1、1电工电子技术基础电工电子技术基础武汉职业技术学院机械工程系武汉职业技术学院机械工程系第第4章章 磁路与变压器磁路与变压器2目目 录录1.1 电路和电路模型电路和电路模型1.2 电路基本物理量电路基本物理量1.3 电阻元件、电感元件和电容元件电阻元件、电感元件和电容元件1.4 电压源、电流源及其等效变换电压源、电流源及其等效变换1.5 基尔霍夫定律基尔霍夫定律1.6 复杂电路的分析和计算复杂电路的分析和计算目目 录录4.1 磁路的基本概念磁路的基本概念4.2 变压器变压器+(a)电磁铁的磁路 (b)变压器的磁路 (c)直流电机的磁路 实际电路中有大量电感元件的线圈中有铁实际电路中有大量电感元件
2、的线圈中有铁心。线圈通电后铁心就构成磁路，磁路又影心。线圈通电后铁心就构成磁路，磁路又影响电路。因此电工技术不仅有电路问题，同响电路。因此电工技术不仅有电路问题，同时也有磁路问题。时也有磁路问题。磁感应强度磁感应强度B是表示磁场内某点磁场强弱及方是表示磁场内某点磁场强弱及方向的物理量。向的物理量。B的大小等于通过垂直于磁场方向单的大小等于通过垂直于磁场方向单位面积的磁力线数目，对电流产生的磁场位面积的磁力线数目，对电流产生的磁场,B的方向的方向用右手螺旋定则确定。单位是特斯拉用右手螺旋定则确定。单位是特斯拉(T)。磁通磁通表示垂直穿过截面积表示垂直穿过截面积S的磁力线总数，单的磁力线总数，单位
3、是韦伯位是韦伯(Wb)。SB 磁导率磁导率用来表示磁场中介质的导磁能用来表示磁场中介质的导磁能力的物理量，单位是亨力的物理量，单位是亨/米米(H/m)。真空的磁导率真空的磁导率H/m10470 非铁磁物质的磁导率与真空极为接近，铁磁非铁磁物质的磁导率与真空极为接近，铁磁物质的磁导率远大于真空的磁导率。物质的磁导率远大于真空的磁导率。：0r非铁磁物质非铁磁物质r近似为近似为1，铁磁物质的，铁磁物质的r远大于远大于1。磁场强度只与产生磁场的电流以及这些电磁场强度只与产生磁场的电流以及这些电流分布有关，而与磁介质的磁导率无关，单位流分布有关，而与磁介质的磁导率无关，单位是安米（是安米（Am）。）。是
4、为了简化计算而引入是为了简化计算而引入的辅助物理量。的辅助物理量。BH 或 HB7：磁导率可达磁导率可达102104，由铁磁材，由铁磁材料组成的磁路磁阻很小，在线圈中通入较料组成的磁路磁阻很小，在线圈中通入较小的电流即可获得较大的磁通小的电流即可获得较大的磁通。：B不会随不会随H的增强而无限增强，的增强而无限增强，H增大到一定值时，增大到一定值时，B不能继续增强。不能继续增强。：铁心线圈中通过交变电流时，：铁心线圈中通过交变电流时，H的的大小和方向都会改变，铁心在交变磁场中大小和方向都会改变，铁心在交变磁场中反复磁化，在反复磁化的过程中，反复磁化，在反复磁化的过程中，B的变化的变化总是滞后于总
5、是滞后于H的变化。的变化。8HcOabHBHBOBrHc铁磁材料的类型：铁磁材料的类型：磁导率高，磁滞特性不明显，矫顽：磁导率高，磁滞特性不明显，矫顽力和剩磁都小，磁滞回线较窄，磁滞损耗小。力和剩磁都小，磁滞回线较窄，磁滞损耗小。：剩磁和矫顽力均较大，磁滞性明显，：剩磁和矫顽力均较大，磁滞性明显，磁滞回线较宽。磁滞回线较宽。：只要受较小的外磁场作用就能磁化：只要受较小的外磁场作用就能磁化到饱和，当外磁场去掉，磁性仍保持，磁滞回到饱和，当外磁场去掉，磁性仍保持，磁滞回线几乎成矩形。线几乎成矩形。磁化曲线磁化曲线磁滞回线磁滞回线 lIl dH 计算电流代数和时，与绕行方向符合右计算电流代数和时，与
6、绕行方向符合右手螺旋定则的电流取正号，反之取负号。手螺旋定则的电流取正号，反之取负号。若闭合回路上各点的磁场强度相等且其若闭合回路上各点的磁场强度相等且其方向与闭合回路的切线方向一致，则：方向与闭合回路的切线方向一致，则：FNIIHlF=NI 称为磁动势，单位是安（A）。10 ISlNmRFSlNISlNIHSBSSlRm称为磁阻，表示磁路对磁称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用。通的阻碍作用。因铁磁物质的磁阻因铁磁物质的磁阻Rm不是常数，它会随励磁不是常数，它会随励磁电流电流I的改变而改变，因而通常不能用磁路的欧姆的改变而改变，因而通常不能用磁路的欧姆定律直接计算，但可以用于定性分析很多磁路问
7、定律直接计算，但可以用于定性分析很多磁路问题题。12 dtdNe13ui+-ee 设线圈的电阻为设线圈的电阻为R，主磁电动势为主磁电动势为e和漏感和漏感电动势为电动势为e，由，由KVL，有：有：iReeu14)90sin(costEtNdtdNemmmmmmfNfNNEE44.42222e 的有效值为：的有效值为：设主磁通按正弦规律变化：设主磁通按正弦规律变化：tmsin由法接第定律可得由法接第定律可得15uuudtdNdtdiLiReeiRuR)()(UUUUIjXIRUR写成相量形式写成相量形式：dtdiLe设漏磁电感为设漏磁电感为L，16式中式中为漏磁感抗，简称漏抗。由于线圈的电阻为漏磁
8、感抗，简称漏抗。由于线圈的电阻R和漏磁通都很小，和漏磁通都很小，R上的电压和漏感电动势也上的电压和漏感电动势也很小，与主磁电动势比较可以忽略不计。于是：很小，与主磁电动势比较可以忽略不计。于是：LXedtdNueu 表明在忽略线圈电阻表明在忽略线圈电阻R及漏磁通及漏磁通的条件下，当线圈匝的条件下，当线圈匝数数N及电源频率及电源频率f为一定时，主磁通的幅值为一定时，主磁通的幅值m由励磁线圈由励磁线圈外的电压有效值外的电压有效值U确定，与铁心的材料及尺寸无关。确定，与铁心的材料及尺寸无关。17o22FeCucosRIRIPPUIP铁损FeP=I2R0主要是由磁滞和涡流产生的。+U I R Ro j
9、Xo jX+U 图中图中X0是反是反映线圈能量储放映线圈能量储放的等效感抗。的等效感抗。18例例4.1194.2.1 变压器的用途与结构变压器的用途与结构1、变压器的用途、变压器的用途 在输电方面，采用变压器将电压升高，这样可以减在输电方面，采用变压器将电压升高，这样可以减小输电线的截面积和减小线路上的电压降以及线路上的功小输电线的截面积和减小线路上的电压降以及线路上的功率损耗。在用电方面利用变压器降压，以保证用电安全和率损耗。在用电方面利用变压器降压，以保证用电安全和满足用电设备的电压要求。在电子线路上，除电源变压器满足用电设备的电压要求。在电子线路上，除电源变压器外，变压器还用来耦合电路，
10、传递信号，并实现阻抗匹配。外，变压器还用来耦合电路，传递信号，并实现阻抗匹配。此外变压器还有许多特殊的用途。此外变压器还有许多特殊的用途。20+u2i1e1(a)变压器结构示意图 (b)变压器的符号+u1i2e2Z+u1+u21e2e12 原绕组匝数为原绕组匝数为N1，电压，电压u1，电流，电流i1，主，主磁电动势磁电动势e1，漏磁电动势，漏磁电动势e1；副绕组匝数；副绕组匝数为为N2，电压，电压u2，电流，电流i2，主磁电动势，主磁电动势e2，漏，漏磁电动势磁电动势e2。21mfNEU222044.0kNNEEUU2121201111111EIjXIRU原绕组的电压方程：原绕组的电压方程：2
11、22222IjXIREU副绕组的电压方程：副绕组的电压方程：mfNEU11144.0忽略电阻忽略电阻R1和漏抗和漏抗X1的电压，则：的电压，则：11EU220EUk称为变压器的变比。称为变压器的变比。2223b (a)Y/Yo连接U131UkU31kUU12ABCabc (b)Y/连接U131UkUU312ABCac三相变压器的两种接法及电压的变换关系三相变压器的两种接法及电压的变换关系24102211NiNiNi 由由U1E1=4.44N1fm可知，可知，U1和和f不变时不变时，E1和和m也都基本不变。因此，有负载时也都基本不变。因此，有负载时产生主磁通的原、副绕组的合成磁动势（产生主磁通的
12、原、副绕组的合成磁动势（i1N1+i2N2）和空载时产生主磁通的原绕组的）和空载时产生主磁通的原绕组的磁动势磁动势i0N1基本相等，即：基本相等，即：102211NININI空载电流空载电流i0很小，可忽略不计。很小，可忽略不计。2211NINIkNNII1122125 设接在变压器副绕组的负载阻抗设接在变压器副绕组的负载阻抗Z的模为的模为|Z|，则：，则：22|IUZ Z反映到原绕组的阻抗模反映到原绕组的阻抗模|Z|为：为：|22222211ZkIUkkIkUIUZ26设交流信号源电压设交流信号源电压U=100V,内阻内阻R0=800,负负载载RL=8（1）将负载直接接至信号源，负载获得多）
13、将负载直接接至信号源，负载获得多大功率？大功率？（2）经变压器进行阻抗匹配，求负载获得）经变压器进行阻抗匹配，求负载获得的最大功率是多少？变压器变比是多少？的最大功率是多少？变压器变比是多少？例例4.22728U2U20I2I2N0202%10020220UUUU 电压变化率反映电压电压变化率反映电压U2的变化程度。的变化程度。通常希望通常希望U2的变动愈小愈好，一般变压器的变动愈小愈好，一般变压器的电压变化率约在的电压变化率约在5%左右。左右。铁损铁损PFe包括磁滞损耗和涡流损耗。包括磁滞损耗和涡流损耗。FeCuPPP损耗：损耗：222121CuRIRIP铜损：铜损：29PPPPP2212效
14、率：效率：(1)额定电压额定电压UN：指变压器副绕组空载时各：指变压器副绕组空载时各绕组的电压。三相变压器是指线电压。绕组的电压。三相变压器是指线电压。(2)额定电流额定电流IN：指允许绕组长时间连续工：指允许绕组长时间连续工作的线电流。作的线电流。(3)额定容量额定容量SN：在额定工作条件下变压器：在额定工作条件下变压器的视在功率的视在功率。1N1N2N2NN33IUIUS三相变压器：三相变压器：1N1N2N2NNIUIUS单相变压器：单相变压器：3012341234(a)正接 (b)反接(1)同极性端的标记同极性端的标记(2)同极性端的测定同极性端的测定 1 3 2 4mA(a)直流法毫安
15、表的指针正偏毫安表的指针正偏1和和3是同极性端；反是同极性端；反偏偏1和和4是同极性端。是同极性端。U13=U12U34时时1和和3是同是同极性端；极性端；U13=U12U34时时1和和4是同极性端。是同极性端。(b)交流法 1 3 2 4V31Z+u1+u2N1N2特点：副绕组是原绕组的一部分，原、副特点：副绕组是原绕组的一部分，原、副压绕组不但有磁的联系，也有电的联系。压绕组不但有磁的联系，也有电的联系。kNNUU2121kNNII1122132 (1)电流互感器：原绕组线径较粗，匝数很电流互感器：原绕组线径较粗，匝数很少，与被测电路负载串联；副绕组线径较细，少，与被测电路负载串联；副绕组
16、线径较细，匝数很多，与电流表及功率表、电度表、继电匝数很多，与电流表及功率表、电度表、继电器的电流线圈串联。用于将大电流变换为小电器的电流线圈串联。用于将大电流变换为小电流。使用时副绕组电路不允许开路。流。使用时副绕组电路不允许开路。kNNII11221u+A33 (2)电压互感器：电压互感器的原绕组电压互感器：电压互感器的原绕组匝数很多，并联于待测电路两端；副绕组匝数很多，并联于待测电路两端；副绕组匝数较少，与电压表及电度表、功率表、匝数较少，与电压表及电度表、功率表、继电器的电压线圈并联。用于将高电压变继电器的电压线圈并联。用于将高电压变换成低电压。使用时副绕组不允许短路。换成低电压。使用时副绕组不允许短路。kNNUU2121Vu+
