第六章 磁路及變壓器

第6章

磁路與變壓器16.1磁場的基本知識(shí)6.1.1磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B:

表示磁場內(nèi)某點(diǎn)磁場強(qiáng)弱和方向的物理量。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向:

與電流的方向之間符合右手螺旋定則。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位:特斯拉(T)，1T=1Wb/m2

均勻磁場:各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等，方向相同的

磁場，也稱勻強(qiáng)磁場。26.1.2磁通磁通：穿過垂直于B方向的面積S中的磁力線總數(shù)。

說明:

如果不是均勻磁場，則取B的平均值。在均勻磁場中=BS或B=/S

磁感應(yīng)強(qiáng)度B在數(shù)值上可以看成為與磁場方向垂直的單位面積所通過的磁通,故又稱磁通密度。磁通的單位:韋[伯](Wb)1Wb=1V·s6.1.3磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度H：介質(zhì)中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與介質(zhì)磁導(dǎo)率之比。磁場強(qiáng)度H的單位：安培/米（A/m)3真空的磁導(dǎo)率為常數(shù)，用

0表示，有：6.1.4磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率：表示磁場媒質(zhì)磁性的物理量，衡量物質(zhì)的導(dǎo)磁能力。相對磁導(dǎo)率

r：

任一種物質(zhì)的磁導(dǎo)率和真空的磁導(dǎo)率0的比值。磁導(dǎo)率的單位：亨/米（H/m）46.1.5高導(dǎo)磁性磁性材料的磁導(dǎo)率通常都很高，即r1(如坡莫合金，其r可達(dá)2105)

。磁性材料能被強(qiáng)烈的磁化，具有很高的導(dǎo)磁性能。磁性材料主要指鐵、鎳、鈷及其合金等。磁性物質(zhì)的高導(dǎo)磁性被廣泛地應(yīng)用于電工設(shè)備中，如電機(jī)、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放有鐵心。磁性物質(zhì)的高導(dǎo)磁性被廣泛地應(yīng)用于電工設(shè)備中，如電機(jī)、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放有鐵心。在這種具有鐵心的線圈中通入不太大的勵(lì)磁電流，便可以產(chǎn)生較大的磁通和磁感應(yīng)強(qiáng)度。5磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場不會(huì)隨著外磁場的增強(qiáng)而無限的增強(qiáng)。6.1.6磁飽和性O(shè)HBB?a?b磁化曲線磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場不會(huì)隨著外磁場的增強(qiáng)而無限的增強(qiáng)。當(dāng)外磁場增大到一定程度時(shí)，磁性物質(zhì)的全部磁疇的磁場方向都轉(zhuǎn)向與外部磁場方向一致，磁化磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度將趨向某一定值。如圖。66.1.7磁滯性磁性材料在交變磁場中反復(fù)磁化，其B-H關(guān)系曲線是一條回形閉合曲線，稱為磁滯回線。磁滯性：磁性材料中磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化總是滯后于外磁場變化的性質(zhì)。磁滯回線OHB??Br剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br(剩磁)：

當(dāng)線圈中電流減小到零(H=0)時(shí)，鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。磁性物質(zhì)不同，其磁滯回線和磁化曲線也不同。76.2直流磁路及分析計(jì)算方法6.2.1磁路的概念在電機(jī)、變壓器及各種鐵磁元件中常用磁性材料做成一定形狀的鐵心。鐵心的磁導(dǎo)率比周圍空氣或其它物質(zhì)的磁導(dǎo)率高的多，磁通的絕大部分經(jīng)過鐵心形成閉合通路，磁通的閉合路徑稱為磁路。+–NIfNSS直流電機(jī)的磁路交流接觸器的磁路86.2.2磁路的歐姆定律磁路的歐姆定律是分析磁路的基本定律環(huán)形線圈如圖，其中媒質(zhì)是均勻的，磁導(dǎo)率為，試計(jì)算線圈內(nèi)部的磁通。解：根據(jù)安培環(huán)路定律，有設(shè)磁路的平均長度為l，則有1.引例SxHxIN匝9式中：F=NI為磁通勢，由其產(chǎn)生磁通；

Rm稱為磁阻，表示磁路對磁通的阻礙作用；

l為磁路的平均長度；

S為磁路的截面積。2.磁路的歐姆定律若某磁路的磁通為，磁通勢為F，磁阻為Rm，則即有：此即磁路的歐姆定律。103.磁路與電路的比較磁路磁通勢F磁通磁阻電路電動(dòng)勢E電流密度J電阻磁感應(yīng)強(qiáng)度B電流INI+_EIR114.磁路分析的特點(diǎn)(1)在處理電路時(shí)不涉及電場問題，在處理磁路時(shí)離不開磁場的概念；(2)在處理電路時(shí)一般可以不考慮漏電流，在處理磁路時(shí)一般都要考慮漏磁通；(3)磁路歐姆定律和電路歐姆定律只是在形式上相似。由于不是常數(shù)，其隨勵(lì)磁電流而變，磁路歐姆定律不能直接用來計(jì)算，只能用于定性分析；(4)在電路中，當(dāng)E=0時(shí)，I=0；但在磁路中，由于有剩磁，當(dāng)F=0時(shí)，不為零。126.2.3磁路的分析計(jì)算主要任務(wù):預(yù)先選定磁性材料中的磁通(或磁感應(yīng)強(qiáng)度)，按照所定的磁通、磁路各段的尺寸和材料,求產(chǎn)生預(yù)定的磁通所需要的磁通勢F=NI，確定線圈匝數(shù)和勵(lì)磁電流?；竟?設(shè)磁路由不同材料或不同長度和截面積的n段組成，則基本公式為：即13基本步驟:（由磁通求磁通勢F=NI

）(1)求各段磁感應(yīng)強(qiáng)度Bi各段磁路截面積不同，通過同一磁通，故有：(2)求各段磁場強(qiáng)度Hi根據(jù)各段磁路材料的磁化曲線Bi=f(Hi),求B1，

B2，……相對應(yīng)的H1，H2，……。(3)計(jì)算各段磁路的磁壓降（Hi

li）(4)根據(jù)下式求出磁通勢（NI）14例1:一個(gè)具有閉合的均勻的鐵心線圈，其匝數(shù)為300，鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.9T，磁路的平均長度為45cm，試求：(1)鐵心材料為鑄鐵時(shí)線圈中的電流;(2)鐵心材料為硅鋼片時(shí)線圈中的電流。解：（1）查鑄鐵材料的磁化曲線，當(dāng)B=0.9T時(shí)，(2)查硅鋼片材料的磁化曲線，當(dāng)B=0.9T時(shí)，磁場強(qiáng)度H=9000A/m，則磁場強(qiáng)度H=260A/m，則結(jié)論：如果要得到相等的磁感應(yīng)強(qiáng)度，采用磁導(dǎo)率高的鐵心材料，可以降低線圈電流，減少用銅量。156.3交流鐵心線圈電路6.3.1電磁關(guān)系–+e–+e+–uNi（磁通勢）主磁通：通過鐵心閉合的磁通。漏磁通：經(jīng)過空氣或其它非導(dǎo)磁媒質(zhì)閉合的磁通。線圈鐵心電感元件166.3.2電壓電流關(guān)系根據(jù)KVL:+––+–+eeuNi式中：R是線圈導(dǎo)線的電阻L是漏磁電感

當(dāng)u是正弦電壓時(shí)，其它各電壓、電流、電動(dòng)勢可視作正弦量，則電壓、電流關(guān)系的相量式為：17設(shè)主磁通則有效值

由于線圈電阻R和感抗X（或漏磁通）較小，其電壓降也較小，與主磁電動(dòng)勢E相比可忽略，故有式中：Bm是鐵心中磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值，單位[T]；

S是鐵心截面積，單位[m2]。186.3.3功率損耗1.銅損（Pcu）在交流鐵心線圈中,線圈電阻R上的功率損耗稱銅損，用Pcu表示。Pcu=RI2式中：R是線圈的電阻；I是線圈中電流的有效值。2.鐵損（PFe）在交流鐵心線圈中，處于交變磁通下的鐵心內(nèi)的功率損耗稱鐵損，用PFe

表示。鐵損由磁滯和渦流產(chǎn)生。+–ui19（1）磁滯損耗（Ph）由磁滯所產(chǎn)生的能量損耗稱為磁滯損耗（Ph）。磁滯損耗的大?。簡挝惑w積內(nèi)的磁滯損耗正比與磁滯回線的面積和磁場交變的頻率f。OHB

磁滯損耗轉(zhuǎn)化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。

減少磁滯損耗的措施：選用磁滯回線狹小的磁性材料制作鐵心。變壓器和電機(jī)中使用的硅鋼等材料的磁滯損耗較低。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)選擇值以減小鐵心飽和程度。20(2)渦流損耗（Pe）渦流損耗:由渦流所產(chǎn)生的功率損耗。

渦流：交變磁通在鐵心內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和電流，稱為渦流。渦流在垂直于磁通的平面內(nèi)環(huán)流。渦流損耗轉(zhuǎn)化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。減少渦流損耗措施：提高鐵心的電阻率。鐵心用彼此絕緣的鋼片疊成，把渦流限制在較小的截面內(nèi)。鐵心線圈交流電路的有功功率為：216.4變壓器

變壓器是一種常見的電氣設(shè)備，在電力系統(tǒng)和電子線路中應(yīng)用廣泛。變電壓：電力系統(tǒng)

變阻抗：電子線路中的阻抗匹配變電流：電流互感器

變壓器的主要功能有：6.4.1概述在能量傳輸過程中，當(dāng)輸送功率P=UIcos及負(fù)載功率因數(shù)cos

一定時(shí)：電能損耗小節(jié)省金屬材料（經(jīng)濟(jì)）UIP=I2RlIS22

發(fā)電廠10.5kV輸電線220kV升壓儀器36V降壓…實(shí)驗(yàn)室380/220V降壓變電站10kV降壓降壓23變壓器的結(jié)構(gòu)單相變壓器+–+–一次繞組N1二次繞組N2鐵心變壓器的磁路繞組：一次繞組二次繞組變壓器的電路由高導(dǎo)磁硅鋼片疊成厚0.35mm或0.5mm鐵心246.5.2變壓器的工作原理單相變壓器+–+–一次繞組N1二次繞組N2鐵心一次、二次繞組互不相連，能量的傳遞靠磁耦合。25(1)空載運(yùn)行情況1.電磁關(guān)系一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)開路。+–+–+–+–+–1i0(i0N1)1空載時(shí)，鐵心中主磁通是由一次繞組磁通勢產(chǎn)生的。26(2)帶負(fù)載運(yùn)行情況一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)接負(fù)載。+–+–+–11i1(i1N1)i1i2(i2N2)

2有載時(shí)，鐵心中主磁通是由一次、二次繞組磁通勢共同產(chǎn)生的合成磁通。2i2+–e2+–e2+–u2Z272.電壓變換（設(shè)加正弦交流電壓）有效值:同理：主磁通按正弦規(guī)律變化，設(shè)為則(1)一次、二次側(cè)主磁通感應(yīng)電動(dòng)勢28根據(jù)KVL：變壓器一次側(cè)等效電路如圖由于電阻R1和感抗X1(或漏磁通)較小,其兩端的電壓也較小,與主磁電動(dòng)勢E1比較可忽略不計(jì)，則–––+++(2)一次、二次側(cè)電壓式中R1為一次側(cè)繞組的電阻;

X1=L1為一次側(cè)繞組的漏磁感抗(由漏磁產(chǎn)生)。29（匝比）K為變比對二次側(cè)，根據(jù)KVL：結(jié)論：改變匝數(shù)比，就能改變輸出電壓。式中R2為二次繞組的電阻;

X2=L2為二次繞組的漏磁感抗；變壓器空載時(shí):+–u2+–+–+–i1i2+–e2+–e2式中U20為變壓器空載電壓。故有為二次繞組的端電壓。30三相電壓的變換ABCXYZabczyx1)三相變壓器的結(jié)構(gòu)高壓繞組：A-XB-YC-ZX、Y、Z：尾端A、B、C：首端低壓繞組：a-xb-yc-za、b、c：首端x、y、z：尾端2)三相變壓器的聯(lián)結(jié)方式聯(lián)結(jié)方式：高壓繞組接法低壓繞組接法三相配電變壓器動(dòng)力供電系統(tǒng)（井下照明）高壓、超高壓供電系統(tǒng)常用接法:31（1）三相變壓器Y/Y0聯(lián)結(jié)線電壓之比：ACBbca+–+–+–+–32（2）三相變壓器Y0/聯(lián)結(jié)線電壓之比：ACBabc+–+–+–333.電流變換(一次、二次側(cè)電流關(guān)系)有載運(yùn)行可見，鐵心中主磁通的最大值m在變壓器空載和有載時(shí)近似保持不變。即有不論變壓器空載還是有載，一次繞組上的阻抗壓降均可忽略，故有由上式，若U1、f不變，則m基本不變，近于常數(shù)。空載：有載：+–|Z|+–+–+–34一般情況下：I0(2~3)%I1N很小可忽略?；蚪Y(jié)論：一次、二次側(cè)電流與匝數(shù)成反比。磁勢平衡式：空載磁勢有載磁勢354.阻抗變換由圖可知：結(jié)論：變壓器一次側(cè)的等效阻抗模，為二次側(cè)所帶負(fù)載的阻抗模的K2倍。+–+–+–36(1)

變壓器的匝數(shù)比應(yīng)為：信號源R0+–R0+–+–解:例1:

如圖，交流信號源的電動(dòng)勢E=120V，內(nèi)阻R0=800，負(fù)載為揚(yáng)聲器，其等效電阻為RL=8。要求:（1）當(dāng)RL折算到原邊的等效電阻時(shí)，求變壓器的匝數(shù)比和信號源輸出的功率；（2）當(dāng)將負(fù)載直接與信號源聯(lián)接時(shí),信號源輸出多大功率？37信號源的輸出功率：電子線路中，常利用阻抗匹配實(shí)現(xiàn)最大輸出功率。結(jié)論：接入變壓器以后，輸出功率大大提高。原因：滿足了最大功率輸出的條件：（2）將負(fù)載直接接到信號源上時(shí)，輸出功率