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1、 第四章第四章第四章第四章 磁路与变压器磁路与变压器磁路与变压器磁路与变压器第一节第一节 铁磁物质及磁路铁磁物质及磁路第二节第二节 交交流铁心线圈流铁心线圈第三节第三节 变压器的基本结构及工作原理变压器的基本结构及工作原理第四节第四节 变压器的效率和外特性变压器的效率和外特性#第五节第五节 变压器的同名端变压器的同名端第六节第六节 三相电力变压器三相电力变压器第七节第七节 特殊变压器特殊变压器 第四章第四章第四章第四章 磁路与变压器磁路与变压器磁路与变压器磁路与变压器 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
2、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 铁磁物质及磁路铁磁物质及磁路 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、铁磁物质一、铁磁物质#4-1根据物质的导磁性将其分为铁磁物质和非铁磁物质。根据物质的导磁性将其分为铁磁物质和非铁磁物质。铁磁物质的磁化过程详见铁磁物质的磁化过程详见电工学电工学第第71页。页。二、磁场的基本物理量二、磁场的基本物理量垂直穿过某一面积垂直穿过某一面积S 的磁力线的总根数。
3、的磁力线的总根数。韦伯韦伯wb穿过单位面积的磁力线根数。穿过单位面积的磁力线根数。特斯拉特斯拉T wb/m2磁场中某点的磁场中某点的B 与该点的磁导率与该点的磁导率的比值。的比值。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.导磁导磁系数系数描述导磁能力大小的物理量。通常使用相对导磁系数描述导磁能力大小的物理量。通常使用相对导磁系数无无量纲量纲真空导磁系数真空导磁系数安安/米，米，A/m, A/cm#8-1磁导率磁导率：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
4、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INH（I）B （ ）abcB铁磁材料铁磁材料 B-H，-H 曲线曲线从从曲线上能明显看出，曲线上能明显看出，不是常数不是常数导磁性导磁性工程上利用它来使工程上利用它来使磁通尽量地约束在有限的范围磁通尽量地约束在有限的范围内，提高电磁设备的利用率，内，提高电磁设备的利用率，一般使用一般使用B-H 曲线的曲线的ab 段。段。磁滞磁滞B的变化滞后于的变化滞后于H 的变化的变化 如曲线的如曲线的oa 段段o磁饱和磁饱和当当H 达到一定程度，达到
5、一定程度，B 不再随不再随H 而增加，此为磁饱和。而增加，此为磁饱和。如曲线的如曲线的cs 段。段。s若对若对铁心线圈而言，磁饱和意为铁心线圈而言，磁饱和意为当当电流电流I 增加到一定程度，增加到一定程度，不再随之增加。不再随之增加。关于磁滞关于磁滞祥看请点击祥看请点击#三、磁性材料的磁性能三、磁性材料的磁性能4-1磁路：主磁通所经过的闭合路径。磁路：主磁通所经过的闭合路径。i 磁路的基本概念磁路的基本概念 线圈通入电流后，产线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏生磁通，分主磁通和漏磁通。磁通。：主磁通主磁通：漏磁通漏磁通铁心铁心（导磁性能好（导磁性能好 的磁性材料）的磁性材料）线圈线圈磁动势
6、磁动势四、磁路的基本定律四、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
7、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#4-1了解了解四、磁路的基本定律四、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尔霍夫定律定律基尔霍夫基
8、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#4-1安培环路定律（全电流律）：安培环路定律（全电流律）： 磁场中任何闭合回路磁场强度的线积分磁场中任何闭合回路磁场强度的线积分,等于通等于通过这个闭合路径内电流的代数和过这个闭合路径内电流的代数和.I1I2I3电流方向和磁场强度的方向电流方向和磁场强度的方向符合右手定则，电流取正；符合右
9、手定则，电流取正；否则取负。否则取负。 在无分支的均匀磁路在无分支的均匀磁路（磁路的材料和截面积相同，（磁路的材料和截面积相同，各处的磁场强度相等）中，安培环路定律可写成：各处的磁场强度相等）中，安培环路定律可写成：磁路磁路长度长度L线圈线圈匝数匝数NIHL：称为磁压降。称为磁压降。NI：称为磁动势。一般称为磁动势。一般 用用 F 表示。表示。F=NI总磁动势总磁动势 在非均匀磁路在非均匀磁路（磁路的材料或截面积不同，或磁场（磁路的材料或截面积不同，或磁场强度不等）中，强度不等）中，总磁动势等于各段磁压降之和。总磁动势等于各段磁压降之和。例：例：IN对于均匀磁路对于均匀磁路磁路中的磁路中的欧姆
10、定律欧姆定律 磁路的欧姆定律：磁路的欧姆定律：则：则：INSL注：由于磁性材料注：由于磁性材料 是非线性的，磁路欧姆定律多用作定性是非线性的，磁路欧姆定律多用作定性 分析，不做定量计算。分析，不做定量计算。令：令：Rm 称为磁阻称为磁阻4-1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
11、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. #磁路和电路的比较（一）磁路和电路的比较（一）磁磁路路电电路路磁通磁通INR+_EI磁压降磁压降磁动势磁动势电动势电动势电流电流电压降电压降U#基本定律基本定律 磁阻磁阻磁感应磁感应强度强度安培环路安培环路定律定律磁磁 路路IN欧姆定律欧姆定律电阻电阻电流电流强度强度克氏克氏电压定律电压定律克氏克氏电流定律电流定律磁路与电路的比较磁路与电路的比较 (二二)电电 路路R+_EI#关于磁滞关于磁滞 当当外外电场电场H 值作正负变化使铁磁材料反复磁化过程中，值作正负变化使铁磁材料反复磁化过程
12、中， 的变化总是落后于的变化总是落后于i 的变化。铁磁材料反复磁化后，得到近似的变化。铁磁材料反复磁化后，得到近似对称原点的闭合曲线，叫对称原点的闭合曲线，叫磁滞回线磁滞回线。不同的磁性材料，其磁滞回线形状不同不同的磁性材料，其磁滞回线形状不同ii软磁软磁材料材料i硬磁硬磁材料材料#第二节第二节 交流铁芯线圈交流铁芯线圈4-2第二节第二节 交流铁芯线圈交流铁芯线圈4-2一、交流铁心线圈的损耗一、交流铁心线圈的损耗P = PCU + Ph + Pe总总损耗损耗铜损铜损涡流损耗涡流损耗铁损铁损磁滞损耗磁滞损耗铜损铜损PCU 线圈电阻上的损耗线圈电阻上的损耗 PCU =I 2R磁滞损耗磁滞损耗其大小
13、与铁心材料反复磁化后的磁滞回线面积成正比其大小与铁心材料反复磁化后的磁滞回线面积成正比涡流损耗涡流损耗交变磁通穿过铁心时，铁心既导磁又导电交变磁通穿过铁心时，铁心既导磁又导电 ，因铁心在，因铁心在交变磁通作用下产生感应电动势，交变磁通作用下产生感应电动势， 从而在垂直于磁从而在垂直于磁通方向的铁心平面内产生旋涡状的感应电流，叫涡流。通方向的铁心平面内产生旋涡状的感应电流，叫涡流。涡流在铁心内电阻上产生的损耗称涡流在铁心内电阻上产生的损耗称涡流损耗涡流损耗。减小涡流损耗的办法减小涡流损耗的办法增大涡流通路的电阻即用薄的材料叠成铁心增大涡流通路的电阻即用薄的材料叠成铁心减小磁滞损耗的办法减小磁滞损
14、耗的办法铁心尽量采用软磁材料铁心尽量采用软磁材料#4-2二、电压平衡方程式二、电压平衡方程式iNL交流铁心线圈交流铁心线圈大部分经铁心闭合大部分经铁心闭合线圈中线圈中磁通磁通产生产生ee主主磁通磁通少少部分经空气闭合部分经空气闭合 产生产生eL漏漏磁通磁通eLu线圈电阻上压降为线圈电阻上压降为 iR根据根据KVL得：得：或或电压平衡方程式电压平衡方程式#4-2二、电压平衡方程式二、电压平衡方程式有效值有效值忽略了漏磁感应电动势忽略了漏磁感应电动势 和线圈内阻压降和线圈内阻压降 后，方程变为：后，方程变为：或或重要结论重要结论外加电压不变时，交流铁心线圈的铁心内主磁通最大值几外加电压不变时，交流
15、铁心线圈的铁心内主磁通最大值几乎是不变的。这是分析变压器和交流电动机时的重要概念。乎是不变的。这是分析变压器和交流电动机时的重要概念。一、变压器的用途、构造和分类一、变压器的用途、构造和分类变压器是基于电磁感应原理而制成的静止的电器设备变压器是基于电磁感应原理而制成的静止的电器设备用途用途变变电压，变电流，变阻抗电压，变电流，变阻抗构造构造心式和壳式心式和壳式两种两种心式变压器心式变压器壳式变压器壳式变压器分类分类单相，三相，多相；单相，三相，多相； 升压，降压；升压，降压；仪用电压、电流互感器；仪用电压、电流互感器；焊接变压器，自藕变压器。焊接变压器，自藕变压器。#有两个绕组有两个绕组也有两
16、个绕组也有两个绕组 第三节第三节 变压器的基本结构和工作原理变压器的基本结构和工作原理4-3二、变压器的工作原理二、变压器的工作原理原边绕组原边绕组N1名词介绍名词介绍幅边绕组幅边绕组N2一次绕组一次绕组N1二次绕组二次绕组N2一次侧一次侧二次侧二次侧均指均指电源侧电源侧 均指均指负载侧负载侧什么是什么是变压器任载运行？变压器任载运行？什么是什么是变压器空载运行？变压器空载运行？uuZ2Z2s 一次侧接电源一次侧接电源二次侧负载开路二次侧负载开路 一次侧接电源一次侧接电源 二次侧接负载二次侧接负载4-3二、变压器的工作原理二、变压器的工作原理变压器空载运行变压器空载运行uZ2sI0空载电流空载
17、电流U1U20此时的变压器相当此时的变压器相当 于交流铁心线圈于交流铁心线圈变比变比二次侧额定电压二次侧额定电压空载运行的结论：空载运行的结论：原幅边原幅边之比等于原幅边匝数之比，等于常数之比等于原幅边匝数之比，等于常数 k k这这就就是是变变压压器器的的变变电电压压作作用用uZ2变压器任载运行变压器任载运行U1I1U2I2两边绕组中通过的磁通是相同的两边绕组中通过的磁通是相同的4-3只要只要U1不变，主磁通就不应该变，所以有：不变，主磁通就不应该变，所以有：磁动势平衡方程式磁动势平衡方程式有载时有载时原边磁动势原边磁动势 分为两部分分为两部分1. 产生主磁通产生主磁通 （励磁分量）（励磁分量
18、）I02. 用来补偿用来补偿I2N2（负载分量负载分量I2）, 又称又称去磁去磁一般一般 I0 很小，小型变压器只有很小，小型变压器只有2 3%，大的不过，大的不过10%，当当略去略去I0N1 后有：后有：变变电流作用电流作用任载运行结论：任载运行结论：变变电流作用电流作用任载后，电压比是否还等于变比任载后，电压比是否还等于变比 k ?变变电压作用电压作用还有一个作用是变阻抗还有一个作用是变阻抗幅边幅边 Z2原边原边Z1变变阻抗作用阻抗作用或或4-3二、变压器的工作原理二、变压器的工作原理空载运行结论：空载运行结论：任载运行结论：任载运行结论：变变电流作用电流作用变变电压作用电压作用变变阻抗作
19、用阻抗作用或或总结总结三三. 额定额定值值一般变压器的额定值在其名牌上给出。一般变压器的额定值在其名牌上给出。额定额定电压电压额定额定电流电流额定额定容量容量额定额定频率频率一次额定电压一次额定电压U1N正常时一次绕组所加电压的有效值。正常时一次绕组所加电压的有效值。二次额定电压二次额定电压U2N一次电压为一次电压为U1N时，变压器空载时对应二次时，变压器空载时对应二次侧的空载电压有效值，即侧的空载电压有效值，即U20= U2N一次额定电流一次额定电流I1N一次绕组加额定电压，正常工作时一次绕组一次绕组加额定电压，正常工作时一次绕组允许长期通过的最大电流有效值。允许长期通过的最大电流有效值。二
20、次额定电流二次额定电流I2N一次绕组加额定电压，正常工作时二次绕组一次绕组加额定电压，正常工作时二次绕组允许长期通过的最大电流有效值。允许长期通过的最大电流有效值。指二次侧的指二次侧的输出额定视在功率输出额定视在功率 即：即：额定频率额定频率50HZ4-3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： 一、变压器的损耗和效率一、变压器的损耗和效率4-4变压器损耗变压器损耗 p 分铁损分铁损 pFe 和
21、和铜损铜损 pCu 1. 铁损铁损是交变的主磁通在铁心中产生磁滞损耗是交变的主磁通在铁心中产生磁滞损耗ph和涡流损耗和涡流损耗pe之和之和又又称为固定损耗称为固定损耗2. 铜损铜损又又称为可变损耗称为可变损耗变压器一次侧、二次侧均有电阻，当有电流通过时，产生损耗变压器一次侧、二次侧均有电阻，当有电流通过时，产生损耗3. 效率效率一次侧输入功率一次侧输入功率p1 ，二次侧，二次侧输出功率输出功率p2 ，效率为效率为p = pFe +pCu小型变压器的效率为小型变压器的效率为7085%，大型变压器效率可达，大型变压器效率可达98% 第四节第四节 变压器的效率和特性变压器的效率和特性2. 外特性外特
22、性电压保持不变，变压器任载后，由电压保持不变，变压器任载后，由于一、二次侧均有电流通过，必然于一、二次侧均有电流通过，必然在一次侧、二次侧内阻抗上产生电在一次侧、二次侧内阻抗上产生电压降，从而使二次电压随负载电流压降，从而使二次电压随负载电流增加变小。称增加变小。称曲线曲线为变压器的为变压器的外外特性。特性。变压器外特性变压器外特性电压调整率电压调整率满载时电压满载时电压空载电压空载电压一般在一般在5%以内以内4-4 第四节第四节 变压器的效率和特性变压器的效率和特性 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
23、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，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* 第五节第五节 变压器的同名端变压器的同名端AXax*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*220V：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*1
24、324110V：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：问题问题2：如果两绕组的极性端接错，结
25、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，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 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
26、 与与 a 是同是同 极性端极性端；结论：结论：方法二：直流法方法二：直流法mA表表+_AXaxK+-*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：内容详见内容详见电工学电工学P80-82 第六节第六节 三相电力变压器三相电力变压器 7.1 自耦变压器自耦变压器ABP 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
27、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。 第七节第七节 特殊变压器特殊变压器7.2 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
28、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/N27.3 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：右
29、手螺旋定则、左手定则、右手定则右手螺旋定则、左手定则、右手定则右手螺旋定则判断磁场方向 1、右手四指握导线，当大拇指方向与导线电流方向一致时，其余四指所指的方向，就是导线周围磁场的方向。 2、右手四指握线圈，弯曲的四指指向线圈电流方向，则大拇指指的方向，即为线圈的磁场方向。左手定则判断电磁力的方向 平伸左手，拇指与其余四指在同一平面内相互垂直，手心对磁场北极，四指指向电流方向时，则拇指所指的方向，就是磁场对通电导体作用力（电磁力）的方向。右手定则判定感应电动势的方向 平伸右手，让拇指与其余四指在同一平面内相互垂直，手心对磁场北极，拇指指向导体运动方向，则其余四指的指向就是感应电动势（即感应电流）的方向。 第八章习题解答第八章习题解答铁心铁心线圈线圈衔铁衔铁直流电磁铁通电演示直流电磁铁通电演示返回返回衔铁的吸合应是瞬间完成衔铁的吸合应是瞬间完成#通电演示通电演示铁心铁心线圈线圈衔铁衔铁返回返回返回返回返回返回箱式变压器箱式变压器-简称：箱简称：箱变变
