第4章 磁路与互感现象.ppt

1、4.1 磁路及其基本定律,4.2 自感与互感,4.3 变压器,磁路与互感现象,第 4 章,一、 磁路的基本物理量,二、 铁磁材料,三、 磁路欧姆定律,4.1 磁路及其基本定律,四、 功率损耗,一、磁路的基本物理量,1. 磁感应强度B(磁通密度)：是表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量。,均匀磁场 磁场内各点的 B 大小相等，方向相同。,单位： T （特斯拉）,方向：与电流之间用右螺旋定则确定。,（该点磁场作用于1米长、1安电流的导体上的力）,4. 磁场强度 H 定义：H=B/,3. 磁导率 ,相对磁导率 r=/0 对于铁磁材料 r=102 105,单位：A/m (安/米),铁磁材料广泛应用在

2、变压器、电机、电工仪表等。,真空磁导率 0= 410 7 H/m （亨/米）,对于均匀磁场 F =B S,F - 标量 单位：Wb （韦伯）,2. 磁通F 等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积。,1. 高导磁性,铁磁材料的内部存在许多磁化小区，称为磁畴。,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，物质整体显示出磁性来，称为磁化。,磁 畴,外 磁 场,在没有外磁场作用的普通磁性物质中，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,二、铁磁材料,2 磁饱和性,BJ 铁磁材料的磁化特性曲线；,B0 非铁磁材料的磁化特性曲线；,B BJ曲线和B0直线的纵坐

3、标相 加即磁场的 B-H 磁化曲线。,BJ,B,a,b,磁化曲线,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。如图。,B-H 磁化曲线的特征： Oa段：B 与H几乎成正比地增加； ab段： B 的增加缓慢下来； b点以后：B增加很少，达到饱和。,有磁性物质存在时，B 与 H不成 正比，磁性物质的磁导率不是常数，随H而变。,磁化曲线,B和与H的关系,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关系曲线是一条回形闭合曲线。,磁滞性：磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于 外磁场变化的性质。,磁滞回线,Br,Hc

4、,剩磁感应强度Br (剩磁) ： 当线圈中电流减小到零(H=0)时，铁心中的磁感应强度。,矫顽磁力Hc： 使 B = 0 所需的 H 值。,磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。,按铁磁材料的磁性能，磁性材料分为三种类型： (1)软磁材料 具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金即铁氧体等。 (2)永磁材料 具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。 (3)矩磁材料 具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性良好。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。常用

5、的有镁锰铁氧体等。,三、磁路欧姆定律,磁通势：F=NI 单位A(安）,单位H-1(每亨）,磁路欧姆定律：,铁心磁路,铁心磁路,磁通势：励磁电流和线圈匝数的乘积。,磁路磁阻：,磁路磁阻：,1、磁路欧姆定律,2、磁路与电路的比较,3、 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，

6、 不为零；,四、 功率损耗,交流铁心线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种。,1. 铜损（Pcu）,在交流铁心线圈中, 线圈电阻R 上的功率损耗称铜损，用Pcu 表示。,Pcu = RI2,式中：R是线圈的电阻；I 是线圈中电流的有效值。,2. 铁损（PFe）,在交流铁心线圈中，处于交变磁通下的铁心内的功率损耗称铁损，用PFe 表示。,铁损由磁滞和涡流产生。,为了减少铁心损耗，变压器、电机等电器设备中铁心通常用厚度为0.35mm或0.5mm硅钢片叠装而成。,铁磁材料反复磁化时，内部磁畴的极性取向随着外磁场的交变来回翻转，在翻转的过程中，由于磁畴间相互摩擦而引起的能量损耗称为磁滞损耗。,磁滞损耗,铁

7、磁材料反复磁化时，内部磁畴的极性取向随着外磁场的交变来回翻转，在翻转的过程中，由于磁畴间相互摩擦而引起的能量损耗称为磁滞损耗。,磁滞损耗,涡流在铁芯中造成的热量损耗。,涡流损耗,为减小涡流损耗，常用硅钢片叠压制成电机电器的铁芯。,1.为什么说磁路欧姆定律只能用于定性分析？,2.磁滞损耗和涡流损耗是怎么产生的？如何减小这两种损耗？,*4-2 自感与互感,一、自感现象与自感电动势,当导体中的电流发生变化时，导体本身就产生感应电动势，这个电动势总是阻碍导体中原来电流的变化。这种由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象叫做自感现象。,1自感现象,自感现象中产生的感应电动势，叫做自感电动势。,2自

8、感电动势,注意：公式中的符号表明自感电动势总是企图阻止电流的变化。,二、互感现象,由于一线圈电流变化引起另一个线圈产生感应电动势的现象，称为互感现象。产生的感应电动势叫互感电动势。,1互感现象,演示实验：线圈A和滑键变阻器RP、开关S串联起来以后接到电源E上。线圈B的两端分别和灵敏电流计的两个接线柱连接。观察当开关S闭合或断开的瞬间，电流计的变化情况。,现象：当开关S闭合或断开的瞬间，电流计的指针发生偏转，并且指针偏转的方向相反，说明电流方向相反。当开关闭合后，迅速改变变阻器的阻值，电流计的指针也会左右偏转，而且阻值变化越快，电流计指针偏转的角度越大。,分析：实验表明线圈A中的电流发生变化时，

9、电流产生的磁场也要发生变化，通过线圈的磁通也要随之变化，其中必然要有一部分磁通通过线圈B，这部分磁通叫做互感磁通。互感磁通同样随着线圈A中电流的变化而变化，因此，线圈B中要产生感应电动势。同样，如果线圈B中的电流发生变化时，也会使线圈A中产生感应电动势。这种现象叫做互感现象，所产生的电动势叫做互感电动势。,2互感现象的意义,1）、互感现象的应用： 应用互感可以很方便的把能量或信号由一个线圈传递到另一个线圈。我们使用的各种各样的变压器，如电力变压器、钳形电流表等都是根据互感原理工作的。,2）、互感现象在某些情况下是非常有害的。 例如：有线电话常常会由于两路电话间的互感而引起串音；无线电设备中，若

10、线圈位置安放不当，线圈间相互干扰，影响设备正常工作。 在此类情况下就需要避免互感的干扰。,三、耦合系数, “ 耦合系数 k ”用来反映耦合电感中两电感耦合的紧密程度，定义为,可见，耦合系数 k 决定于两个电感的耦合程度M（即，互感与线圈的结构、相对位置有关）和自感系数L1、L2。, 0 k 1。 k=0时，无耦合； k=1时，全耦合。,1. 同极性端（同名端）：当电流从同极性端流入时，两线圈产生的磁通方向相同。,1、3为同名端,1、4为同名端,正确的串联接法,同名端标注,四、互感线圈的同名端,2.同名端的测定,（1）直流法（三“正”法）,电流表正指，1、3为同名端,（2）交流法,1、3为同名端

11、,1、4为同名端,五、耦合电感的VAR, 耦合电感的电压有两部分组成（以u1为例）: i1引起的自感电压L1di1/dt（若u1、 i1参考方向非关联, 则前面加负号）;, 确定互感电压极性的方法：若电流从一个同名端流入（流出），则另一个同名端必为互感电压的正极（负极），, i2引起的互感电压Mdi2/dt , 其M前面的正负号，决定于互感电压极性是否与u1相同，若相同则为正号，若相反则为负号 。,以阻碍磁链变化。,【例】,写出图示耦合电感的VAR。,【解】,六、耦合电感的去耦等效,（1）串联去耦等效, 同名端顺向串联, 同名端反向串联,（2）并联（T型）去耦等效, 一对同名端并联, 一对异名

12、端并联,一、 变压器的结构,二、 变压器的工作原理,三、 变压器的额定值,6.3 变压器,变压器可以变换电压、电流和阻抗的功能。应用非常广泛。,电力系统：变压器用于改变供电系统的电压。,电子线路：变压器用于改变电压、耦合电路、传送信号和实现阻抗的匹配等。,还有一些特殊变压器（如：自耦变压器、电流互感器等）及专用变压器（如：电焊变压器、整流变压器等）。,按相数分: 单相、三相和多相变压器。,分类：,按用途分: 电力变压器，特殊用途变压器。,按结构分: 心式变压器、壳式变压器。,按冷却方式分: 自冷变压器、油冷变压器。,其它部件: 油箱、冷却装置、保护装置等,壳式变压器,变压器主要组成部分,变压器

13、铁心: 硅钢片叠压而成,变压器绕组: 原边(一次线圈、高压绕组),副边(二次线圈、低压绕组),心式变压器,线圈,铁心,铁心,线圈,1、铁心,一、变压器的结构,2、绕组,变压器的绕圈通常称为绕组。在变压器中，接到高压电网的绕组称为高压绕组，接到低压电网的绕组称为低压绕组。,按照高压绕组和低压绕组的相互位置和形状的不同，绕组可以分为同心式和交叠式两种。,低压绕组,高压绕组,低压绕组,高压绕组,壳式变压器绕组和铁心的结构示意图,e1,变压器原理示意图,e1,主磁通,1,N1,2,原绕组,副绕组,变压器符号,二、变压器的工作原理,变压器变比,E2 = 4.44 f N2 m,1. 空载运行,变压器空载

14、：,E1 = 4.44 f N1 m,e1,e1,N1,变压器带载工作时,2. 负载运行,变压器接负载：,U1E1 = 4.44 f N1 m,变压器接负载后,副边磁动势也产生磁通,主磁通 为合成磁通。,电源电压U1没有变,变压器接负载后,主磁通 m 不变。,（空载电流很小）,N1I1= N2 I2,结论,有效值,3. 阻抗变换,Z1,负载阻抗,结论,在电子线路和通信工程中，常用变压器来实现阻抗的匹配。,三、变压器的额定值,1. 变压器的额定值,（1）额定电压（V、KV）,U2N 原绕组加U1N时，副绕组的开路电压。,U1N 原绕组的额定电压。,三相变压器为线电压。,（2）额定容量（VA、KV

15、A）,三相变压器,单相变压器,（3）额定电流（A）,I2N 副绕组的额定电流。,I1N 原绕组的额定电流。,三相变压器为线电流。,（4）额定频率fN,额定频率fN是指变压器应接入的电源频率，我国电力系统的标准频率为50Hz。,（5）型号,例: 某收音机输出变压器的原线圈匝数N1=600匝，N2=30匝，接有阻抗为16扬声器（匹配），现要改接成4扬声器，问二次线圈匝数为多少才能匹配？,解：原变比,一、 自藕变压器,二、 小功率电源变压器,三、 三相电力变压器,6.4 常用变压器,四、 仪用互感器,一、自耦变压器和调压器,滑动头,原理图,接零线,接火线,(1) 原、副边不能对调使用，否则可能会烧坏

16、绕组，甚至造成电源短路。 (2) 接通电源前，应先将滑动触头调到零位，接通电源后再慢慢转动手柄，将输出电压调至所需值。,使用自耦调变压器时应该注意：,二、小功率电源变压器,1、小功率电源变压器：在各种仪器设备中提供所需电源电压的变压器，一般容量和体积都较小。,小功率电源变压器,2、变压器线圈极性,如果变压器有两个相同的原边，串联时可接于高压，并联时可接于低压，但接线时一定要注意同极性端。,同极性端（同名端）：当电流从同极性端流入时，两线圈产生的磁通方向相同。,1、3为同名端,1、4为同名端,正确的串联接法,同名端标注,三、三相电力变压器,在电力系统中，用来变换三相交流电压，输送电能的变压器称为三相电力变压器 。,三相电力变压器,三相变压器的接法,三相电力变压器的额定容量为 ：,三相变压器的原、副边绕组可以根据需要分别接成星形或三角形，三相电力变压器的常见连接方式有Y.yn (Y/Y0星形连接有中线)和Y.d(Y/星形三角形连接)，如图所示 。,有一带有负载的三相电力变压器，其额定数据如下：SN=100kVA，U1N=6000V，U2N=U20=400V，f=50Hz，绕组接成Yyn，由试验测得，PFe=600W，额定负载时的Pcu=2400W。试求：(1)变压器的额定电流。(2)满载时的效率。,(2) 满载时效率为,解 ：(1)由 得,例：,二次侧不能短路， 以防