第六章磁路和变压器

1、第六章第六章 磁路和变压器磁路和变压器1.1.磁感应强度磁感应强度 B2. 磁场强度磁场强度 H 方向：同方向：同 B大小：大小：H = ， 磁导率磁导率B =sB dS方向：沿磁力线切线的方向方向：沿磁力线切线的方向大小：大小：B= 或或 B=l IFFQ v均匀磁场：均匀磁场：B = 或或 = BS S： 磁场的物理量磁场的物理量概述i真空的导磁率真空的导磁率0 = 4= 41010- - 7（H/m）相对导磁率相对导磁率 r r = = 00 0 , ,r r 110 0 B = H 3. 3. 磁导率磁导率 BH非导磁材料非导磁材料：导磁材料：导磁材料：r r 1 1 6.1.1 铁磁

2、材料的磁性能 磁磁性性物物质质的的磁磁化化 (a) (a)Hc= 0 (b) (b)Hc 磁化曲线磁化曲线B = B = f（H H ） 由上可知：由上可知：（1）磁性材料的磁性材料的 B H 呈非线性关系，呈非线性关系，常数常数acBB()BrHcH（I）H（I）B()H（I）H（I）B()B()BBrHc（2 2） 铁磁物质的磁性能铁磁物质的磁性能* 高导磁性高导磁性 * 磁饱性磁饱性 * 磁滞性磁滞性涡流损耗涡流损耗涡流涡流磁滞损耗磁滞损耗铁铁损损耗耗BrHcH（I）B()BrHcH（I）B()BrHcH（I）B()（3） 铁磁材料分类铁磁材料分类：软磁材料软磁材料硬磁材料硬磁材料矩形磁

3、材料矩形磁材料6.1.2 简单磁路分析简单磁路分析1. 1. 磁路磁路 磁通集中通过的路径磁通集中通过的路径 （a） 变压器的磁路变压器的磁路i ( c)直流电机的磁路直流电机的磁路 （b b）交流接触器的磁路交流接触器的磁路+_INSSN2. 2. 基本定律基本定律 安培环路定律安培环路定律：在磁场中，磁场强度：在磁场中，磁场强度 H 沿任一沿任一 闭合路径闭合路径 l 的线积分，等于穿过该闭合路径所围面的线积分，等于穿过该闭合路径所围面积的电流积的电流 I I 的代数和。的代数和。H d l = I 电流的方向与积分的循行方向符合右螺旋定则电流的方向与积分的循行方向符合右螺旋定则的电流为正

4、，反之为负。的电流为正，反之为负。H d l =Hd l =Hd l = Hl Hl = NIN I = Hl = l = lBsxsiHx环形线圈的磁路环形线圈的磁路 例例: : 安培环路定律：安培环路定律： H d l= NI ， Hl= NINI ls =NI ls =F = NI 磁动势，磁动势， lsRm = 磁阻磁阻 (1）公式的意义：公式的意义： 磁阻磁阻 Rm = = 表示磁路对磁通有阻碍作用表示磁路对磁通有阻碍作用sl 磁动势磁动势 F = NI 主要用来产生磁通主要用来产生磁通 NI lsRmF 磁路欧姆定律磁路欧姆定律: : 说说明明： 若磁通一定，则磁阻若磁通一定，则磁

5、阻 Rm 愈大，所需的励磁电愈大，所需的励磁电流流 I 愈大。愈大。 若磁动势一定，则磁通的大小取决于磁阻若磁动势一定，则磁通的大小取决于磁阻 Rm ； 2）由于铁磁材料的磁导率由于铁磁材料的磁导率不不等于常数，等于常数，所所 以磁阻以磁阻 Rm 也不是一个常数。因此不能用磁也不是一个常数。因此不能用磁路欧姆定律进行定量计算，路欧姆定律进行定量计算， 但应用该定律对磁但应用该定律对磁路作定性分析是很重要的。路作定性分析是很重要的。INRmF = = ls 思考题思考题 一一： 如图所示磁路，有一段气隙如图所示磁路，有一段气隙 0 ，与同一磁路无气隙时比较所与同一磁路无气隙时比较所需电流的大小（

6、设磁通需电流的大小（设磁通 不变）不变） 说明分析依据，分析步骤和分析结论说明分析依据，分析步骤和分析结论i2i10励磁电励磁电流增大流增大思考题二思考题二：如图为一气隙变化的磁路（电磁铁磁路）如图为一气隙变化的磁路（电磁铁磁路）试分析在气隙变化（衔铁吸合前后）过程中磁阻及励试分析在气隙变化（衔铁吸合前后）过程中磁阻及励磁电磁电 流的变化情况（设流的变化情况（设 不变）。不变）。 未吸合时：有气隙，未吸合时：有气隙，磁阻大，依磁路欧姆定律磁阻大，依磁路欧姆定律（ = ），电流），电流 i 增大增大NIRm 吸合时：气隙减小，吸合时：气隙减小，磁阻减小磁阻减小 , ,（ = ），电流），电流 i

7、 减小减小NIRm分析分析：3. 3. 直流磁路直流磁路 在励磁线圈中通入直流电流，磁路中会产生一个恒定磁通，这种具有恒定磁通的磁路称为直流磁路。IN N 匝匝4. 4. 交流磁路交流磁路 电磁关系电磁关系u e = - N d td e= - N dd tL = = 常数常数Ni与与 i 之间呈线性关系：之间呈线性关系：iiNE = - - j x I. d d td i d t故故： e = - N = - L 主磁通漏磁通漏磁通u+ + e主磁通感应电动势主磁通感应电动势 e 与磁通与磁通 的关系：的关系：由上式可知：由上式可知：2. Em = 2f N m E = = = 4.44 f

8、 N mEm22f N m2设设 = m sin td 则：则：e = - N = N m cos t =N msin（t + ）d t2= 2f N msin（t ）= Em sin（t ）22 1. 主磁通感应电动势主磁通感应电动势 e 在相位上滞后于主磁通在相位上滞后于主磁通2主磁通主磁通 与电压与电压 u 和电流和电流 i 的关系的关系 依基尔霍夫电压定律得出：依基尔霍夫电压定律得出：U E =4.44f N m U = 4.44 f N mu = iR +（e）+（e）U = IR + （E）+（E）= IR +（E）+ I jx= I （ R+jx ）+（ E）则：则：U E ，常

9、用的基本公式常用的基本公式（简称简称4.44公式公式） 主磁通漏磁通漏磁通u+ + e5. 5. 交、直流磁路综合分析和比较交、直流磁路综合分析和比较铁心被磁化，具有高导磁铁心被磁化，具有高导磁性、磁饱和性。性、磁饱和性。直流励磁直流励磁：IN、 、B、H 均是恒定的均是恒定的交流励磁交流励磁：IN、 、B、H 均是交变的均是交变的不同点：不同点：1. 磁场物理量磁场物理量：相同点：相同点：+ UI+ ui3 3. .励磁电流的大小励磁电流的大小 直流励磁：直流励磁： I = , 与磁路性质及结构无关与磁路性质及结构无关UR交流励磁：交流励磁： i 与磁路性质及结构有关与磁路性质及结构有关（U

10、= 4.44 f N m，电压一定，一定，4 4. .功率功率交流磁路：交流磁路： P = PFe + PCu （ 变化）变化）直流磁路：直流磁路： P = PCu （ 恒定）恒定） I 与磁阻有关） Rm F = ,又依6.2.1 变压器的用途和基本结构各式各样的变压器 变压器空载运行变压器空载运行 i2 2 = 0= 0 i0 很小，很小，I0 = I1N （ 3% 8%） e = L1 d i0d tu2 = u20 i1 1 = = i0 0i0 N1d te1 = N1 de2 = N2 dd t6.2.2 变压器的工作原理1.1.变压器的电压变换作用变压器的电压变换作用（1 1）电

11、磁关系）电磁关系 + + +u2u1e1e2i2ZL+ u20i0 0i1=0N1N2 （2 2）电压平衡方程式）电压平衡方程式U20 = E2 ， U20 = 4.44 f2 N2m. 电压变换特性电压变换特性电压变换特性电压变换特性电压变换特性电压变换特性 （ f 1 = f 2 ）U1U204.44f1 N1 m4.44f2 N2m= U1U20=N1N2=Ku20e2+ + +e1. U1 = I0 （ R1 + jX ）+（E1）.一次侧：一次侧：U1E1 ， U1 = 4.44 f1 N1 m.二二 次侧：次侧：电磁关系：电磁关系：（忽略漏磁通）（忽略漏磁通） 变压器负载运行变压器

12、负载运行由由 i0增大到增大到 i1 1i2 0u1i1i1N1e1 = N1 dd ti2N2i2e2 = N2 dd t2. 变压器的电流变换作用变压器的电流变换作用 i1+ + +u2u1e1e2i2ZLN1N2.空载时合成磁动势：空载时合成磁动势：N1I0负载时合成磁动势：负载时合成磁动势：N1I1 + N2 I2. N1I0 N1 I1 + N2 I2. 磁势平衡方程式磁势平衡方程式由电磁关系可知：主磁通由电磁关系可知：主磁通 是由是由 i1 1N1 1 ，i2 2N2 2共同共同作用的结果作用的结果 i1+ + +u2u1e1e2i2ZLN1N2且U1不变，m不变 N1 I1 N2

13、 I2 （ I0 很小，忽略很小，忽略）.N2 I2 起去磁作用起去磁作用.I1 = I1 + I1= I0 + （ ）I2.N1N2 由由 N1 I1 N2 I2 得原副边电流大小之比：得原副边电流大小之比：I0 励磁分量；励磁分量； 负载分量负载分量. I2 .N1N2 = = 电流变换特性电流变换特性I1N2I2N1K1返回 i1+ + +u2u1e1e2i2ZLN1N2 N1I0 N1 I1 + N2 I2.3.3. 变压器的阻抗变换作用变压器的阻抗变换作用 负载获得最大输出功率的负载获得最大输出功率的 条件条件阻抗变换特性阻抗变换特性 ZL = = ZLK 2= ZL .+ U1.I

14、1ZLN1I1ZL+ U1U2I2.N2U1I1K U2(1/K)I2K2= ZL + U1.I1ZLR0EZL. 1. 变压器的外特性：变压器的外特性： U2 = f（ I2 ）U2 = E2 = U206.2.3 变压器的特性和额定值U2U20cos2 =1cos2 1(感性负载)UR2 E2+ jX+ R2U2+ I2UL2+ ZL 理想情况理想情况. i1+ + +u2u1e1e2i2ZLN1N2 实际运行实际运行U2 = E2 I2 （ R2 + jX2 ） . . . I2 电压调整率电压调整率U20 U2U20U = 100%2. 变压器的损耗和效率变压器的损耗和效率变压器损耗：

15、变压器损耗： P = Pcu + PFePcu = Pcu1 + Pcu2 = I12 R1 +I22 R2 （可变损耗可变损耗）PFe Bm 2 （不变损耗不变损耗）I2变压器的效率：变压器的效率： = = = P1P2P2+ P P2+ Pcu + PFeP2P2 i1+ + +u2u1e1e2i2ZLN1N23. 变压器的额定值变压器的额定值 i1+ + +u2u1e1e2i2ZLN1N2 额定电压额定电压 U1N/U2N 额定电流额定电流 I1N/I2N 额定容量额定容量 SN = U2N I2N4. 变压器绕组的极性变压器绕组的极性N1N2N3123456 变压器在使用中有时需要把绕

16、组串联以提高电压、 并联以增大电流，这时应首先确定变压器绕组间的相对极性，即所谓同名端。 通过同一变化磁通时，在各绕组感应电动势极性相同的端子称为同名端（或称为同极性端）N1N2N3123456（a）N1N2N3123456（b）并联 ：同名端相连串联 ：异名端相连1. 自耦变压器自耦变压器*6.2.4 自耦变压器及仪用互感器 将变压器的一次绕组和二次绕组合二为一，使二次绕组成为一次绕组的一部分，这种只有一个绕组的变压器称为自耦变压器自耦变压器。 通过滑动触点来连续改变二次侧绕组的匝数，以达到输出电压平滑调节的自耦变压器，称为调压器。调压器。 结构特点：结构特点：一次、二次共用一个绕组，改变滑动端位置可改变U2 。 工作原理：工作原理：手柄接触臂绕组42135220V110V0250V负载 与普通变压器相比较不同点在于一次、二次绕组不仅有磁的联系，而且有电的直接联系。所以在使用中要注意安全，操作不当就会造成事故。 U1U2=N1N2=K = = I1I2N2N1K1N1I1N2+ I2U2U1+ 各式各样的调压器(1) 电压互感器电压互感器N2N1100Vu 高压 使用注意事项：使用注意事项：（1）二次绕组不能短路二次绕组不能短路 （2）保护接地保护接地 结构特点结构特点： N1N2N2与与 串联，串联，Rv很大，很大， I