磁路與鐵心線圈電路(修改版)

1、 在很多電工設(shè)備（像變壓器、電機、電磁鐵電在很多電工設(shè)備（像變壓器、電機、電磁鐵電 工測量儀器等）中，不僅有電路的問題，同時還有工測量儀器等）中，不僅有電路的問題，同時還有 磁路的問題。只有同時掌握了電路和磁路的基本理磁路的問題。只有同時掌握了電路和磁路的基本理 論，才能對以上電工設(shè)備進行全面分析。論，才能對以上電工設(shè)備進行全面分析。 本章結(jié)合磁路和鐵心線圈電路的分析，討論變本章結(jié)合磁路和鐵心線圈電路的分析，討論變 壓器和電磁鐵的工作原理，作為應(yīng)用實例。壓器和電磁鐵的工作原理，作為應(yīng)用實例。 磁路和電路往往是相關(guān)的，因此在這里要研究磁路和電路往往是相關(guān)的，因此在這里要研究 磁路和電路的關(guān)系以及

2、磁和電的關(guān)系。磁路和電路的關(guān)系以及磁和電的關(guān)系。 HB lH d IlH d l IN H 或或 H/m104 7 0 HB m H m s mA sV mA mWb / / 2 位的單 0 r 0 B B H H 0 l S lHlNI B IlH d mR F S l NI mR F S l R m S l NI R F m S l R S l E R E I nn2211lHlHlHNI n i iil HNI 1 ,lH,lH2211 n n S BB S B , . , S , 2 2 1 1 n i iil HNI 1 A 513 300 4509000 . . N Hl I A

3、390 300 450260 . . N Hl I A/m102.7 104 9.0 5 7 0 0 0 B H cm 390.2- 2391 .ll cm 239 2 1510 .l A 144010201027 25 0 .H A 1951039500 2 11 lH A 16351951440110 lHHNI 1635 1 1635 I NI N u (Ni)i d d t Ne t Ne d d （磁通勢）（磁通勢） t i L d d 常常數(shù)數(shù) i N L eeRi u )( d d e t i LRi )()( EEIRU )(j EIXIR t, sin m )sin( d d

4、 d d m t t N t Ne tN cos m )90t(sin2 m fN)90(sin m tE m mm 444 2 2 2 fN. fNE E EU (V) 444444 mm SfNB.fN.EU )(j EIXIRU Fe 2 cosPRIUIP 1140 4220 100 cos. UI P 55 4 220 I U Z 0R I P RRR 25. 6 4 100 22 0 0 222 2 0 X 6 . 54 25. 655RXXX Z 2 cm 527910230.S 300 105272150444 220 444 4 m .SfB. U N A1 3002 106

5、0700 2 2 N lH I m 變壓器功能：變壓器功能： 變電壓：變電壓：電力系統(tǒng)電力系統(tǒng) 變阻抗：變阻抗：電子電路中的阻抗匹配電子電路中的阻抗匹配 （如喇叭的輸出變壓器）（如喇叭的輸出變壓器） 變電流：變電流：電流互感器電流互感器 6.2 變壓器的工作原理變壓器的工作原理 發(fā)電廠發(fā)電廠 1.05萬伏萬伏 輸電線輸電線 22萬伏萬伏 升壓升壓 變電站變電站 1萬伏萬伏 降壓降壓 變壓器應(yīng)用舉例 降壓降壓 實驗室實驗室 380 / 220伏伏 降壓降壓 儀器儀器 36伏伏 降壓降壓 單相變壓器單相變壓器 1 u 2 u L R 1 i 2 i 鐵芯鐵芯 原邊原邊 繞組繞組 副邊副邊 繞組繞組

6、 一、變壓器的基本結(jié)構(gòu)一、變壓器的基本結(jié)構(gòu) 1 u 2 u L R 1 i 2 i 1 u 1 i 2 u 2 i L R 變壓器符號：變壓器符號： 22 11 iu iu 工作過程：工作過程： 1. 空載運行空載運行 原邊接入電源，副邊開路。原邊接入電源，副邊開路。 接上接上交流電源交流電源 1 u 原邊電流原邊電流 i1等等 于勵于勵 磁電流磁電流 i10 dt d Ne dt d Ne 2211 產(chǎn)生感應(yīng)電動勢產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 二、變壓器的工作原理二、變壓器的工作原理 1 u 2 e 1 i 1 e 1 N 2 N i10 產(chǎn)生磁通產(chǎn)生磁通 （交變）（交變） （ 方向符合右手定則）方向符合

7、右手定則）、e 結(jié)論：改變匝數(shù)比，就能改變輸出電壓。結(jié)論：改變匝數(shù)比，就能改變輸出電壓。 K N N E E U U 2 1 2 1 2 1 K為變比為變比 10 i 1 u 20 u 2 i 1 e 2 e 原、副邊電壓關(guān)系原、副邊電壓關(guān)系 m m NfE NfE 22 11 44. 4 44. 4 根據(jù)交流磁路的分析根據(jù)交流磁路的分析 可得：可得： 202 uu 0 2 i 時時 （變電壓）（變電壓） 2. 負載運行負載運行 1 u 2 e 1 i 1 e 1 N 2 N Z 2 i 副邊帶負載后對磁路的副邊帶負載后對磁路的 影響：在副邊感應(yīng)電壓的影響：在副邊感應(yīng)電壓的 作用下，副邊線圈中

8、有了作用下，副邊線圈中有了 電流電流 i2 。此電流在磁路中此電流在磁路中 也會產(chǎn)生磁通，從而影響原邊電流也會產(chǎn)生磁通，從而影響原邊電流 i1。但當外加電壓、但當外加電壓、 頻率不變時，鐵芯中主磁通的最大值在變壓器空載或頻率不變時，鐵芯中主磁通的最大值在變壓器空載或 有負載時基本不變有負載時基本不變 。 帶負載后帶負載后 磁動勢的平衡關(guān)系為：磁動勢的平衡關(guān)系為： )44. 4( 11m NfU NiNiNi 102211 KN N I I1 1 2 2 1 結(jié)論：原、副邊電流與匝數(shù)成反比結(jié)論：原、副邊電流與匝數(shù)成反比 1102211 NiNiNi 由于變壓器鐵芯材料的導磁率高、空載勵磁電流由于

9、變壓器鐵芯材料的導磁率高、空載勵磁電流 很小，可忽略很小，可忽略 。即：。即：0 2211 NINI )( 10 i 原、副邊電流關(guān)系原、副邊電流關(guān)系 （變電流）（變電流） 2211 NINI （變阻抗）（變阻抗） 1 i 1 u 2 u 2 i | Z 1 N 2 N 原、副邊阻抗關(guān)系原、副邊阻抗關(guān)系 | 2 ZK Z 2 2 | I U Z 從原邊等效：從原邊等效： 22 2 2 2 2 1 1 |KZK I U K I KU I U Z 結(jié)論：變壓器原邊的等效負載，為副邊所帶負載乘以結(jié)論：變壓器原邊的等效負載，為副邊所帶負載乘以 變比的平方。變比的平方。 阻抗變換舉例：阻抗變換舉例：揚聲

10、器上如何得到最大輸出功率。揚聲器上如何得到最大輸出功率。 i 1 u Rs RL 信號源信號源 設(shè)：設(shè)：信號電壓的有效值信號電壓的有效值: U1= 50V; 信號內(nèi)阻：信號內(nèi)阻： Rs=100 ; 負載為揚聲器，其等負載為揚聲器，其等 效電阻：效電阻：RL=8 。 求：負載上得到的功率求：負載上得到的功率 解：解：（1）將負載直接接到信號源上）將負載直接接到信號源上，得到的輸出功，得到的輸出功 率為：率為： W)(7 . 18 108 50 2 2 L LS R RR U p L 1 i 1 u 2 u 2 i L R 1 N 2 N Rs （2）將負載通過變壓器接到信號源上。）將負載通過變壓

11、器接到信號源上。 輸出功率為：輸出功率為： W25. 698 98100 50 2 2 L LS L R RR U p 設(shè)變比設(shè)變比 1:5 . 3 2 1 N N K 9885 . 3 2 L R 則：則： 結(jié)論：由此例可見加入變壓器以后，輸出功率提高了結(jié)論：由此例可見加入變壓器以后，輸出功率提高了 很多。原因是滿足了電路中獲得最大輸出的條很多。原因是滿足了電路中獲得最大輸出的條 件（信號源內(nèi)、外阻抗差不多相等）。件（信號源內(nèi)、外阻抗差不多相等）。 額定電壓額定電壓 變壓器副邊開路（空載）時，原、副邊繞組允變壓器副邊開路（空載）時，原、副邊繞組允 許的電壓值。許的電壓值。 NN UU 21

12、、 額定電流額定電流 變壓器滿載運行時，原、副邊繞組允許的電流值。變壓器滿載運行時，原、副邊繞組允許的電流值。 NN II 21 額定容量額定容量 傳送功率的最大能力。傳送功率的最大能力。 N S NNNNN IUIUS 2211 （理想）（理想） 6.3.1 變壓器的銘牌數(shù)據(jù)變壓器的銘牌數(shù)據(jù)（以單相變壓器為例）（以單相變壓器為例） 6.3 變壓器的使用變壓器的使用 容量容量 SN 輸出功率輸出功率 P2 原邊輸入功率原邊輸入功率 P1 輸出功率輸出功率 P2 注意：變壓器幾個功率的關(guān)系注意：變壓器幾個功率的關(guān)系 效率效率 變壓器功變壓器功 率因數(shù)率因數(shù) NNN IUS 22 容量：容量： 2

13、 1 P P 原邊輸入功率：原邊輸入功率： cos 222 IUP 輸出功率：輸出功率： 6.3.2 變壓器的效率變壓器的效率( ) 為防止渦流損失，鐵芯為防止渦流損失，鐵芯 一般由一片片導磁材料一般由一片片導磁材料 疊合而成。疊合而成。 變壓器的損耗包括兩部分：變壓器的損耗包括兩部分： 銅損銅損 (PCU) ：繞組導線電阻所致。繞組導線電阻所致。 磁滯損失：磁滯現(xiàn)象引起鐵芯發(fā)熱，磁滯損失：磁滯現(xiàn)象引起鐵芯發(fā)熱， 造成的損失。造成的損失。 渦流損失：交變磁通在鐵芯中產(chǎn)生渦流損失：交變磁通在鐵芯中產(chǎn)生 的感應(yīng)電流（渦流），的感應(yīng)電流（渦流）， 造成的損失。造成的損失。 鐵損鐵損( )：PFE 1

14、 1 1 2 P PPP P P FECU 6.3.3 變壓器的外特性變壓器的外特性 副邊輸出電壓和輸出電流的關(guān)系。即：副邊輸出電壓和輸出電流的關(guān)系。即： )( 22 IfU U2 I2 U20 U20：原邊加額定電壓、：原邊加額定電壓、 副邊開路時，副邊的輸副邊開路時，副邊的輸 出電壓。出電壓。 一般供電系統(tǒng)希望要硬特性（隨一般供電系統(tǒng)希望要硬特性（隨I2的變化，的變化，U2 變化不多）變化不多） 當電流流入兩個線圈當電流流入兩個線圈(或流出）時，若產(chǎn)生的磁通方或流出）時，若產(chǎn)生的磁通方 向相同，則兩個流入端稱為同極性端（同名端）?；蛘呦蛳嗤?，則兩個流入端稱為同極性端（同名端）?；蛘?說，當

15、鐵芯中磁通變化（增大或減小）時，在兩線圈中說，當鐵芯中磁通變化（增大或減?。r，在兩線圈中 產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢極性相同的兩端為同極性端。產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢極性相同的兩端為同極性端。 同極性端同極性端(同名端同名端) A X a x * * 6.3.4 變壓器繞組極性及連接方法變壓器繞組極性及連接方法 A X a x * * 電器使用時兩種電壓（電器使用時兩種電壓（220V/110V）的切換：）的切換： 220V： 聯(lián)結(jié)聯(lián)結(jié) 2 3 110V： 聯(lián)結(jié)聯(lián)結(jié) 1 3，2 4 線圈的接法線圈的接法 1 3 2 4 * * 220V：聯(lián)結(jié)：聯(lián)結(jié) 2 3 m NfU)2(44. 4 220 勵磁勵磁 m Ni

16、2 10 Nf U m 244. 4 220 兩種接法下線圈工作情況的分析兩種接法下線圈工作情況的分析 * * 1 3 2 4 N N 10 i 220 U 110V：聯(lián)結(jié)：聯(lián)結(jié) 1 3，2 4 Nf U m 244. 4 220 m NfU)(44. 4 110 Nf U m 44.4 110 1,3 2,4 220V：聯(lián)結(jié)：聯(lián)結(jié) 2 3 1 3 2 4 * * 110 U 10 i 說明：兩種接法下說明：兩種接法下 不變，不變， 所以鐵芯磁路的設(shè)計相同所以鐵芯磁路的設(shè)計相同 m 勵磁勵磁 m Ni 10 問題問題1：在在110V 情況下，如果只用一個繞組（情況下，如果只用一個繞組（N），行

17、不行？），行不行？ 答：答：不行（兩繞組必須并繞）不行（兩繞組必須并繞） 原邊有兩個相同繞組的電源變壓器（原邊有兩個相同繞組的電源變壓器（220 / 110），使），使 用中應(yīng)注意的問題：用中應(yīng)注意的問題： * * 1 3 2 4 N N 220 i 220 U 1,3 2,4 110 i N 若兩種接法鐵芯中的磁通相等，則：若兩種接法鐵芯中的磁通相等，則： Ni2 220 Ni 110 2 1 110 220 i i 問題問題2：如果兩繞組的極性端接錯，結(jié)果如何？如果兩繞組的極性端接錯，結(jié)果如何？ 結(jié)論：結(jié)論：在極性不明確時，一定要先測定極性再通電。在極性不明確時，一定要先測定極性再通電。

18、答：答：有可能燒毀變壓器有可能燒毀變壓器 兩個線圈中的磁通抵消兩個線圈中的磁通抵消 燒毀燒毀 感應(yīng)電勢感應(yīng)電勢0e 電流電流 很大很大 1 1 R u i 1111 eRiu 原因：原因： * * 1 3 2 4 N N 10 i 220 U 方法一：交流法方法一：交流法 A X a x u 同極性端的測定方法同極性端的測定方法 若若 說明說明 A 與與 a 或或 X 與與 x 為同為同 極性端。極性端。 axAXAa UUU 把兩個線圈的任意兩端把兩個線圈的任意兩端 (X - x)連連 接接,然后在然后在 AX 上加一小電壓上加一小電壓 u 。 AaaxAX UUU、測量：測量： axAXA

19、a UUU 若若 說明說明 A 與與 x 或或 X 與與 a 是同是同 極性端；極性端； 結(jié)論：結(jié)論： 方法二：直流法方法二：直流法 mA表表 + _ A X a x K + - * * A X a x + _ K 2 e 設(shè)設(shè)K閉合時閉合時 增加。增加。 感應(yīng)電動勢的方向，感應(yīng)電動勢的方向， 阻止阻止 的增加。的增加。 如果當如果當 K 閉合時，閉合時，mA 表正表正 偏，則偏，則 Aa 為同極性端為同極性端; 如果當如果當 K 閉合時，閉合時，mA 表反表反 偏，則偏，則 Ax 為同極性端為同極性端 結(jié)論：結(jié)論： 變壓器設(shè)計中的一些概念變壓器設(shè)計中的一些概念(1) 11I US N 1 U

20、一定一定 額定容量額定容量 定鐵芯窗口定鐵芯窗口定導線直徑定導線直徑 1 I 定定 定定 m N 1 UIS m fNU 11 44. 4 則則 （銅多、鐵少）（銅多、鐵少） m N 則則 （銅少、鐵多）（銅少、鐵多） m N ( , 一定時一定時, ) SB BS 在同樣變比情況下，匝數(shù)多好，還是少好？在同樣變比情況下，匝數(shù)多好，還是少好？ m fNU 11 44. 4 m （省銅）（省銅） N （費鐵）（費鐵） 截面積截面積 A A B 變壓器設(shè)計中的一些概念變壓器設(shè)計中的一些概念(2) 6.4.1 自耦變壓器自耦變壓器 KN N I I K N N U U 1 1 2 2 1 2 1 2

21、 1 A B P 1 u 2 u 1 i 2 i L R 1 N 2 N 6.4 特殊變壓器簡介特殊變壓器簡介 使用時，改變滑動端的位置，便可得到不同的使用時，改變滑動端的位置，便可得到不同的 輸出電壓。實驗室中用的調(diào)壓器就是根據(jù)此原理輸出電壓。實驗室中用的調(diào)壓器就是根據(jù)此原理 制作的。制作的。注意：原、副邊千萬不能對調(diào)使用，注意：原、副邊千萬不能對調(diào)使用，以以 防變壓器損壞。因為防變壓器損壞。因為N變小時，磁通增大，電流變小時，磁通增大，電流 會迅速增加。會迅速增加。 6.4.2 電壓互感器電壓互感器 用低量程的電壓表測高電壓用低量程的電壓表測高電壓 1. 副邊不能短路，以副邊不能短路，以 防產(chǎn)生過流；防產(chǎn)生過流； 2. 鐵心、低壓繞組的鐵心、低壓繞組的 一端接地，以防在一端接地，