Rm 称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用； l 为磁路的平均长度； A 为磁路的截面积。,即有：,此即磁路的欧姆定律。,铁心线圈电路,直流铁心线圈电路电压与电流的关系:,线圈消耗的功率：
7、,P = U I,= R I 2,线圈,铁心,6.2 交流铁心线圈电路,6.2.1 电磁关系,（磁通势）,主磁通 ：通过铁心闭合的磁通。,漏磁通：经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通。,线圈,铁心, i，,铁心线圈的漏磁电感, 与i不是线性关系。,6.2 .2 电压电流关系,根据KVL:,式中：R是线圈导线的电阻,L 是漏磁电感,当 u 是正弦电压时，其它各电压、电流、电动势可视作正弦量，则电压、电流关系的相量式为：,设主磁通 则,有效值,由于线圈电阻 R 和漏磁感抗X（或漏磁通）较小，其电压降也较小，与主磁电动势 E 相比可忽略，故有,式中：Bm是铁心中磁感应强度的最大值，单位T； A 是铁心
8、截面积，单位m2。,6.2 .3 功率损耗,交流铁心线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种。,1. 铜损（PCu）,在交流铁心线圈中, 线圈电阻R上的功率损耗称铜损，用PCu 表示。,PCu = RI2,式中：R是线圈的电阻；I 是线圈中电流的有效值。,2. 铁损（PFe）,在交流铁心线圈中，处于交变磁通下的铁心内的功率损耗称铁损，用PFe 表示。,铁损由磁滞和涡流产生。,（1）磁滞损耗（Ph）,由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗（Ph）。,磁滞损耗的大小： 单位体积内的磁滞损耗正比与磁滞回线的面积和磁场交变的频率 f。,磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。,减少磁滞损耗的措施： 选用磁滞回线狭小的
9、磁性材料制作铁心。变压器和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。,(2)涡流损耗（Pe）,涡流损耗: 由涡流所产生的功率损耗。,涡流：交变磁通在铁心内产生感应电动势和电流，称为涡流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。,涡流损耗转化为热能，引起铁心发热。,减少涡流损耗措施：,提高铁心的电阻率（采用硅钢片作铁心）。在顺磁场方向铁心用彼此绝缘的钢片叠成，把涡流限制在较小的截面内流通。,铁心线圈交流电路的有功功率为：,6.3 变压器,变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛。,在能量传输过程中，当输送功率P =UI cos 及负载功率因数cos 一定时：,电能损耗小,节省金属材料（经济）
10、,6.3.1 概述,U I,P = I Rl,I S,变压器的主要功能有：,按用途分: 电力变压器，特种用途变压器。按相数分: 单相、三相和多相变压器。按绕组数分: 双绕组、多绕组及自耦变压器。,2. 变压器的结构,1. 变压器的分类,变压器铁心: 硅钢片叠压而成。变压器绕组: 高强度漆包线绕制而成。其它部件: 油箱、冷却装置、保护装置等。,铁心,线圈,壳式变压器,铁心,线圈,变压器的结构,变压器的结构,变压器的磁路,变压器的电路,一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。,(1) 空载运行情况,1. 电磁关系,一次侧接交流电源，二次侧开路。,空载时，铁心中主磁通是由一次绕组磁通势产生的。,
11、(2) 带负载运行情况,1. 电磁关系,一次侧接交流电源，二次侧接负载。,有载时，铁心中主磁通是由一次、二次绕组磁通势共同产生的合成磁通。,1,N1,N2,A,X,a,x,U20,U1,E1,结论,变压器的变比,E2 = 4.44 f N2 m,(1) 电压变换,变压器空载：,E1 = 4.44 f N1 m,+,+,+,+,当电源电压U1一定时，改变匝数比K，就能改变输出电压U2 。,三相电压的变换,1) 三相变压器的结构,高压绕组：A-X B-Y C-Z,X、Y 、Z ：尾端,A、B、C ：首端,低压绕组：a-x b-y c-z,a、b、c：首端,x、y、z：尾端,2) 三相变压器的联结方
12、式,联结方式：,高压绕组接法,低压绕组接法,三相配电变压器,动力供电系统（井下照明）,高压、超高压供电系统,常用接法:,（1）三相变压器Y/Y0联结,线电压之比：,（2）三相变压器Y0/联结,线电压之比：,(2) 电流变换,由,可见，铁心中主磁通的最大值m在变压器空载和有载时近似保持不变。即有,可知，若U1、 f 不变，则 m 基本不变，近于常数。,空载：,有载：,磁通势平衡式：,空载磁通势,有载合成磁通势,或,结论：一次、二次侧电流与匝数成反比。,或：,（提供产生m的磁通势）,磁通势平衡式：,空载磁通势,有载合成磁通势,(3) 阻抗变换,由图可知：,结论： 变压器一次侧的等效阻抗模，为二次侧
13、所带负载的阻抗模的K 2 倍。,(1) 变压器的匝数比应为：,解:,例1: 如图，交流信号源的电动势 E= 120V，内阻 R 0=800，负载为扬声器，其等效电阻为RL=8。要求: （1）当RL折算到原边的等效电阻 时，求变压器的匝数比和信号源输出的功率；（2）当将负载直接与信号源联接时,信号源输出多大功率？,信号源的输出功率：,电子线路中，常利用阻抗匹配实现最大输出功率。,结论：接入变压器以后，输出功率大大提高。,原因：满足了最大功率输出的条件：,（2）将负载直接接到信号源上时，输出功率为：,1. 两个交流铁心线圈除了匝数不同（N1 = 2 N2）外， 其它参数都相同。若将这两个线圈接在同
14、一交流电源上，它们的电流关系为 ( )。(a) (b) (c),6.3.2 变压器的外特性,当一次侧电压 U1和负载功率因数 cos2保持不变时，二次侧输出电压 U2和输出电流 I2的关系，U2 = f (I2)。,U20：一次侧加额定电压、二次侧开路时，二次侧的输出电压。,一般供电系统希望要硬特性（随I2的变化，U2 变化不大），所用变压器的电阻和漏磁感抗均甚小，其电压变化率约在5%左右。,电压变化率：,1） 变压器的型号,5.变压器的铭牌和技术数据,2） 额定值, 额定电压 U1N、U2N 变压器二次侧开路（空载）时，一次、二次侧绕组允许的电压值, 额定电流 I1N、I2N 变压器满载运行
15、时，一次、二次侧绕组允许的电流值。, 额定容量 SN 传送功率的最大能力。,容量 SN 输出功率 P2,一次侧输入功率 P1 输出功率 P2,注意：变压器几个功率的关系（单相）,效率,变压器运行时的功率取决于负载的性质,2) 额定值,6.3.3 变压器的效率(),变压器的损耗包括两部分：,铜损 (PCu) ：绕组导线电阻的损耗，其与负载大小 （正比于电流平方）有关。,铁损(PFe )：其大小与铁心内磁感应强度的最大值 Bm有关。,变压器的效率为,一般 95% ,负载为额定负载的(5075)%时，最大。,输出功率,输入功率,使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的输出电压。实验室中用的调压器就是
16、根据此原理制作的。注意：一次、二次侧千万不能对调使用，以防变压器损坏。因为N变小时，磁通增大，电流会迅速增加。,6.3.4 特殊变压器,1.自耦变压器,二次侧不能短路， 以防产生过流；2. 铁心、低压绕组的 一端接地，以防在 绝缘损坏时，在二次侧出现高压。,使用注意事项：,被测电压=电压表读数 N1/N2,2.电压互感器,实现用低量程的电压表测量高电压,被测电流=电流表读数 N2/N1,二次侧不能开路， 以防产生高电压；2. 铁心、低压绕组的 一端接地，以防在 绝缘损坏时，在二次侧出现过压。,使用注意事项：,3.电流互感器,实现用低量程的电流表测量大电流,当电流流入(或流出）两个线圈时，若产生
17、的磁通方向相同，则两个流入(或流出）端称为同极性端。,1. 同极性端 ( 同名端 ),或者说，当铁心中磁通变化时，在两线圈中产生的感应电动势极性相同的两端为同极性端。,同极性端用“”表示。,增加,+,+,+,+,同极性端和绕组的绕向有关。,6.3.5 变压器绕组的极性,联接 23,变压器原一次侧有两个额定电压为 110V 的绕组：,2. 线圈的接法,联接 13， 2 4,当电源电压为220V时：,电源电压为110V时：,问题：如果两绕组的极性端接错，结果如何？,结论：在同极性端不明确时，一定要先测定同极性端 再通电。,答：有可能烧毁变压器,+,+,+,本章结束！,方法一：交流法,把两个线圈的任意两端 (X - x)连接, 然后在 AX 上加一低电压 uAX 。,测量：,若 说明 A 与 x 或 X 与 a 是同极性端.,3. 同极性端的测定方法,方法二：直流法,如果当 S 闭合时，电流表正偏，则 A-a 为同极性端;,结论：,如果当 S 闭合时，电流表反偏，则 A-x 为同极性端。,问题1：在110V 情况下，如果只用一个绕组 （N），行不行？,答：不行（两绕组必须并接）,一次侧有两个相同绕组的电源变压器(220/110)，使用中应注意的问题：,
