北京科技大学电工技术课件第6章

1、（6-0）第六章磁路与铁心线圈电路（6-1）第六章 磁路与铁心线圈电路 6.1 磁路及其分析方法 6.2 交流铁心线圈电路 6.3 变压器（6-2）磁路：主磁通所经过的闭合路径。i 线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏磁通。：主磁通：漏磁通铁心-导磁性能好的磁性材料线圈6.1 磁路及其分析方法磁路的基本概念（6-3）一、磁感应强度（磁通密度）B 磁感应强度：与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通（磁力线）。 磁感应强度可表示磁场内某点的磁场强弱和方向，它为矢量。磁感应强度与产生其的电流之间符合右手螺旋法则。单位：韦伯1 Tesla = 104 高斯B 的单位：特斯拉（Tesla）6.1.1

2、磁场的基本物理量（6-4）二、磁场强度 H 磁场强度是计算磁场所用的物理量，它为矢量，其大小为磁感应强度和磁导率之比。单位：B ：特斯拉：亨/米：安/米（6-5）三、磁导率磁导率是表征各种材料导磁能力的物理量。 真空中的磁导率0为常数。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 。, 则称为磁性材料。, 则称为非磁性材料。（6-6） 磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金。它们具有下列磁性能：磁化曲线大小BH(I)1、高导磁性： 当有外加磁场时，磁性材料具有被强烈磁化的性能。 磁化曲线非线性，表明磁导率是一变化量。 6.1.2 磁性材料的磁性能（6-7） 磁饱和性HB2、磁饱和

3、性：当外加磁场增大到一定值时，磁感应强度趋于饱和。3、磁滞性：当外加交变磁场时，磁感应强度的变化滞后于磁场强度的变化。BH 磁滞回线Br剩磁Hc矫顽磁力（6-8）磁性材料的分类软磁材料：矫顽磁力较小，磁滞回线窄长。应用最多的软磁材料是铁硅合金（硅钢片）以及各种软磁铁氧体等。常用做电机、变压器、电磁铁等电器的铁心等。永磁材料：矫顽磁力较大，磁滞回线较宽。常用做永久磁铁。矩磁材料：矫顽磁力较小且剩磁较大，磁滞回线接近矩形。可用做记忆元件。BHBrHc（6-9）一、安培环路定律（全电流律）磁场中任何闭合回路磁场强度的线积分，等于通过这个闭合路径内电流的代数和。I1I2I3电流方向和磁场强度的方向符合

4、右手定则，电流取正；否则取负。6.1.3 磁路及其基本定律（6-10）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：称为磁通势。一般用 F 表示。F=NI（6-11）总磁通势 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，总磁通势等于各段磁压降之和。例：IN（6-12）对于均匀磁路：二、磁路的欧姆定律：则：INSL注：由于磁性材料 是非线性的，磁路欧姆定律多用作定性 分析，不做定量计算。令：Rm 称为磁阻磁路中的欧姆定律（6-13）磁路和电路的比较磁路电路磁通INR+_EI磁压降磁通势电动势电流

5、电压降U（6-14）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 - 交流磁路磁路分析直流磁路交流磁路6.2 交流铁心线圈电路（6-15）IU一、直流磁路的分析直流磁路的特点: U一定I一定。(线圈中没有感应电动势)磁通势 F=IN 一定磁通和磁阻成反比其中：R 为线圈的电阻（6-16）电路方程：一般情况下u R很小交流激励 线圈中产生感应电动势二、交流磁路的分析：主磁通：漏磁通ui 和 产生的感应电势+ - -+ -+（6-17）设则最大值有效值ui-+-+（6-18）ui 当外加电压U、频率 f 与线圈匝数N一定时，m便确定下来。根据磁路欧姆定律 IN=Rm ，当

6、m一定时，磁通势IN 随磁阻Rm的变化而变化。 交流磁路的特点-+-+（6-19）交流磁路中磁阻Rm对电流的影响电磁铁吸合过程的分析： 在吸合过程中若外加电压不变, 则 基本不变。iu电磁铁吸合前(气隙大） 大 起动电流大 电磁铁吸合后(气隙小） 小 电流小 如果气隙中有异物卡住，电磁铁长时间吸不上，线圈中的电流一直很大，将会导致过热，把线圈烧坏。 注意：（6-20）铜损PCu: 由线圈电阻产生。三、交流磁路的功率损耗1.磁滞损耗：由磁滞现象产生，正比于磁滞回 线所包围面积。可引起铁心发热2.涡流损耗：由涡流产生，可引起铁心发热。铁损PFe: 由铁心产生，大致与铁心内磁感应强度的最大值Bm的平

7、方成正比。 为减少铁损，可选磁滞回线狭小的磁性材料做铁心，并用彼此绝缘的硅钢片顺磁场方向叠成铁心。（6-21）变压器功能：变电压：电力系统 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 6.3 变压器（6-22）变压器的分类：电压互感器 电流互感器 按用途:电力变压器 (输配电用)仪用变压器 整流变压器 按相数:三相变压器 单相变压器 按制造方式:壳式心式（6-23） 发电厂1.05万伏输电线22万伏升压变电站1万伏降压 变压器应用举例降压实验室380 / 220伏降压仪器36伏降压（6-24）单相变压器铁心原边绕组副边绕组一、变压器的基本结构6.3.1 变压器的工

8、作原理（6-25）工作过程：变压器符号：（6-26）1. 空载运行： 原边接入电源，副边开路。接上交流电源 原边电流 i1等 于励 磁电流 i10 产生感应电动势二、变压器的工作原理 i10 产生磁通（交变） -+ + -（6-27）结论：改变匝数比，就能改变输出电压。K为变比原、副边电压关系：变电压 由交流磁路的分析可知： -+ + -（6-28）2. 负载运行 在副边感应电压的作用下，副边线圈会产生电流 i2 ，而它在磁路中也会产生磁通，进而影响原边电流 i1。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（U14.44f N1m）。 带负载后磁通势的平衡关系为

9、：Z -+ + -（6-29）结论：原、副边电流与匝数成反比。 由于变压器铁心材料的导磁率高、空载励磁电流 很小，可忽略 。即：原、副边电流关系：变电流（6-30）从原边等效：结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘 以变比的平方。 原、副边阻抗关系：变阻抗（6-31）阻抗变换举例：扬声器如何获得最大输出功率。Rs信号源已知：信号源的 U1= 50V， RS=100，负载为 扬声器，其等效电 阻为：RL=8。试求：负载上获得的功率。解: （1）负载直接接至信号源：RL（6-32）（2）负载通过变压器接至信号源：输出功率为：设：变比 则：结论：由此可见加入变压器以后，输出功率提高了 很多。原

10、因是满足了电路中获得最大输出功 率的条件（信号源内、外阻抗差不多相等）。Rs（6-33）例:已知：变压器副边有中间抽头，可使8或2的扬声器均能达到阻抗匹配。试求：变压器副边两部分的匝数之比N2/N3。解： 阻抗匹配 Z原8=Z原2，即：（6-34） 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。 额定电流 变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。 额定容量 传送功率的最大能力。（理想）变压器的铭牌数据（6-35）容量 SN 输出功率 P2 原边输入功率 P1 输出功率 P2注意：变压器几个功率的关系效率功率因数容量：原边输入功率：输出功率： （6-36） 课堂练习 已知：

11、单相变压器 3300/220V，SN=10kVA试求： 可接60W，220V的白炽灯多少个？ I1N、I2N为多少？P214：题 6.3.3白炽灯为阻性负载 n = SN / 60 = 166.6，取166个SN = U1N I1N I1N = 3.03A SN = U2N I2N I2N = 45.5A 解：（6-37） 当电源电压U1和负载功率因数 为常数时，U2和I2的变化关系即为变压器的外特性。U2I2U20U20：原边加额定电压， 副边开路时的输出 电压。 通常供电系统希望硬特性，即：随I2的变化，U2 变化不多。6.3.2 变压器的外特性（6-38）变压器的损耗包括两部分：6.3.

12、3 变压器的损耗与效率铜损PCu: 正比于电流平方，与负载大小 有关。铁损PFe: 与铁心内磁感应强度的最大值 Bm有关，与负载大小无关。（6-39）变压器的效率为： 通常变压器的功率损耗很小，其效率在95% 以上。 在一般电力变压器中，当负载为额定负载的50%75%时，效率达最大值。（6-40）6.3.4 特殊变压器一、自耦变压器ABP 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。 N I1 （6-41）二、电流互感器 用低量程的电流表测大电流（被测电流）N1

13、（匝数少）N2（匝数多）ARi1i2电流表被测电流=电流表读数 N2/N1注意：副边不能开路，以防产生高压测流钳（6-42）三、电压互感器 用低量程的电压表测高电压VR 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注意：副边不能短路,以防产生过流.（6-43） 课堂练习 已知：用测流钳测量三相对称电流(有效值 为5A)，分别钳入一根线、两根线及三根线。试问：电流表的读数分别为多少？P210：题 6.3.8一根线： 5A两根线： 5A三根线： 0A解：（6-44） 当电流流入(出)两个线圈时，若产生的磁通方向相同，则两个流入(出)端称为同极性端。或者说

14、，当铁心中磁通变化（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 AXax 6.3.5 变压器绕组的极性（6-45）交流法AXax同极性端的测定方法若 UAa =UAX Uax A 、a 或 X 、 x 为同极性端。 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 ，并测量：UAX、Uax、UAa 。 若 UAa =UAX+ Uax A 、x 或 X 、 a 是同极性端。结论： （6-46）电器使用时两种电压：220V / 110V 的切换220V：联结 23。110V： 联结 13，24。线圈的接法1324 已知：变压器

15、有两相同原绕组，额定电压110V，试问：当电源电压为220V和110V时，如何正确连接？（6-47）220V：联结 2 3110V：联结 1 3，2 4两种接法下线圈工作情况分析说明：两种接法下 不变， 所以铁心磁路的设计相同 13241324 （6-48）问题1：在110V 情况下，若只用一个绕组，行不行？答：不行！ 两绕组必须并绕！变压器原边有两相同绕组(220/110)使用注意事项 13241,32,4N若两种接法铁心中的磁通相等，则：（6-49）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！原因：两个线圈中的磁通抵消可能烧毁变压器感应电势电流 很大 1324（6-50）例：电