电工电子技术基础(1).ppt

1、第7章磁路和变压器，7.1磁路7.2交流铁芯线圈电路7.3单相变压器，7.1磁路，电流产生磁场。在电磁铁、变压器和电动机等电气设备中，为了用较小的电流产生较大的磁场，线圈通常缠绕在磁性材料制成的铁芯上。线圈通电后，铁芯构成一个磁路，这反过来又影响电路。用来产生磁场的电流称为激励电流。磁感应强度b是表示磁场中某一点的磁场强度和方向的物理量。b的大小等于垂直于磁场方向穿过单位面积的磁力线数。单位是特斯拉(t)。它和电流之间的方向关系可以通过正确的螺旋法则来确定。如果磁场中每个点的磁感应强度在大小和方向上相等，这种磁场称为均匀磁场。7.1.1磁路的基本物理量，1磁感应B和均匀磁场中的磁通量等于磁感应

2、B和垂直于磁场方向的面积S的乘积，其单位为韦伯(Wb)。磁通量，所以磁感应强度b的值也可以称为磁通量密度。磁导率代表物质的导磁率能量，单位为H/m。真空和非铁磁材料的磁导率与真空非常接近，但铁磁材料的磁导率不是常数，与激励电流有关。相对渗透率r是物质的渗透率与真空的渗透率之比。非铁磁材料的r约为1，而铁磁材料的r远大于1。磁导率，磁场强度h是计算磁场时常见的物理量，也是矢量。磁场强度h只与产生磁场的电流及其分布有关，而与磁介质的磁导率无关，其单位是安培。是为了简化计算而引入的辅助物理量。也被称为全电流定律，是磁路分析和计算的基本定律。安培环路定律指出，在磁场中，沿任何闭合路径，磁场强度的线积分

3、等于通过封闭表面的电流的代数和，即公式中电流的正负指定如下：参考方向和旁路方向符合右手螺旋法则的电流取正符号，反之取负符号。在工程中，磁场和电流之间的关系通常根据安培环路定律来确定。7.1.2磁场基本定律1安培环路定律在均匀磁场中，经常会遇到闭合环路上每个点的磁场强度相等，并且其方向与闭合环路的切线方向一致的情况。此时，安培环路定律可以简化为：其中l是磁路的平均长度。因为电流和闭合回路的绕组方向符合右手螺旋法则，并且线圈有n匝，电流通过回路n次，因此，其中F=NI称为磁动势，其单位为安(a)。磁路欧姆定律表明，在磁路中，磁通量与磁动势成正比，与磁阻成反比。其中l/s称为磁阻，表示对磁通量的阻挡

4、效应，磁路建立了磁通量对磁动势的阻力。其中：l磁路长度(m)；s磁路的横截面积(m2)；磁路材料的磁导率。由于铁磁材料的磁阻Rm不是常数，它会随着激励电流I的变化而变化，所以不能直接用磁路欧姆定律来计算，但可以用于许多磁路问题的定性分析。当通过线圈的电流改变时，线圈中的磁通量也改变，并且感应电流出现在线圈中，这表明在线圈中感应出电动势。即3电磁感应定律，即当通过线圈的磁通量增加时，e0，那么感应电动势的方向与几种常用磁性材料B的磁导率不会随着H的增加而无限增加，当H增加到一定值时，B就不能继续增加磁饱和。当磁性材料被置于磁场强度为H的磁场中时，它们将被强磁化。铁磁性物质的磁感应强度b与外磁场的

5、磁场强度h的关系曲线如图所示。2，磁饱和，H(I)，a，B，c，B，铁磁材料B-H，-H曲线，o，s，都不是常数。将磁通量尽可能限制在有限的范围内以提高电磁设备的利用率，一般采用B-H曲线的ab段。当交流电通过铁芯线圈时，氢的大小和方向都会改变。磁芯在交变磁场中被反复磁化。在重复磁化过程中，B的变化总是滞后于H的变化。磁滞回线3磁滞当线圈中的电流减为零(H=0)时，铁芯磁化时获得的磁性并没有完全消失。此时，保留在铁芯中的磁感应强度称为剩磁Br。退磁方法：施加反向励磁电流使B=0，相应的H称为矫顽力。滞后回路，在电路中，当E=0，I=0；然而，在磁路中，由于剩磁，当F=0时，它不是零；磁性材料的

6、类型和用途软磁材料的矫顽力和剩磁小，磁滞回线窄，磁滞损耗小。它通常用于制造变压器、电机和接触器的铁芯。硬磁材料：剩磁和矫顽力大，磁滞现象明显，磁滞回线宽。它经常被用来制造永久磁铁。磁矩材料：它可以被磁化到饱和，只要它受到一个小的外部磁场。当外部磁场消除时，磁性保持不变，磁滞回线几乎为矩形。在电子技术和计算机技术中，大剩磁和小矫顽力经常被用作存储元件、开关元件和逻辑元件。软磁材料、硬磁材料、磁矩材料、变压器铁芯、电机和接触器、永磁体、记忆元件、开关元件和逻辑元件、几种常用铁磁材料的基本磁化曲线、7.2交流铁芯线圈电路，是研究电磁铁、变压器和电机等电气设备的基础，分为DC铁芯线圈和交流铁芯线圈。D

7、C铁芯的线圈由DC激励，产生的磁通量是恒定的，因此在线圈和铁芯中不会感应出电动势。这两个磁通量在线圈中产生感应电动势e和e。e是主要的磁动势，e是泄漏电动势。磁动势F=iN产生的磁通量主要通过铁芯闭合，这部分磁通量称为主磁通量。此外，一小部分被空气等非磁性材料封闭，这部分磁通量被称为漏磁通。图中各物理量参考方向的选择应符合以下规定：电压u的参考方向与电流I的参考方向一致；磁通量的参考方向和电流I的参考方向符合右手螺旋法则；磁通量的参考方向和感应电动势e的参考方向也符合右手螺旋法则；感应电动势e的参考方向与电流I的参考方向一致.7.2.1交流铁芯线圈的电磁关系，以及电压、电流和磁通量之间的关系。

8、让电压U、电流I、磁通量和电动势E的参考方向如图所示。然后KVL得到：励磁：u i，N i，e，e，然后，(1)主磁通产生的感应电动势：电动势的有效值，主磁通磁路是铁磁材料，其磁通按照正弦规律变化，(2)漏磁通产生的感应电动势，由于漏磁通的路径主要是非铁磁材料，所以发生漏磁通。一般来说，线圈的电阻r很小，漏磁通量远小于主磁通量，因此它们的影响可以忽略不计。然后、其有效值、U、I、AC m的特性为了减少磁滞损耗，应该选择具有窄磁滞回线的磁性材料来制造铁芯。硅钢是变压器和电机中常用的核心材料，其磁滞损耗很小。设计中应适当选择该值，以降低岩心的饱和度。涡流损耗涡流产生的铁损称为涡流损耗当交流电通过线

9、圈时，它产生的磁通量也是交变的。因此，感应电动势不仅应该在线圈中产生，而且应该在铁芯中产生。这种感应电流被称为涡流，它在垂直于磁通量方向的平面内流动。降低涡流损耗的措施：提高铁芯的电阻率。铁芯与绝缘钢板堆叠在一起，以将涡流限制在较小的横截面内。电机和电器铁芯中的涡流是有害的。因为它不仅消耗电能，降低了电气设备的效率，而且将涡流损耗转化为热量，从而提高了设备的温度，在严重的情况下会影响设备的正常运行。在这种情况下，涡流应该最小化。虽然涡流会在许多电器中造成不良后果，但在其他场合，人们使用涡流服务于生产和生活。例如，在工业中，涡流产生的热量用来熔化金属，而日常生活中的电磁炉也是利用涡流原理制造的，

10、这给人们的生活带来了极大的方便。在交流磁通的作用下，铁芯中的这两种损耗统称为铁损PFe。铁损几乎与铁芯中磁感应强度最大值Bm的平方成正比，因此Bm不应选择太多。等效电路，没有铁芯的交流电路等效于有铁芯线圈的交流电路。等效条件：在相同电压下，功率、电流和各种量之间的相位关系保持不变。首先，将实际铁心线圈的线圈电阻r和漏磁电感x分离，得到理想铁心线圈所代表的电路；实际铁芯线圈电路、理想铁芯线圈电路、线圈电阻、漏磁电感、等效电路，例如，如果有一个铁芯线圈，在下列情况下，铁芯中的磁感应强度B、线圈中的电流I和铜损耗I2R将如何变化？(1)交流励磁铁芯的截面积加倍，线圈的电阻和匝数以及电源电压保持不变。

11、(2)交流励磁频率和电源电压减半。假设在上述条件下，工作点位于磁化曲线的直线段。在交流励磁的情况下，让电源电压和感应电动势的值几乎相等，忽略磁滞和涡流。铁芯封闭，横截面均匀。(1)交流励磁铁芯的截面积加倍，线圈的电阻和匝数以及电源电压保持不变，Bm减半，Hm也减半，通过NIm=Hml，电流I减半，铜损减少1/4。U=4.44fNm=4.44fNBmS，Bm为常数，Hm为常数，电流为常数，铜损耗为常数。(2)交流励磁频率和电源电压减半，U=4.44fNm=4.44fNBmS为单相变压器，是一种通过电磁感应改变交流电源电压和电流等级的电气设备。高压输电和低压配电是电力行业常用的节能措施，以保证用电

12、安全。具体如下：7.3.1变压器基本结构、铁芯(磁路部分):由涂有绝缘漆的0.350.5毫米硅钢片组成。绕组(电路部分):初级绕组(与输入电压相连)和辅助绕组(与负载相连)，上一节，下一节，上一页，下一页，电源变压器，上一页，下一页，电源隔离变压器，上一页，下一页，背面，自动耦合电压调节器，上一页，下一页，背面，S9配电变压器(10千伏)，上一页，下一页，背面，S9配电变压器(10千伏)，上一页，下一页，背面，大功率油浸式变压器(110千伏)，上一页，下一页，背面，大功率油浸式变压器下一页，返回，整流变压器，上一页，返回，箱式变压器简称：箱式变压器，初级绕组匝数为N1，电压u1，电流i1，主磁

13、电动势e1，漏电电动势E1； 次级绕组的匝数是N2、电压u2、电流i2、主磁电动势e2和泄漏电动势e2。变压器的工作原理当正弦交流电压u1施加到初级绕组时，导体中有交流电流i1，并且产生交流磁通量1，该磁通量沿着铁芯穿过初级绕组和次级绕组，形成闭合磁路。在次级绕组中感应出互感电势e2，同时在初级绕组中感应出自感电势e1。e1的方向与施加的电压u1相反，并且幅度相似，因此限制了i1的幅度，i1被称为“空载电流”或“励磁电流”。如果负载被连接，次级绕组将产生电流i2，并且磁通量2、2的方向将与1的方向相反，这将相互抵消，使得铁芯中的总磁通量将减小，因此e1将减小，并且i1将增加，结果表明i1与负载

14、密切相关。1，电压变换，初级绕组的电压方程：其相量形式为：次级绕组的电压方程：其相量形式为：其中Z2为次级绕组的阻抗。空载运行：当次级绕组开路时，次级绕组中的电流I2为0。变压器的初级绕组电流称为空载电流(励磁电流)I0，其值一般不超过额定电流的10%。负载运行：由于次级绕组的电阻和漏电感也很小，K1为降压变压器；K1是升压变压器。根据U1E1=4.44N1fm，当U1和f不变时，m基本不变，f基本不变。因此，在负载下产生主磁通量的初级绕组和次级绕组的组合磁动势(i1N1 i2N2)基本上等于在无负载下产生主磁通量的初级绕组的磁动势i0N1，即2。电流转换，空载电流i0可以忽略不计。如果交流铁

15、芯线圈在等电压条件下连接到DC，会发生什么？烧坏线圈为什么交流铁芯线圈是永久磁通量？当线圈通电时，如果电枢不吸引，会发生什么？答：当交流铁芯线圈与交流恒压源连接时，线圈将感应电动势与电源电压平衡；感应电势与磁通量成正比，略小于电源电压。因为电源电压是恒定的，所以磁通量近似恒定。(如果由于某种原因而降低，E也将降低，从而增加电流，增加磁势并使其增加。反之亦然)。在励磁线圈通电开始时，由于电枢尚未闭合，磁路的磁阻越来越大，线圈感应的电势也越来越小；此时，u不变，电流较大；随着电流的增加，磁势增加以产生足够的磁通量和电磁引力。当电枢被吸引时，磁路的工作气隙变小，磁阻变小，同一磁势产生的感应电势变大，使得励磁电流减小。如果电枢通电后不能拉进，电流就不能减小。这不仅会使设备无法工作，还会使线圈随着时间的推移因过热而烧坏。如果线圈通电后电枢没有拉进，会发生什么？当变压器负载增加时，铁芯中的主磁通量是如何变化的？初级绕组中的电流是如何变化的？输出电压必须降低吗？Ans为了保持原始磁通量并减小其E1，当U1不变时，次级绕组中的电流将增加，而初级绕组中的电流将相应增