《电工复习资料幻灯片》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电工复习资料幻灯片（45页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 3 章磁路和变压器,3.1 磁路及其分析方法,3.2 交流铁心线圈电路,3.3 变压器,3.4 电磁铁,退出,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，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,3.1 磁路及其分析方法,1、磁感应强度,磁感应强度B : 表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。,磁感应强度B的大小:,磁感应强度B的方向: 与电流的方向之间符合右手螺旋定则。,磁感应强度B的单位: 特斯拉(T)，1T = 1Wb/m2,均匀磁场: 各点磁感应强度大小相等，方向
2、相同的 磁场，也称匀强磁场。,3.1.1 磁场的基本物理量,2、磁通,磁通 ：穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数。,说明: 如果不是均匀磁场，则取B的平均值。,在均匀磁场中 = B S 或 B= /S,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。,磁通 的单位:韦伯(Wb) 1Wb =1Vs,3、磁场强度,磁场强度H ：介质中某点的磁感应强度 B 与介质 磁导率 之比。,磁场强度H的单位 ：安培/米（A/m),真空的磁导率为常数，用 0表示，有：,4、磁导率,磁导率 ：表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质 的导磁能力。,相对磁导率 r： 任一种物质的磁
3、导率 和真空的磁导率0的比值。,磁导率 的单位：亨/米（H/m）,3.1.2 磁性材料的磁性能,1、高导磁性,磁性材料的磁导率通常都很高，即 r 1 (如坡莫合金，其 r 可达 2105 ) 。磁性材料能被强烈的磁化，具有很高的导磁性能。,磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。,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。,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，磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值。,B和与
4、H的关系,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。,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。,Br,Hc,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。,*3.1.3 磁路的分析方法,磁路的欧姆定律是分析磁路的基本定律。,环形线圈如图，其中媒质是均匀的，磁导率为， 试计算线圈内部的磁通 。,解：根据安培环路定律，有：,设磁路的平均长度为 l，则有：,1. 引例,式中：F=NI 为磁通势，由其产生磁通； Rm 称为磁阻，表示磁路对
5、磁通的阻碍作用； l 为磁路的平均长度； S 为磁路的截面积。,2. 磁路的欧姆定律,若某磁路的磁通为，磁通势为F ，磁阻为Rm，则：,即有：,3. 磁路与电路的比较,4. 磁路分析的特点,（1）磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似。磁路欧姆定律不能直接用来计算，只能用于定性分析；,（2）设磁路由不同材料或不同长度和截面积的 n 段组成，则基本公式为：,即：,3.2 交流铁心线圈电路,1、电磁关系,（磁通势）,主磁通 ：通过铁心闭合的磁通。,漏磁通：经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通。,线圈,铁心,2、电压电流关系,根据KVL:,当 u 是正弦电压时，其它各电压、电流、电动势可视作正弦量
6、，则电压、电流关系的相量式为：,由于线圈电阻 R 和漏磁通较小，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：,式中：Bm是铁心中磁感应强度的最大值，单位T； S 是铁心截面积，单位m2。,3、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。,（1）磁滞损耗（Ph）,由磁滞所产生的
7、能量损耗称为磁滞损耗（Ph）。,磁滞损耗的大小： 单位体积内的磁滞损耗正比与磁滞回线的面积和磁场交变的频率f。,磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。为了减少磁滞损耗，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的磁滞损耗较低。,(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。为了减少涡流损耗，铁心用彼此绝缘的钢片叠成，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：,3.3.1 变压器的结构,变压器的磁路,变压器的电路,3.3 变压器
8、,变压器的结构,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. 电磁关系,一次侧接交流电源，二次侧接负载。,根据KVL：,变压器一次侧等效电路如图：,2. 电压变换（设加正弦交流电压）,由于线圈电阻 R1 和漏磁通1较小，其电压降也较小，与主磁电动势 E1 相比可忽略，故有：,对二次侧，根据KVL：,结论：当电源电压U1一定时，只要改变匝数比，就能得到不同的输出电压U2 。,变压器空载时:,其中，U20为变压器空载电压。,故有：,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-
9、z,a、b、c：首端,x、y、z：尾端,2) 三相变压器的联结方式,联结方式：,高压绕组接法,低压绕组接法,（1）三相变压器Y/Y0联结,线电压之比：,（2）三相变压器Y0/联结,线电压之比：,3. 电流变换,(一次、二次侧电流关系),由前面分析可得：,可见，铁心中主磁通的最大值m在变压器空载和有载时近似保持不变。即有：,可得：若U1、 f 不变，则 m 基本不变，近于常数。,空载：,有载：,或,结论：一次、二次绕阻的电流之比近似等于它们匝数比的倒数。,磁势平衡式：,空载磁势,有载磁势,4. 阻抗变换（阻抗匹配）,由图可知：,结论：变压器一次侧的等效阻抗模，为二次侧所带负载的阻抗模的K 2 倍
10、。,(1) 变压器的匝数比应为：,解:,例1: 如图，交流信号源的电动势 E= 120V，内阻 R 0=800，负载为扬声器，其等效电阻为RL=8。要求: （1）当RL折算到原边的等效电阻 RL= R0 时，求变压器的匝数比和信号源输出的功率；（2）当将负载直接与信号源联接时,信号源输出多大功率？,信号源的输出功率：,（2）将负载直接接到信号源上时，输出功率为：,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
11、定容量SN ：传送功率的最大能力。,单相：,3.3.2 变压器的外特性,当一次侧电压U1和负载功率因数cos2保持不变时，二次侧输出电压U2和输出电流I2的关系，U2=f(I2)。,U20：一次侧加额定电压、二次侧开路时，二次侧的输出电压。,一般供电系统希望要硬特性（随I2的变化，U2 变化不大），电压变化率约在5%左右。,电压变化率：,3.3.3 变压器的损耗与效率,变压器的损耗包括两部分：,铜损(PCu)： 绕组导线电阻的损耗。,涡流损耗,磁滞损耗,铁损(PFe)：,变压器的效率为：,一般 95% ,负载为额定负载的(50-75)%时，最大。,输出功率,输入功率,+,使用时，改变滑动端的位
12、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：一次、二次侧千万不能对调使用，以防变压器损坏。,3.3.4 特殊变压器,1.自耦变压器,被测电流=电流表读数 N2/N1,二次侧不能开路， 以防产生高电压；2. 铁心、低压绕组的 一端接地，以防在 绝缘损坏时，在二次侧出现过压。,使用注意事项：,2.电流互感器,实现用低量程的电流表测量大电流,*3.4 电磁铁,1. 概述,电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保持某种机械零件、工件于固定位置的一种电器。当电源断开时电磁铁的磁性消失，衔铁或其它零件即被释放。电磁铁衔铁的动作可使其它机械装置发生联动。,2. 基本结构,电磁铁由
13、线圈、铁心及衔铁三部分组成，常见的结构如图所示。,铁心,衔铁,衔铁,线圈,线圈,衔铁,铁心,线圈,铁心,3. 电磁铁吸力的计算,电磁铁吸力的大小与气隙的截面积S0及气隙中的磁感应强度B0的平方成正比。基本公式如下：,式中： B0 的单位是特斯拉； S0 的单位是平方米； F 的单位是牛顿（N）。,直流电磁铁的吸力：,直流电磁铁的吸力依据上述基本公式直接求取。,交流电磁铁的吸力：,交流电磁铁中磁场是交变的，设,则吸力瞬时值为:,式中：,为吸力的最大值。,吸力的波形:,吸力平均值为:,O,(1)交流电磁铁的吸力在零与最大值之间脉动。衔铁以两倍电源频率在颤动，引起噪音，同时触点容易损坏。为了消除这种
14、现象，在磁极的部分端面上套一个分磁环（或称短路环），工作时，在分磁环中产生感应电流，其阻碍磁通的变化，在磁极端面两部分中的磁通 1 和 2 之间产生相位差，相应该两部分的吸力不同时为零，实现消除振动和噪音，如图所示；而直流电磁铁吸力恒定不变；,综合上述：,(2)交流电磁铁中,为了减少铁损，铁心由钢片叠成；直流电磁铁的磁通不变，无铁损，铁心用整块软钢制成；,(4)直流电磁铁的励磁电流仅与线圈电阻有关，在吸合过程中，励磁电流不变。,(3)在交流电磁铁中，线圈电流不仅与线圈电阻有关，主要的还与线圈感抗有关。在其吸合过程中，随着磁路气隙的减小，线圈感抗增大，电流减小。如果衔铁被卡住，通电后衔铁吸合不上，线圈感抗一直很小，电流较大，将使线圈严重发热甚至烧毁；,4. 电磁铁的应用,电磁铁在生产中获得广泛应用。其主要应用原理是：用电磁铁衔铁的动作带动其他机械装置运动，产生机械连动，实现控制要求。,应用实例：图示为应用电磁铁实现制动机床或起重机电动机的基本结构，其中电动机和制动轮同轴。原理如下：,通电,电磁铁动作,拉开弹簧,抱闸提起,松开制动轮,电机转动,断电,电磁铁释放,弹簧收缩,抱闸抱紧,抱紧制动轮,电机制动,启动过程：,制动过程：,
