电工电子技术-6.ppt

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1、第六章 磁路与变压器第一节第一节 磁磁 路路第二节第二节 铁心线圈铁心线圈第三节第三节 变压器变压器第一节第一节 磁磁 路路 一一 磁路的基本概念磁路的基本概念二二 磁性材料的磁性能磁性材料的磁性能三三 磁路的基本定律磁路的基本定律返回返回返回返回一一 磁路的基本概念磁路的基本概念1.1.磁磁 路路 磁感应强度磁感应强度（B）：磁感应强度表示磁感应强度表示磁场中某点磁场强弱方向的物理量。磁场中某点磁场强弱方向的物理量。如果磁场内各点的磁感应强度大小相如果磁场内各点的磁感应强度大小相等，方向相同，这样的磁场称为均匀磁等，方向相同，这样的磁场称为均匀磁场。场。2.磁路的基本物理量磁路的基本物理量磁

2、路就是磁力线或磁通集中通过的路径。磁路就是磁力线或磁通集中通过的路径。磁路是个闭合路径。磁路是个闭合路径。2 2磁通（磁通（）：磁感应强度磁感应强度B B与垂直于与垂直于磁场方向的面积磁场方向的面积S S的乘积，成为通过的乘积，成为通过该面积的磁通。磁通的单位是韦伯该面积的磁通。磁通的单位是韦伯（wb）.=B S返回返回 磁场强度（磁场强度（H）：表示磁场中与磁铁表示磁场中与磁铁材料无关的磁场大小和方向的物理量。材料无关的磁场大小和方向的物理量。磁场强度的单位是安磁场强度的单位是安/米（米（A/m）H=B/磁感应强度的单位是特斯拉（磁感应强度的单位是特斯拉（T）磁导率磁导率 ：是用来衡量物质导

3、磁能力：是用来衡量物质导磁能力的物理量。单位是亨的物理量。单位是亨/米米(H/m)真空磁导率真空磁导率 0=410 7(H/m)相对导磁系数相对导磁系数 r=/0 0 若若 r=1 说明是非磁性材料说明是非磁性材料。若若 r 1 说明是磁铁材料说明是磁铁材料返回返回二二 磁性材料的磁性能磁性材料的磁性能1 高导磁性高导磁性 磁性材料之所以具有高导磁性是磁性材料之所以具有高导磁性是因为内部具有磁畴结构。因为内部具有磁畴结构。磁畴磁畴：由于磁性材料的分子之间有：由于磁性材料的分子之间有一种特殊的作用而使每一区域内的一种特殊的作用而使每一区域内的分子磁铁都排列整齐，显示磁性，分子磁铁都排列整齐，显示

4、磁性，这些区域称为磁畴。这些区域称为磁畴。返回返回磁畴：磁畴：返回返回在无外磁场时磁畴在无外磁场时磁畴任意排列，处于无任意排列，处于无序状态，对外不显序状态，对外不显磁性。磁性。返回返回在有外磁场作用时，在有外磁场作用时，磁场就顺外磁场方磁场就顺外磁场方向转向，形成一个向转向，形成一个很强的与外磁场方很强的与外磁场方向一致的磁化磁场，向一致的磁化磁场，磁铁材料被磁化。磁铁材料被磁化。2 磁饱和性磁饱和性磁化磁场不会随着外磁化磁场不会随着外磁场的增加而无限地磁场的增加而无限地增加当外磁场增加到增加当外磁场增加到一定值时，全部磁畴一定值时，全部磁畴的方向都已与外磁场的方向都已与外磁场的方向一致，这

5、时磁的方向一致，这时磁化磁场不在增强，化磁场不在增强，B 达到最大值，这一特达到最大值，这一特性称为磁饱和性。性称为磁饱和性。HBOabc返回返回当磁铁材料在交当磁铁材料在交变磁场作用下，变磁场作用下，将受到交变磁化将受到交变磁化,曲线如图。曲线如图。HB磁滞曲线磁滞曲线返回返回3 3 磁滞性磁滞性可见，当可见，当H 为零时，为零时，滞后一些时间才能到滞后一些时间才能到零值，这段为磁铁材零值，这段为磁铁材料的磁滞性。料的磁滞性。当当H到零时，铁到零时，铁磁材料在磁化时所磁材料在磁化时所获得的磁性不能完获得的磁性不能完全消失，还要保留全消失，还要保留一定的磁性，这种一定的磁性，这种磁性称为剩磁磁

6、性称为剩磁Br。使使B=0的的H值，即值，即HC 称为矫顽磁力。称为矫顽磁力。BrHC软磁材料软磁材料：具有较小的：具有较小的Br 和和HC 磁滞磁滞回线较窄，它的导率很高，一般用回线较窄，它的导率很高，一般用来制作电极，变压器等的磁心。来制作电极，变压器等的磁心。硬磁材料硬磁材料：具有较大的：具有较大的Br 和和HC 磁滞磁滞回线较宽，它们被磁化后，剩磁不回线较宽，它们被磁化后，剩磁不易消失，一般用来制造永久磁铁。易消失，一般用来制造永久磁铁。返回返回磁铁材料按磁滞回线形状不同分为两类：磁铁材料按磁滞回线形状不同分为两类：在磁路中，磁场强度在磁路中，磁场强度H H沿任何一闭合路沿任何一闭合路

7、径的线积分，等于包围在闭合回路内各电径的线积分，等于包围在闭合回路内各电流的代数和。流的代数和。返回返回 其中，凡是电流的方向与总积分路程其中，凡是电流的方向与总积分路程的方向符合右手定则的取正，反之取负。的方向符合右手定则的取正，反之取负。1.1.全电流定律全电流定律三、磁路的基本定律三、磁路的基本定律 若材料单一，结构均匀若材料单一，结构均匀IXHS H L=I N 若材料、结构分段均匀若材料、结构分段均匀IHL1L2L3L4返回返回2.2.磁路欧姆定律磁路欧姆定律INEIR电动势电动势E磁动势磁动势F=IN电流电流I磁通磁通电压电压U=E磁压磁压H L=F电阻电阻R=l/S r磁阻磁阻R

8、m=L/S 电路欧姆定律电路欧姆定律 I=U/R磁路欧姆定律磁路欧姆定律 =F/Rm返回返回Rm=L/S 称为磁阻称为磁阻 单位：单位：1/H磁通磁通与磁动势与磁动势F成正比，与磁阻成反成正比，与磁阻成反比，这就是磁路欧姆定律。比，这就是磁路欧姆定律。注意：注意：由于磁铁材料的磁导率由于磁铁材料的磁导率不是常不是常数，所以数，所以Rm不是常数。所以磁路欧姆不是常数。所以磁路欧姆定律一般用于定性分析磁路，而不是定律一般用于定性分析磁路，而不是直接通用于计算磁路。磁路的定量计直接通用于计算磁路。磁路的定量计算要涌泉电流定律辅以物质的磁化曲算要涌泉电流定律辅以物质的磁化曲线来进行。线来进行。返回返回

9、例：例：在铁心线圈中通直流电，在铁心线圈中通直流电，N=1000匝，磁路平匝，磁路平均长度均长度L=30cm，截面积截面积S=10cm2，工作点上相对工作点上相对磁导率磁导率r=1137。与在铁心中建立磁通与在铁心中建立磁通=0.001WB，电流电流I=？INSL解：解：由由H L=I N返回返回第二节第二节 交流铁心线圈交流铁心线圈返回返回一一 各物理量之间的关系各物理量之间的关系二二 铁心线圈电路的能量损失铁心线圈电路的能量损失三三 交直流磁路的比较交直流磁路的比较返回返回 当铁心线圈的励磁电流为直流时成当铁心线圈的励磁电流为直流时成为直流铁心线圈，当励磁电流为交流时，为直流铁心线圈，当励

10、磁电流为交流时，就是交流铁心线圈。交流铁心线圈的电就是交流铁心线圈。交流铁心线圈的电磁关系是分析交流电机、变压器等电器磁关系是分析交流电机、变压器等电器的基础。的基础。一、各物理量之间的关系一、各物理量之间的关系电磁关系如下：电磁关系如下：ui (in)e=-Nd/dte=-Nd/dtiR：主磁通主磁通 漏磁通漏磁通iue e返回返回列铁心线圈的列铁心线圈的 KVL 方程：方程：u=-e-e +i R一般线圈的电压降一般线圈的电压降 e和漏感电动势都很小，和漏感电动势都很小，所以上式近似写为：所以上式近似写为：u-e=Nd/dt设主磁通设主磁通 =msin（t）则：则：e=Nd /dt=-N

11、mcos(t)=2 f N msin(t-90)=Emsin(t-90)返回返回 这是一个常用公式，它表明这是一个常用公式，它表明当线圈匝数当线圈匝数N及电源频率及电源频率f 一定一定时，主时，主磁通磁通 m的大小只取决的大小只取决于外加电压的有效值于外加电压的有效值U.Em=2 f N mE=Em/=4.44 f N mU=E=4.44 f Nm返回返回返回返回例例:已知日光灯镇流器的铁心由硅钢片叠成，平均已知日光灯镇流器的铁心由硅钢片叠成，平均磁路长度磁路长度L=20cm，截面积截面积S=7cm2，N=1000匝，匝，接在工频接在工频f=50Hz交流电路中，测得线圈的电压有交流电路中，测得

12、线圈的电压有效值为效值为192V。试求试求:1）主磁通）主磁通m 2）磁感应强磁感应强度度Bm 3）励磁电流励磁电流I。解：解：把镇流器相当一个铁心线圈，则：把镇流器相当一个铁心线圈，则：U4.44f Nmm=U4.44f N=1924.44501000 =8.6510-4 WbBm=mS=8.6510-4710-4=1.24T查硅钢磁化曲线得：查硅钢磁化曲线得：Hm=0.6103A/m二、铁心线圈电路的能量损失1 铁心线圈电路的铜损铁心线圈电路的铜损 无铁心的线圈加交流电时线圈电阻上无铁心的线圈加交流电时线圈电阻上的功率损耗称为铜损。的功率损耗称为铜损。Pcu=I 2 R返回返回铁心线圈的功

13、率损耗主要有两部分铁心线圈的功率损耗主要有两部分2 铁心线圈电路的铁损铁心线圈电路的铁损 有铁心的线圈加上交流电时，它产生有铁心的线圈加上交流电时，它产生的交变磁场在铁心中产生能量损耗而使的交变磁场在铁心中产生能量损耗而使之发热，这种能量损耗称为铁损。之发热，这种能量损耗称为铁损。返回返回 磁滞损耗磁滞损耗 铁损铁损 涡流损耗涡流损耗PFe=Ph+Pe磁滞损耗磁滞损耗Ph：铁心在交变磁场内反复磁化的过程铁心在交变磁场内反复磁化的过程要消耗磁场能量，使磁铁发热。要消耗磁场能量，使磁铁发热。可以证明，铁心反复磁化所消耗的能量与磁可以证明，铁心反复磁化所消耗的能量与磁滞回线的面积成正比。所以一般为了

14、减小磁滞滞回线的面积成正比。所以一般为了减小磁滞损耗，常选用磁滞回线狭小的软磁材料制造铁损耗，常选用磁滞回线狭小的软磁材料制造铁心，通常采用硅钢。心，通常采用硅钢。返回返回涡流损耗涡流损耗Pe:磁铁材料既导磁又导电，在交变磁铁材料既导磁又导电，在交变磁通通过铁心时，在线圈和铁心中都有感应磁通通过铁心时，在线圈和铁心中都有感应电动势产生，在磁铁中会出现旋涡式的电流电动势产生，在磁铁中会出现旋涡式的电流称为涡流。涡流在铁心中产生的能量损耗称称为涡流。涡流在铁心中产生的能量损耗称为涡流损耗。为涡流损耗。ic返回返回 为了减小涡流损耗，一方面采用电阻率较高为了减小涡流损耗，一方面采用电阻率较高的铁磁材

15、料（如硅钢）也可以减小涡流。的铁磁材料（如硅钢）也可以减小涡流。另一方面可以把整块铁心改成顺着磁场方向另一方面可以把整块铁心改成顺着磁场方向彼此绝缘的硅钢片叠成。这样就可以限制涡流在彼此绝缘的硅钢片叠成。这样就可以限制涡流在较小的截面内流过；较小的截面内流过；iic 交流铁心线圈交流铁心线圈的铁心都选用的铁心都选用法。法。0.5或或0.35mm 厚的厚的彼此绝缘的硅彼此绝缘的硅钢片叠成钢片叠成返回返回 三三.交直流磁路的比较交直流磁路的比较.在直流磁路中，磁动势，磁通，磁感在直流磁路中，磁动势，磁通，磁感应强度及磁场强度都是恒定不变的，而应强度及磁场强度都是恒定不变的，而在交流磁路中，这些量应

16、随时间不断地在交流磁路中，这些量应随时间不断地变化变化。返回返回.直流励磁电流的大小取决于线端直流励磁电流的大小取决于线端 电压和线圈电阻的大小，而与磁路的性电压和线圈电阻的大小，而与磁路的性质（材料种类，几何尺寸，有无气隙及质（材料种类，几何尺寸，有无气隙及气隙大小等）无关，而交流励磁电流的气隙大小等）无关，而交流励磁电流的大小则主要由磁路的性质决定。大小则主要由磁路的性质决定。.交流磁路的磁通基本上由线圈电交流磁路的磁通基本上由线圈电 压决定，与磁路的性质无关，而在直压决定，与磁路的性质无关，而在直 流磁路中，在线圈端电压一定时，磁通流磁路中，在线圈端电压一定时，磁通的大小与磁路的磁阻有关

17、。的大小与磁路的磁阻有关。返回返回.交流磁路中，在交变磁通的作用下，交流磁路中，在交变磁通的作用下，铁心中有磁滞损耗和涡流损耗（铁损），铁心中有磁滞损耗和涡流损耗（铁损），而在直流磁路中，由于磁通是恒定不变而在直流磁路中，由于磁通是恒定不变的，所以无铁损。的，所以无铁损。第三节第三节 变压器变压器 返回返回一一 变压器的基本结构变压器的基本结构二二 变压器的工作原理变压器的工作原理三三 变压器的外特性与额定值变压器的外特性与额定值 四四 变压器的极性变压器的极性五五 自耦变压器自耦变压器返回返回 变压器是变压器是 用来改变电压大小的一种重用来改变电压大小的一种重要的电器设备要的电器设备,它在电

18、力和供电系统中占它在电力和供电系统中占有很重要的地位有很重要的地位.在电子技术也得到广泛在电子技术也得到广泛的应用的应用.变压器用途变压器用途1 1.升压送电升压送电2.2.降压送电降压送电3.3.在电子线路中在电子线路中,用作电用作电源变换源变换,传递信号传递信号,阻抗阻抗变换等。变换等。一、变压器的基本结构一、变压器的基本结构n 变压器主要有硅钢片叠成的闭变压器主要有硅钢片叠成的闭合铁心和高压，低压线组组成。合铁心和高压，低压线组组成。按铁心和绕组的放置方式不同按铁心和绕组的放置方式不同分为心式和壳式两种。分为心式和壳式两种。n 绕组包围铁心成为心式。铁心绕组包围铁心成为心式。铁心包围绕组

19、成为壳式。包围绕组成为壳式。返回返回绕组铁心铁心绕组返回返回壳式壳式心式心式二、变压器的工作原理二、变压器的工作原理u2u1i 2i 1电磁关系如下：电磁关系如下：u1 i 1(i 1N1)e1=-N1d/dte2=-N2d/dti2(i 2N2)2e2-L2di 2/dt1e1 =-L1di 1/dt返回返回N1N212e1 e1e2 e21.1.空载运行和变换电压空载运行和变换电压 副边无负载，副边无负载，i 2=0,此时原边绕组中的此时原边绕组中的电流电流 成为空载电流成为空载电流 i 0。原边当忽略漏感原边当忽略漏感和线圈电阻时有和线圈电阻时有 U1=-E1=-4.44 f N1 m

20、U2=E2=4.44 f N2 mu2u1i 2i 1N1N21e1e2返回返回U1/U2=N1/N2=Ku返回返回所以有：所以有：U1/U2=E1/E2=N1/N22.2.有载运行和电流变换有载运行和电流变换u2u1i 2i 1N1N212e1e2变压器有载时与无载时一样变压器有载时与无载时一样 U1/U2=N1/N2=Ku 当有负载时，当有负载时，i 20,这时原边电流用这时原边电流用 i 1 表示。表示。由由U1=4.44 f N1 m 知知,当当U 1和和 f 不变时不变时,m 基本不变基本不变 当变压器接上负载后，原边磁当变压器接上负载后，原边磁动动势势 i 1N1 和副边磁动势和副

21、边磁动势 i 2N2 共同产生磁通共同产生磁通与变压器空载时产生的磁通基本相等，所与变压器空载时产生的磁通基本相等，所以这两种情况下磁动势相等。即：以这两种情况下磁动势相等。即：返回返回i 1 N1+i 2 N2 =i 0 N1由于由于 i 0 很小，很小，忽略不计：忽略不计：İ1N1 =-İ2N2I1N1 =I2N2所以有：所以有：I1/I2=N2/N1=1/Ku返回返回3.3.阻抗变换阻抗变换Zu1i 1i 2i 1u1 Z z=U2/U1 z=U1/I1=K U2/(I2/K0)=K2 U2/I2z=K2z 改变改变K K，即可改变即可改变z实现阻抗变换。实现阻抗变换。返回返回u2返回返

22、回U1/U2=N1/N2=KuI1/I2=N2/N1=1/Kuz=K2z升压升压 K 1 z z降压降压 K z三、变压器的外特性与额定值三、变压器的外特性与额定值1 外特性外特性 外特性指当电源电压外特性指当电源电压 U1 和负载的功和负载的功率因数率因数 cos(2)不变时，不变时，U2 与与 I2 之间之间的关系曲线，的关系曲线，U2=f(I2)外特性曲线：外特性曲线：U20I20U2 U20为空载电压为空载电压U=(U20-U2)/U20100一般为一般为5左右左右cos(2)=1cos(2)1返回返回2.额定值原边额定电压和电流：原边额定电压和电流：U1N,I1N副边额定电压和电流：

23、副边额定电压和电流：U2N,I2N变压器的额定容量变压器的额定容量 SN=U2NI2N返回返回四、变压器的极性四、变压器的极性返回返回 同极性端又称同名端，是指铁心中的磁同极性端又称同名端，是指铁心中的磁磁通变化时，在该端产生的感应电动势的磁通变化时，在该端产生的感应电动势的极性相同，或电流从两个线圈的同极性端极性相同，或电流从两个线圈的同极性端流入时，产生的磁通方向相同，用流入时，产生的磁通方向相同，用 或或表示，在使用变压器时，必须表示，在使用变压器时，必须知道同名端以便正确联接。知道同名端以便正确联接。例如，在图示电路中，每个原边线圈的额定电压为110，副边线圈的额定电压分别为3V、9。

24、1234返回返回56781.当接到当接到220的电源时，的电源时，应将相联，与应将相联，与电源两个线圈串联。电源两个线圈串联。当接当接110电源时，应电源时，应将相联相联，将相联相联，两线圈并联接到两线圈并联接到110电源电源上上.2.若要得到若要得到12的输出时，应将的输出时，应将68相联，从相联，从5，7两个端子输出两个端子输出。若要得到若要得到6的输出时，应将的输出时，应将67相联，从相联，从5，8两个端子输出两个端子输出。五、自耦变压器 变压器除了有传输能量用的电力变压变压器除了有传输能量用的电力变压外，还有一些专用变压器，如电压互感外，还有一些专用变压器，如电压互感器，电流互感器，自

25、耦变压器等。器，电流互感器，自耦变压器等。自耦变压器自耦变压器只有一个绕组，副绕组是只有一个绕组，副绕组是原绕组的一部分，它同样有变换电压，原绕组的一部分，它同样有变换电压，电流和阻抗的作用。电路如图：电流和阻抗的作用。电路如图：返回返回u1u2N1N2i1i2U1/U2=N1/N2=KI1/I2=N2/N1=1/K返回返回返回返回例例:某变压器额定某变压器额定SN=100VA，额定额定UN=220V/25V,Bm=1T,S=9cm2,求：原，副边的绕组匝数求：原，副边的绕组匝数N1、N2及额定电流及额定电流I1N、I2N各是多少？各是多少？解：解：U14.44f N1BmSN1=U1N4.44f BmS=220/4.4450910-4 =1100匝匝N2=U2NN1U1N=251100 220=125匝匝返回返回I2N=SNU2N=100 25=4AI1NN2I2N N1=1254 1100A =0.454A