電工技術(shù)-5章-磁路及變壓器

第5章磁路與變壓器5.2交流鐵芯線圈電路5.1磁路5.3變壓器5.4電磁鐵5.1磁路1.

磁感應(yīng)強(qiáng)度B5.1.1磁場(chǎng)的基本物理量2.磁通3.磁場(chǎng)強(qiáng)度H4.磁導(dǎo)率相對(duì)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。物質(zhì)的磁性（非磁性物質(zhì)，磁性物質(zhì)）1.非磁性物質(zhì)：

不具有磁化特性。0

，r

12.磁性物質(zhì)磁性物質(zhì)內(nèi)有許多顯磁性的小區(qū)域，稱為磁疇。在無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)，各磁疇無(wú)序排列，磁場(chǎng)互相抵消，整體對(duì)外不顯磁性。磁疇外磁場(chǎng)在外磁場(chǎng)作用下，磁疇極性方向趨向外磁場(chǎng)，物質(zhì)整體顯出磁性。這一現(xiàn)象稱為磁性物質(zhì)被磁化。5.1.2磁性物質(zhì)的磁性能1.高導(dǎo)磁性磁性材料主要指鐵、鎳、鈷及其合金等。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線圈內(nèi)的鐵心。在具有高導(dǎo)磁鐵心的線圈中，通入不太大的

勵(lì)磁電流，便可產(chǎn)生較大的磁通和磁感應(yīng)強(qiáng)度。2.磁飽和性BJ

磁場(chǎng)內(nèi)，磁性物質(zhì)磁化的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線；B0

磁場(chǎng)內(nèi)不存在磁性物質(zhì)時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度直線；B

BJ曲線和B0直線疊加后的

磁化曲線。OHBB0BJB?a?b磁化曲線當(dāng)外磁場(chǎng)增大到一定程度時(shí)，磁性物質(zhì)內(nèi)全部磁疇的磁場(chǎng)方向都轉(zhuǎn)向與外磁場(chǎng)方向一致，磁化磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度趨向某一定值，稱為磁飽和。（用圖形來(lái)表示某種鐵磁材料在磁化過(guò)程中磁感強(qiáng)度B與H磁場(chǎng)強(qiáng)度之間關(guān)系的一種曲線，又叫磁化曲線，B-H曲線）3.磁滯性磁性材料在交變磁場(chǎng)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。即磁性材料中磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化總是滯后于外磁場(chǎng)變化的性質(zhì)。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。矯頑磁力Hc：

使B=0所需的H值。磁性物質(zhì)不同，其磁滯回線和磁化曲線也不同。按磁性物質(zhì)的磁性能，磁性材料分為三種類型：(1)軟磁材料具有較小的矯頑磁力，磁滯回線較窄。一般用來(lái)制造電機(jī)、電器及變壓器等的鐵心。常用的有鑄鐵、硅鋼、坡莫合金即鐵氧體等。(2)永磁材料具有較大的矯頑磁力，磁滯回線較寬。一般用來(lái)制造永久磁鐵。常用的有碳鋼及鐵鎳鋁鈷合金等。(3)矩磁材料具有較小的矯頑磁力和較大的剩磁，磁滯回線接近矩形，穩(wěn)定性良好。在計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)中用作記憶元件、開(kāi)關(guān)元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體等。5.1.3磁路基本定律1.磁路的概念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鐵芯勵(lì)磁線圈在電機(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(guò)鐵心形成閉合通路。2.磁路的歐姆定律它是分析磁路的基本定律。（1）磁路中的磁通SxHxIN匝式中：F=NI為磁通勢(shì)，由其產(chǎn)生磁通；

Rm稱為磁阻，表示磁路對(duì)磁通的阻礙作用；

l為磁路的平均長(zhǎng)度；

S為磁路的截面積。有：（2）磁路的歐姆定律磁通為，磁通勢(shì)為F，磁阻為Rm。3.磁路與電路的比較磁路磁通勢(shì)F磁通磁阻電路電動(dòng)勢(shì)E電流密度J電阻磁感應(yīng)強(qiáng)度B電流INI+_EIR4.磁路分析的特點(diǎn)(1)處理磁路時(shí)離不開(kāi)磁場(chǎng)的概念；(2)在處理磁路時(shí)一般還要考慮漏磁通；(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(lái)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；5.2交流鐵心線圈電路5.2.1電磁關(guān)系–+e–+e+–uNi（磁通勢(shì)）主磁通：通過(guò)鐵心閉合的磁通。漏磁通：經(jīng)過(guò)空氣或其它非導(dǎo)磁媒質(zhì)閉合的磁通。線圈鐵心i，鐵心線圈的漏磁電感與i不是線性關(guān)系。5.2.2電壓電流關(guān)系根據(jù)KVL: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(shì)可視作正弦量，則電壓、電流關(guān)系的相量式為：漏感抗：Xσ=ωLσ

因線圈電阻R和漏抗X（或漏磁通）較小，其電壓降也較小，與主磁電動(dòng)勢(shì)E相比可忽略，故有設(shè)主磁通則有效值則：當(dāng)：U、f

一定時(shí)，Φm

基本不變。交流鐵心線圈的功率損耗主要有銅損和鐵損兩種。1.銅損（Pcu）：線圈電阻R的功率損耗。Pcu=RI2式中：I是線圈電流的有效值。2.鐵損（PFe）：交變磁通下的鐵心內(nèi)功率損耗。鐵損包括：磁滯損耗和渦流損耗。5.2.3功率損耗（1）磁滯損耗（Ph）：由磁滯現(xiàn)象所產(chǎn)生的能量損耗。磁滯損耗的大小正比與磁滯回線面積和磁場(chǎng)交變頻率f。OHB后果：磁滯損耗轉(zhuǎn)化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。1、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。2、設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)選擇值,以減小鐵心飽和程度。

減少磁滯損耗的措施：(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(shì)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。電工技術(shù)中減少渦流損耗措施：1.提高鐵心的電阻率。選用硅鋼。2.鐵心用彼此絕緣的硅鋼片疊成，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：先將實(shí)際鐵心線圈的線圈電阻R、漏磁感抗X分離出，剩下就得到用理想鐵心線圈電路；用一個(gè)不含鐵心的交流電路來(lái)等效替代實(shí)際鐵心線圈交流電路。5.2.4等效電路電阻R0是鐵損相應(yīng)的等效電阻，感抗X0是和鐵心能量?jī)?chǔ)放相應(yīng)的等效感抗。

電力工業(yè)中常采用高壓輸電低壓配電，實(shí)現(xiàn)節(jié)能并保證用電安全。具體如下：

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5.3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。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：在能量傳輸過(guò)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)）5.3.1概述UIP=I2RlIS變壓器的磁路繞組：一次繞組二次繞組單相變壓器+–+–由高導(dǎo)磁硅鋼片疊成厚0.35mm或0.5mm鐵心變壓器的電路一次繞組N1二次繞組N2鐵心變壓器的結(jié)構(gòu)變壓器的分類電壓互感器電流互感器按用途分電力變壓器(輸配電用)儀用變壓器整流變壓器按相數(shù)分三相變壓器單相變壓器5.2.2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。(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(kāi)路。+–+–+–+–+–1i0(i0N1)1空載時(shí)，鐵心中主磁通是由一次繞組磁通勢(shì)產(chǎn)生的。(2)帶負(fù)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)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(shì)共同產(chǎn)生的合成磁通。2i2+–e2+–e2+–u2Z2

2.變壓器的三個(gè)變比關(guān)系1）電壓變比2）電流變比3）阻抗變比2.電壓變換（設(shè)加正弦交流電壓）（匝比）K為變比結(jié)論：改變?cè)褦?shù)比K，就能改變輸出電壓。U20為副邊開(kāi)路電壓3.電流變換(一次、二次側(cè)電流關(guān)系)有載運(yùn)行結(jié)論：一次、二次側(cè)電流與匝數(shù)成反比。4.阻抗變換由圖可知：結(jié)論：折算到變壓器一次側(cè)的等效阻抗模，為二次側(cè)所帶負(fù)載阻

抗模的K2

倍。(折算到變壓器原邊的阻抗)則或變壓器應(yīng)用

的三變比關(guān)系:電流變比阻抗變換電壓變比(1)負(fù)載直接接在信號(hào)源上，信號(hào)源輸出電流解:交流信號(hào)源的電動(dòng)勢(shì)E=80V，內(nèi)阻R0=400，負(fù)載電阻RL=4。（1）負(fù)載直接接在信號(hào)源上，計(jì)算信號(hào)源的輸出功率；

（2）按圖示方法接入負(fù)載時(shí)，欲使折算到一次側(cè)繞組的等效電阻

求變壓器電壓比和信號(hào)源輸出功率。例5-5信號(hào)源輸出功率(2)

負(fù)載RL經(jīng)過(guò)變壓器連接到信號(hào)源由阻抗變換此時(shí)信號(hào)源輸出電流為：信號(hào)源輸出功率為變壓器匝數(shù)比為：則電子線路中，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：三相電壓的變換1)三相變壓器的鐵芯結(jié)構(gòu)三相心式變壓器的鐵芯結(jié)構(gòu)ABC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)三相變壓器的連接方式連接方式：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:（1）三相變壓器Y/Y0連接線電壓之比：（2）三相變壓器Y0/連接線電壓之比：1）變壓器的型號(hào)5.變壓器的銘牌和技術(shù)數(shù)據(jù)SJL1000/10

變壓器額定容量(KVA)

鋁線圈

冷卻方式J:油浸自冷式F:風(fēng)冷式相數(shù)S:三相D:單相

高壓繞組的額定電壓(KV)

2）額定值額定電壓U1N、U2N

變壓器二次側(cè)開(kāi)路（空載）時(shí)，一次、二次側(cè)繞組允許的電壓值單相：U1N，一次側(cè)電壓，

U2N，二次側(cè)空載時(shí)的電壓三相：U1N、U2N，一次、二次側(cè)的線電壓額定電流I1N、I2N

變壓器滿載運(yùn)行時(shí)，一次、二次側(cè)繞組允許的電流值。單相：一次、二次側(cè)繞組允許的電流值三相：一次、二次側(cè)繞組線電流

額定容量

SN

傳送功率的最大能力。單相：三相：容量SN

輸出功率P2

一次側(cè)輸入功率P1

輸出功率P2注意：變壓器幾個(gè)功率的關(guān)系（單相）效率容量：一次側(cè)輸入功率：輸出功率：變壓器運(yùn)行時(shí)的功率取決于負(fù)載的性質(zhì)5.3.4特殊變壓器1.自耦變壓器u1u2電壓關(guān)系：電流關(guān)