電工電子技術(shù)基礎(chǔ)第五章(課堂)

第5章

磁路和變壓器

第5章磁路和變壓器5.1電磁感應(yīng)基礎(chǔ)5.2變壓器的用途和結(jié)構(gòu)5.3特殊變壓器學(xué)習(xí)目標(biāo)：◆復(fù)習(xí)磁場的基本知識?！粽莆沾怕返臍W姆定律和磁性物質(zhì)的磁化情況?！魰治龊唵谓涣麒F芯線圈電路?！粽莆兆儔浩鞯倪\行原理及其應(yīng)用?！衾斫馓厥庾儔浩?。實際電路中有大量電感元件的線圈中有鐵心。線圈通電后鐵心就構(gòu)成磁路，磁路又影響電路。因此電工技術(shù)不僅有電路問題，同時也有磁路問題。5.1電磁感應(yīng)基礎(chǔ)一、磁路的基本概念：主磁通：漏磁通i鐵心（導(dǎo)磁性能好的磁性材料）線圈5.1.1磁路的基本物理量電流通過N匝線圈會產(chǎn)生磁通勢：F=INF在鐵芯中激發(fā)按正弦規(guī)律變化，沿鐵芯閉合的工作磁通φ。磁路的概念

磁路：磁通所通過的路徑.

主磁通：由于鐵心的導(dǎo)磁性能比空氣要好得多，所以絕大部分磁通將在鐵心內(nèi)通過,這部分磁通稱為主磁通。

漏磁通：圍繞載流線圈、部分鐵心和鐵心周圍的空間，還存在少量分散的磁通，這部分磁通稱為漏磁通。

主磁路：主磁通所通過的路徑。

漏磁路：漏磁通所通過的路徑。

勵磁線圈：用以激勵磁路中磁通的載流線圈。

勵磁電流：勵磁線圈中的電流直流:直流磁路例如:直流電機

交流:交流磁路例如:變壓器二、磁感應(yīng)強度（磁通密度）1Tesla=104高斯B

的單位：特斯拉（Tesla）

磁感應(yīng)強度B：是表示磁場內(nèi)某點磁場強弱及方向的物理量。B的大小等于通過垂直于磁場方向單位面積的磁通（磁力線數(shù)目），B的方向用右手螺旋定則確定。單位是特斯拉(T)。三、磁通磁通：穿過垂直于B方向的面積S中的磁力線總數(shù)。

磁感應(yīng)強度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·s四、磁場強度H磁場強度是計算磁場所用的物理量，其大小為磁感應(yīng)強度和導(dǎo)磁率之比。單位：B

：特斯拉：亨/米：安/米五、磁導(dǎo)率：表征各種材料導(dǎo)磁能力的物理量（亨/米）真空中的磁導(dǎo)率()為常數(shù)一般材料的磁導(dǎo)率和真空中的磁導(dǎo)率之比，稱為這種材料的相對磁導(dǎo)率，則稱為磁性材料，則稱為非磁性材料一.安培環(huán)路定律（全電流律）：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.I1I2I3電流方向和磁場強度的方向符合右手定則，電流取正；否則取負(fù)。5.1.2磁路的基本定律

在無分支的均勻磁路（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：磁路長度L線圈匝數(shù)NIHL：稱為磁壓降。NI：稱為磁通勢。一般用F

表示。F=NI總磁通勢

在非均勻磁路（磁路的材料或截面積不同，或磁場強度不等）中，總磁通勢等于各段磁壓降之和。例：IN對于均勻磁路磁路中的歐姆定律二.磁路的歐姆定律：則：INSL注：由于磁性材料是非線性的，磁路歐姆定律多用作定性分析，不做定量計算。令：Rm

稱為磁阻磁路和電路的比較（一）磁路電路磁通INR+_EI磁壓降磁通勢電壓降電動勢電流U歐姆定律磁阻磁感應(yīng)強度安培環(huán)路定律磁路IN歐姆定律電阻電流強度回路電壓定律結(jié)點電流定律磁路與電路的比較(二)電路R+_EI※IU直流磁路的特點:

（R

為線圈的電阻）直流鐵心線圈的功率就是線圈電阻消耗的功率，為：I恒定，φ恒定，e=0，電感相當(dāng)于短路。5.2.1直流鐵心線圈電路5.2鐵心線圈勵磁電流：在磁路中用來產(chǎn)生磁通的電流勵磁電流直流-------直流磁路交流-------交流磁路一、電磁關(guān)系–+e–+e+–uNi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（磁通勢）i，鐵心線圈的漏磁電感5.2.2交流鐵心線圈電路+––+–+eeuNi二、電壓電流關(guān)系根據(jù)KVL:設(shè)主磁通則有效值

由于線圈電阻

R

和漏磁通較小，其電壓降也較小，與主磁電動勢E相比可忽略，故有ui一定時磁動勢IN隨磁阻的變化而變化。當(dāng)外加電壓U、頻率f

與線圈匝數(shù)N一定時，便確定下來。根據(jù)磁路歐姆定律，當(dāng)交流磁路的特點:三、功率損耗+–ui鐵心線圈交流電路的有功功率為：銅損耗Pcu鐵損耗PFe鐵損由磁滯和渦流產(chǎn)生。OHBΔPCu線圈電阻R上的損耗ΔPFe處于交變磁化下的鐵心的損耗（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）。

單位體積內(nèi)的磁滯損耗正比于磁滯回線的面積和磁場交變的頻率f。(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。變壓器和電機中使用的硅鋼等材料的磁滯損耗較低。

磁滯損耗轉(zhuǎn)化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。硅鋼片疊成的鐵心鐵心線圈的磁路由高導(dǎo)磁硅鋼片疊成厚0.35mm或0.5mm鐵心減少渦流損耗措施：

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)。

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：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：電能損耗小節(jié)省金屬材料（經(jīng)濟）概述UIISP=I2Rl5.3

變壓器導(dǎo)線的截面積變壓器的分類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按制造方式殼式心式變壓器符號電力工業(yè)中常采用高壓輸電低壓配電，實現(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…實驗室380/220V降壓變電站

10kV降壓降壓

變壓器應(yīng)用舉例單相變壓器+–+–一次繞組N1二次繞組N2鐵心變壓器的基本結(jié)構(gòu)變壓器符號：

一次、二次繞組互不相連，能量的傳遞靠磁耦合。設(shè)變壓器空載運行一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)開路。i0(i0N1)空載時，鐵心中主磁通是由一次繞組磁通勢產(chǎn)生的。1+–+–+–+–1+–+–5.3.1變壓器的工作原理1.電壓變換結(jié)論：改變匝數(shù)比，就能改變輸出電壓。K為變比原、副邊電壓關(guān)系根據(jù)交流磁路的分析可得：時（變電壓）

帶負(fù)載運行情況一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)接負(fù)載。1i1(i1N1)i2(i2N2)

2有載時，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。+–+–i1i2+–e2Z+–12+–e2+–u22.電流變換+–|Z|+–+–+–由上式，若U1、f不變，則m基本不變，近于常數(shù)?？蛰d磁勢：有載磁勢：=或：1.提供產(chǎn)生m的磁勢2.提供用于補償作用

的磁勢磁勢平衡式：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。+–+–+–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。3.阻抗變換(1)

變壓器的匝數(shù)比應(yīng)為：解:例1:

如圖，交流信號源的電動勢E=120V，內(nèi)阻R0=800，負(fù)載為揚聲器，其等效電阻為RL=8。要求:（1）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,信號源輸出多大功率？信號源R0RL+–R0+–+–信號源的輸出功率：電子線路中，常利用阻抗匹配實現(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，輸出功率為：變壓器的損耗包括兩部分：5.3.2變壓器的損耗和效率()

銅損(PCu)：繞組導(dǎo)線電阻的損耗。磁滯損耗和渦流損耗

鐵損(PFe)：為減少渦流損耗，鐵心一般由導(dǎo)磁鋼片疊成。變壓器的效率為一般95%,負(fù)載為額定負(fù)載的(50~75)%時，最大。輸出功率輸入功率5.3.3變壓器的外特性

當(dāng)一次側(cè)電壓U1和負(fù)載功率因數(shù)cos2保持不變時，二次側(cè)輸出電壓U2和輸出電流I2的關(guān)系，稱為變壓器的外特性。

U20：一次側(cè)加額定電壓、二次側(cè)開路時，二次側(cè)的輸出電壓。

一般供電系統(tǒng)希望要硬特性（隨I2的變化，U2

變化不大），電壓變化率約在5%左右。電壓變化率：cos2=0.8(感性）U2I2U20I2Ncos2=1O

當(dāng)電流流入(或流出）兩個線圈時，若產(chǎn)生的磁通方向相同，則兩個流入(或流出）端稱為同極性端。??AXax?AXax1.同極性端(同名端)

或者說，當(dāng)鐵心中磁通變化時，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。同極性端用“?”表示。增加+–+++–––

同極性端和繞組的繞向有關(guān)。5.3.4變壓器繞組極性及連接方法?1.自耦變壓器ABP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)此原理制作的。注意：原、副邊千萬不能對調(diào)使用，以防變壓器損壞。因為N變小時，磁通增大，電流會迅速增加。5.3.5特殊變壓器簡介2.電壓互感器

用低量程的電壓表測高電壓1.副邊不能短路，以防產(chǎn)生過流；2.鐵心、低壓繞組的一端接地，以防在絕緣損壞時，在副邊出現(xiàn)高壓。使用注意：