电工与电子技术课件第5章(上)

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1、第 五 章磁 路 与 变 压 器 第 五 章 磁 路 与 铁 芯 线 圈 电 路 5-1 磁 路 基 础 与 磁 路 的 基 本 定 律 5-2 铁 心 线 圈 5-3 变 压 器 磁 路 ： 主 磁 通 所 经 过 的 闭 合 路 径 。1u 2ui s 5.1 磁 路 基 础 与 磁 路 的 基 本 定 律5.1.1 磁 路 的 基 本 概 念 线 圈 通 入 电 流 后 ， 产生 磁 通 ， 分 主 磁 通 和 漏磁 通 。 s ： 主 磁 通： 漏 磁 通铁 心（ 导 磁 性 能 好 的 磁 性 材 料 ）线 圈 5.1.2 磁 场 的 基 本 物 理 量电 流 磁 场 用 磁 力 线

2、 描 述 通 过 磁 场 中 某 一 面 积 的 磁 力 线 的 总 数 。单 位 ： Wb。B： 矢 量 。 其 数 值 表 示 磁 场 的 强 弱 ， 其 方 向 表 示 磁 场 的 方 向 。一 、 磁 通 （ ）二 、 磁 感 应 强 度 （ 磁 通 密 度 ） SB 单 位 ： 韦 伯1 Tesla = 104 高 斯B 的 单 位 ： 特 斯 拉 （ Tesla） H ： 矢 量 。 方 向 与 B 的 方 向 相 同 。H 的 大 小 ： 只 与 产 生 该 磁 场 的 电 流 大 小 成 正 比 ，与 介 质 的 性 质 无 关 。B 的 大 小 ： 不 仅 与 产 生 该 磁

3、 场 的 电 流 大 小 有 关 ，还 与 介 质 的 性 质 有 关 。三 、 磁 场 强 度 H 单 位 ： A/m。四 、 磁 导 率 ： 表 征 各 种 材 料 导 磁 能 力 的 物 理 量 HB （ 亨 /米 ）70 104 真 空 中 的 磁 导 率 ( )为 常 数0一 般 材 料 的 磁 导 率 和 真 空 中 的 磁 导 率 之 比 ，称 为 这 种 材 料 的 相 对 磁 导 率 r 0 r 1r ， 则 称 为 磁 性 材 料1r ， 则 称 为 非 磁 性 材 料 5.1.3 磁 性 材 料 的 磁 性 能 磁 性 材 料 主 要 是 指 由 元 素 铁 、 钴 、

4、镍 及 其 合 金等 材 料 。 它 们 主 要 的 磁 性 能 如 下 。一 、 高 导 磁 性磁 性 材 料 的 磁 导 率 很 大 ， r1， 可 达 102105量 级 。分 子 电 流 和 磁 畴 理 论 ：分 子 中 电 子 的 绕 核 运 动 和 自 转 将 形 成 分 子 电 流 ， 分 子电 流 将 产 生 磁 场 ， 每 个 分 子 都 相 当 于 一 个 小 磁 铁 。由 于 磁 性 物 质 分 子 的 相 互 作 用 ， 使 分 子 电 流 在 局 部 形成 有 序 排 列 而 显 示 出 磁 性 ， 这 些 小 区 域 称 为 磁 畴 。 磁 性 物 质 的 磁 化

5、示 意 图(a)无 外 场 ， 磁 畴 排 列杂 乱 无 章 。 (b)在 外 场 作 用 下 ， 磁 畴排 列 逐 渐 进 入 有 序 化 。非 磁 性 材 料 没 有 磁 畴 的 结 构 ， 所 以 不 具 有 磁 化 特 性 。 磁 性 物 质 因 磁 化 产 生 的 磁 场 是 不 会 无 限 制 增 加 的 ， 当外 磁 场 (或 激 励 磁 场 的 电 流 )增 大 到 一 定 程 度 时 ， 全 部磁 畴 都 会 转 向 与 外 场 方 向 一 致 。 这 时 的 磁 感 应 强 度 将达 到 饱 和 值 。 B0B HBO 磁 化 曲 线B0 是 真 空 情 况 下 的 磁感

6、应 强 度 ；B 是 介 质 中 的 磁 感 应强 度 。磁 性 物 质 的 不 是 常 数 ， 与 H 也 不 存 在 正 比 关 系 。二 、 磁 饱 和 性 在 铁 心 线 圈 通 有 交 变 电 流 时 ， 铁 心 将 受 到 交 变 磁 化 。但 当 H 减 少 为 零 时 ， B 并 未 回 到 零 值 ， 出 现 剩 磁 Br。B HO 1234 5 磁 感 应 强 度 滞 后 于 磁 场 强 度 变 化 的 性 质 称 为 磁 滞性 。 如 图 为 磁 性 物 质 的 滞 回 曲 线 。 要 使 剩 磁 消 失 ， 通 常 需进 行 反 向 磁 化 。 将 B=0时的 H 值

7、称 为 Hc，（ 见 图 中 3和 6所 对 应 的点 。 ） 6三 、 磁 滞 性 根 据 磁 滞 回 线 的 不 同 ， 大 致 分 成 三 类 ：(1)软 磁 材 料其 矫 顽 磁 力 较小 ， 磁 滞 回 线较 窄 。 (铁 心 ) (2)永 磁 材 料其 矫 顽 磁 力 较大 ， 磁 滞 回 线较 宽 。 (磁 铁 ) (3)矩 磁 材 料其 剩 磁 大 而 矫顽 磁 力 小 ， 磁滞 回 线 为 矩 形 。(记 忆 元 件 )HB HB HB磁 性 材 料 的 分 类 ： 一 . 安 培 环 路 定 律 （ 全 电 流 定 律 ） ： 磁 场 中 任 何 闭 合 回 路 磁 场 强

8、 度 的 线 积 分 ,等 于通 过 这 个 闭 合 路 径 内 电 流 的 代 数 和 . HI1 I2 I3 IldH 电 流 方 向 和 磁 场 强 度 的 方 向符 合 右 手 定 则 ， 电 流 取 正 ；否 则 取 负 。5.1.4 磁 路 基 本 定 律 HLNI 在 无 分 支 的 均 匀 磁 路 （ 磁 路 的 材 料 和 截 面 积 相 同 ，各 处 的 磁 场 强 度 相 等 ） 中 ， 安 培 环 路 定 律 可 写 成 ：磁 路长 度 L线 圈匝 数 NIHL： 称 为 磁 压 降 。NI： 称 为 磁 动 势 。 一 般 用 F 表 示 。F=NI HLNI总 磁

9、动 势 在 非 均 匀 磁 路 （ 磁 路 的 材 料 或 截 面 积 不 同 ， 或 磁 场强 度 不 等 ） 中 ， 总 磁 动 势 等 于 各 段 磁 压 降 之 和 。 0 0NI H l H l 例 ： I N l0l 例 一 均 匀 闭 合 铁 心 线 圈 ， 匝 数 为 300， 铁 心 中 磁 感 应 强 度为 0.9T， 磁 路 的 平 均 长 度 为 45cm, I lS试 求 ：(1)铁 心 材 料 为 铸 铁 时 线 圈 中 的 电 流 ；(2)铁 心 材 料 为 硅 钢 片 时 线 圈 中 的 电 流 。解 ： 先 从 磁 化 曲 线 中 查 出 磁 场 强 度 的H

10、值 ， 然 后 再 计 算 电 流 。(1) H1=9000A/m， ANlHI 5.13300 45.0900011 (2) H 2=260A/m， ANlHI 39.0300 45.026022 可 见 由 于 所 用 铁 心 材 料 不 同 ， 要 得 到 相 同 的 磁 感 应 强 度 ， 则所 需 要 的 磁 动 势 或 励 磁 电 流 是 不 同 的 。 因 此 ， 采 用 高 磁 导 率的 铁 心 材 料 可 使 线 圈 的 用 铜 量 大 为 降 低 。 对 于 均 匀 磁 路 BNI HL l lS 磁 路 中 的欧 姆 定 律二 . 磁 路 的 欧 姆 定 律 ：则 ： m

11、RLSNIF I N SlslRm 令 ： Rm 称 为 磁 阻 磁 路 和 电 路 的 比 较 （ 一 ）磁路电路 磁 通I N R+ _ EI 磁 压 降HL磁 动 势INF 电 动 势 电 流 电 压 降UE IU 欧 姆 定 律mRF 磁 阻 SlRm 磁 感 应强 度 SB 安 培 环 路定 律 HLNI磁 路I N 欧 姆 定 律 电 阻 电 流强 度 克 氏电 压 定 律 UEREI SlR SIJ磁 路 与 电 路 的 比 较 (二 )电 路 R+_EI 励 磁 电 流 ： 在 磁 路 中 用 来 产 生 磁 通 的 电 流励 磁 电 流 直 流 - 直 流 磁 路 交 流 -

12、 交 流 磁 路磁 路 分 析 直 流 磁 路交 流 磁 路 5.2 铁 心 线 圈 电 路 IU 一 、 直 流 铁 心 线 圈 电 路直 流 磁 路 的 特 点 : U 一 定 I 一 定磁 动 势 F=IN 一 定 )( mRF 磁 通 和 磁 阻 成 反 比 RUI （ R 为 线 圈 的 电 阻 ） 电 路 方 程 ： dtdNRi eeuu lR )()( 一 般 情 况 下 很 小 Ru dtdNu 交 流 激 励 线 圈 中 产 生 感 应 电 势二 . 交 流 磁 路 的 分 析 ： 主 磁 通 ： 漏 磁 通u Leei 的 感 应 电 势 和 产 生 假 设 tm sin

13、则 tfN tNu mm cos2 cos 最 大 值 mm fN U 2有 效 值 mm fNUU 44.42 dtdNu u Leei mNfU 44.4u Leei mRIN m一 定 时 磁 动 势 IN随 磁 阻 的 变 化 而 变 化 。mR当 外 加 电 压 U、 频 率 f 与线 圈 匝 数 N一 定 时 ， 便确 定 下 来 。 根 据 磁 路 欧 姆定 律 ， 当 m 交 流 磁 路 的 特 点 : 2 铁 损1 铜 损 ： 磁 滞 损 耗 由 磁 滞 所 产 生 的 铁 损 称 为 磁 滞 损 耗 。 可 以 证 明 ， 交变 磁 化 一 周 在 铁 心 的 单 位 体

14、积 内 所 产 生 的 磁 滞 损 耗 能量 与 磁 滞 回 线 所 包 围 的 面 积 成 正 比 。 磁 滞 损 耗 要 引 起 铁 心 发 热 。 为 了 减 小 磁 滞 损 耗 ， 应选 用 磁 滞 回 线 狭 小 的 磁 性 材 料 制 造 铁 心 。 硅 钢 就 是 变压 器 和 电 机 中 常 用 的 铁 心 材 料 ， 其 磁 滞 损 耗 较 小 。 磁 滞 损 耗 涡 流 损 耗 交 流 铁 心 的 损 耗 :PCU=I2R PFe= Ph+ Pe 由 涡 流 所 产 生 的 铁 损 称 为 涡 流 损 耗 Pe 涡 流 ： 当 线 圈 中 通 有 交 流 电 时 ， 在铁

15、心 内 要 产 生 感 应 电 动 势 和 感 应 电流 。 这 种 感 应 电 流 称 为 涡 流 ， 它 在垂 直 于 磁 通 方 向 的 平 面 内 环 流 着 。 涡 流 损 耗 为 了 减 小 涡 流 损 耗 ， 可 采 用 由 彼 此绝 缘 且 顺 着 磁 场 方 向 的 硅 钢 片 叠 成 铁心 ， 这 样 将 涡 流 限 制 在 较 小 的 截 面 内流 通 ； 使 涡 流 及 其 损 耗 大 为 减 小 。 一般 电 机 和 变 压 器 的 铁 心 常 采 用 厚 度 为0.35mm或 0.5mm的 硅 钢 片 叠 成 。 变 压 器 功 能 ：变 电 压 ： 电 力 系 统

16、 变 阻 抗 ： 电 子 电 路 中 的 阻 抗 匹 配 （ 如 喇 叭 的 输 出 变 压 器 ） 变 电 流 ： 电 流 互 感 器 5.3 变 压 器 单 相 变 压 器5.3.1 变 压 器 的 基 本 结 构 和 工 作 原 理 铁 芯原 边绕 组 副 边绕 组一 . 结 构 ：1u 2u LR2i1i 1u 1i 2u 2i LR变 压 器 符 号 ：2211 iu iu 工 作 过 程 ： 空 载 运 行 ： 原 边 接 入 电 源 ， 副 边 开 路 。接 上 交 流 电 源 1u 原 边 电 流 i1等 于 励 磁 电 流 i10 dtdNedtdNe 2211 产 生 感

17、应 电 动 势 二 . 工 作 原 理 1u 2e1i 1e 1N 2N i10 产 生 磁 通 （ 交 变 ）（ 方 向 符 合 右 手 定 则 ）、e 结 论 ： 改 变 匝 数 比 ， 就 能 改 变 输 出 电 压 。KNNEEUU 212121 K为 变 比10i1u 20u2i1e 2e原 、 副 边 电 压 关 系 mmNfE NfE 22 11 44.444.4根 据 交 流 磁 路 的 分 析可 得 ： 202 uu 02 i 时 （ 变 电 压 ） 负 载 运 行 1u 2e1i 1e 1N 2N Z2i 副 边 带 负 载 后 对 磁 路 的影 响 ： 在 副 边 感 应

18、 电 势 的作 用 下 ， 副 边 线 圈 中 有 了电 流 i2 。 此 电 流 在 磁 路 中也 会 产 生 磁 通 ， 从 而 影 响 原 边 电 流 i1。 但 当 外 加 电 压 、频 率 不 变 时 ， 铁 芯 中 主 磁 通 的 最 大 值 在 变 压 器 空 载 或 有负 载 时 基 本 不 变 。带 负 载 后 磁 动 势 的 平 衡 关 系 为 ： )44.4( 11 mNfU 1 1 2 2 10i N i N i N KNNII 11221 结 论 ： 原 、 副 边 电 流 与 匝 数 成 反 比 1102211 NiNiNi 由 于 变 压 器 铁 芯 材 料 的

19、导 磁 率 高 、 空 载 励 磁 电 流 很 小 ， 可 忽 略 。 即 ： 02211 NINI )(10i 原 、 副 边 电 流 关 系 （ 变 电 流 ） 2211 NINI （ 变 阻 抗 ）原 、 副 边 阻 抗 关 系 22IUZ 11IUZ ZKIUKKIKUIUZ 22222 211 ZKZ 2 结 论 ： 变 压 器 一 次 侧 的 等 效 阻 抗 模 ， 为 二 次侧 所 带 负 载 的 阻 抗 模 的 K 2 倍 。 1U 2U 1I 2I Z+ + 1U 1I Z+ 阻 抗 变 换 举 例 ： 扬 声 器 上 如 何 得 到 最 大 输 出 功 率i1uRs RL信

20、 号 源设 ： 信 号 电 压 的 有 效 值 :U1= 50V;信 号 内 阻 ： Rs=100 ;负 载 为 扬 声 器 ， 其 等 效 电 阻 ： RL=8。求 ： 负 载 上 得 到 的 功 率解 ： （ 1） 将 负 载 直 接 接 到 信 号 源 上 W)(7.1810850 22 LLS RRR UpL 1i1u 2u 2i LR1N 2NRs（ 2） 将 负 载 通 过 变 压 器 接 到 信 号 源 上 。输 出 功 率 为 ： W25.6989810050 22 L LSL RRR Up 设 变 比 1:5.321 NNK 9885.3 2LR则 ：结 论 ： 由 此 例

21、可 见 加 入 变 压 器 以 后 ， 输 出 功 率 提 高 了 很 多 。 原 因 是 满 足 了 电 路 中 获 得 最 大 输 出 的 条 件 （ 信 号 源 内 、 外 阻 抗 差 不 多 相 等 ） 。 5.3.2 变 压 器 的 外 特 性副 边 输 出 电 压 和 输 出 电 流 的 关 系 。 即 ：)( 22 IfU U2 I2U20 U20： 原 边 加 额 定 电 压 、副 边 开 路 时 ， 副 边 的 输出 电 压 。一 般 供 电 系 统 希 望 要 硬 特 性 （ 随 I 2的 变 化 ， U2 变 化 不 多 ） 5.3.3 变 压 器 的 效 率 () 为

22、减 小 涡 流 损 失 ， 铁 芯一 般 由 一 片 片 导 磁 材 料叠 合 而 成 。变 压 器 的 损 耗 包 括 两 部 分 ：铜 损 (PCU) ： 绕 组 导 线 电 阻 所 致 。磁 滞 损 失 ： 磁 滞 现 象 引 起 铁 芯 发 热 ， 造 成 的 损 失 。涡 流 损 失 ： 交 变 磁 通 在 铁 芯 中 产 生 的 感 应 电 流 （ 涡 流 ） ， 造 成 的 损 失 。铁 损 ( )：PFE 1112 P PPPPP FECU 当 电 流 流 入 两 个 线 圈 (或 流 出 ） 时 ， 若 产 生 的 磁 通 方向 相 同 ， 则 两 个 流 入 端 称 为 同

23、 极 性 端 （ 同 名 端 ） 。 或 者说 ， 当 铁 芯 中 磁 通 变 化 （ 增 大 或 减 小 ） 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 (同 名 端 )AXax *5.3.4 变 压 器 绕 组 极 性 及 连 接 方 法AXax * 电 器 使 用 时 两 种 电 压 （ 220V/110V） 的 切 换 ：220V： 联 结 2 3110V： 联 结 1 3， 2 4线 圈 的 接 法1324 * 220V： 联 结 2 3 mNfU )2(44.4220 励 磁 mNi 210 NfU m

24、 244.4 220 两 种 接 法 下 线 圈 工 作 情 况 的 分 析*1324 NN 10i220U 110V： 联 结 1 3， 2 4 NfUm 244.4 220 mNfU )(44.4110 NfUm 44.4 110 1,32,4220V： 联 结 2 31324 *110U10i说 明 ： 两 种 接 法 下 不 变 ， 所 以 铁 芯 磁 路 的 设 计 相 同 m 励 磁 mNi 10 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 绕 ） 原 边 有 两 个 相 同 绕

25、 组 的 电 源 变 压 器 （ 220 / 110） ，使 用 中 应 注 意 的 问 题 ：*1324 NN220i220U 1,32,4 110i N若 两 种 接 法 铁 芯 中 的 磁 通 相 等 ， 则 ： Ni 2 220 Ni 110 21110220 ii 问 题 2： 如 果 两 绕 组 的 极 性 端 接 错 ， 结 果 如 何 ？结 论 ： 在 极 性 不 明 确 时 ， 一 定 要 先 测 定 极 性 再 通 电 。答 ： 有 可 能 烧 毁 变 压 器 两 个 线 圈 中 的 磁 通 抵 消烧 毁感 应 电 势 0e电 流 很 大 11 Rui 11 11 eRiu

26、 原 因 ：*1324 NN10i220U 方 法 一 ： 交 流 法 AX axu同 极 性 端 的 测 定 方 法若 说 明 A 与 a 或 X 与 x 为 同 极 性 端 。 axAXAa UUU 把 两 个 线 圈 的 任 意 两 端 (X - x)连接 ,然 后 在 AX 上 加 一 小 电 压 u 。AaaxAX UUU 、测 量 ： axAXAa UUU 若 说 明 A 与 x 或 X 与 a 是 同 极 性 端 ；结 论 ： 方 法 二 ： 直 流 法 mA表+_ AX axK +-如 果 当 K 闭 合 时 ， mA 表 正 偏 ， 则 A a 为 同 极 性 端 ;如 果

27、当 K 闭 合 时 ， mA 表 反 偏 ， 则 A x 为 同 极 性 端结 论 ： 5.3.5 三 相 变 压 器三 相 变 压 器 有 三 个 原 绕 组 和 三 个 副 绕 组 ， 其 铁 心 有 三 个 心 柱 ， 每相 的 原 副 绕 组 同 心 装 在 一 个 心 柱 上 。 其 工 作 原 理 与 单 相 变 压 器 工作 原 理 相 同 。 三 相 绕 组 常 用 的 联 接 方 式 有 Y/Y0和 Y/ 两 种 。 变 压 器 的 铭 牌 数 据 额 定 电 压 变 压 器 副 边 开 路 （ 空 载 ） 时 ， 原 、 副 边 绕 组 允 许 的 电 压 值 。 NN U

28、U 21 、 额 定 电 流 变 压 器 满 载 运 行 时 ， 原 、 副 边 绕 组 允 许 的 电 流 值 。NN II 21 A B CX Y Za b czyx 额 定 容 量 传 送 功 率 的 最 大 能 力 。NS N1N1N2N2N IUIUS N1N1N2N2N 33 IUIUS 一 .自 耦 变 压 器 KNNII KNNUU 11221 2121 AB P1u 2u1i 2i LR1N 2N 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 根 据 此 原 理制 作 的 。 注

29、意 ： 原 、 副 边 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 。5.3.6 特 殊 变 压 器 二 . 电 流 互 感 器 ： 用 低 量 程 的 电 流 表 测 大 电 流（ 被 测 电 流 ）N1（ 匝 数 少 ）N2（ 匝 数 多 ） A Ri1 i2 电 流 表被 测 电 流 =电 流 表 读 数 N 2/N11. 副 边 不 能 开 路 ， 以 防 产 生 高 电 压 ；2. 为 安 全 起 见 ， 铁 心 、副 绕 组 的 一 端 应 接地 。 使 用 注 意 事 项 ： 三 .电 压 互 感 器 ： 用 低 量 程 的 电 压 表 测 高 电 压1. 副 边 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 副 边 出 现 高 压 。使 用 注 意 ： V R N1（ 匝 数 多 ） 保 险 丝 N2（ 匝 数 少 ）u （ 被 测 电 压 ） 电 压 表被 测 电 压 =电 压 表 读 数 N1/N2 第 五 章结 束