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1、第5章 磁路与变压器,5.2 交流铁芯线圈电路,5.1 磁路,5.3 变压器,5.4 电磁铁,5.1 磁路,1. 磁感应强度 B,5.1 .1 磁场的基本物理量,2. 磁通,3. 磁场强度 H,4. 磁导率 ,相对磁导率 r ： 任一种物质的磁导率 和真空的磁导率0的比值。,物质的磁性（非磁性物质 ，磁性物质 ）,1. 非磁性物质：,不具有磁化特性。, 0 ， r 1,2. 磁性物质,磁性物质内有许多显磁性的小区域，称为磁畴。,在无外磁场作用时，各磁畴无序排列，磁场互相抵消，整体对外不显磁性。,磁 畴,外 磁 场,在外磁场作用下，磁畴极性方向趋向外磁场，物质整体显出磁性。这一现象称为磁性物质被
2、磁化。,5.1.2 磁性物质的磁性能,1. 高导磁性,磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。,广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件线圈内的铁心。,在具有高导磁铁心的线圈中，通入不太大的励磁电流，便可产生较大的磁通和磁感应强度。,2. 磁饱和性,BJ 磁场内，磁性物质磁化 的磁感应强度曲线；,B0 磁场内不存在磁性物质时的 磁感应强度直线；,B BJ曲线和B0直线叠加后的 磁化曲线。,BJ,B,a,b,磁化曲线,当外磁场增大到一定程度时，磁性物质内全部磁畴的磁场方向都转向与外磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度趋向某一定值，称为磁饱和。,（用图形来表示某种铁磁材料在磁化过程中磁感强度
3、B与H磁场强度之间关系的一种曲线，又叫磁化曲线，B-H曲线）,3. 磁滞性,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，称为磁滞回线。,即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。,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。,按磁性物质的磁性能，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
4、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。常用的有镁锰铁氧体等。,5.1.3 磁路基本定律,1. 磁路的概念,磁通的闭合路径称为磁路。,直流电机的磁路,交流接触器的磁路,在电机、变压器及各种铁磁元件中，常用 磁性材料做成一定形状的铁心。铁心的磁导率比周围空气或其它物质的磁导率高的多，磁通的绝大部分经过铁心形成闭合通路。,2. 磁路的欧姆定律,它是分析磁路的基本定律。,（1）磁路中的磁通,式中：F =N I 为磁通势，由其产生磁
5、通； Rm 称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用； l 为磁路的平均长度； S 为磁路的截面积。,有：,（2）磁路的欧姆定律,磁通为，磁通势为F ，磁阻为Rm。,3. 磁路与电路的比较,4. 磁路分析的特点,(1) 处理磁路时离不开磁场的概念；,(2) 在处理磁路时一般还要考虑漏磁通；,(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；,5.2 交流铁心线圈电路,5.2 .1 电磁关系,（磁通势）,主磁通 ：通过铁心闭合的
6、磁通。,漏磁通：经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通。,线圈,铁心, i，,铁心线圈的漏磁电感, 与i不是线性关系。,5.2 .2 电压电流关系,根据KVL:,式中：R是线圈导线的电阻,L 是漏磁电感,当 u 是正弦电压时，其它各电压、电流、电动势可视作正弦量，则电压、电流关系的相量式为：,漏感抗： X = L,因线圈电阻 R 和漏抗X（或漏磁通）较小，其电压降也较小，与主磁电动势 E 相比可忽略，故有,设主磁通 则,有效值,则：,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）：,线圈电阻R的功率损耗。,Pcu = R I 2,式中：I 是线圈电流的有效值。,2. 铁损（PF
7、e）：,交变磁通下的铁心内功率损耗。,铁损包括：磁滞损耗和涡流损耗。,5.2 .3 功率损耗,（1）磁滞损耗（Ph）：,由磁滞现象所产生的能量损耗。,磁滞损耗的大小正比与磁滞回线面积和磁场交变频率 f。,后果：磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。,1、选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁心。变压器和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。,2、设计时，适当选择值,以减小铁心饱和程度。,减少磁滞损耗的措施：,(2)涡流损耗（Pe）,涡流损耗: 由涡流所产生的功率损耗。,涡流：交变磁通在铁心内产生感应电动势和电流，称为涡流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。,涡流损耗转化为热能，引起铁心发热。,电工技术中减少
8、涡流损耗措施：,1. 提高铁心的电阻率。选用硅钢。 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。,铁心线圈交流电路的有功功率为：,先将实际铁心线圈的线圈电阻R、漏磁感抗X分离出，剩下就得到用理想铁心线圈电路；,用一个不含铁心的交流电路来等效替代实际铁心线圈交流电路。,5.2 .4 等效电路,电阻R 0是铁损相应的等效电阻，感抗X 0是和铁心能量储放相应的等效感抗。,电力工业中常采用高压输电低压配电，实现节能并保证用电安全。具体如下：,5.3 变压器,变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛。,变压器的主要功能有：,在能量传输过程中，当输送功率P =UI cos
9、 及负载功率因数cos 一定时：,电能损耗小,节省金属材料（经济）,5.3.1 概述,U I,P = I Rl,I S,变压器的磁路,变压器的电路,变压器的结构,变压器的分类,5.2.2 变压器的工作原理,一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。,(1) 空载运行情况,1. 电磁关系,一次侧接交流电源，二次侧开路。,空载时，铁心中主磁通是由一次绕组磁通势产生的。,(2) 带负载运行情况,1. 电磁关系,一次侧接交流电源，二次侧接负载。,有载时，铁心中主磁通是由一次、二次绕组磁通势共同产生的合成磁通。,2. 变压器的三个变比关系,1）电压变比 2）电流变比 3）阻抗变比,2. 电压变换（设加
10、正弦交流电压）,结论：改变匝数比K，就能改变输出电压。,U20为副边开路电压,3. 电流变换,(一次、二次侧电流关系),有载运行,结论：一次、二次侧电流与匝数成反比。,4. 阻抗变换,由图可知：,结论：折算到变压器一次侧的等效阻抗模，为二次侧所带负载阻抗模的K 2 倍。,(折算到变压器原边的阻抗),则,或,变压器应用的三变比关系:,(1)负载直接接在信号源上，信号源输出电流,解:,交流信号源的电动势E= 80V，内阻 R 0=400，负载电阻RL=4。 （1）负载直接接在信号源上，计算信号源的输出功率；（2）按图示方法接入负载时，欲使折算到一次侧绕组的等效电阻求变压器电压比和信号源输出功率。,
11、例5-5,信号源输出功率,(2) 负载RL经过变压器连接到信号源,由阻抗变换,此时信号源输出电流为：,信号源输出功率为,变压器匝数比为：,则,电子线路中，常利用阻抗匹配实现最大输出功率。,结论：接入变压器以后，输出功率大大提高。,原因：满足了最大功率输出的条件：,三相电压的变换,1) 三相变压器的铁芯结构,三相心式变压器的铁芯结构,三相电压的变换,1) 三相变压器的结构,高压绕组： A-X B-Y C-Z,X、Y 、Z ：尾端,A、B、C ：首端,低压绕组： a-x b-y c-z,a、b、c：首端,x、y、z：尾端,2) 三相变压器的连接方式,连接方式：,高压绕组接法,低压绕组接法,三相配电
12、变压器,动力供电系统（井下照明）,高压、超高压供电系统,常用接法:,（1）三相变压器Y/Y0连接,线电压之比：,（2）三相变压器Y0/连接,线电压之比：,1） 变压器的型号,5.变压器的铭牌和技术数据,2） 额定值, 额定电压 U1N、U2N 变压器二次侧开路（空载）时，一次、二次侧绕组允许的电压值, 额定电流 I1N、I2N 变压器满载运行时，一次、二次侧绕组允许的电流值。, 额定容量 SN 传送功率的最大能力。,容量 SN 输出功率 P2,一次侧输入功率 P1 输出功率 P2,注意：变压器几个功率的关系（单相）,效率,变压器运行时的功率取决于负载的性质,5.3.4 特殊变压器,1.自耦变压器,电压关系：,电流关系：,使用时注意：一次、二次侧千万不能对调使用，以防变压器损坏。因当N 小时，磁通大，电流迅速增加，线圈会严重发热。 由于自耦变压器的一次、二次侧绕组是相连的，虽然有磁的联系，也有电的联系，接线不当或零线断路即带电，所以不安全。,2.电流互感器,实现用低量程的电流表测量大电流。,使用注意事项：,1、二次侧不能开路，以防一次侧大电流在铁芯中产生大磁通，而在二次边感应出高电压； 2、铁心、低压绕组的一端接地，以防绝缘损坏时，二次侧出现过压。,被测电流 (I1)=电流表读数( I2) N2/N1,本章结束,
