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1、第3章电工电子技术本讲稿第一页，共四十页电工设备中常见的磁路及铁心线圈电工设备中常见的磁路及铁心线圈变压器变压器 铁心铁心+SN电机电机 铁心铁心绕组绕绕组组绕组绕组3.1 磁路的基本知识磁路的基本知识本讲稿第二页，共四十页一、一、磁路的概念磁路的概念 1.1.磁感应强度磁感应强度B B(磁通密度磁通密度)：是表示磁场内某点的：是表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量。磁场强弱和方向的物理量。均匀磁场均匀磁场 磁场内各点的磁场内各点的 B 大小相等，方向相同。大小相等，方向相同。单位：单位：T（特（特斯拉斯拉）方向：方向：与电流之间用与电流之间用右螺旋定则右螺旋定则确定。确定。（该点磁场作用于
2、（该点磁场作用于1 1米长、米长、1 1安电流的导体上的力）安电流的导体上的力）本讲稿第三页，共四十页4.磁场强度磁场强度 H 定义：定义：H=B/3.磁导率磁导率 相对相对磁导率磁导率 r=/0 对于铁对于铁磁材料磁材料 r=102 105单位：单位：A/m (安安/米米)铁铁磁材料广泛应用在变压器、电机、电工仪表等。磁材料广泛应用在变压器、电机、电工仪表等。真空真空磁导率磁导率 0=410 7 H/m （亨（亨/米）米）对于均匀磁场对于均匀磁场 =B S -标量标量 单位：单位：Wb （韦（韦伯伯）2.磁通磁通 等于磁感应强度等于磁感应强度B B与垂直于磁场方向的面积与垂直于磁场方向的面积
3、S S的乘的乘积。积。本讲稿第四页，共四十页二、二、铁磁材料铁磁材料 根据导磁性能的不同根据导磁性能的不同根据导磁性能的不同根据导磁性能的不同,自然界的物质可分为两大类：一自然界的物质可分为两大类：一自然界的物质可分为两大类：一自然界的物质可分为两大类：一类称为为铁磁材料，另一类为非铁磁材料。类称为为铁磁材料，另一类为非铁磁材料。类称为为铁磁材料，另一类为非铁磁材料。类称为为铁磁材料，另一类为非铁磁材料。相对磁导率相对磁导率r：相对磁导率相对磁导率r r ：物质磁导率与真空磁导率的比值。物质磁导率与真空磁导率的比值。真空真空的磁导率：的磁导率：本讲稿第五页，共四十页三、磁路欧姆定律三、磁路欧姆
4、定律磁通势：磁通势：F=NI 单位单位A(安）安）单位单位H-1(每亨）每亨）磁路欧姆定律：磁路欧姆定律：I NU+铁心磁路铁心磁路 I NU+铁心磁路铁心磁路 磁通势：励磁电流和线圈匝数的乘积。磁通势：励磁电流和线圈匝数的乘积。磁路磁阻：磁路磁阻：磁路磁阻：磁路磁阻：本讲稿第六页，共四十页磁路与电路各物理量的对应关系磁路与电路各物理量的对应关系磁通势：磁通势：F 磁路磁路磁路磁路电路电路电动势：电动势：E 磁通磁通:电流电流:I磁路磁阻：磁路磁阻：电路电阻电路电阻:磁路欧姆定律：磁路欧姆定律：电路欧姆定律：电路欧姆定律：（不是常数）不是常数）F F 00磁通随磁通势变化曲线磁通随磁通势变化曲
5、线磁通随磁通势变化曲线磁通随磁通势变化曲线空心线圈空心线圈铁心线圈铁心线圈 磁饱和磁饱和本讲稿第七页，共四十页3.2 交流铁芯线圈电路交流铁芯线圈电路i u+主磁通主磁通 ee 漏磁通漏磁通 一、一、电磁关系电磁关系感应电动势的有效值：感应电动势的有效值：设：设：=msin t=N mcos t=Emsin(t-90)感应电动势的有效值：感应电动势的有效值：本讲稿第八页，共四十页 当电源频率和线圈匝数一定时，当电源频率和线圈匝数一定时，只要电压只要电压U不变不变,就要求磁通就要求磁通 m不能不能变。变。u eR和和 e 很小很小U U E E=4.44 f N m由由KVL：u=iR e e
6、二、二、功率损耗功率损耗铁心线圈的功率损耗铁心线圈的功率损耗 =铜损铜损+铁损铁损线圈导线电阻产生的损耗线圈导线电阻产生的损耗铜损：铜损：铁损：铁损：（在铁心中产生的感应在铁心中产生的感应 电流而引电流而引 起的损耗）起的损耗）磁滞损耗（磁滞损耗（铁心反复磁化时所消耗的功率）铁心反复磁化时所消耗的功率）涡流损耗涡流损耗本讲稿第九页，共四十页 为了减少铁心损耗，变压器、电机等电器设备中铁心为了减少铁心损耗，变压器、电机等电器设备中铁心通常用厚度为通常用厚度为0.35mm或或0.5mm硅钢片叠装而成。硅钢片叠装而成。铁磁材料反复磁化时，内部磁畴的极性铁磁材料反复磁化时，内部磁畴的极性取向随着外磁场
7、的交变来回翻转，在翻转的过程中，取向随着外磁场的交变来回翻转，在翻转的过程中，由于磁畴间相互摩擦而引起的能量损耗称为由于磁畴间相互摩擦而引起的能量损耗称为磁滞损耗磁滞损耗磁滞损耗磁滞损耗。磁滞损耗磁滞损耗 铁磁材料反复磁化时，内部磁畴的极性铁磁材料反复磁化时，内部磁畴的极性取向随着外磁场的交变来回翻转，在翻转的过程中，取向随着外磁场的交变来回翻转，在翻转的过程中，由于磁畴间相互摩擦而引起的能量损耗称为由于磁畴间相互摩擦而引起的能量损耗称为磁滞损耗磁滞损耗磁滞损耗磁滞损耗。磁滞损耗磁滞损耗磁滞损耗磁滞损耗涡流在铁芯中造成的热量损耗。涡流在铁芯中造成的热量损耗。涡流损耗涡流损耗涡流损耗涡流损耗为减
8、小涡流损耗，常用硅钢片叠压为减小涡流损耗，常用硅钢片叠压制成电机电器的铁芯。制成电机电器的铁芯。本讲稿第十页，共四十页1.为什么说磁路欧为什么说磁路欧姆定律只能用于姆定律只能用于定性分析？定性分析？2.磁滞损耗和涡流损磁滞损耗和涡流损耗是怎么产生的？如耗是怎么产生的？如何减小这两种损耗？何减小这两种损耗？本讲稿第十一页，共四十页变压器可以变换电压、电流和阻抗的功能。应用非常广泛。变压器可以变换电压、电流和阻抗的功能。应用非常广泛。电力系统电力系统：变压器用于改变供电系统的电压。变压器用于改变供电系统的电压。变压器用于改变供电系统的电压。变压器用于改变供电系统的电压。电子线路：电子线路：变压器用
9、于改变电压、耦合电路、传送信变压器用于改变电压、耦合电路、传送信变压器用于改变电压、耦合电路、传送信变压器用于改变电压、耦合电路、传送信 号和实现阻抗的匹配号和实现阻抗的匹配号和实现阻抗的匹配号和实现阻抗的匹配等。等。等。等。还有一些还有一些特殊变压器特殊变压器（如：自耦变压器、电流互感器等）及（如：自耦变压器、电流互感器等）及专专用变压器用变压器（如：电焊变压器、整流变压器等）。（如：电焊变压器、整流变压器等）。按相数分按相数分:单相、三相和多相变压器。单相、三相和多相变压器。分类：分类：分类：分类：按用途分按用途分:电力变压器，特殊用途变压器。电力变压器，特殊用途变压器。按结构分按结构分:
10、心式变压器、壳式变压器。心式变压器、壳式变压器。按冷却方式分按冷却方式分:自冷变压器、油冷变压器。自冷变压器、油冷变压器。3.3 变压器变压器本讲稿第十二页，共四十页其它部件其它部件:油箱、冷却装置、保护装置等油箱、冷却装置、保护装置等壳式变压器壳式变压器变压器变压器变压器变压器主要组主要组主要组主要组成部分成部分成部分成部分变压器铁心变压器铁心:硅钢片叠压而成硅钢片叠压而成变压器绕组变压器绕组:原边原边(一次线圈、高压绕组一次线圈、高压绕组)副边副边(二次线圈、低压绕组二次线圈、低压绕组)心式变压器心式变压器线圈线圈铁心铁心铁心铁心线圈线圈1、铁心、铁心、铁心、铁心一、一、变压器的结构变压器
11、的结构本讲稿第十三页，共四十页2、绕组、绕组 变压器的绕圈通常称为变压器的绕圈通常称为绕组。绕组。绕组。绕组。在变压器中，接到高压电网在变压器中，接到高压电网的绕组称为的绕组称为高压绕组高压绕组高压绕组高压绕组，接到低压电网的绕组称为，接到低压电网的绕组称为低压绕组低压绕组低压绕组低压绕组。按照高压绕按照高压绕组和低压绕组和低压绕组的相互位组的相互位置和形状的置和形状的不同，绕组不同，绕组可以分为同可以分为同心式和交叠心式和交叠式两种。式两种。本讲稿第十四页，共四十页壳式变压器绕组和铁心的结构示意图壳式变压器绕组和铁心的结构示意图壳式变压器绕组和铁心的结构示意图壳式变压器绕组和铁心的结构示意图
12、 本讲稿第十五页，共四十页 低压绕组低压绕组 高压绕组高压绕组同心式绕组同心式绕组交叠式绕组交叠式绕组 低压绕组低压绕组 高压绕组高压绕组本讲稿第十六页，共四十页变压器的绕组变压器的绕组变压器的绕组变压器的绕组 本讲稿第十七页，共四十页二、二、变压器的工作原理变压器的工作原理其中其中N N1 1为一次绕组的匝数，一次绕组也称为原绕组或原边。为一次绕组的匝数，一次绕组也称为原绕组或原边。N N2 2为二次绕组的匝数，二次绕组也称为副绕组或副边。为二次绕组的匝数，二次绕组也称为副绕组或副边。本讲稿第十八页，共四十页+u1e1变压器原理示意图变压器原理示意图i1 e 1 主磁通主磁通 1N1e 2
13、e2i2u2+ZLN2 2原绕组原绕组副绕组副绕组 2 e 2 1 e 1变压器符号变压器符号本讲稿第十九页，共四十页U1U20=KN1N2U1U20E1E2 4.44 f N1 m 4.44 f N2 mN1N2=变压器变比变压器变比E2 2 =4.44 f Nf N2 m1.空载运行空载运行变压器空载：变压器空载：变压器空载：变压器空载：E E1 1 =4.44 4.44 f N1 1 mm+u1e1i1 e 1 N1e2N2u20+变压器带载工作时变压器带载工作时U1U2 =KN1N2本讲稿第二十页，共四十页i2u2+ZLe 2+u1e1i1 e 1 N1e2N22.负载运行负载运行变压
14、器接负载：变压器接负载：变压器接负载：变压器接负载：U1E1 1 =4.44 4.44 f Nf N1 mm 变压器接负载变压器接负载后后,副边磁势也副边磁势也产生磁通产生磁通,主磁主磁通通 为为合成磁通。合成磁通。电源电压电源电压U1没有变没有变没有变没有变变压器接负载后变压器接负载后,主磁通主磁通 mm 不变不变不变不变。（空载电流很小）（空载电流很小）N1I1=N2 I2结论结论有效值有效值本讲稿第二十一页，共四十页3.阻抗变换阻抗变换I2KU2U1I1+Z2Z1负载负载阻抗阻抗结论结论结论结论 在电子在电子线路和通信线路和通信工程中，常工程中，常用变压器来用变压器来实现阻抗的实现阻抗的
15、匹配。匹配。本讲稿第二十二页，共四十页三、三、变压器的额定值和运行特性变压器的额定值和运行特性1.变压器的额定值变压器的额定值 （1 1）额定电压（）额定电压（V V V V、KVKV）U2N 原绕组加原绕组加U1N时，副绕组的开路电压。时，副绕组的开路电压。U1N 原绕组的额定电压。原绕组的额定电压。三相变压器为线电压。三相变压器为线电压。三相变压器为线电压。三相变压器为线电压。（2 2 2 2）额定容量（）额定容量（VAVA、KVAKVAKVAKVA）三相变压器三相变压器单相变压器单相变压器本讲稿第二十三页，共四十页（3 3）额定电流（）额定电流（）额定电流（）额定电流（A A）I2N 副
16、绕组的额定电流。副绕组的额定电流。I1N 原绕组的额定电流。原绕组的额定电流。三相变压器为线电流。三相变压器为线电流。三相变压器为线电流。三相变压器为线电流。（4 4）额定频率）额定频率）额定频率）额定频率f fN N 额定频率fN是指变压器应接入的电源频率，我国电力系统的标准频率为50Hz。（5 5 5 5）型号）型号）型号）型号 本讲稿第二十四页，共四十页例例:某收音机输出变压器的原线圈匝数某收音机输出变压器的原线圈匝数N1=600匝，匝，N2=30匝，接有阻抗为匝，接有阻抗为16 扬声器（匹配），现要改接成扬声器（匹配），现要改接成4 扬声器，问二次线圈匝数为多少才能匹配？扬声器，问二次
17、线圈匝数为多少才能匹配？解：解：原变比原变比K+本讲稿第二十五页，共四十页电压变化率电压变化率2.变压器的外特性变压器的外特性cos 1cos =10U2I2 U20I2NI2KU2U1I1+Z2（电压变化率越小越好，一般在（电压变化率越小越好，一般在5%左右）左右）变压器外特性变压器外特性 当电源电压当电源电压U U1 1和负载功率因数一定时，和负载功率因数一定时，的的关系曲线称为变压器的关系曲线称为变压器的外特性外特性。本讲稿第二十六页，共四十页损耗损耗损耗损耗铜损铜损效率效率效率效率电力变压器电力变压器电力变压器电力变压器 =(9090 99)%3.3.变压器的功率损耗与效率变压器的功率
18、损耗与效率铁损铁损 PFe与与Bm、f有关有关例例:有一单相容量为有一单相容量为10kVA、额定电压、额定电压3300/220V的变压的变压 器。器。问：问：（1）变压器的变比；原、副边额定电流是多少？变压器的变比；原、副边额定电流是多少？（2）副边副边接接220V、40W的白炽灯，如变压器在额定状态下运行，可接的白炽灯，如变压器在额定状态下运行，可接多少盏？多少盏？（3）如果副边接的是如果副边接的是220V、40W、cos=0.45的日光灯可接的日光灯可接多少盏？多少盏？本讲稿第二十七页，共四十页解：解：（3）A18.022040=UPI每盏灯电流每盏灯电流（2）每盏灯电流每盏灯电流A40.
19、045.0220 40cos=UPI（1）本讲稿第二十八页，共四十页1.为什么变压器的铁为什么变压器的铁心要用硅钢片叠成？心要用硅钢片叠成？用整块的铁心行不行用整块的铁心行不行？变压器能否用来变换直流电变压器能否用来变换直流电压？如果将变压器接到与额压？如果将变压器接到与额定电压相同的直流电源上，定电压相同的直流电源上，会有输出吗？会产生什么后会有输出吗？会产生什么后果？果？有一台有一台220110V的变压的变压器，可否把变压器原绕器，可否把变压器原绕组绕组绕2匝，副绕组绕匝，副绕组绕1匝来满足变比的要求？匝来满足变比的要求？为什么？为什么？本讲稿第二十九页，共四十页3.4 常用常用变压器变压
20、器一、一、一、一、自耦变压器和调压器自耦变压器和调压器N1N2u1u2+-滑滑动动头头原理图原理图 U1 N1N2 U2I1 I2Z接零线接零线接火线接火线本讲稿第三十页，共四十页(1)原、副边不能对调使用，否则可能会烧坏绕组，甚至造成电源短路。(2)接通电源前，应先将滑动触头调到零位，接通电源后再慢慢转动手柄，将输出电压调至所需值。使用自耦调变压器时应该注意：使用自耦调变压器时应该注意：本讲稿第三十一页，共四十页二、小功率电源变压器二、小功率电源变压器 小功率电源变压器：小功率电源变压器：小功率电源变压器：小功率电源变压器：在各种仪器设备中提供所需电源电压的变压器，一般容量和体积都较小。小功
21、率电源变压器小功率电源变压器 本讲稿第三十二页，共四十页变压器线圈极性的测定变压器线圈极性的测定 如果变压如果变压 器有两个相同的原边，串联时可接于高压，并联时可器有两个相同的原边，串联时可接于高压，并联时可接于低压，但接线时一定要注意接于低压，但接线时一定要注意同极性端同极性端同极性端同极性端。1.1.同极性端同极性端同极性端同极性端（同名端）：（同名端）：（同名端）：（同名端）：当电流从同极性端流入时，两线圈产生的当电流从同极性端流入时，两线圈产生的磁磁磁磁通方向相同通方向相同通方向相同通方向相同。1、3为同名端为同名端1、4为同名端为同名端正确的串正确的串正确的串正确的串联接法联接法联接
22、法联接法 同名端标注同名端标注i1 i2 1 24321i1 i2 1 24321本讲稿第三十三页，共四十页2.2.同名端同名端的测定的测定的测定的测定（1）直流法（三）直流法（三“正正”法）法）1423smA0100+_电流表电流表正指，正指，1 1、3 3为为同名同名同名同名端端端端（2 2）交流法）交流法1423V01001 1、3 3为为同名端同名端同名端同名端1 1、4为为同名端同名端同名端同名端本讲稿第三十四页，共四十页三、三相电力变压器三、三相电力变压器 在电力系统中，用来变换三相交流电压，输送电能的变压器称在电力系统中，用来变换三相交流电压，输送电能的变压器称为为三相电力变压器
23、三相电力变压器。三相电力变压器三相电力变压器 本讲稿第三十五页，共四十页三相变压器的接法三相变压器的接法 三相电力变压器的额定容量为三相电力变压器的额定容量为三相电力变压器的额定容量为三相电力变压器的额定容量为 ：三相变压器的原、副边三相变压器的原、副边绕组可以根据需要分别接成绕组可以根据需要分别接成星形或三角形，三相电力变星形或三角形，三相电力变压器的常见连接方式有压器的常见连接方式有Y.yn(Y/Y0星形连接有中线星形连接有中线)和和Y.d(Y/星形三角形连接星形三角形连接)，如图所示，如图所示。本讲稿第三十六页，共四十页 有一带有负载的三相电力变压器，其额定数据如下：有一带有负载的三相电
24、力变压器，其额定数据如下：SN=100kVA，U1N=6000V，U2N=U20=400V，f=50Hz，绕组接成，绕组接成Yyn，由试验测得，由试验测得，PFe=600W，额定负载时的，额定负载时的Pcu=2400W。试。试求：求：(1)变压器的额定电流。变压器的额定电流。(2)满载和半载时的效率。满载和半载时的效率。(2)满载时和半载时的效率分别为满载时和半载时的效率分别为 解解：(1)由由 得得例：例：本讲稿第三十七页，共四十页四、仪用四、仪用互感器互感器仪用互感器按用途不同可分为电压互感器电压互感器电压互感器电压互感器和电流互感器电流互感器电流互感器电流互感器两种。1 1、电压互感器、
25、电压互感器、电压互感器、电压互感器 外形及结构原理如图所示。电压互感器用来扩大测电压互感器用来扩大测电压互感器用来扩大测电压互感器用来扩大测量交流电压的量程。量交流电压的量程。量交流电压的量程。量交流电压的量程。通常电压表的表盘上直接通常电压表的表盘上直接标出被测的电压值。标出被测的电压值。注意注意 测量时副绕组电路不允许短测量时副绕组电路不允许短路，否则，副边会有很大的电流，路，否则，副边会有很大的电流，危及设备及人身安全。危及设备及人身安全。本讲稿第三十八页，共四十页被测电被测电流流 电流互感器用来扩电流互感器用来扩大测量交流电流的量程。大测量交流电流的量程。i2N1N2Ai1Z 通常电流
26、表的表盘上直接通常电流表的表盘上直接标出被测的电流值。标出被测的电流值。测量时副绕组电路不允许开路，否则，副边测量时副绕组电路不允许开路，否则，副边会有很高的感应电动势，危及设备及人身安全。会有很高的感应电动势，危及设备及人身安全。注意注意2、电流互感器、电流互感器 本讲稿第三十九页，共四十页1.自耦变压器与普自耦变压器与普通变压器相比，有通变压器相比，有何特点？何特点？3.调压器用毕后为什么必须调调压器用毕后为什么必须调回零点？如果错误地把电源电回零点？如果错误地把电源电压压220V接到调压器的输出端，接到调压器的输出端，试分析会出现什么问题？试分析会出现什么问题？2.为什么在运行时，电压互为什么在运行时，电压互感器二次侧不允许短路？而感器二次侧不允许短路？而电流互感器的二次侧不能开电流互感器的二次侧不能开路？路？本讲稿第四十页，共四十页