電工學(xué)第6章磁路和鐵芯線圈電路課件

第6章磁路和與鐵心線圈電路

在很多電工設(shè)備中，不僅有電路的問(wèn)題，同時(shí)還有磁路的問(wèn)題。只有同時(shí)掌握了電路和磁路的基本理論，才能對(duì)各種電工設(shè)備作出作全面的分析。

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,作為應(yīng)用實(shí)例。6·1磁路及其分析方法

電工設(shè)備中，常用磁性材料做成一定形狀的鐵心。鐵心的磁導(dǎo)率比周?chē)諝饣蚱渌镔|(zhì)的磁導(dǎo)率高得多，因此鐵心線圈中電流產(chǎn)生的磁通，絕大部分經(jīng)過(guò)鐵心而閉合。這種人為造成的磁通的閉合路徑，稱(chēng)為磁路。

磁路問(wèn)題是局限于一定路徑內(nèi)的磁場(chǎng)問(wèn)題，磁場(chǎng)的各個(gè)基本物理量也適用于磁路。6·1磁路及其分析方法6·1·1磁場(chǎng)的基本物理量

1.磁感應(yīng)強(qiáng)度

磁感應(yīng)強(qiáng)度

B是表示磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量。它是一個(gè)矢量，它與電流(電流產(chǎn)生磁場(chǎng))之間的方向關(guān)系可用右手螺旋定則來(lái)確定。

磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位：特[斯拉](T)或韋[伯]每平方米(Wb/m2)。

2.磁通

磁感應(yīng)強(qiáng)度B與垂直于磁場(chǎng)方向的面積S的乘積，稱(chēng)為通過(guò)該面積的磁通

，即

=BS或B=

/S。

磁感應(yīng)強(qiáng)度在數(shù)值上可以看作與磁場(chǎng)方向相垂直的單位面積所通過(guò)的磁通，故又稱(chēng)為磁通密度。磁通的單位：韋[伯](Wb)或伏秒(Vs)。6·1磁路及其分析方法6·1·2磁性材料的磁性能

磁性材料主要是指鐵、鎳、鈷及其合金。

1.高導(dǎo)磁性

磁性材料的磁導(dǎo)率很高，r>>1，具有被強(qiáng)烈磁化的特性。

由于高導(dǎo)磁性，在具有鐵心的線圈中通入不大的勵(lì)磁電流，便可產(chǎn)生足夠大的磁通和磁感應(yīng)強(qiáng)度。

2.磁飽和性

將磁性材料放入磁場(chǎng)強(qiáng)度為

H

的磁場(chǎng)內(nèi)，會(huì)受到強(qiáng)烈的磁化。開(kāi)始時(shí)B與H近于成正比地增加，而后隨著H的增加，B的增加緩慢下來(lái)，最后趨于磁飽和。

由于磁通與B成正比，產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流I與H成正比，因此在存在磁性物質(zhì)的情況下，與I也不再成正比。磁飽和BHOBJ6·1磁路及其分析方法矯頑磁力剩磁6·1·2磁性材料的磁性能

3.磁滯性

當(dāng)鐵心線圈中通有交流電時(shí)，鐵心就受到交變磁化。在電流變化一次時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化將滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度H的變化，這種性質(zhì)稱(chēng)為磁滯性。反映B隨H而變化的關(guān)系曲線稱(chēng)為磁滯回線。

按磁性物質(zhì)的磁性能，磁性材料可以分成三種類(lèi)型：

(1)軟磁材料：矯頑磁力小，剩磁小，用于制造電機(jī)電器及變壓器的鐵心；

(2)永磁材料：矯頑磁力大，剩磁大，用于制造永久性磁鐵；

(3)矩磁材料：矯頑磁力小，剩磁大，用于制造計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)中的記憶元件、開(kāi)關(guān)元件和邏輯元件。

6·1磁路及其分析方法6·1·3磁路的分析方法根據(jù)安培環(huán)路定律，可得出Hl=NI。式中N是線圈的匝數(shù)；l是磁路的平均長(zhǎng)度；H是磁路鐵心的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

線圈匝數(shù)與電流的乘積NI稱(chēng)為磁通勢(shì)，即F=NI，磁通就是由它產(chǎn)生的，單位：安[培](A)。

將H=B/和B=/S代入上式，得，式中R稱(chēng)為磁路的磁阻，S為磁路的截面積。

上式與電路的歐姆定律在形式上相似，所以稱(chēng)為磁路的歐姆定律。

6·2交流鐵心線圈電路

鐵心線圈分為兩種：直流鐵心線圈和交流鐵心線圈。

直流鐵心線圈通直流電來(lái)勵(lì)磁，產(chǎn)生的磁通是恒定的，線圈和鐵心中不會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)來(lái)；在一定電壓

U

下，線圈中的電流

I只和線圈本身的電阻R有關(guān)；功率損耗也只有RI2；所以分析起來(lái)比較簡(jiǎn)單。

交流鐵心線圈通交流電來(lái)勵(lì)磁，線圈中的電磁關(guān)系、電壓電流關(guān)系及功率損耗等幾個(gè)方面都比較復(fù)雜，與直流心線圈有所不同。6·2交流鐵心線圈電路

6·2·1電磁關(guān)系

圖所示交流線圈是具有鐵心的，磁通勢(shì)Ni產(chǎn)生的磁通絕大部分通過(guò)鐵心而閉合，這部分磁通稱(chēng)為主磁通或工作磁通。此外還有很少的一部分漏磁通。這兩個(gè)磁通在線圈中產(chǎn)生兩個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：主磁電動(dòng)勢(shì)e和漏磁電動(dòng)勢(shì)e。

eui(Ni)

e

漏磁通主要不經(jīng)過(guò)鐵必，所以鐵心線圈的漏磁電感L是常數(shù)。

主磁通主要通過(guò)鐵心，所以鐵心線圈的主磁電感L不是常數(shù)。

鐵心線圈是一個(gè)非線性電感元件。6·2交流鐵心線圈電路6·2·2電壓電流關(guān)系

根據(jù)基爾霍夫定律

當(dāng)u是正弦電壓時(shí)，式中各量可視為正弦量，于是

式中X=L，稱(chēng)為漏磁感抗，它是由漏磁通引起的。

由于主磁電感不是常數(shù)，所以設(shè)主磁通=msint，則主磁電動(dòng)勢(shì)6·2交流鐵心線圈電路6·2·3功率損耗

在交流鐵心線圈中，除線圈電阻R

上有功率損耗RI(所謂銅損耗

PCu)外，處于交變磁化下的鐵心中也有功率損耗(所謂鐵損耗

PFe)。

鐵損耗是由磁滯和渦流產(chǎn)生的。

由磁滯所產(chǎn)生的鐵損耗稱(chēng)為磁滯損耗

Ph，磁滯損耗要引起鐵心發(fā)熱。為了減小磁滯損耗，應(yīng)選用磁滯回線狹小的磁性材料制造鐵心。

由渦流所產(chǎn)生的鐵損耗稱(chēng)為渦流損耗Pe，渦流損耗也會(huì)引起鐵心發(fā)熱。為了減小渦流損耗，在順磁場(chǎng)方向的鐵心可由彼此絕緣的鋼片疊成，這樣就可以限制渦流只能在較小的截面內(nèi)流通。

鐵心線圈交流電路的有功功率為

6·3變壓器

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

在輸電方面，當(dāng)輸送功率P=UIcos及功率因數(shù)cos為一定時(shí)，電壓U愈高，則線路電流I愈小。這不僅可以減小輸電線路的截面積，節(jié)省材料，同時(shí)還可以減小線路的功率損耗。因此在輸電時(shí)必須利用變壓器將電壓升高。在用電方面，為了保證用電的安全和合乎用電設(shè)備的電壓要求，還要利用變壓器將電壓降低。

在電子線路中，除電源變壓器外，變壓器還用來(lái)耦合電路，傳遞信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。此外，尚有自耦變壓器、互感器及各種專(zhuān)用變壓器。

變壓器的種類(lèi)很多，但是它們的基本構(gòu)造和工作原理是相同的。

6·3變壓器6·3·1變壓器的工作原理變壓器一般由閉合鐵心、高壓繞組、低壓繞組等幾個(gè)主要部分構(gòu)成。

與電源相連的繞組稱(chēng)為一次繞組(或初級(jí)繞組、原繞組)，與負(fù)載相連的繞組稱(chēng)為二次繞組(或次級(jí)繞組、副繞組)。當(dāng)一次繞組接上交流電壓u1時(shí)，一次繞組中便有電流i1通過(guò)。一次繞組的磁通勢(shì)N1i1產(chǎn)生的磁通絕大部分通過(guò)鐵心而閉合，從而在二次繞組中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。6·3變壓器6·3·1變壓器的工作原理

e1

u1

i1

(N1i1)

e2

i2(N2i2)1

e1

2

e2

電磁關(guān)系6·3變壓器6·3·1變壓器的工作原理1.電壓變換當(dāng)u1

是正弦電壓時(shí)一次繞組電路二次繞組電路當(dāng)u1

是正弦電壓時(shí)6·3變壓器6·3·1變壓器的工作原理1.電壓變換當(dāng)變壓器空載時(shí)一次繞組電路二次繞組電路一次、二次繞組的電壓之比稱(chēng)為變壓器的變比

在電源一定時(shí)，只要改變?cè)褦?shù)比就可以得出不同的輸出電壓。

變比在變壓器在鉻牌上注明，它表示一次、二次繞組的額定壓之比。6·3變壓器6·3·1變壓器的工作原理2.電流變換

變壓器一次、二次繞組的電流之比近似等于它們的匝數(shù)比的倒數(shù)。變壓器中的電流雖然由負(fù)載的大小確定，但是一次、二次繞組中電流的比值是差不多不變的。當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，I2和N2I2隨著增大，而I1和N1I1也必須相應(yīng)增大，以抵償二次繞組的電流和磁通勢(shì)對(duì)主磁通的影響，從而維持主磁通的最大值近于不變。變壓器的空載電流i0很小，N1i00，所以6·3變壓器6·3·1變壓器的工作原理2.電流變換二次繞組的額定電壓與額定電流的乘積稱(chēng)為變壓器的額定容量,即

SN=U2NI2NU1NI1N(單相)這是視在功率(單位是VA)，與輸出功率(單位是W)不同。6·3變壓器6·3·1變壓器的工作原理3.阻抗變換

變壓器還具有阻抗變換的作用，以實(shí)現(xiàn)“匹配”。

在圖中負(fù)載阻抗模|Z|接在變壓器二次側(cè)，而圖中點(diǎn)畫(huà)線部分可以用一個(gè)阻抗模|Z|來(lái)等效替代，兩者的關(guān)系

采用不同的匝數(shù)比，把負(fù)載阻抗變換為所需要的、比較合適的數(shù)值，這種做法通常稱(chēng)為阻抗匹配。

N1N2|Z|i1i2u1+-u2+-|Z|i1u1+-6·3變壓器6·3·2變壓器的外特性由式和可以看出，當(dāng)電源電壓U1

不變時(shí)，隨著二次繞組電流I2的增加(負(fù)載增加),一次、二次繞組阻抗上的電壓降便增加，這將使二次繞組的端電壓U2發(fā)生變動(dòng)。

當(dāng)電源電壓U1和負(fù)載功率因數(shù)cos2為常數(shù)時(shí)，U2和I2的變化關(guān)系可用外特性曲線

U2=f(I2)來(lái)表示。

通常希望電壓U2的變動(dòng)愈小愈好。從空載到額定負(fù)載，二次繞組電壓的變化程度用電壓變化率U表示在一般變壓器中，由于其電阻和漏磁感抗均甚小，電壓變化率為5%左右。U2

OI2

U20

I2N

cos2=1cos2=0.8(滯后)6·3變壓器6·3·3變壓器的損耗與效率變壓器的功率損耗包括鐵心中的鐵損耗PFe和繞組上的銅損耗PCu兩部分。鐵損耗的大小與鐵心內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值有關(guān)，而銅損耗則與負(fù)載大小有關(guān)。

變壓器的效率

式中，P2為變壓器的輸出功率，P1為輸入功率。

變壓器的功率損耗很小，所以效率很高，通常在90%以上。在一般電力變壓器中，當(dāng)負(fù)載為額定值的50%~70%

時(shí)，效率達(dá)到最大值。6·3變壓器[例題]有一帶電阻負(fù)載的三相變壓器,其額定數(shù)據(jù)如下:SN=100kVA,U1N=6000V,U2N=U20=400V,f=50Hz。繞組為Y/Y0聯(lián)結(jié)。由試驗(yàn)測(cè)得:PFe=600W,額定負(fù)載時(shí)的PCu=2400W。試求:(1)變壓器的額定電流;(2)滿載和半載時(shí)的效率。[解](1)

(2)電阻性負(fù)載cos=1P2=100kW

6·3變壓器6·3·4特殊變壓器

2.電流互感器

一次繞組的匝數(shù)很少，它串聯(lián)在被測(cè)電路中。二次繞組的匝數(shù)較多，它與電流表或其他儀表及繼電器的電流線圈連接。根據(jù)變壓器原理，電流互感器是根據(jù)變壓器的原理制成的。它主要用來(lái)擴(kuò)大測(cè)量交流電流的量程。還可以使測(cè)量?jī)x表與高壓電路隔開(kāi)，以保證人身與設(shè)備的安全。式中，Ki是電流互感器的變換系數(shù)。

6·3變壓器6·3·4特殊變壓器

2.電流互感器

電流互感器可以將大電流變換為小電流，電流表的讀數(shù)乘上變換系統(tǒng)Ki即為被測(cè)的大電流I1。測(cè)流鉗是電流互感器的一種變形。它的鐵心如同一鉗，用彈簧壓緊。測(cè)量時(shí)可以隨時(shí)隨地測(cè)量線路中的電流。

在使用電流互感器時(shí)，二次繞組電路是不允許斷開(kāi)的。6