磁路和變壓器

磁路和變壓器第一頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.磁感應(yīng)強度

B—矢量2.磁通

F

—標量單位：Wb4.磁場強度

H—矢量定義：H=B/3.磁導(dǎo)率

真空磁導(dǎo)率

0=410–

7H/m(亨/米)均勻磁場—磁場內(nèi)各點的B大小相等，方向相同。對于均勻磁場

F=B

·S相對磁導(dǎo)率

r=/0對于鐵磁材料r=102105單位：A/m(安培/米)單位：T（特斯拉），Gs（高斯），1T=104Gs3.1.1磁場的基本物理量3.1磁路及其分析方法用于確定磁場和電流之間的關(guān)系第二頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.高導(dǎo)磁性

在外磁場的作用下，磁性物質(zhì)被強烈磁化而呈現(xiàn)出很強的磁性。Hm–HmBr–HCBH3.1.2

磁性物質(zhì)的基本性能2.磁滯性

B的變化落后于H。

剩磁矯頑力第三頁，共五十三頁，2022年，8月28日3.磁飽和性

H增加，B增加很小的現(xiàn)象。Hm–HmBrHCBHB-H

-HbcBHaa、b段，B值隨H的增加而增大3.1.2

磁性物質(zhì)的基本性能b、c段B值隨H的增加的趨勢變緩、過c點出現(xiàn)飽和第四頁，共五十三頁，2022年，8月28日1、右手螺旋定則

（安培定則）(1)通電直導(dǎo)線中的安培定則（安培定則一）：用右手握住通電直導(dǎo)線，讓大拇指指向電流的方向，那么四指的指向就是磁感線的環(huán)繞方向；

(2)通電螺線管中的安培定則（安培定則二）：用右手握住通電螺線管，使四指彎曲與電流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通電螺線管的N極。復(fù)習(xí)：關(guān)于電磁場的幾個定則左手定則（安培定則）：已知電流方向和磁感線方向，判斷通電導(dǎo)體在磁場中受力方向，伸開左手,讓磁感線穿入手心(手心對準N極，手背對準S極)，四指指向電流方向，那么大拇指的方向就是導(dǎo)體受力方向。（電動機）

2、左手定則：

第五頁，共五十三頁，2022年，8月28日3、右手定則確定導(dǎo)體切割磁感線運動時在導(dǎo)體中產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向的定則。（發(fā)電機）

左手定則說的是磁場對電流作用力的方向，或者是磁場對運動電荷的作用力。右手定則的內(nèi)容是：伸開右手，使大拇指跟其余四個手指垂直并且都跟手掌在一個平面內(nèi)，把右手放入磁場中，讓磁感線垂直穿入手心，大拇指指向?qū)w運動方向，則其余四指指向感應(yīng)電流的方向。

右手定則所應(yīng)用的現(xiàn)象，就是導(dǎo)線在磁場里面，切割磁感線運動的時候，產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向；4、怎么區(qū)分左手定則和右手定則？第六頁，共五十三頁，2022年，8月28日

磁路是研究局限于一定范圍內(nèi)的磁場問題。磁路與電路一樣，也是電工學(xué)課程所研究的基本對象。I主磁通漏磁通鐵心線圈磁路：磁通相對集中通過的路徑。3.1.3磁路的分析方法第七頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.磁通連續(xù)性原理通過任意閉合面的磁通量總為0。即穿入閉合面的磁感線，必同時穿出該閉合面。2.安培環(huán)路定律磁場強度沿任意閉合路徑的線積分，等于穿過該閉合路徑所包圍的電流的代數(shù)和。I3I1I23.1.3磁路的分析方法第八頁，共五十三頁，2022年，8月28日得

Hl=NI磁壓降：HllNui根據(jù)磁通勢：F=NI(單位：安)=BS=HS磁路磁阻：Rm磁路歐姆定律：–+返回3.磁路的歐姆定律由于不是常數(shù)，它隨勵磁電流而變，所以不能用這個公式來計算，只能用于定性分析！參見P107磁路與電路對照表第九頁，共五十三頁，2022年，8月28日主磁通漏磁通Nui設(shè)：=msint1.感應(yīng)電動勢與磁通的關(guān)系ee

e=-Nmcost=Emsin(t

-90)感應(yīng)電動勢的有效值：––+–++3.2交流鐵心線圈電路*第十頁，共五十三頁，2022年，8月28日2.外加電壓與磁通的關(guān)系u→Fm=iN→uR=iR(主磁通)

→(漏磁通)→由KVL：u=iR–e

–e

所以u–e因為

R和e很小，U的有效值UE=

4.44fNmU=4.44fNBmSNuiee

––+–++第十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日Ni(4)銅損線圈電阻產(chǎn)生的損耗(1)

磁滯損耗鐵心反復(fù)磁化時所消耗的功率。(2)渦流損耗在鐵心中產(chǎn)生的感應(yīng)電流而引起的損耗。

(3)鐵心損耗=磁滯損耗+渦流損耗PCu=I2R3.

功率損耗e

–+u–+e–+返回在交變磁通的作用下，鐵損差不多與鐵心內(nèi)磁感應(yīng)強度的最大值Bm的平方成正比，所以一般Bm不宜選太大；第十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日(a)磁滯損耗Ph：(b)渦流損耗Pe：※銅損耗使線圈發(fā)熱，鐵損耗使鐵心發(fā)熱?！鶞p小鐵損耗的方法：①使用軟磁材料減小Ph；②增大鐵心的電阻率，減小渦流及其損耗

；③用很薄的硅鋼片疊成鐵心，減小渦流及其損耗

。上一節(jié)下一節(jié)上一頁下一頁ΦΦ圖5.2.2渦流損耗(a)(b)返回※減小鐵損耗的方法：使用磁回線狹小的磁性材料，例如硅鋼材料；第十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日按用途分:電力變壓器，特種用途變壓器。按相數(shù)分:

單相、三相和多相變壓器。按繞組數(shù)分:

雙繞組、多繞組及自耦變壓器。

變壓器的工作原理1.變壓器的分類3.3變壓器變壓器是一種利用電磁感應(yīng)作用來改變交流電能的電壓和電流等級的電氣設(shè)備。第十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日110kV、220kV330kV、500kV電能負荷升壓變壓器遠距離輸電降壓變壓器10kV10kV6kV380V220V上一節(jié)下一節(jié)上一頁下一頁返回▲輸電距離、輸電功率與輸電電壓的關(guān)系:輸電電壓輸電功率輸電距離110kV5×104kW50~150km220kV(20~30)×104kW200~400km500kV100×104kW≥500km在電子線路和自動控制系統(tǒng)中，變壓器起著信號傳遞、阻抗變換以及信號隔離等作用。變壓器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用：第十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日變壓器鐵心:硅鋼片疊壓而成。變壓器繞組:高強度漆包線繞制而成。其他部件:油箱、冷卻裝置、保護裝置等。鐵心線圈殼式變壓器心式變壓器鐵心線圈2.變壓器的結(jié)構(gòu)第十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日上一節(jié)下一節(jié)上一頁下一頁返回舉例：第十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日1N1i1一次繞組二次繞組AXax變壓器符號Axu1–+e1–+e1

–+N2e2u20axSZLi2–++–3.變壓器的工作原理第十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日S|ZL

|1N1N2i1e2u2e1u1e12i2u1

→i1(

i1N1)1→e1

→e1i2(i2N2

)→2→e23.變壓器的工作原理e2–++––++–+–e2+–第十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日1N1N2AXax??U1

–

E1

??E2?–

E1?U1

??U20—–

=—–U1U20—–=–—=KN1N2U20=

E2

?

?I0?U1U20E1E24.44fN1m4.44fN2mN1N2—–=–—=–—–—–—–=–—E2

?U20?E1

?U1

?E1

?結(jié)論—變比U1=–E1–E1+R1I0????E2

=

4.44fN2m變壓器空載：E1

=

4.44fN1m–+––+++–有效值之比(1)電壓變換第二十頁，共五十三頁，2022年，8月28日aSZLN1I1=N2

I2N1N2AXx??I1E2?U2?E1?U1?E1??I2結(jié)論產(chǎn)生主磁通

的磁通勢有效值關(guān)系式I0=

I1N(2.

5)變壓器接負載：+–+–E2?+–+–+–+–+空載時一次繞組的磁通勢(2)電流變換第二十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日'ZL=—U1I1??ZL=—–U2I2??=–——–KU2–I2/K??=K2

–—

U2I2

??=K2ZL'ZL=K2ZL結(jié)論?I2KZL?U2?U1?I1Z0'ZLE?可利用變壓器進行阻抗匹配！'|ZL|=K2|ZL|+––++–(3)阻抗變換第二十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日一只電阻為8Ω的揚聲器（喇叭），需要把電阻提高到800Ω才可以接入半導(dǎo)體收音機的輸出端。問：應(yīng)該利用電壓比為多大的變壓器才能實現(xiàn)這一阻抗匹配。［解］∵=10∴R=k2RL

RLRk==8008上一節(jié)下一節(jié)上一頁下一頁返回［例1］第二十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日如圖所示，交流信號源E=120V，內(nèi)阻R0=800，負載RL=8，(1)當RL折算到原邊的等效電阻RL=R0時，求變壓器的匝數(shù)和信號源的輸出功率；(2)當將負載直接與信號源聯(lián)接時，信號源輸出多大功率？[解](1)R'L

=K2RL=R0?I2KRL?U2?U1?I1R0'RLE?+–+–+–(2)

[例2]

第二十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日(1)

額定容量

SNSN=U1NI1N=U2NI2N三相變壓器單相變壓器SN=U1NI1N=U2NI2N(2)

額定電壓U1N和

U2N(3)

額定電流I1N和

I2N

(4)額定頻率

fNU2N—

一次側(cè)加

U1N時，二次側(cè)繞組的開路電壓。U2N應(yīng)比滿載運行時的輸出電壓

U2高出5%10%。允許通過的最大電流。4.變壓器的銘牌數(shù)據(jù)為何其單位是伏安或千伏安，而不是瓦或者千瓦？這是因為變壓器的輸出的有功功率與負載的功率因數(shù)有關(guān)。第二十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日有一臺額定容量50kV·A、額定電壓3300/220V的變壓器，高壓繞組為6000匝，試求：(1)低壓繞組匝數(shù)；(2)高壓邊低壓邊額定電流；(3)當一次側(cè)保持額定電壓不變，二次側(cè)達到額定電流，輸出功率9kW，功率因數(shù)為cos=0.8時的副邊端電壓U2。[解](1)N2=N1U2NU1N=4006000×2203300=(3)

P=U2I2NcosI2N=KI1N=600040015.1=227API2NcosU2=9×103227×0.8==215VSNU1N(2)I1N==15.1A=50×1033300

[例3]

第二十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日cos=0.8cos=1OU2I2外特性U2=f(I2)電壓變化率（也叫電壓調(diào)整率）U20–U2U20U=100%U20I2N?I2KRL?U2?U1?I1RiUS?+–+–+–3.3.2變壓器的外特性是指當變壓器的U1不變時，由于二次繞組負載增加（I2增大）引起的U2的變動；第二十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日某單相變壓器的額定電壓為10000/230V，接在10000V的交流電源上向一電感性負載供電，電壓調(diào)整率為0.03。求變壓器的電壓比及空載和滿載時的二次電壓。［解］電壓比：U1NU2Nk==10000230=43.5空載電壓：=230V滿載電壓:=223VU20=U2N

U2=U2N(1－ΔU％)PCu

=230×(1－0.03)

V上一節(jié)下一節(jié)上一頁下一頁返回［例4］第二十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日上例中的變壓器，當|ZL|=0.966Ω時，變壓器正好滿載。求該變壓器的電流。［解］

U2|ZL|I2==2230.966=224A=5.15A

I2kI1=上一節(jié)下一節(jié)上一頁下一頁返回［例5］第二十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.損耗

P=PCu+PFe銅損2.效率P2

P1=

—×100%P2+PCu+PFeP2

=

————×100%=(9099)%鐵損PFe與Bm有關(guān)3.3.3變壓器的損耗與效率不變損耗可變損耗第三十頁，共五十三頁，2022年，8月28日P1P2η=×100%變壓器的效率:※電力變壓器:當I2=(60%～80%)I2N時，

η=ηmax※小型電力變壓器:η=80%～90%※大型電力變壓器:η=98%～99%上一節(jié)下一節(jié)上一頁下一頁返回第三十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日U1?N1N2ZL?U2I=(1–—–)I1N1

N2N2N1=(1–—–)I21.自耦變壓器?U1?N1N2?U2ZLI1?I2

?I3.3.4特殊變壓器該變壓器的二次繞組是一次繞組的一部分。在實驗室使用該變壓器時應(yīng)注意：使用完畢后必須調(diào)到零位！第三十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日2.電流互感器

特殊變壓器N1N2負載A~i1i2用來擴大測量交流電流的量程，并保證人身與設(shè)備的安全。其典型應(yīng)用就是鉗型電流表，如圖：注意：測量時二次繞組電路不允許開路！第三十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日AXax??ii12同名端1.同名端當兩個端口同為流入電流時，產(chǎn)生的磁通的方向相同，兩個繞組中的感應(yīng)電動勢極性也相同的端口。AXax??++––e1e23.3.5變壓器繞組的極性第三十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日X與a相連，兩個1的方向相同u=–e1–e1+R1i+R1i=–2e1+2R1iX與x相連，兩個1的方向相反u=–e1+e1+R1i+R1i=2R1i正確聯(lián)接方法，u加在Ax端，錯誤聯(lián)接方法，u加在Aa端，將產(chǎn)生很大電流，不允許！2.繞組的連接AXax??ii11e1e1++––AXax??ii11e1e1++––返回第三十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日

一臺單相變壓器，一次側(cè)為兩個繞組，額定電壓均為110V，試問電源電壓為220V時，如何連接？電源電壓為110V時，如何連接？[解]電源電壓為220V時，接線如右圖所示；電源電壓為110V時，接線如下圖所示。AXax??AXax??uAXax??u[例6]第三十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日

P119

思考與練習(xí)第三十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日銜鐵鐵心鐵心線圈線圈銜鐵結(jié)構(gòu)：線圈、鐵心、銜鐵利用電磁力實現(xiàn)某一機械發(fā)生動作的電磁元件。3.4電磁鐵第三十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.直流電磁鐵(1)電磁吸力通入直流，無鐵損，鐵心用整塊的鑄鋼、軟鋼。在吸合后，線圈電流不變，但吸力變大！(2)吸合前后的電磁吸力變化情況吸力的大小與氣隙的截面積S0、氣隙中的磁感應(yīng)強度B0的平方成正比。第三十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日(1)平均電磁吸力鐵心由硅鋼片疊成；為了避免吸力變化過程中為零帶來的銜鐵顫動和噪聲——加入分磁環(huán)（短路環(huán)）。2.交流電磁鐵(2)吸合前后的電磁平均吸力不變，而勵磁電流由大變小。電磁吸力是脈動的，第四十頁，共五十三頁，2022年，8月28日t、ff1鐵心電磁吸力

由于1與2之間出現(xiàn)了相位差，合成磁通所產(chǎn)生的電磁吸力就不會為零。磁通為零，吸力也為零2短路銅環(huán)(3)分磁環(huán)結(jié)構(gòu)第四十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日1）假如因機械故障，交流電磁鐵的銜鐵或機械可動部分被卡住，通電后銜鐵吸合不上，會出現(xiàn)什么問題？[答]線圈中的電流會比較大，而使線圈發(fā)熱，甚至燒毀。思考：2）把一臺50Hz、380V的交流電磁鐵接在50Hz、220V的交流電源上，會出現(xiàn)什么問題？怎樣解決？[答]根據(jù)U4.44fNmUmF吸力不足減少N第四十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日M3~抱閘電磁鐵制動輪彈簧電磁鐵應(yīng)用一例第四十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日M3~M3~抱閘電磁鐵制動輪彈簧返回第四十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日

本章習(xí)題第四十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日本章小結(jié)

1.了解物質(zhì)的磁性能，理解磁路歐姆定律；2.了解鐵心線圈電路中的電壓與電流的關(guān)系及功率和損耗問題；3.了解變壓器的基本結(jié)構(gòu)，理解變壓器的電壓變換、電流變換和阻抗變換作用以及變壓器的功率和損耗4.理解變壓器的額定值；5.了解繞組同極性端(同名端)和異極性端(異名端)的含義。返回第四十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日(1)額定電壓一定的交流鐵心線圈能否施加大小相同的直流電壓？返回分析與思考題集上一題下一題【答】如果給交流鐵心線圈施加了與交流電壓大小相等的直流電壓會把線圈燒毀。這是因為交流鐵心線圈上施加的交流電壓絕大部分被感應(yīng)電動勢所平衡（U≈E），漏阻抗上的電壓很小，因而勵磁電流很小。如果是施加同樣大小的直流電壓，由于線圈中沒有感應(yīng)電動勢與之平衡，全部電壓降落在線圈本身的電阻上，該電阻值是很小的，因此將會產(chǎn)生很大的直流勵磁電流，使線圈燒毀。如果系統(tǒng)有過流保護裝置，此時保護裝置將動作跳閘。復(fù)習(xí)題1第四十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日(2)在求變壓器的電壓比時，為什么一般都用空載時一、二次繞組電壓之比來計算？=N1N2E1E2k=【答】因為變壓器的電壓比等于一、二次繞組感應(yīng)電動勢之比，也即匝數(shù)之比：空載時：U1≈E1，E2=U20=U2N，而負載時：U1≈E1，E2≈U2，顯然用空載時一、二次繞組電壓之比來計算電壓比精確度較高。返回分析與思考題集上一題下一題復(fù)習(xí)題2第四十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日【答】滿載時變壓器的二次側(cè)電壓U2不等于額定電壓U2N。因為變壓器的二次側(cè)額定電壓U2N是定義為空載電壓（一次側(cè)為額定電壓時）U20的，即U2N=U20=E2。變壓器滿載（I2=I2N）時，(3)滿載時變壓器的電流等于額定電流，這是的二次側(cè)電壓是否也等于額定電壓？U2=E2－Z2I2，因而U2≠U2N。返回分析與思考題集上一題下一題復(fù)習(xí)題3第四十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日(4)為了判斷圖所示變壓器實物中一次側(cè)兩個線圈的極性，可以將這兩個線圈的任意兩端串聯(lián)后，在二次側(cè)加一個不超過其額定值的電壓，如果測得一次側(cè)兩串聯(lián)線圈的總電壓為兩個線圈電壓之和，則說明現(xiàn)在是異極性端串聯(lián)；如果測得的總電壓為兩個線圈電壓之差，則說明是同極性端串聯(lián)。試說明此方法的原理。+U1-+

U2(施加)-+