工科大學(xué)電工課程Unit 7 磁路與變壓器

1、第七章磁路與變壓器第七章第七章 磁路與變壓器磁路與變壓器7.1 磁路磁路7.2 變壓器的工作原理變壓器的工作原理7.3 變壓器的使用變壓器的使用7.4 特殊變壓器簡介特殊變壓器簡介磁路：主磁通所經(jīng)過的閉合路徑。磁路：主磁通所經(jīng)過的閉合路徑。1u2uis7.1 磁路磁路7.1.1. 磁路的基本概念磁路的基本概念 線圈通入電流后，產(chǎn)線圈通入電流后，產(chǎn)生磁通，分主磁通和漏生磁通，分主磁通和漏磁通。磁通。s：主磁通主磁通：漏磁通漏磁通鐵心鐵心（導(dǎo)磁性能好（導(dǎo)磁性能好 的磁性材料）的磁性材料）線圈線圈7.1.2 磁路計算中的基本物理量磁路計算中的基本物理量一、磁感應(yīng)強度一、磁感應(yīng)強度 （磁通密度）（磁通

2、密度）與磁場方向相垂直的單位面積上通過的磁通（磁與磁場方向相垂直的單位面積上通過的磁通（磁力線）力線）SB單位：韋伯單位：韋伯1 Tesla = 104 高斯高斯B 的單位：特斯拉（的單位：特斯拉（Tesla）二、磁導(dǎo)率二、磁導(dǎo)率：表征各種材料導(dǎo)磁能力的物理量：表征各種材料導(dǎo)磁能力的物理量（亨（亨/米）米）70104 真空中的磁導(dǎo)率真空中的磁導(dǎo)率( )為常數(shù)為常數(shù)0一般材料的磁導(dǎo)率一般材料的磁導(dǎo)率 和真空中的磁導(dǎo)率之比，和真空中的磁導(dǎo)率之比，稱為這種材料的相對磁導(dǎo)率稱為這種材料的相對磁導(dǎo)率r0r1r，則稱為磁性材料，則稱為磁性材料，則稱為非磁性材料，則稱為非磁性材料 磁性材料的磁性能：磁性材料

3、的磁性能： 1. 非線性非線性大大小小BH)(I) 2. 磁飽和性磁飽和性HBBH 3. 磁滯性磁滯性 根據(jù)磁性能，磁性材料又可分為三種：軟磁材料（磁根據(jù)磁性能，磁性材料又可分為三種：軟磁材料（磁滯回線窄長。常用做磁頭、磁心等）、永磁材料（磁滯回線窄長。常用做磁頭、磁心等）、永磁材料（磁滯回線寬。常用做永久磁鐵）、矩磁材料（滯回滯回線寬。常用做永久磁鐵）、矩磁材料（滯回 線接近矩形?？捎米鲇洃浽?。線接近矩形。可用做記憶元件）。三、磁場強度三、磁場強度 H 磁場強度是計算磁場所用的物理量，其大小為磁磁場強度是計算磁場所用的物理量，其大小為磁感應(yīng)強度和導(dǎo)磁率之比。感應(yīng)強度和導(dǎo)磁率之比。BH 單

4、位：單位：B ：特斯拉：特斯拉：亨：亨/米米H：安：安/米米一、安培環(huán)路定律（全電流律）一、安培環(huán)路定律（全電流律）7.1.3 磁路的基本定律磁路的基本定律 磁場中任何閉合回路磁場強度的線積分，等于磁場中任何閉合回路磁場強度的線積分，等于通過這個閉合路徑內(nèi)電流的代數(shù)和。通過這個閉合路徑內(nèi)電流的代數(shù)和。HI1I2I3IlHd電流方向和磁場強度的方向電流方向和磁場強度的方向符合右手定則，電流取正；符合右手定則，電流取正；否則取負。否則取負。HLNI 在無分支的均勻磁路在無分支的均勻磁路（磁路的材料和截面積相同，（磁路的材料和截面積相同，各處的磁場強度相等）中，安培環(huán)路定律可寫成：各處的磁場強度相等

5、）中，安培環(huán)路定律可寫成：磁路磁路長度長度L線圈線圈匝數(shù)匝數(shù)NIHL：稱為磁壓降。稱為磁壓降。NI：稱為磁動勢。一般稱為磁動勢。一般 用用 F 表示。表示。F=NI總磁動勢總磁動勢 在非均勻磁路在非均勻磁路（磁路的材料或截面積不同，或磁場（磁路的材料或截面積不同，或磁場強度不等）中，強度不等）中，總磁動勢等于各段磁壓降之和?？偞艅觿莸扔诟鞫未艍航抵?。例：例：INl0l對于均勻磁路對于均勻磁路 LSLBHLNI磁路中的磁路中的歐姆定律歐姆定律二、磁路的歐姆律：二、磁路的歐姆律：則：則： mRLSNIFINSL注：由于磁性材料注：由于磁性材料 是非線性的，磁路歐姆定律多用作定性是非線性的，磁路歐

6、姆定律多用作定性 分析，不做定量計算。分析，不做定量計算。slRm令：令：Rm 稱為磁阻稱為磁阻磁路和電路的比較（一）磁路和電路的比較（一）磁磁路路電電路路磁通磁通INR+_EI磁壓降磁壓降HL磁動勢磁動勢INF 電動勢電動勢電流電流電壓降電壓降UEIU基本定律基本定律mRF 磁阻磁阻SlRm磁感應(yīng)磁感應(yīng)強度強度SB 安培環(huán)路安培環(huán)路定律定律HLNI0磁磁 路路IN歐姆定律歐姆定律電阻電阻電流電流強度強度克氏克氏電壓定律電壓定律克氏克氏電流定律電流定律0IUEREI SlRSIJ磁路與電路的比較磁路與電路的比較 (二二)電電 路路R+_EI勵磁電流：勵磁電流：在磁路中用來產(chǎn)生磁通的電流在磁路中

7、用來產(chǎn)生磁通的電流勵磁電流勵磁電流直流直流 - 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7.1.4 磁路的分析磁路的分析RUI IU一、直流磁路的分析一、直流磁路的分析直流磁路的特點直流磁路的特點:直流磁路和電路中的恒壓源類似直流磁路和電路中的恒壓源類似直流電路中直流電路中REI E 固定固定I 隨隨 R 變化變化mR隨隨 變化變化 直流磁路中直流磁路中mRF F 固定固定 U一定一定I一定一定磁動勢磁動勢 F=IN 一定一定)(mRF 磁通和磁通成反比磁通和磁通成反比（線圈中沒有反電動勢）（線圈中沒有反電動勢）（R 為線圈的電阻）為線圈

8、的電阻）電路方程：電路方程：tNRieeuulRdd)()(一般情況下一般情況下 很小很小RutNudd交流激勵交流激勵 線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢二、交流磁路的分析二、交流磁路的分析：主磁通：主磁通：漏磁通：漏磁通uLeei的感應(yīng)電勢的感應(yīng)電勢 和和 產(chǎn)生產(chǎn)生假設(shè)假設(shè)tmsin則則tfNtNummcos2cos最大值最大值mmfNU2有效值有效值mmfNUU44.42tNudduLeeimNfU44.4uLeeimRIN m一定時磁動勢一定時磁動勢IN隨磁阻隨磁阻 的變化而變化。的變化而變化。mR當(dāng)外加電壓當(dāng)外加電壓U、頻率、頻率 f 與與線圈匝數(shù)線圈匝數(shù)N一定時，一定時， 便便確

9、定下來。根據(jù)磁路歐姆確定下來。根據(jù)磁路歐姆定律定律 ，當(dāng)，當(dāng) m 交流磁路的特點交流磁路的特點:交流磁路和電路中的恒流源類似交流磁路和電路中的恒流源類似直流磁路中：直流磁路中：mRF 固定固定mRF隨隨 變化變化直流電路中：直流電路中：RIUS IS固定固定U 隨隨 R 變化變化交流磁路中磁阻交流磁路中磁阻 對電流的影響對電流的影響mR電磁鐵吸合過程的分析：電磁鐵吸合過程的分析： 在吸合過程中若外加電壓在吸合過程中若外加電壓不變不變, 則則 基本不變?；静蛔?。iumRmRIN 電磁鐵吸合前電磁鐵吸合前(氣隙大）氣隙大） 大大 起動電流大起動電流大 電磁鐵吸合后電磁鐵吸合后(氣隙?。庀缎。?

10、小小 電流小電流小mR 如果氣隙中有異物卡住，電磁鐵長時間吸不上，線如果氣隙中有異物卡住，電磁鐵長時間吸不上，線圈中的電流一直很大，將會導(dǎo)致過熱，把線圈燒壞。圈中的電流一直很大，將會導(dǎo)致過熱，把線圈燒壞。 注意：注意：RUI (U不變，不變，I不變）不變）mRIN mRIN ( I 隨隨 Rm 變化）變化）fNUm44. 4m（ U不變時，不變時， 基本不變基本不變）直流磁路直流磁路交流磁路交流磁路磁路磁路小結(jié)小結(jié)（隨隨Rm變化）變化）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）

11、 變電流：變電流：電流互感器電流互感器 7.2 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1u2uLR1i2i鐵芯鐵芯原邊原邊繞組繞組副邊副邊繞組繞組一、變壓器的基本結(jié)構(gòu)一、變壓器的基本結(jié)構(gòu)1u2uLR1i2i1u1i2u2iLR變壓器符號：變壓器符號：2211iuiu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1u 原邊電流原邊電流

12、 i1等等 于勵于勵 磁電流磁電流 i10 tNetNedd dd2211 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 i10 產(chǎn)生磁通產(chǎn)生磁通 （交變）（交變）（ 方向符合右手定則）方向符合右手定則）、e1u2e1i1e1N2N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。KNNEEUU212121K為為變比變比10i1u20u2i1e2e原、副邊電壓關(guān)系原、副邊電壓關(guān)系mmNfENfE221144. 444. 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：202uu 02i時時 （變電壓）（變電壓）2. 負載運行負載運行1u2e1i1

13、e1N2NZ2i 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(dāng)外加電壓、但當(dāng)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 。帶負載后磁動帶負載后磁動勢的平衡關(guān)系為：勢的平衡關(guān)系為：)44. 4(11mNfU NiNiNi102211KNNII11221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

14、反比1102211NiNiNi 由于變壓器鐵芯材料的導(dǎo)磁率高、空載勵磁電流由于變壓器鐵芯材料的導(dǎo)磁率高、空載勵磁電流 很小，可忽略很小，可忽略 。即：。即：02211NINI)(10i原、副邊電流關(guān)系原、副邊電流關(guān)系 （變電流）（變電流）2211NINI （變阻抗）（變阻抗）1i1u2u2iLR1N2N原、副邊阻抗關(guān)系原、副邊阻抗關(guān)系LLRKR222IURL從原邊等效：從原邊等效：22222211KRKIUKIKUIURLL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：揚聲器上如何得到最大輸出

15、功率。揚聲器上如何得到最大輸出功率。i1uRsRL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 . 181085022LLSRRRUpL1i1u2u2iLR1N2NRs（2）將負載通過變壓器接到信號源上。）將負載通過變壓器接到信號源上。輸出功率為：輸出功率為：W25. 698981005022LLSLRRRUp設(shè)變比

16、設(shè)變比 1:5 . 321NNK9885 . 32LR則：則：結(jié)論：結(jié)論：由此例可見加入變壓器以后，輸出功率提高了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。NNUU21 、 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。NNII21 額定容量額定容量 傳送功率的最

17、大能力。傳送功率的最大能力。NSNNNNNIUIUS2211（理想）（理想）7.3.1 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） 7.3 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)NNNIUS11容量：容量：21PP 原邊輸入功率：原邊輸入功率：cos222IUP 輸出功率：輸出功率： 7.3.2 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(dǎo)磁材料一般由一片片導(dǎo)

18、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(dǎo)線電阻所致。繞組導(dǎo)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( )：PFE1112PPPPPPFECU7.3.3 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：)(22IfU U2I2U20U20：原邊加額定電壓、：原邊加額定電壓、副邊開路時，副邊

19、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(dāng)電流流入兩個線圈當(dāng)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）?；蛘哒f，當(dāng)鐵芯中磁通變化（增大或減小）時，在兩線圈中說，當(dāng)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)AXax*7.3.4 變壓器繞組極性及連接方法變壓器繞組極

20、性及連接方法AXax*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 3110V： 聯(lián)結(jié)聯(lián)結(jié) 1 3，2 4線圈的接法線圈的接法1324*220V：聯(lián)結(jié)：聯(lián)結(jié) 2 3mNfU)2(44. 4220勵磁勵磁mNi210NfUm244. 4220兩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*1324NN10i220U110V：聯(lián)結(jié)：聯(lián)結(jié) 1 3，2 4NfUm244. 4220mNfU)(44. 4110NfUm44.41101,32,4220V：聯(lián)結(jié)：聯(lián)結(jié) 2 31324*110U10i說明：兩種接法下說明：兩種接法下 不變，不

21、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mNi10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：*1324NN220i220U1,32,4110iN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： Ni2220Ni11021110220ii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

22、：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。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11Rui 1111eRiu原因：原因：*1324NN10i220U 方法一：交流法方法一：交流法AXaxu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。 axAXAaUUU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 。AaaxAXUUU、測量：測

23、量：axAXAaUUU 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+_AXaxK+-*AXax+_K2e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(dāng)如果當(dāng) 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(dāng)如果當(dāng) 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)計變壓器設(shè)計中的一些概念中的一些概念(1)11IUSN1U一定一定額定容量額定容量定鐵芯窗口定鐵芯窗口定導(dǎo)線直徑定導(dǎo)線直徑1I定定定定mN1UIS mfNU1144. 4則則 （銅多、鐵少）（銅多、鐵少）mN則則 （銅少、鐵多）（銅少、鐵多）mN( , 一定時一定時, )SBBS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)