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1、第六章第六章 磁路与变压器磁路与变压器6.1 磁路磁路6.2 变压器的工作原理变压器的工作原理6.3 变压器的使用变压器的使用6.4 特殊变压器简介特殊变压器简介1 第六章第六章第六章第六章 铁心线圈与变压器铁心线圈与变压器铁心线圈与变压器铁心线圈与变压器 本章介绍的基本物理量、基本定律以及磁性材料的磁性能。本章介绍的基本物理量、基本定律以及磁性材料的磁性能。在此基础上重点讨论铁心线圈电路和变压器。在此基础上重点讨论铁心线圈电路和变压器。第一节第一节 磁路的基本概念和定律磁路的基本概念和定律 电动机、继电器、电磁铁及变压器等电器都是基于电磁耦合电动机、继电器、电磁铁及变压器等电器都是基于电磁耦
2、合的原理工作的，我们已经学过了电路，现在再来研究磁路。的原理工作的，我们已经学过了电路，现在再来研究磁路。一、磁场的基本物理量一、磁场的基本物理量1.磁通磁通2.磁感应磁感应强度强度B3.磁场磁场强度强度H4.导磁导磁系数系数#6-126.1.2 磁路计算中的基本物理量磁路计算中的基本物理量一、磁感应强度一、磁感应强度 （磁通密度）（磁通密度）与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通（磁与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通（磁力线）力线）单位：韦伯单位：韦伯1 Tesla = 104 高斯高斯B 的单位：特斯拉（的单位：特斯拉（Tesla）3三、磁场强度三、磁场强度 H 磁场强度是计算磁场所用
3、的物理量，其大小为磁磁场强度是计算磁场所用的物理量，其大小为磁感应强度和导磁率之比。感应强度和导磁率之比。单位：单位：B ：特斯拉特斯拉：亨：亨/米米：安：安/米米4二、磁导率二、磁导率：表征各种材料导磁能力的物理量：表征各种材料导磁能力的物理量（亨（亨/米）米） 真空中的磁导率真空中的磁导率( )为常数为常数一般材料的磁导率一般材料的磁导率 和真空中的磁导率之比，和真空中的磁导率之比，称为这种材料的相对磁导率称为这种材料的相对磁导率，则称为磁性材料，则称为磁性材料，则称为非磁性材料，则称为非磁性材料5磁性材料的磁性能磁性材料的磁性能 一、高导磁性一、高导磁性 指磁性材料的磁导率很高，指磁性材
4、料的磁导率很高， r r11，使其具有使其具有被强烈磁化被强烈磁化的特性。的特性。二、磁饱和性二、磁饱和性 当外磁场（或励磁电流）增大到一定值时，磁性当外磁场（或励磁电流）增大到一定值时，磁性材料的全部磁畴的磁场方向都转向与磁场的方向一致，材料的全部磁畴的磁场方向都转向与磁场的方向一致，磁化磁场的磁化磁场的磁感应强度磁感应强度B BJ J达到饱和值达到饱和值。 高导磁性、磁饱和性、磁滞性、非线性高导磁性、磁饱和性、磁滞性、非线性6磁化曲线磁化曲线B和和 与与H的关系的关系注注当有磁性物质存在当有磁性物质存在时时B与与H不成比例，不成比例， 与与I也不成比例也不成比例。三、磁滞性三、磁滞性 当铁
5、心线圈中通有当铁心线圈中通有交变电流交变电流（大小和方向都变化）（大小和方向都变化）时，铁心就受到交变磁化，时，铁心就受到交变磁化，电流变化电流变化时，时，B随随H而变化而变化，当当H已减到零值时已减到零值时，但，但B未回到零未回到零，这种磁感应强度滞，这种磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称磁性物质的磁滞性。后于磁场强度变化的性质称磁性物质的磁滞性。7磁滞回线磁滞回线剩磁：剩磁：当线圈中当线圈中电流减到电流减到零零（H0），），铁心在磁化时所铁心在磁化时所获的磁性还获的磁性还未未完全消失，这完全消失，这时铁心中所时铁心中所保留保留的磁感应强的磁感应强度称为剩磁感应强度度称为剩磁感应强度Br根
6、据根据磁性能磁性能，磁性材料又可分为，磁性材料又可分为三种三种：软磁材料软磁材料（磁滞回线窄长。常用做磁头、磁心等）、（磁滞回线窄长。常用做磁头、磁心等）、永磁材料永磁材料（磁滞回线宽。常用做永久磁铁）、（磁滞回线宽。常用做永久磁铁）、矩磁材料矩磁材料（磁滞回线接近矩形。可用做记忆元件）。（磁滞回线接近矩形。可用做记忆元件）。返回返回8二、磁路的基本定律二、磁路的基本定律安培环路定律安培环路定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律基尔霍夫基尔霍夫定律定律基尔霍夫基尔霍夫定律定律基尔霍夫基尔霍夫定律定律基尔霍夫基尔霍夫定律定律基尔霍夫基尔霍夫定律定律基尔霍夫基尔霍夫定律定律基尔霍夫基尔霍夫定律定律基尔霍夫基
7、尔霍夫定律定律基尔霍夫基尔霍夫定律定律有有分支磁路分支磁路I1N1I2N21231. 磁路的基尔霍夫磁通定律磁路的基尔霍夫磁通定律在在节点节点A 处处A 1+2 -3=02. 磁路的基尔霍夫磁压降定律磁路的基尔霍夫磁压降定律任一任一闭合回路中均有：闭合回路中均有：或或磁压降的磁压降的代数和等于磁动势的代数和代数和等于磁动势的代数和#6-19磁动势磁动势第一节第一节 磁路的基本概念和定律磁路的基本概念和定律二、磁路的基本定律二、磁路的基本定律安培环路定律安培环路定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律与与电路类似，磁路也有各种定律电路类似，磁路也有各种定律安培环路定律安培环路定律安培环路定律安培环路定律安培
8、环路定律安培环路定律安培环路定律安培环路定律安培环路定律安培环路定律沿任一沿任一闭合路径，闭合路径，H 的线积分等于包的线积分等于包围在这闭合路径内各电流的代数和围在这闭合路径内各电流的代数和若若磁场均匀则有磁场均匀则有磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律无分支磁路无分支磁路平均长平均长 l线圈线圈N 匝匝IN磁通磁通导磁
9、系导磁系 数数截面积截面积S根根据据得得磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁阻磁阻Rm基尔霍夫基尔霍夫定律定律#6-1106-1几点说明：几点说明：1.磁阻磁阻Rm 的的大小取决于磁路的尺寸和材料的磁导率。大小取决于磁路的尺寸和材料的磁导率。2. 很大，但不是常数，因此很大，但不是常数，因此 也不是常数。所以磁也不是常数。所以磁3. 路欧姆定律不能用来进行定量计算，只用做定性分析。路欧姆定律不能用来进行定量计算，只用做定性分析。4. 通常磁路计算应用磁路基尔霍夫定律。通常磁路计算应用磁路基尔霍夫定律。3.磁路和电路有相似之处，但却有本质的区别。磁路和电路有相似之处，但却有本质的区别。4. 祥见教材祥见教
10、材P190#11励磁电流：励磁电流：在磁路中用来产生磁通的电流在磁路中用来产生磁通的电流励磁电流励磁电流直流直流 - 直流磁路直流磁路 交流交流 - 交流磁路交流磁路磁路分析磁路分析直流磁路直流磁路交流磁路交流磁路6.1.4 磁路的分析磁路的分析12IU一一. 直流磁路的分析直流磁路的分析直流磁路的特点直流磁路的特点:直流磁路和电路中的恒压源类似直流磁路和电路中的恒压源类似直流电路中直流电路中 E 固定固定I 随随 R 变化变化随随 变化变化 直流磁路中直流磁路中 F 固定固定 一定一定一定一定磁动势磁动势 F=IN 一定一定磁通和磁通成反比磁通和磁通成反比（线圈中没有反电动势）（线圈中没有反
11、电动势）（R 为线圈的电阻）为线圈的电阻）13电路方程：电路方程：一般情况下一般情况下 很小很小交流激励交流激励 线圈中产生感应电势线圈中产生感应电势二二. 交流磁路的分析交流磁路的分析：主磁通：主磁通：漏磁通：漏磁通ui的感应电势的感应电势 和和 产生产生14假设假设则则最大值最大值有效值有效值ui15ui一定时磁动势一定时磁动势IN随磁阻随磁阻 的变化而变化。的变化而变化。当外加电压当外加电压U、频率频率 f 与与线圈匝数线圈匝数N一定时，一定时， 便便确定下来。根据磁路欧姆确定下来。根据磁路欧姆定律定律 ，当，当 交流磁路的特点交流磁路的特点:交流磁路和电路中的恒流源类似交流磁路和电路中
12、的恒流源类似直流磁路中：直流磁路中： 固定固定F随随 变化变化直流电路中：直流电路中： IS固定固定U 随随 R 变化变化16交流磁路中磁阻交流磁路中磁阻 对电流的影响对电流的影响电磁铁吸合过程的分析：电磁铁吸合过程的分析： 在吸合过程中若外加电压在吸合过程中若外加电压不变不变, 则则 基本不变。基本不变。iu电磁铁吸合前电磁铁吸合前(气隙大）气隙大） 大大 起动电流大起动电流大 电磁铁吸合后电磁铁吸合后(气隙小）气隙小） 小小 电流小电流小 如果气隙中有异物卡住，电磁铁长时间吸不上，线如果气隙中有异物卡住，电磁铁长时间吸不上，线圈中的电流一直很大，将会导致过热，把线圈烧坏。圈中的电流一直很大
13、，将会导致过热，把线圈烧坏。 注意：注意：17(U不变，不变，I不变）不变）( I 随随 Rm 变化）变化）（ U不变时，不变时， 基本不变基本不变）直流磁路直流磁路交流磁路交流磁路磁路磁路小结小结（随随Rm变化）变化）18变压器功能：变压器功能：变电压：变电压：电力系统电力系统 变阻抗：变阻抗：电子电路中的阻抗匹配电子电路中的阻抗匹配 （如喇叭的输出变压器）（如喇叭的输出变压器） 变电流：变电流：电流互感器电流互感器 6.2 变压器的工作原理变压器的工作原理19 发电厂发电厂1.05万伏万伏输电线输电线22万伏万伏升压升压变电站变电站1万伏万伏降压降压 变压器应用举例降压降压实验室实验室38
14、0 / 220伏伏降压降压仪器仪器36伏伏降压降压20单相变压器单相变压器铁芯铁芯原边原边绕组绕组副边副边绕组绕组一、变压器的基本结构一、变压器的基本结构21变压器符号：变压器符号：工作过程：工作过程：221. 空载运行空载运行 原边接入电源，副边开路。原边接入电源，副边开路。接上接上交流电源交流电源 原边电流原边电流 i1等等 于励于励 磁电流磁电流 i10 产生感应电动势产生感应电动势二、变压器的工作原理二、变压器的工作原理 i10 产生磁通产生磁通 （交变）（交变）（ 方向符合右手定则）方向符合右手定则）23结论：改变匝数比，就能改变输出电压。结论：改变匝数比，就能改变输出电压。K为为变
15、比变比原、副边电压关系原、副边电压关系根据交流磁路的分析根据交流磁路的分析可得：可得：时时 （变电压）（变电压）242. 负载运行负载运行Z 副边带负载后对磁路的副边带负载后对磁路的影响：在副边感应电压的影响：在副边感应电压的作用下，副边线圈中有了作用下，副边线圈中有了电流电流 i2 。此电流在磁路中此电流在磁路中也会产生磁通，从而影响原边电流也会产生磁通，从而影响原边电流 i1。但当外加电压、但当外加电压、频率不变时，铁芯中主磁通的最大值在变压器空载或频率不变时，铁芯中主磁通的最大值在变压器空载或有负载时基本不变有负载时基本不变 。带负载后磁动带负载后磁动势的平衡关系为：势的平衡关系为：25
16、结论：原、副边电流与匝数成反比结论：原、副边电流与匝数成反比 由于变压器铁芯材料的导磁率高、空载励磁电流由于变压器铁芯材料的导磁率高、空载励磁电流 很小，可忽略很小，可忽略 。即：。即：原、副边电流关系原、副边电流关系 （变电流）（变电流）26 （变阻抗）（变阻抗）原、副边阻抗关系原、副边阻抗关系从原边等效：从原边等效：结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以 变比的平方。变比的平方。 27阻抗变换举例：阻抗变换举例：扬声器上如何得到最大输出功率。扬声器上如何得到最大输出功率。RsRL信号源信号源设：设：信号电压的有效值信号电压的有效值:U1
17、= 50V;信号内阻：信号内阻： Rs=100 ;负载为扬声器，其等负载为扬声器，其等 效电阻：效电阻：RL=8 。求：负载上得到的功率求：负载上得到的功率解：解：（1）将负载直接接到信号源上）将负载直接接到信号源上，得到的输出功，得到的输出功 率为：率为： 28Rs（2）将负载通过变压器接到信号源上。）将负载通过变压器接到信号源上。输出功率为：输出功率为：设变比设变比 则：则：结论：由此例可见加入变压器以后，输出功率提高了结论：由此例可见加入变压器以后，输出功率提高了 很多。原因是满足了电路中获得最大输出的条很多。原因是满足了电路中获得最大输出的条 件（信号源内、外阻抗差不多相等）。件（信号
18、源内、外阻抗差不多相等）。29 额定电压额定电压 变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允 许的电压值。许的电压值。 额定电流额定电流 变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。 额定容量额定容量 传送功率的最大能力。传送功率的最大能力。（理想）理想）6.3.1 变压器的铭牌数据变压器的铭牌数据（以单相变压器为例）（以单相变压器为例） 6.3 变压器的使用变压器的使用30容量容量 SN 输出功率输出功率 P2 原边输入功率原边输入功率 P1 输出功率输出功率 P2注意：变压器几个功率的关系注意：变压器几个功率
19、的关系效率效率变压器功变压器功率因数率因数容量：容量：原边输入功率：原边输入功率：输出功率：输出功率： 316.3.2 变压器的效率变压器的效率( )为防止涡流损失，铁芯一为防止涡流损失，铁芯一般由一片片导磁材料叠合般由一片片导磁材料叠合而成。而成。 变压器的损耗包括两部分：变压器的损耗包括两部分：铜损铜损 (PCU) ：绕组导线电阻所致。绕组导线电阻所致。磁滞损失：磁滞现象引起铁芯发热，磁滞损失：磁滞现象引起铁芯发热， 造成的损失。造成的损失。涡流损失：交变磁通在铁芯中产生涡流损失：交变磁通在铁芯中产生 的感应电流（涡流），的感应电流（涡流）， 造成的损失。造成的损失。铁损铁损( )：PFE
20、326.3.3 变压器的外特性变压器的外特性副边输出电压和输出电流的关系。即：副边输出电压和输出电流的关系。即：U2I2U20U20：原边加额定电压、原边加额定电压、副边开路时，副边的输副边开路时，副边的输出电压。出电压。一般供电系统希望要硬特性（随一般供电系统希望要硬特性（随I2的变化，的变化，U2 变化不多）变化不多）33 当电流流入两个线圈当电流流入两个线圈(或流出）时，若产生的磁通方或流出）时，若产生的磁通方向相同，则两个流入端称为同极性端（同名端）。或者向相同，则两个流入端称为同极性端（同名端）。或者说，当铁芯中磁通变化（增大或减小）时，在两线圈中说，当铁芯中磁通变化（增大或减小）时
21、，在两线圈中产生的感应电动势极性相同的两端为同极性端。产生的感应电动势极性相同的两端为同极性端。同极性端同极性端(同名端同名端)AXax*6.3.4 变压器绕组极性及连接方法变压器绕组极性及连接方法AXax*34电器使用时两种电压（电器使用时两种电压（220V/110V）的切换：的切换：220V： 联结联结 2 3110V： 联结联结 1 3，2 4线圈的接法线圈的接法1324*35220V：联结联结 2 3励磁励磁两种接法下线圈工作情况的分析两种接法下线圈工作情况的分析*132436110V：联结联结 1 3，2 41,32,4220V：联结联结 2 31324*说明：两种接法下说明：两种接
22、法下 不变，不变， 所以铁芯磁路的设计相同所以铁芯磁路的设计相同励磁励磁37问题问题1：在在110V 情况下，如果只用一个绕组（情况下，如果只用一个绕组（N），），行不行？行不行？答：答：不行（两绕组必须并绕）不行（两绕组必须并绕）原边有两个相同绕组的电源变压器（原边有两个相同绕组的电源变压器（220 / 110），使），使用中应注意的问题：用中应注意的问题：*13241,32,4N若两种接法铁芯中的磁通相等，则：若两种接法铁芯中的磁通相等，则：38问题问题2：如果两绕组的极性端接错，结果如何？如果两绕组的极性端接错，结果如何？结论：结论：在极性不明确时，一定要先测定极性再通电。在极性不明确时
23、，一定要先测定极性再通电。答：答：有可能烧毁变压器有可能烧毁变压器两个线圈中的磁通抵消两个线圈中的磁通抵消烧毁烧毁感应电势感应电势电流电流 很大很大原因：原因：*1324 39方法一：交流法方法一：交流法AXax同极性端的测定方法同极性端的测定方法若若 说明说明 A 与与 a 或或 X 与与 x 为同为同 极性端。极性端。 把两个线圈的任意两端把两个线圈的任意两端 (X - x)连连接接,然后在然后在 AX 上加一小电压上加一小电压 u 。测量：测量： 若若 说明说明 A 与与 x 或或 X 与与 a 是同是同 极性端极性端；结论：结论：40方法二：直流法方法二：直流法mA表表+_AXaxK+
24、-*AXax+_K设设K闭合时闭合时 增加。增加。 感应电动势的方向，感应电动势的方向，阻止阻止 的增加。的增加。如果当如果当 K 闭合时，闭合时，mA 表正表正偏，则偏，则 Aa 为同极性端为同极性端;如果当如果当 K 闭合时，闭合时，mA 表反表反偏，则偏，则 Ax 为同极性端为同极性端结论：结论：41 变压器设计变压器设计中的一些概念中的一些概念(1)一定一定额定容量额定容量定铁芯窗口定铁芯窗口定导线直径定导线直径定定定定则则 （铜多、铁少）铜多、铁少）则则 （铜少、铁多）铜少、铁多）( , 一定时一定时, )42在同样变比情况下，匝数多好，还是少好？在同样变比情况下，匝数多好，还是少好
25、？（省铜）省铜）（费铁）费铁）截面积截面积 A 变压器设计变压器设计中的一些概念中的一些概念(2)436.4.1 自耦变压器自耦变压器ABP6.4 特殊变压器简介特殊变压器简介 使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的使用时，改变滑动端的位置，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输出电压。实验室中用的调压器就是根据此原理制作的。制作的。注意：原、副边千万不能对调使用，注意：原、副边千万不能对调使用，以以防变压器损坏。因为防变压器损坏。因为N变小时，磁通增大，电流会变小时，磁通增大，电流会迅速增加。迅速增加。446.4.2 电压互感器电压互感器 用低量程的电压表测高电压用低量
26、程的电压表测高电压1. 副边不能短路，以副边不能短路，以 防产生过流；防产生过流；2. 铁心、低压绕组的铁心、低压绕组的 一端接地，以防在一端接地，以防在 绝缘损时，在副边绝缘损时，在副边 出现高压。出现高压。使用注意：使用注意：VR N1（匝数多匝数多）保险丝保险丝 N2（匝数少匝数少）u（被测电压）（被测电压）电压表电压表被测电压被测电压=电压表读数电压表读数 N1/N2456.4.3 电流互感器电流互感器 用低量程的电流表测大电流用低量程的电流表测大电流（被测电流）被测电流）N1（匝数少匝数少）N2（匝数多匝数多）ARi1i2电流表电流表被测电流被测电流=电流表读数电流表读数 N2/N11. 副边不能开路，以副边不能开路，以 防产生高电压；防产生高电压；2. 铁心、低压绕组的铁心、低压绕组的 一端一端 接地，以防在接地，以防在 绝缘损坏时，在副绝缘损坏时，在副 边出现过压。边出现过压。使用注意事项：使用注意事项：46
