轨道交通电工电子技术课件：磁路与变压器的应用

磁路与变压器的应用

常用的电工设备（如变压器、电动机和各种低压电器）及某些电工测量仪表等都内部都有铁芯线圈，这些电工设备是利用电磁相互作用进行工作的，不仅涉及电路的分析问题，同时还涉及磁路的问题，只有同时掌握电路和磁路的基本理论，才能对电工设备做全面的分析。一知识目标二三能力目标素养目标1.理解磁路的概念，掌握磁路的主要物理量。2.掌握磁路欧姆定律。3.理解电磁感应定律。4.理解交流铁芯线圈的电磁关系。5.掌握变压器的基本结构和工作原理。6.了解特殊变压器的原理及应用。1.能说明铁磁物质的性能。2.能将交流铁芯线圈的原理应用在实际的电工设备上。3.能说明变压器的结构及主要参数。4.能分析变压器的工作原理并正确使用变压器。5.能进行变压器的定量计算。1.能将理论运用于实际，培养严谨的学习态度和科学的世界观和方法论。2.培养学生的实践精神和探索精神。任务1磁路的认知

各种含有电磁线圈的机构中，线圈构成电路，铁芯构成磁路。理解磁路的概念、基本物理量、铁磁物质的特性，是分析磁路的必备基础。1.磁感应强度B定义：表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。方向：与电流的方向之间符合右手螺旋定则。大小：单位:特斯拉（简写T）1T=1Wb/m2Wb——韦[伯]均匀磁场——各点磁感应强度大小相等，方向相同的磁场。一、

磁场的基本物理量2.磁通Φ磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，称为通过该面积的磁通Φ。在均匀磁场中

=BS或B=/S

单位:韦[伯]（Wb）1Wb=1V·s（伏·秒）说明:①如果不是均匀磁场，则取B的平均值。②磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通，故又称磁通密度。一、

磁场的基本物理量3.磁导率

单位：亨/米（H/m）

一、

磁场的基本物理量4.磁场强度H磁场强度是进行磁场分析时引用的一个辅助物理量。其大小为介质中某点的磁感应强度B与介质磁导率

之比。单位：安培/米（A/m)一、

磁场的基本物理量B代表电流所产生的以及介质被磁化后所产生的总磁场的强弱,其大小不仅与电流有关,而且还与介质的性质有关。H代表电流本身所产生的磁场的强弱,它反映了电流的励磁能力,只与产生该磁场的电流以及这些电流的分布情况有关,而与磁介质的性质无关。5.B与H的主要区别一、

磁场的基本物理量

当导体切割磁力线或线圈中磁通量发生变化而产生电动势的现象，称为电磁感应现象。由电磁感应产生的电动势称为感应电动势。由电磁感应产生的电流称为感应电流，或称感生电流。二、电磁感应现象1.电磁感应现象

（1）直导体中的感应电动势导体AB在磁场中作切割磁力线的运动，导体AB两端将产生感应电动势。感应电动势的大小为：e=BLvsinα式中B——均匀磁场的磁感应强度（T）

L——导体在均匀磁场中的有效长度（m）

v——导体切割磁力线的速度（m/s）

α——导体运动方向v与磁场方向B之间的夹角（°）

e——导体中的感应电动势（V）2.电磁感应定律二、电磁感应现象

2.电磁感应定律二、电磁感应现象

3.自感现象二、电磁感应现象

3.自感现象根据导磁性能的好坏，自然界的物质可分为:铁磁材料——导磁性能好，磁导率μ大，如铁、钢、镍、钴等。

非铁磁材料——导磁性能差，磁导率μ小，如铜、铝。

铁磁材料是制造变压器、电机、电器等各种电工设备的主要材料，铁磁物质对电气设备的影响很大。采用优质的铁磁物质，可使同样容量的电机、变压器体积大大缩小，重量大大减轻。（一）概述三、铁磁物质的性能（二）铁磁材料的磁性能1.高导磁性

磁畴——磁性物质内部形成许多小区域。其分子间存在的一种特殊的作用力使每一区域内的分子磁场排列整齐，显示磁性。

没有外磁场作用时：各个磁畴排列杂乱无章，磁场互相抵消，整体对外不显磁性。磁畴磁畴三、铁磁物质的性能

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，物质整体显示磁性，称为磁化。外磁场磁畴磁畴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。三、铁磁物质的性能2.磁饱和性

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。这种特性称为磁饱和性。oa段：B与H差不多成正比例增长；ab段：随着H的增长，B增长缓慢，此段为曲线的

膝部；bc段：随着H的进一步增长，B几乎不增长，达到

饱和状态。三、铁磁物质的性能（二）铁磁材料的磁性能磁化过程

直线1表示空心线圈时的情况，即当线圈中无铁芯时，I与Φ成正比且增加率较小。曲线2表示线圈放入铁芯的情况，OA段大部分磁畴的磁场沿外磁场方向排列，与成正比且增加率较大；AB段所有磁畴的磁场最终都沿外磁场方向排列，铁芯磁场从未饱和状态过渡到饱和状态；B点以后称饱和状态，铁芯的增磁作用已达到极限。空心线圈与铁芯线圈磁化过程三、铁磁物质的性能3.磁滞性

磁滞回线——磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B-H是一条回形闭合曲线。剩磁(Br):磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于磁场强度H变化的性质，当H减到0，B未减到0。这时铁心中所保留的磁感应强度称为剩磁感应强度Br。

矫顽力(Hc)：使铁心中磁感应强度Ｂ数值为零的磁场强度。三、铁磁物质的性能（二）铁磁材料的磁性能OHBHc-Hc••Br-Br剩磁矫顽磁力（三）铁磁材料的分类

根据磁性能，磁性材料又可分为3种：软磁材料——剩磁和矫顽力较小，磁滞回线窄长；但磁导率较高；适用于做电动机、变压器等交流设备的铁心，铁氧体用作计算机的磁心、磁鼓以及录音机的磁带和磁头等。硬磁材料——剩磁和矫顽力较大，磁滞回线较宽。常用做永久磁铁。矩磁材料——滞回线接近矩形，剩磁较大但矫顽磁力较小。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。三、铁磁物质的性能在电工设备中为了得到较强的磁场，常用铁磁材料做成一定形状的铁芯，将线圈绕制并套装在铁芯上。当线圈中通过电流时，产生的磁通绝大部分通过铁芯构成的闭合路径。如同把电流流过的路径称为电路一样，磁通所通过的路径称为磁路。不同的是磁通的路径可以是铁磁材料，也可以是非铁磁材料。四、磁路及磁路定律（a）电磁铁的单回路磁路（b）单相变压器的磁路（c）直流电机的磁路1.磁路

由于铁芯的导磁性能比空气要好得多，所以绝大部分磁通将在铁芯内通过，这部分磁通称为主磁通，用来进行能量转换或传递。围绕载流线圈，在部分铁芯和铁芯周围的空间，还存在少量分散的磁通，这部分磁通称为漏磁通，漏磁通不参与能量转换或传递。主磁通和漏磁通所通过的路径分别构成主磁路和漏磁路。四、磁路及磁路定律这里，计算电流代数和时，与绕行方向符合右手螺旋定则的电流取正号，反之取负号。当闭合回线上各点的磁场强度H相等且其方向与闭合回线的切线方向一致，则全电流定律可简化为

安培环路定律:在磁路中，沿任一闭合路径，磁场强度的线积分等于闭合路径内电流的代数和，用公式表示为：24

2.磁路的基本定理（1）安培环路定律四、磁路及磁路定律

式中：F=IN——磁通势，由其产生磁通。Rm——磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用。

则磁路中有:25

2.磁路的基本定理（2）磁路的欧姆定律四、磁路及磁路定律

(3)磁路与电路的比较

磁路磁通势F磁通

磁阻电路电动势E电流密度J

电阻磁感应强度B电流I

NI+_EIR

四、磁路及磁路定律（4）磁路分析的特点

①在处理电路时不涉及电场问题，在处理磁路时离不开磁场的概念。

②在处理电路时一般可以不考虑漏电流，在处理磁路时一般都要考虑漏磁通。

③磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似。由于

不是常数，其随励磁电流而变，磁路欧姆定律不能直接用来计算，只能用于定性分析。

④在电路中，当E=0时，I=0；但在磁路中，由于有剩磁，当F=0时，不为零。

四、磁路及磁路定律想一想欲增加线圈的电感有哪些途径？若磁路由于断裂存在空气隙，会对磁路造成什么影响？任务2铁芯线圈的认知

交流铁芯线圈的电磁关系和功率消耗问题就比较复杂，是分析计算交流磁路的重要依据。在讨论变压器、交流电机等以前，应了解交流铁芯线圈的一些特点。概述

直流铁芯线圈：由直流电励磁，磁通恒定，线圈中的电流由外加电压和线圈本身的电阻决定，功率损耗只有线圈电阻R上的损耗，分析比较简单。

交流铁芯线圈：由交流电励磁，磁通是交变的，其电磁关系和功率损耗比较复杂。一、交流铁芯线圈电磁关系

主磁通

：通过铁芯闭合的磁通(大部分)。

与i不是线性关系。

漏磁通

：经过空气闭合的磁通(很小部分)。线圈铁芯

1.电磁关系

与i成线性。漏磁电感:根据基尔霍夫定律:

一、交流铁芯线圈电磁关系

1.电磁关系

一、交流铁芯线圈电磁关系

1.电磁关系

可见，外加电压的相位超前于铁芯中磁通900，而外加电压的有效值为：

式中：Em是铁芯中磁感应强度的最大值，单位[T]。S是铁芯截面积，单位[m2]。Φm单位是韦[伯]（Wb）。f单位是赫[兹]（Hz）。

当线圈匝数N、外加电压U和频率ƒ一定时，铁芯中的磁通最大值Φm将保持不变。一、交流铁芯线圈电磁关系

1.电磁关系

2.功率损耗一、交流铁芯线圈电磁关系

①磁滞损耗（Ph）由磁滞产生的铁损称为磁滞损耗（Ph）。

﹡大小单位体积内的磁滞损耗正比于磁滞回线的面积。

﹡产生原因铁磁材料内部磁畴反复转向，磁畴间相互摩擦引起铁芯发热所造成的损耗。

﹡减少磁滞损耗的措施选用软磁材料制作铁芯。一、交流铁芯线圈电磁关系

2.功率损耗

2.功率损耗一、交流铁芯线圈电磁关系②涡流损耗涡流是电磁感应现象的产物。铁芯中在交变磁通的作用下会产生感应电动势和感应电流，这种感应电流称为涡流。由于铁芯具有一定的电阻，涡流的存在会使铁芯发热，就会产生功率损耗，称为涡流损耗。涡流减少涡流损耗措施：

①提高铁心的电阻率，减小涡流。

②铁心用彼此绝缘的硅钢片叠成，把涡流限制在较小的截面内。硅钢片一、交流铁芯线圈电磁关系想一想1将铁芯线圈接在直流电源上,当发生下列情况时,铁芯中电流和磁通有何变化？（1）铁芯截面增大,其它条件不变;（2）线圈匝数增加,线圈电阻及其它条件不变;（3）电源电压降低,其它条件不变。2为什么变压器的铁芯要用硅钢片制成？用整块的铁芯行不行？任务3变压器的运行

变压器是一种常见的电气设备，可用来把某种数值的交变电压变换为同频率的另一数值的交变电压。无论是电力系统中，还是电子线路中，都需要各种高低不同的交变电压，它是如何工作和运行的？是本任务要解决的问题。概述

变压器：利用电磁感应原理传输电能或信号的器件，具有变压、变流、变阻抗和隔离的作用。

应用：电力系统中远距离输电；实验室中改变电源电压；测量上扩大对交流电压、电流的测量范围；在电子设备中提供多种电压等。

种类：种类很多，大小悬殊，用途各异，但基本结构和工作原理相同。一、变压器的结构变压器的符号i1+–u1i2+–u2二次绕组N2N1一次绕组变压器组成：铁芯、绕组绕组：通常用绝缘的铜线或铝线绕成，一个绕组与电源相连，称为一次绕组；另一个绕组与负载相连称为二次绕组。铁芯：为了减少铁心中的磁滞损耗和涡流损耗，变压器的铁心大多用0.35~0.5mm厚的硅钢片叠成几种常见的铁芯形状一、变压器的结构按铁芯和绕组的组合方式来分：心式，壳式一、变压器的结构1.空载运行

一次绕组接上交流电源，二次绕组侧开路，这种运行状态称为空载运行。+–+–

空载时，铁心中主磁通是由一次绕组磁通势产生的。i1i2=0+–u2+–u1二、变压器的工作原理–K为变压比有效值分别为：电压变换作用：改变匝数比，就能改变输出电压。48二、变压器的工作原理1.空载运行可见，变压器空载运行时：

（1）一、二次绕组上电压的比值等于两者的匝数比。

（2）一、二次绕组匝数不同时，变压器就可以把某一数值的交流电压变换成同频率的另一数值的电压，这就是变压器的电压变换作用。

（3）当一次绕组匝数N1比二次绕组匝数N2多时，

K＞1，此为降压变压器；

反之，若N1＜N2，

K＜1，则为升压变压器。二、变压器的工作原理1.空载运行例：变压器铁心截面积为150cm2，铁心中磁感应强度的最大值不能超过1.2T，若要用它把6000V工频交流电变换为230V的同频率交流电，则应配多少匝数的一、二次绕组？二、变压器的工作原理2.负载运行

一次绕组接上交流电源，二次绕组侧接负载，这种运行状态称为负载运行。二次绕组侧接负载，在二次绕组感应电势e2的作用下，产生二次绕组i2，一次绕组的i0增大为i1。

因二次绕组有了电流i2

，二次侧磁通势也在铁芯中产生磁通。

铁芯中主磁通是由一次、二次绕组磁通势共同产生的合成磁通。

二、变压器的工作原理有载时，铁芯中主磁通是由一次、二次绕组磁通势共同产生的合成磁通二、变压器的工作原理2.负载运行带负载后磁动势的平衡关系式：由于变压器铁芯材料的导磁率高、空载励磁电流很小，空载磁势可忽略。即：二、变压器的工作原理2.负载运行可见，变压器负载运行时：（1）一、二侧电流与匝数成反比。

（2）改变一、二次绕组的匝数，可以改变一、二次绕组电流的比值，这就是变压器的电流变换作用。

（3）二次绕组负载输出的电能越多，一次绕组向电源吸取的电能越多，因此，二次侧电流变化时，一次侧电流也会相应变化。

（4）远距离输电，线路损耗与电流的平方和线路电阻的乘积成正比。所用电压越高，电流越小，输电线上的损耗越小。二、变压器的工作原理2.负载运行

3.阻抗变换作用一次侧接交流电源，二次侧接负载。二、变压器的工作原理

阻抗变换作用：变压器一次侧的等效阻抗，为二次侧所带负载阻抗的K的平方倍。通过选择合适的K，可把实际负载阻抗变换为所需的数值。二、变压器的工作原理

【例】如图所示电路，已知正弦信号源电压，信号源内阻，负载阻抗，试求：（1）若负载直接接在信号源上图（a）所示，信号源输出的功率为多少？（2）若使负载获得最大功率，现在信号源与负载间接入一个变压器，电路如图（b）所示，求变压器的变比应选多少？（3）变压器一、二次侧电压和电流的有效值各是多少？（4）阻抗变换后信号源输出功率是多少？二、变压器的工作原理（1）若负载直接接到信号源上，信号源的输出功率为：（2）当负载的电阻等于信号源内阻时，变比：（3）变压器一、二次侧电压和电流的有效值:（4）信号源输出功率等于负载的功率:二、变压器的工作原理（一）变压器的外特性

当一次侧电压U1和负载功率因数cos

2保持不变时，二次侧输出电压U2随负载电流变化的曲线称变压器的外特性。三、变压器的外特性与额定值

一般情况下，外特性曲线近似一条略向下倾斜的直线，它反映了当变压器负载功率因数一定时，二次侧电压随负载电流的变化情况，图中曲线1为电阻性负载的外特性，曲线2为电感性负载的外特性。可见这两种负载的端电压均随负载的增大而下降，且电感性负载的下降程度更大。

1.额定电压U1N、U2N

一次侧额定电压U1N是根据绝缘程度和允许发热所规定的加在一次绕组上的工作电压有效值。

二次侧额定电压U2N是指在电力系统中一次侧施加额定电压时的二次侧空载电压有效值。

在仪器仪表中是指一次侧施加额定电压时，二次侧接额定负载输出电压有效值。（二）变压器的额定值三、变压器的外特性与额定值2.额定电流I1N、I2N

变压器连续运行时，一次、二次侧绕组允许通过的最大电流有效值。

3.额定频率fN变压器应接入的电源频率我国：fN=50Hz三、变压器的外特性与额定值（二）变压器的额定值

4.额定容量SN

二次侧额定电压和额定电流的乘积，即二次侧的额定视在功率。反映了变压器传送电功率的最大能力容量SN

输出功率P变压器运行时的功率取决于负载的大小和性质。

（一）三相电力变压器

在电力系统中，用于变换三相交流电压、输送电能的变压器。1.结构

3个心柱，各套一相的一、二绕组，以及油箱，油柜，油位表，防爆管。四、常用变压器U1V1W1U2V2W2