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1、2.2.了解变压器的基本结构、工作原理、运行特性和了解变压器的基本结构、工作原理、运行特性和了解变压器的基本结构、工作原理、运行特性和了解变压器的基本结构、工作原理、运行特性和绕组的同极性端，理解变压器额定值的意义；绕组的同极性端，理解变压器额定值的意义；绕组的同极性端，理解变压器额定值的意义；绕组的同极性端，理解变压器额定值的意义；3.3.掌握变压器电压、电流和阻抗变换作用；掌握变压器电压、电流和阻抗变换作用；4 4.了解三相电压的变换方法；了解三相电压的变换方法；本章要求：本章要求：第第6章章 磁路与变压器磁路与变压器5.5.了解电磁铁的基本工作原理及其应用知识。了解电磁铁的基本工作原理及
2、其应用知识。1.1.理解磁场的基本物理量的意义，了解磁性材料的理解磁场的基本物理量的意义，了解磁性材料的理解磁场的基本物理量的意义，了解磁性材料的理解磁场的基本物理量的意义，了解磁性材料的基本知识及磁路的基本定律，会分析计算交流铁基本知识及磁路的基本定律，会分析计算交流铁基本知识及磁路的基本定律，会分析计算交流铁基本知识及磁路的基本定律，会分析计算交流铁心线圈电路；心线圈电路；心线圈电路；心线圈电路；第1页/共77页 在很多电工设备（像变压器、电机、电磁铁电工测量仪器等）中，不仅有电路的问题，同时还有磁路的问题。只有同时掌握了电路和磁路的基本理论，才能对以上电工设备进行全面分析。本章结合磁路和
3、铁心线圈电路的分析，讨论变压器和电磁铁的工作原理，作为应用实例。磁路和电路往往是相关的，因此在这里要研究磁路和电路的关系以及磁和电的关系。6.1 磁路磁路第2页/共77页 6.1 磁路磁路 在电机、变压器及各种铁磁元件中常用磁性材在电机、变压器及各种铁磁元件中常用磁性材料做成一定形状的铁心。铁心的磁导率比周围空气或料做成一定形状的铁心。铁心的磁导率比周围空气或其它物质的磁导率高的多，其它物质的磁导率高的多，磁通的绝大部分经过铁心磁通的绝大部分经过铁心形成闭合通路，磁通的闭合路径称为磁路。形成闭合通路，磁通的闭合路径称为磁路。第3页/共77页直流电机的磁路直流电机的磁路交流接触器的磁路交流接触器
4、的磁路_ _+N NS SN NS SI If f四极直流电机和交流接触器的磁路四极直流电机和交流接触器的磁路 6.1 磁路磁路第4页/共77页6.1.1 磁场的基本物理量1 1.磁感应强度磁感应强度磁感应强度磁感应强度B B:表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。磁感应强度磁感应强度B B的大小的大小:磁感应强度磁感应强度B B的方向的方向:与电流的方向之间符合右手螺旋定则。与电流的方向之间符合右手螺旋定则。磁感应强度磁感应强度B B的单位的单位:特斯拉特斯拉(T T)，1 1 1 1T=1Wb/mT=1Wb/m2 2 均匀磁场均匀磁场:各点磁感应强度大
5、小相等，方向相同的各点磁感应强度大小相等，方向相同的 磁场，也称磁场，也称匀强磁场匀强磁场。第5页/共77页2.2.磁通磁通磁通磁通 ：穿过垂直于穿过垂直于B B方向的面积方向的面积S S中的磁力线总数。中的磁力线总数。说明说明:如果不是均匀如果不是均匀磁场，则取磁场，则取B B的平均值。的平均值。在在均匀磁场中均匀磁场中 =B S =B S 或或 B=B=/S S 磁感应强度磁感应强度B B在数值上可以看成为与磁场方向在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通垂直的单位面积所通过的磁通,故又称故又称磁通密度磁通密度。磁通磁通 的单位的单位:韦韦 伯伯(WbWb)1Wb=1V 1W
6、b=1Vss3 3.磁场强度磁场强度磁场强度磁场强度H H ：是计算磁场时所引用的一个物理量，是计算磁场时所引用的一个物理量，也是矢量，通过它来确定磁场与电流之间的关系。也是矢量，通过它来确定磁场与电流之间的关系。磁场强度磁场强度H H的单位的单位 ：安培安培/米（米（A/mA/m)第6页/共77页 任意选定一个闭合回线的围绕方向，凡是电流任意选定一个闭合回线的围绕方向，凡是电流方向与闭合回线围绕方向之间符合右螺旋定则的电方向与闭合回线围绕方向之间符合右螺旋定则的电流作为正、反之为负。流作为正、反之为负。式中：式中：是磁场强度矢量沿任意闭合是磁场强度矢量沿任意闭合 线线(常取磁通作为闭合回线常
7、取磁通作为闭合回线)的线积分；的线积分；I I I I 是穿过闭合回线所围面积的电流的代数和。是穿过闭合回线所围面积的电流的代数和。安培环路定律安培环路定律电流正负的规定电流正负的规定：即：即：安培环路定律（全电流定律）安培环路定律（全电流定律）I I1 1H HI I2 2所以安培环路定律将所以安培环路定律将电流与磁场强度联系起来。电流与磁场强度联系起来。在在均匀磁场中均匀磁场中 Hl=IN Hl=IN 第7页/共77页由实验可测得：真空的磁导率为：由实验可测得：真空的磁导率为：4.4.磁导率磁导率 磁导率磁导率 ：表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质 的导磁
8、能力的导磁能力。它与磁场强度的乘积就等。它与磁场强度的乘积就等于磁感应强度，即：于磁感应强度，即：磁导率磁导率 的单位：的单位：亨亨/米（米（H/mH/m）因为它是一个常数，将其它物质的磁导率和它因为它是一个常数，将其它物质的磁导率和它比较是很方便的。比较是很方便的。第8页/共77页4 4.磁导率磁导率相对磁导率相对磁导率 r r：任一种物质的磁导率任一种物质的磁导率 和真空的磁导率和真空的磁导率 0 0的比值的比值。也即当磁场媒质是某种物质时某点的磁感应强也即当磁场媒质是某种物质时某点的磁感应强度度B B与在同样电流下真空时该点的磁感应强度与在同样电流下真空时该点的磁感应强度B B0 0之比
9、之比的倍数。的倍数。自然界的所有物质按磁导率的大小，大体上可分自然界的所有物质按磁导率的大小，大体上可分为磁性材料和非磁性材料。为磁性材料和非磁性材料。第9页/共77页6.1.2 磁性材料的磁性能1.1.高导磁性高导磁性 磁性材料的磁导率通常都很高，即磁性材料的磁导率通常都很高，即 r r 1 1(如如坡莫合金，其坡莫合金，其 r r 可达可达 2 2 10105 5)。磁性材料磁性材料能被强烈的磁化，能被强烈的磁化，具有很高的导磁具有很高的导磁性能。性能。磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设磁性物质的高导磁性被广泛地应
10、用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。在这种都放有铁心。在这种具有铁心的线圈中通入不太具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度。强度。第10页/共77页6.1.2 磁性材料的磁性能磁性材料主要是指由过度元素铁、钴、镍极其合金等材料。它们主要的磁性能如下。1.高导磁性高导磁性磁性材料的磁导率很大，磁性材料的磁导率很大，r1，可达，可达102105量级。量级。分子电流和磁畴理论：分子电流和磁畴理论：分子中电子的绕核运动和自转将形成分子电流，分子分子中电子的绕核
11、运动和自转将形成分子电流，分子电流将产生磁场，每个分子都相当于一个小磁铁。电流将产生磁场，每个分子都相当于一个小磁铁。由于磁性物质分子的相互作用，使分子电流在局部形由于磁性物质分子的相互作用，使分子电流在局部形成有序排列而显示出磁性，这些小区域称为磁畴。成有序排列而显示出磁性，这些小区域称为磁畴。第11页/共77页高磁导率的成因磁性物质没有外场时，各磁畴是混乱排列的，磁场互相抵消；当在外磁场作用下，磁畴就逐渐转到与外场一致的方向上，即产生了一个与外场方向一致的磁化磁场，从而磁性物质内的磁感应强度大大增加物质被强烈的磁化了。磁性物质被广泛地应用于电工设备中，电动机、电磁磁性物质被广泛地应用于电工
12、设备中，电动机、电磁铁、变压器等设备中线圈中都含有的铁心。就是利用铁、变压器等设备中线圈中都含有的铁心。就是利用其磁导率大的特性，使得在较小的电流情况下得到尽其磁导率大的特性，使得在较小的电流情况下得到尽可能大的磁感应强度和磁通。可能大的磁感应强度和磁通。非磁性材料没有磁畴的结构，所以不具有磁化特性。非磁性材料没有磁畴的结构，所以不具有磁化特性。第12页/共77页磁 性 物 质 的 磁 化 示 意 图(a)无外场，磁畴排列杂乱无章。无外场，磁畴排列杂乱无章。(b)在外场作用下，磁畴在外场作用下，磁畴排列逐渐进入有序化。排列逐渐进入有序化。第13页/共77页磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随
13、着磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。外磁场的增强而无限的增强。2 2.磁饱和性磁饱和性B BJ J 磁场内磁性物质的磁化磁场磁场内磁性物质的磁化磁场 的磁感应强度曲线；的磁感应强度曲线；B B0 0 磁场内不存在磁性物质时的磁场内不存在磁性物质时的 磁感应强度直线；磁感应强度直线；B B B BJ J曲线和曲线和B B0 0直线的纵坐标相直线的纵坐标相 加即磁场的加即磁场的 B B-H H 磁化曲线。磁化曲线。OOH HB BB B0 0B BJ JB B a a b b磁化曲线磁化曲线磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会
14、随着外磁场的增强而无限的增强。当外磁场增大到一定外磁场的增强而无限的增强。当外磁场增大到一定程度时，磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与程度时，磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值。如图。某一定值。如图。第14页/共77页 B B-H H 磁化曲线的特征：磁化曲线的特征：OOa a段：段：B B 与与H H几乎成正比地增加；几乎成正比地增加；abab段：段：B B 的增加缓慢下来；的增加缓慢下来；b b点以后：点以后：B B增加很少，达到饱和。增加很少，达到饱和。OOH HB BB B0 0B BJ
15、 JB B a a b b 有磁性物质存在时，有磁性物质存在时，B B 与与 H H不不成正比，磁性物质的磁导率成正比，磁性物质的磁导率 不是不是常数，随常数，随H H而变。而变。有磁性物质存在时，有磁性物质存在时，与与 I I 不成正比。不成正比。磁性物质的磁化曲线在磁路磁性物质的磁化曲线在磁路计算上极为重要，其为非线性曲计算上极为重要，其为非线性曲线，实际中通过实验得出线，实际中通过实验得出。OOH HB,B,B B 磁化曲线磁化曲线B B和和 与与H H的关系的关系第15页/共77页3 3.磁滞性磁滞性 磁性材料在交变磁场中反复磁化，其磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B B-H H关系曲
16、关系曲线是一条回形闭合曲线，称为线是一条回形闭合曲线，称为磁滞回线磁滞回线。磁滞性：磁滞性：磁性材料中磁性材料中磁感应强度磁感应强度B B的变化总是滞后于的变化总是滞后于 外磁场变化的性质。外磁场变化的性质。磁滞回线磁滞回线OOH HB BB Br rH Hc c剩磁感应强度剩磁感应强度B Br r(剩磁剩磁)：当线圈中电流减小到零当线圈中电流减小到零(H H=0)=0)时，铁心中的磁感应强度。时，铁心中的磁感应强度。例如例如:永久磁铁的磁性就是由永久磁铁的磁性就是由剩磁产生的；自励直流发电机剩磁产生的；自励直流发电机的磁极，为了使电压能建立，的磁极，为了使电压能建立，也必须具有剩磁。也必须具
17、有剩磁。第16页/共77页3.3.磁滞性磁滞性磁滞回线磁滞回线OOH HB BB Br rH Hc c但剩磁也存在着有害的一面，但剩磁也存在着有害的一面，例如，当工件在平面磨床上加例如，当工件在平面磨床上加工完毕后，由于电磁吸盘有剩工完毕后，由于电磁吸盘有剩磁，还将工件吸住。为此要通磁，还将工件吸住。为此要通入反向去磁电流，去掉剩磁，入反向去磁电流，去掉剩磁，才能取下工件。才能取下工件。矫顽磁力矫顽磁力H Hc c：使使 B B=0=0 所需的所需的 H H 值。值。磁性物质不同，其磁滞磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。回线和磁化曲线也不同。第17页/共77页 几种常见磁性物质的磁化曲
18、线几种常见磁性物质的磁化曲线a a 铸铁铸铁 b b 铸钢铸钢 c c 硅钢硅钢片片OO0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 10103 3H H/(A/m)/(A/m)H H/(A/m)/(A/m)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10103 3B B/T/T1.81.81.61.61.41.41.21.21.01.00.80.80.60.60.40.40.20.2a ab ba ab bc cc c第18页/共77页按磁性
19、物质的磁性能，磁性材料分为三种类型：按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型：(1)(1)软磁材料软磁材料 具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。一般用一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金即铁氧体等。铁、硅钢、坡莫合金即铁氧体等。(2)(2)永磁材料永磁材料 具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。一般用一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。(3)(3)矩磁材料矩磁材料 具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，
20、磁滞回线具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性良好。接近矩形，稳定性良好。在计算机和控制系统中用在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等。铁氧体等。第19页/共77页4.磁性物质的分类 根据滞回曲线和磁化曲线的不同，大致分成三类：(1)软磁材料软磁材料其矫顽磁力较小，其矫顽磁力较小，磁滞回线较窄。磁滞回线较窄。(铁心铁心)(2)永磁材料永磁材料其矫顽磁力较其矫顽磁力较大，磁滞回线大，磁滞回线较宽。较宽。(磁铁磁铁)(3)矩磁材料矩磁材料其剩磁大而矫其剩磁大而矫顽磁力小，磁顽磁力小，磁滞回线为矩形。滞
21、回线为矩形。(记忆元件记忆元件)HBHBHB第20页/共77页6.1.3 磁路的分析方法磁路的欧姆定律是分析磁路的基本定律磁路的欧姆定律是分析磁路的基本定律 环形线圈如图，其中媒质是均环形线圈如图，其中媒质是均 匀的，磁导率匀的，磁导率为为 ，试计算线圈内部试计算线圈内部 的磁通的磁通 。解：解：根据安培环路定律，有根据安培环路定律，有设磁路的平均长度为设磁路的平均长度为 l l，则有，则有1.1.引例引例S Sx x H Hx xI IN N匝匝第21页/共77页式中：式中：F=NIF=NI 为磁通势，由其产生磁通；为磁通势，由其产生磁通；R Rmm 称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用；称为
22、磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用；l l 为磁路的平均长度；为磁路的平均长度；S S 为磁路的截面积。为磁路的截面积。2.2.磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律 若某磁路的磁通为若某磁路的磁通为 ，磁通势为磁通势为F F ，磁阻为，磁阻为R Rmm，则则即有：即有：此即此即磁路的欧姆定律。磁路的欧姆定律。第22页/共77页3.3.磁路与电路的比较磁路与电路的比较 磁路磁路磁通势磁通势F F磁通磁通 磁阻磁阻电路电路电动势电动势 E E电流密度电流密度 J J 电阻电阻磁感应强度磁感应强度B B电流电流 I I N NI I+_ _E EI IR R第23页/共77页4.4.磁路分析的特点磁路分析的特点
23、(1)(1)在处理电路时不涉及电场问题，在处理磁路时离不在处理电路时不涉及电场问题，在处理磁路时离不开磁场的概念；例如在讨论电机时，常常要分析电机开磁场的概念；例如在讨论电机时，常常要分析电机磁路的气隙中磁感应强度的分布情况。磁路的气隙中磁感应强度的分布情况。(2)(2)在处理电路时一般可以不考虑漏电流，在处理磁路在处理电路时一般可以不考虑漏电流，在处理磁路时一般都要考虑漏磁通；时一般都要考虑漏磁通；(3)(3)磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似。磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似。由于由于 不是常数，其随励磁电流而变，磁路欧姆定律不是常数，其随励磁电流而变，磁路欧姆定律不能直
24、接用来计算，只能用于定性分析；不能直接用来计算，只能用于定性分析；(4)(4)在电路中，当在电路中，当 E E=0=0时，时，I I=0=0；但在磁路中，由于有；但在磁路中，由于有剩磁，当剩磁，当 F F=0=0 时，时，不为零不为零；第24页/共77页5.5.磁路的分析计算磁路的分析计算主要任务主要任务:预先选定磁性材料中的磁通预先选定磁性材料中的磁通 (或磁感应或磁感应强度强度)，按照所定的磁通、磁路各段的尺寸和材料，按照所定的磁通、磁路各段的尺寸和材料,求产生预定的磁通所需要的磁通势求产生预定的磁通所需要的磁通势F=NIF=NI ，确定线确定线圈匝数和励磁电流。圈匝数和励磁电流。基本公式
25、基本公式:设磁路由不同材料或不同长度和截面积的设磁路由不同材料或不同长度和截面积的 n n 段段组成，则基本公式为：组成，则基本公式为：即即称为磁路个段的磁压降称为磁路个段的磁压降第25页/共77页基本步骤基本步骤:（由磁通（由磁通 求磁通势求磁通势F=NIF=NI ）(1)(1)求各段磁感应强度求各段磁感应强度 B Bi i 各段磁路截面积不同，通过同一磁通各段磁路截面积不同，通过同一磁通 ，故有：，故有：(2)(2)求各段磁场强度求各段磁场强度 H Hi i 根据各段磁路材料的磁化曲线根据各段磁路材料的磁化曲线 B Bi i=f=f(H Hi i),),求求B B1 1，B B2 2 ，相
26、对应的相对应的 H H1 1，H H2 2 ，。(3)(3)计算各段磁路的磁压降计算各段磁路的磁压降 （H Hi i l li i ）(4)(4)根据下式求出磁通势（根据下式求出磁通势（NINI ）第26页/共77页6.2 交流铁心线圈电路交流铁心线圈电路6.2.1 电磁关系 +e e+e e +u uN Ni i（磁通势）主磁通主磁通 ：通过铁心闭合的通过铁心闭合的磁通。磁通。漏磁通漏磁通 ：经过空气或其经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通。它非导磁媒质闭合的磁通。线圈线圈铁心铁心 i i，铁心线圈的漏磁电感铁心线圈的漏磁电感 与与i i不是线性关系。不是线性关系。第27页/共77页6.2.2
27、 电压电流关系根据根据KVL:KVL:+e ee e u uN Ni i式中：式中：R R是线圈导线的电阻是线圈导线的电阻 L L 是漏磁电感是漏磁电感 当当 u u 是正弦电压时是正弦电压时，其它各电压、电流、电动，其它各电压、电流、电动势可视作正弦量，则电压、电流关系的相量式为：势可视作正弦量，则电压、电流关系的相量式为：第28页/共77页设主磁通设主磁通 则则有效值有效值 由于线圈电阻由于线圈电阻 R R 和感抗和感抗X X （或漏磁通（或漏磁通 ）较小，）较小，其电压降也较小，与主磁电动势其电压降也较小，与主磁电动势 E E 相比可忽略，相比可忽略，故有故有式中：式中：B Bmm是是铁
28、心中磁感应强度的最大值，单位铁心中磁感应强度的最大值，单位TT；S S 是铁心截面积，单位是铁心截面积，单位mm2 2。第29页/共77页6.2.3 功率损耗 交流铁心线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种。交流铁心线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种。1.1.铜损铜损(P Pcucu)在交流铁心线圈中在交流铁心线圈中,线圈电阻线圈电阻R R上的功率损耗称铜损，用上的功率损耗称铜损，用 P Pcu cu 表示。表示。P Pcu cu=RIRI2 2式中：式中：R R是线圈的电阻；是线圈的电阻；I I 是线圈中电流的有效值。是线圈中电流的有效值。2.2.铁损铁损(P PFeFe)在交流铁心线圈中，处于
29、交变磁通下的铁心内在交流铁心线圈中，处于交变磁通下的铁心内的功率损耗称铁损，用的功率损耗称铁损，用 P PFeFe 表示。它与铁心内磁感表示。它与铁心内磁感应强度的最大值应强度的最大值B Bmm的平方成正比。的平方成正比。铁损由磁滞和涡流产生。铁损由磁滞和涡流产生。+u ui i第30页/共77页（1 1）磁滞损耗（）磁滞损耗（P Ph h）由磁滞所产生的能量损耗称为由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗磁滞损耗(P Ph h )。磁滞损耗的大小：磁滞损耗的大小：单位体积内的磁滞损耗正比单位体积内的磁滞损耗正比与磁滞回线的面积和磁场交变的与磁滞回线的面积和磁场交变的频率频率 f f。OOH HB
30、B 磁滞损耗转化为热能，引磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。起铁心发热。减少磁滞损耗的措施：减少磁滞损耗的措施：选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁心。变压器选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁心。变压器和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。第31页/共77页(2)(2)涡流损耗（涡流损耗（P Pe e）涡流损耗涡流损耗:由涡流所产生的功率损耗。由涡流所产生的功率损耗。涡流涡流：交变磁通在铁心内产交变磁通在铁心内产生感应电动势和电流，称为涡流。生感应电动势和电流，称为涡流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。涡流涡流损耗转化为热能，引起
31、铁心发热。损耗转化为热能，引起铁心发热。减少涡流损耗措施：减少涡流损耗措施：提高铁心的电阻率（通常由于提高铁心的电阻率（通常由于硅钢片）。铁心用彼此绝缘的钢片硅钢片）。铁心用彼此绝缘的钢片叠成，把涡流限制在较小的截面内。叠成，把涡流限制在较小的截面内。铁心线圈交流电路的有功功率为：铁心线圈交流电路的有功功率为：第32页/共77页6.3 变压器变压器 变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛。变电压：电力系统 变阻抗：电子线路中的阻抗匹配变电流：电流互感器 变压器的主要功能有变压器的主要功能有：6.3.1 概述第33页/共77页第34页/共77页第35页/共77页第36页/共7
32、7页(1)空载运行情况1.1.电磁关系电磁关系一次侧接交流电源，二次侧开路。+1 i0(i0N1)1空载时，铁心中主磁通 是由一次绕组磁通势产生的。第37页/共77页(2)带负载运行情况1.1.电磁关系电磁关系一次侧接交流电源，二次侧接负载接负载。+1 1i1(i1N1)i1i2(i2N2)2有载时，铁心中主磁通 是由一次、二次绕组磁通势共同产生的合成磁通。2i2+e2+e 2+u2 Z Z 第38页/共77页2.2.电压变换电压变换（设加正弦交流电压）（设加正弦交流电压）有效值有效值:同同 理：理：主磁通按正弦规律变化，设为主磁通按正弦规律变化，设为 则则(1)(1)一次、二次侧主磁通感应电
33、动势一次、二次侧主磁通感应电动势第39页/共77页根据KVL：变压器一次侧等效电路如图 由于电阻 R1 和感抗 X X1 1(或漏磁通)较小,其两端的电压也较小,与主磁电动势 E1 1比较可忽略不计，则+(2)(2)一次、二次侧电压一次、二次侧电压式中式中 R R1 1 为为一次侧绕组的电阻绕组的电阻;X X1 1=L L 1 1 为为一次侧绕组的感抗绕组的感抗(漏磁感抗，由漏漏磁感抗，由漏磁产生磁产生)。第40页/共77页（匝比）（匝比）K K为为变比变比对二次侧，对二次侧，根据KVL：结论：改变匝数比，就能改变输出电压。式中式中 R R2 2 为为二次二次绕组的电阻绕组的电阻;X X2 2
34、=L L 2 2 为为二次二次绕组的感抗；绕组的感抗；为为二次二次绕组的端电压。绕组的端电压。变压器空载时变压器空载时:+u u2 2+i i1 1i i2 2+e e2 2+e e 2 2式中式中U U2020为变压器空载电压。为变压器空载电压。故有故有第41页/共77页3.3.电流变换电流变换(一次、二次侧电流关系一次、二次侧电流关系)有载运行有载运行 即：铁心中主磁通的最大值即：铁心中主磁通的最大值 mm在变压器空载和在变压器空载和有载时基本是恒定的。有载时基本是恒定的。不论变压器空载还是不论变压器空载还是有载，一次绕组上的阻有载，一次绕组上的阻抗压降均可忽略，故有抗压降均可忽略，故有当
35、当U U1 1、f f 不变，则不变，则 m m 基本不变，近于常数。基本不变，近于常数。空载空载：有载：有载：+|Z|+第42页/共77页一般情况下：I0 (23)%I1N 很小可忽略。或结论：一次、二次侧电流与匝数成反比。或：1 1.提供产生提供产生 mm的磁势的磁势2 2.提供用于补偿提供用于补偿 作用作用 的磁势的磁势可得可得磁势平衡式：磁势平衡式：空载磁势有载磁势第43页/共77页4.4.阻抗变换阻抗变换由图可知：由图可知：结论：变压器一次侧的等效阻抗模，为二次侧所带负载的阻抗模的K 2 倍。+第44页/共77页(1)(1)变压器的匝数比应为变压器的匝数比应为：解解:例例1:1:如图
36、，交流信号源的电动势 E=120V，内阻 R 0=800，负载为扬声器，其等效电阻为RL=8。要求:(1)当RL折算到原边的等效电阻 时，求变压器的匝数比和信号源输出的功率；（2）当将负载直接与信号源联接时,信号源输出多大功率？R0+RL信号源+R0RL第45页/共77页信号源的输出功率：信号源的输出功率：电子线路中，常利用阻抗匹配实现最大输出功率。电子线路中，常利用阻抗匹配实现最大输出功率。结论：接入变压器以后，输出功率大大提高。结论：接入变压器以后，输出功率大大提高。原因：原因：满足了最大功率输出的条件：满足了最大功率输出的条件：（2）将负载直接接到信号源上时）将负载直接接到信号源上时，输
37、出功率输出功率为：第46页/共77页1)1)变压器的型号变压器的型号5.5.变压器的铭牌和技术数据变压器的铭牌和技术数据S J L 1000/10S J L 1000/10 变压器额定容量(KVA)铝线圈铝线圈 冷却方式冷却方式J:J:油浸自冷式油浸自冷式F:F:风冷式风冷式相数相数S:三相D:单相 高压绕组的额定电压高压绕组的额定电压(KV)(KV)第47页/共77页2)2)额定值额定值额定电压额定电压 U U1N1N、U U2N2N 变压器二次侧开路（空载）时，一次、二次侧变压器二次侧开路（空载）时，一次、二次侧绕组允许的电压值绕组允许的电压值单相：单相：U U1N 1N，一次侧电压，一次
38、侧电压，U U2N2N，二次侧空载时的电压，二次侧空载时的电压三相：三相：U U1N1N、U U2N2N，一次、二次侧的线电压，一次、二次侧的线电压 额定电流额定电流 I I1N1N、I I2N2N 变压器满载运行时，一次、二次侧绕组允许的变压器满载运行时，一次、二次侧绕组允许的电流值。电流值。单相：一次、二次侧绕组允许的电流值单相：一次、二次侧绕组允许的电流值三相：一次、二次侧绕组线电流三相：一次、二次侧绕组线电流第48页/共77页 额定容量额定容量 S SN N 传送功率的最大能力。传送功率的最大能力。单相：单相：三相：三相：容量容量 S SN N 输出功率输出功率 P P2 2 一次侧输
39、入功率一次侧输入功率 P P1 1 输出功率输出功率 P P2 2注意：变压器几个功率的关系注意：变压器几个功率的关系(单相单相)效率效率容量：一次侧输入功率：输出功率：变压器运行时的功率取决于负载的性质2)2)额定值额定值第49页/共77页6.3.3 变压器的外特性与变压器的外特性与效率效率1.1.变压器的外特性变压器的外特性 当一次侧电压当一次侧电压 U U1和负载功率因数和负载功率因数 coscos 2保持不变保持不变时，二次侧输出电压时，二次侧输出电压 U U2和输出电流和输出电流 I I2的关系，的关系，U U2=f f(I I2)。U U2020：一次侧加额定：一次侧加额定电压、二
40、次侧开路时，电压、二次侧开路时，二次侧的输出电压。二次侧的输出电压。一般供电系统希望要硬特性（随一般供电系统希望要硬特性（随I I2 2的变化，的变化，U U2 2 变变化不大），电压变化率约在化不大），电压变化率约在5%5%左右。左右。电压变化率：电压变化率：coscos 2=0.8=0.8(感性）感性）U2I2U20I2Ncoscos 2=1=1O第50页/共77页2.2.变压器的效率变压器的效率()变压器的损耗包括两部分：变压器的损耗包括两部分：铜损铜损 (P PCuCu)：绕组导线电阻的损耗。与负载大小绕组导线电阻的损耗。与负载大小（正比于电流平方）有关。（正比于电流平方）有关。铁损铁
41、损(P PFeFe)：变压器的效率为变压器的效率为一般一般 95959595%,负载为额定负载的负载为额定负载的(50(50(50(5075)%75)%时时,最大。最大。输出功率输出功率输入功率输入功率磁滞损耗：磁滞损耗：涡流损耗涡流损耗它与铁心内磁感应强度的它与铁心内磁感应强度的最大值最大值B Bmm的平方成正比。的平方成正比。与负载大小无关。与负载大小无关。第51页/共77页例例:有一带电阻负载的三相变压器，其额定数据如有一带电阻负载的三相变压器，其额定数据如下：下：S SN N=100kVA,=100kVA,U U1N1N=6000V,=6000V,f f=50Hz=50Hz。U U2N
42、2N=U U2020=400V,=400V,绕组连接成绕组连接成 。由试验测得由试验测得:P PFeFe =600 W=600 W，额定负载时的，额定负载时的 P PCuCu =2400W=2400W。试求试求 (1)(1)变压器的额定电流；变压器的额定电流；(2)(2)满载和半载时的效率。满载和半载时的效率。解解:(1)(1)定电流定电流第52页/共77页(2)(2)满载和半载时的效率满载和半载时的效率第53页/共77页 使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的输出电压。实验室中用的调压器就是根据此原理输出电压。实验室中用的调压器就是根据此原理制作的。
43、制作的。注意：一次、二次侧千万不能对调使用，注意：一次、二次侧千万不能对调使用，以防变压器损坏。因为以防变压器损坏。因为N N变小时，磁通增大，电流变小时，磁通增大，电流会迅速增加。会迅速增加。6.3.4 特殊变压器特殊变压器1.1.1.1.自耦变压器自耦变压器ABP+第54页/共77页1.二次侧不能短路，二次侧不能短路，二次侧不能短路，二次侧不能短路，以防产生过流；以防产生过流；以防产生过流；以防产生过流；2.2.铁心、低压绕组的铁心、低压绕组的铁心、低压绕组的铁心、低压绕组的 一端接地，以防在一端接地，以防在一端接地，以防在一端接地，以防在 绝缘损坏时，在二绝缘损坏时，在二绝缘损坏时，在二
44、绝缘损坏时，在二次侧出现高压。次侧出现高压。次侧出现高压。次侧出现高压。使用注意事项：使用注意事项：电压表被测电压=电压表读数 N1/N22.2.2.2.电压互感器电压互感器 实现用低量程的电压表测量高电压实现用低量程的电压表测量高电压VR N1（匝数多）保险丝 N2（匝数少）u（被测电压）第55页/共77页电流表被测电流=电流表读数 N2/N11.二次侧不能开路，二次侧不能开路，二次侧不能开路，二次侧不能开路，以防产生高电压；以防产生高电压；以防产生高电压；以防产生高电压；2.2.铁心、低压绕组的铁心、低压绕组的铁心、低压绕组的铁心、低压绕组的 一端接地，以防在一端接地，以防在一端接地，以防
45、在一端接地，以防在 绝缘损坏时，在二绝缘损坏时，在二绝缘损坏时，在二绝缘损坏时，在二次侧出现过压。次侧出现过压。次侧出现过压。次侧出现过压。使用注意事项：使用注意事项：3.3.3.3.电流互感器电流互感器实现用低量程的电流表测量大电流实现用低量程的电流表测量大电流（被测电流）N N1 1（匝数少（匝数少）N N2 2（匝数多（匝数多）ARi1i2第56页/共77页 当电流流入当电流流入(或流出）两个线圈时，若产生的磁通方或流出）两个线圈时，若产生的磁通方向相同，则两个流入向相同，则两个流入(或流出）端称为同极性端。或流出）端称为同极性端。AXax AX Xax1.1.同极性端同极性端 (同名端
46、同名端 )或者说，当铁心中磁通变化时，在两线圈中产生的或者说，当铁心中磁通变化时，在两线圈中产生的感应电动势极性相同的两端为同极性端。感应电动势极性相同的两端为同极性端。同极性端用“”表示。增加+同极性端同极性端和绕组的绕和绕组的绕向有关。向有关。*6.3.5*6.3.5 变压器绕组的极性变压器绕组的极性变压器绕组的极性变压器绕组的极性 第57页/共77页联接 23 变压器原一次侧有两个额定电压为变压器原一次侧有两个额定电压为 110V 110V 的绕组：的绕组：2.2.线圈的接法线圈的接法 联接 13，2 4当电源电压为220V时：+电源电压为110V时：13241324 第58页/共77页
47、问题问题1 1：在在110V110V 情况下，如果只用一个绕组情况下，如果只用一个绕组 （N N），行不行？），行不行？答：答：不行（两绕组必须并接）一次侧有两个相同绕组的电源变压器一次侧有两个相同绕组的电源变压器(220/110)(220/110)(220/110)(220/110)，使用中应注意的问题：使用中应注意的问题：1324 若两种接法铁心中的磁通相等，则：若两种接法铁心中的磁通相等，则：+第59页/共77页问题问题2 2：如果两绕组的极性端接错，结果如何？如果两绕组的极性端接错，结果如何？结论：结论：在同极性端不明确时，一定要先测定同极性在同极性端不明确时，一定要先测定同极性 端再
48、通电。端再通电。答：有可能烧毁变压器答：有可能烧毁变压器两个线圈中的磁通抵消原因：电流 很大烧毁变压器烧毁变压器感应电势1324 +第60页/共77页方法一：交流法方法一：交流法把两个线圈的任意两端把两个线圈的任意两端 (X-x)(X-x)连接连接,然后在然后在 AX AX 上加一低电压上加一低电压 uAX 。测量：若 说明 A 与 x 或 X 与 a 是同极性端.若若 说明说明 A A 与与 a a 或或 X X 与与 x x 为同极性端。为同极性端。结论：结论：VaAXxV3.3.同极性端的测定方法同极性端的测定方法+第61页/共77页方法二：直流法方法二：直流法设设S S闭合时闭合时 增
49、加。增加。感应电动势的方向，感应电动势的方向，阻止阻止 的增加。的增加。如果当如果当 S S 闭合时，电闭合时，电流表正偏，则流表正偏，则 A-a A-a 为同为同极性端极性端;结论：结论：Xx电流表+_A a+S 如果当如果当 S S 闭合时，电闭合时，电流表反偏，流表反偏，则则 A-x A-x 为同为同极性端。极性端。AXax+_S+第62页/共77页课后作业：6-4，6-56-8P135第63页/共77页*6.4 电磁铁电磁铁1.1.概述概述 电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保持某种机械零件、工件于固定位置的一种电器。持某种机械零件、工件于固定位
50、置的一种电器。当电源断开时电磁铁的磁性消失，衔铁或其它零当电源断开时电磁铁的磁性消失，衔铁或其它零件即被释放。电磁铁衔铁的动作可使其它机械装件即被释放。电磁铁衔铁的动作可使其它机械装置发生联动。置发生联动。根据使用电源类型分为：根据使用电源类型分为：直流电磁铁：直流电磁铁：用直流电源励磁；用直流电源励磁；交流电磁铁：交流电磁铁：用交流电源励磁。用交流电源励磁。第64页/共77页电磁铁的几种结构形式(a)马蹄式；(b)拍合式；(c)螺管式 6.4 电磁铁电磁铁第65页/共77页2.2.基本结构基本结构 电磁铁由线圈、铁心及衔铁三部分组成，常见的电磁铁由线圈、铁心及衔铁三部分组成，常见的结构如图所