第8章鐵心線圈與變壓器8.1磁路的基本概念和定律8.2直流鐵心線圈與直流電磁鐵8.3交流鐵心線圈與交流電磁鐵8.4變壓器#第8章鐵心線圈與變壓器

本章介紹的基本物理量、基本定律以及磁性材料的磁性能。在此基礎(chǔ)上重點討論鐵心線圈電路和變壓器。8.1磁路的基本概念和定律

電動機、繼電器、電磁鐵及變壓器等電器都是基于電磁耦合的原理工作的，我們已經(jīng)學(xué)過了電路，現(xiàn)在再來研究磁路。一、磁場的基本物理量1.磁通φ2.磁感應(yīng)強度B3.磁場強度H4.導(dǎo)磁系數(shù)μ#8.1一、磁場的基本物理量垂直穿過某一面積S的磁力線的總根數(shù)。韋伯wb穿過單位面積的磁力線根數(shù)。特斯拉T

wb/m2磁場中某點的B與該點的磁導(dǎo)率μ的比值。1.磁通φ2.磁感應(yīng)強度B3.磁場強度H4.導(dǎo)磁系數(shù)μ描述導(dǎo)磁能力大小的物理量。通常使用相對導(dǎo)磁系數(shù)無量綱真空導(dǎo)磁系數(shù)8.1磁路的基本概念和定律安/米，A/m,A/cm#8.1磁動勢8-1磁路的基本概念和定律二、磁路的基本定律安培環(huán)路定律磁路歐姆定律與電路類似，磁路也有各種定律安培環(huán)路定律安培環(huán)路定律安培環(huán)路定律安培環(huán)路定律安培環(huán)路定律沿任一閉合路徑，H的線積分等于包圍在這閉合路徑內(nèi)各電流的代數(shù)和若磁場均勻則有磁路歐姆定律磁路歐姆定律磁路歐姆定律磁路歐姆定律磁路歐姆定律磁路歐姆定律磁路歐姆定律磁路歐姆定律磁路歐姆定律磁路歐姆定律磁路歐姆定律磁路歐姆定律磁路歐姆定律無分支磁路平均長l線圈N匝IN磁通Φ導(dǎo)磁系數(shù)μ截面積S根據(jù)得磁路歐姆定律磁阻Rm基爾霍夫定律#8.1二、磁路的基本定律安培環(huán)路定律磁路歐姆定律基爾霍夫定律基爾霍夫定律基爾霍夫定律基爾霍夫定律基爾霍夫定律基爾霍夫定律基爾霍夫定律基爾霍夫定律基爾霍夫定律有分支磁路I1N1I2N2φ1φ2φ31.磁路的基爾霍夫磁通定律在節(jié)點A處Aφ1+φ2-φ3=02.磁路的基爾霍夫磁壓降定律任一閉合回路中均有或磁壓降的代數(shù)和等于磁動勢的代數(shù)和#8.1INH（I）B（φ）μμabcB鐵磁材料B-H，μ-H曲線從曲線上能明顯看出，μ不是常數(shù)導(dǎo)磁性工程上利用它來使磁通盡量地約束在有限的范圍內(nèi)，提高電磁設(shè)備的利用率，一般使用B-H

曲線的ab

段。磁滯B的變化滯后于H

的變化如曲線的oa

段o磁飽和當H

達到一定程度，B不再隨H

而增加，此為磁飽和。如曲線的cs

段。s若對鐵心線圈而言，磁飽和意為當電流I

增加到一定程度，φ不再隨之增加關(guān)于磁滯詳看請點擊#三、磁性材料的磁性能8.18.1幾點說明磁阻Rm的大小取決于磁路的尺寸和材料的磁導(dǎo)率。

很大，但不是常數(shù)，因此也不是常數(shù)。所以磁路歐姆定律不能用來進行定量計算，只用做定性分析。通常磁路計算應(yīng)用磁路基爾霍夫定律。磁路和電路有相似之處，但卻有本質(zhì)的區(qū)別。詳見教材P175#第二節(jié)8.2直流鐵心線圈與直流電磁鐵一、直流鐵心線圈（磁路計算略）二、直流電磁鐵1.構(gòu)成鐵心鐵心線圈線圈銜鐵銜鐵8.22.工作原理通電的鐵心線圈對銜鐵會產(chǎn)生吸力請看通電演示3.吸力磁動勢主要降在空氣隙上磁動勢#電磁鐵應(yīng)用？直流電磁鐵的特點8.2勵磁電流是由勵磁線圈的外加電壓U

和線圈電阻R

決定的2.無磁滯和渦流損耗，鐵心可以使用整塊的鑄鋼、軟鐵。電流是恒定的，無感應(yīng)電動勢產(chǎn)生。3.吸合后電磁力比吸合前大得多，但勵磁電流不變。（因磁動勢NI

不變，磁阻Rm↓→B↑，所以吸力F↑）電流恒定，無感應(yīng)電動勢產(chǎn)生。無磁滯和渦流損耗，可使用整塊鐵心3.吸合后，勵磁電流不變，F(xiàn)↑↑#一、電壓平衡方程式iNφφL交流鐵心線圈大部分經(jīng)鐵心閉合線圈中磁通產(chǎn)生ee主磁通少部分經(jīng)空氣閉合產(chǎn)生eL漏磁通eLu線圈電阻上壓降為iR根據(jù)KVL得：或電壓平衡方程式#8.3交流鐵心線圈與交流電磁鐵#8.3一、電壓平衡方程式有效值忽略了漏磁感應(yīng)電動勢和線圈內(nèi)阻壓降后，方程變?yōu)榛蛑匾Y(jié)論外加電壓不變時，交流鐵心線圈的鐵心內(nèi)主磁通最大值幾乎是不變的。這是分析變壓器和交流電動機時的重要概念。注意8.3交流鐵心線圈與交流電磁鐵8.3二、交流鐵心線圈的損耗P=△PCU+△Ph+△Pe總損耗銅損渦流損耗鐵損磁滯損耗銅損△PCU線圈電阻上的損耗△PCU=I2R磁滯損耗其大小與鐵心材料反復(fù)磁化后的磁滯回線面積成正比渦流損耗交變磁通穿過鐵心，鐵心導(dǎo)磁又導(dǎo)電，鐵心在交變磁通作用下產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，在垂直于磁通方向的鐵心平面內(nèi)產(chǎn)生旋渦狀的感應(yīng)電流，叫渦流。渦流在鐵心內(nèi)電阻上產(chǎn)生的損耗稱渦流損耗。減小渦流損耗的辦法增大渦流通路的電阻即用薄的材料疊成鐵心減小磁滯損耗的辦法鐵心盡量采用軟磁材料#8.3三、交流電磁鐵鐵心線圈銜鐵交流電磁鐵也是一種電磁器件，結(jié)構(gòu)形式與直流電磁鐵類似。在工業(yè)部門應(yīng)用極為廣泛。如冶金工業(yè)中用于提放鋼材的電磁吊車；夾持工件的電磁工作臺；傳遞動力的電磁離合器；液壓傳動中的電磁閥；交流接觸器及接觸器等。鐵心中的磁通是交變的，空氣隙處的磁感應(yīng)強度為：吸力平均值#8.3三、交流電磁鐵瞬時值有效值顯然f

是交變的，存在過零值。會出現(xiàn)吸合不牢的現(xiàn)象。

通常在尾端留一切口，套上銅環(huán)（或稱磁環(huán)），銅環(huán)產(chǎn)生的感應(yīng)電流阻礙φ的變化，致使穿過銅環(huán)的φ與其它φ存在一相位差，結(jié)果產(chǎn)生兩個相位不同的電磁吸力，平均后，不再有過零點。見教材P181交流電磁鐵特點1.吸力是交變的，鐵心需加分磁環(huán)。2.勵磁電流吸合前大，吸合后減小。前后吸力不變3.鐵心和銜鐵均由硅鋼片疊成，為減小鐵損。#交、直流電磁鐵的特點8.3電流恒定，無感應(yīng)電動勢產(chǎn)生。無磁滯和渦流損耗，可使用整塊鐵心3.吸合后，勵磁電流不變，F(xiàn)↑↑#交流電磁鐵特點1.吸力是交變的，鐵心需加分磁環(huán)。2.勵磁電流吸合前大，吸合后減小。前后吸力不變3.鐵心和銜鐵均由硅鋼片疊成，為減小鐵損直流電磁鐵特點

8.4變壓器

教學(xué)目的

1.掌握單相變壓器的電壓、電流和阻抗變換功能

2.掌握變壓器額定值的概念

3.了解變壓器繞組極性及其判別

預(yù)備知識：iN交流鐵心線圈eeLu磁路的基爾霍夫磁壓降定律任一閉合回路中均有磁動勢要平衡電壓平衡方程式8.41.變壓器的用途、構(gòu)造和分類變壓器是基于電磁感應(yīng)原理而制成的靜止的電器設(shè)備用途變電壓，變電流，變阻抗構(gòu)造心式和殼式兩種芯式變壓器殼式變壓器分類單相，三相，多相升壓，降壓儀用電壓、電流互感器焊接變壓器，自藕變壓器#8.4變壓器用于高壓的電力變壓器用于大電流的特殊變壓器或其它變壓器8.42.變壓器的工作原理原邊繞組N1名詞介紹幅邊繞組N2一次繞組N1二次繞組N2一次側(cè)二次側(cè)什么是變壓器任載運行？什么是變壓器空載運行？u~u~Z2Z2s

一次側(cè)接電源二次側(cè)負載開路

一次側(cè)接電源二次側(cè)接負載符號+u1－+u2－T8.42.變壓器的工作原理變壓器空載運行u~Z2s空載電流變比二次側(cè)額定電壓原幅邊電壓之比等于原幅邊匝數(shù)之比，等于常數(shù)k此為變壓器的變電壓作用i0u1u20空載運行的結(jié)論：u~Z2變壓器負載運行u1i1u2i2兩邊繞組中通過的磁通是相同的7-4只要U1不變，主磁通就不應(yīng)該變，所以有：磁動勢平衡方程式有載時原邊磁動勢分為兩部分1.產(chǎn)生主磁通（勵磁分量）I02.用來補償I2N2（負載分量I2）,又稱去磁一般I0很小，小型變壓器只有2~3%，大的不過10%，當略去I0N1后有：變電流作用負載運行結(jié)論變電流作用任載后，電壓比是否還等于變比k?變電壓作用還有一個作用是變阻抗副邊Z2原邊Z1變阻抗作用或3.變壓器的外特性和額定值1)外特性變壓器負載后，必然在一、二次側(cè)內(nèi)阻抗上產(chǎn)生電壓降，使二次電壓隨負載電流增加變小。稱曲線為變壓器的外特性變壓器外特性電壓調(diào)整率滿載時電壓空載電壓一般在5%以內(nèi)8.42)額定值一般變壓器的額定值在其名牌上給出額定電壓額定電流額定容量額定頻率一次額定電壓U1N正常時一次繞組所加電壓的有效值二次額定電壓U2N一次為U1N，對應(yīng)二次側(cè)的空載電壓有效值，即U20=U2N一次額定電流I1N一次為U1N

，正常工作時一次繞組允許長期通過的最大電流有效值二次額定電流I2N一次為U1N

，正常工作時二次繞組允許長期通過的最大電流有效值指二次側(cè)的輸出額定視在功率即額定頻率50HZ8-43.變壓器的外特性和額定值4.變壓器的損耗和效率8-4變壓器損耗△p分鐵損△pFe和銅損△pCu

1)鐵損是交變的主磁通在鐵心中產(chǎn)生磁滯損耗△ph和渦流損耗△pe之和--固定損耗2)銅損--可變損耗變壓器一次側(cè)、二次側(cè)均有電阻，當有電流通過時，產(chǎn)生損耗3)效率一次側(cè)輸入功率p1

，二次側(cè)輸出功率p2，效率為η△p=△pFe+△pCu小型變壓器的效率為70~85%，大型變壓器效率可達98%4)變壓器線圈極性測定*同極性端的標記1234**正接1234*反接**同極性端的測定毫安表正偏，1和3是同極性端；反偏，1和4是同極性端8-48.4變壓器小結(jié)變電流作用變電壓作用變阻抗作用變壓器作用外特性額定值損耗和效率變壓器任載后電壓降低電壓調(diào)整率小型變壓器效率為70~85%，大型的可達98%變壓器同名端判別

第8章習題解答8-1在電壓相等的情況下，交流鐵心線圈誤接到直流電源上會怎樣？直流鐵心線圈誤接到交流電源上又會怎樣？解：交流鐵心線圈的等效電路為iuLR電流為誤接直流電源后，電路為IUR電流為結(jié)論：線圈電流增加，燒壞線圈。直流鐵心線圈誤接到交流電源上會怎樣？鐵心發(fā)熱！#8-3交流鐵心線圈在下面情況下，其磁感應(yīng)強度和線圈中電流怎樣變化？解：1）電源電壓大小和頻率不變，線圈匝數(shù)增加#iNφ交流鐵心線圈u電壓平衡方程式2）電源電壓大小不變，頻率減小。3）電源電壓不變，鐵心截面減小。4）電源電壓不變，鐵心氣隙增加。5）電源電壓增大，其它不變。8-9一臺單相變壓器的額定容量SN=50kVA，額定電壓為10KV/230V，滿載時二次電壓為220V，則其額定電流I1N和I2N各是多少？解：知識點：變壓器容量變電流作用8-10已知信號源的內(nèi)阻R0=10kΩ,用輸出變壓器帶一個電阻為RL=3.2Ω的揚聲器，為了使揚聲器獲得最大功率，輸出變壓器的變壓比應(yīng)該是多少？解：獲得最大功率的條件是什么？R0=RL時信號源輸出最大功率令獲得最大功率的條件知識點：8-16有一變壓器，額定電壓10000V/230，額定電流為V5A/215A?？蛰d時，高壓繞組自10000V電源上取用功率340W，電流0.43A。試求1）變壓器的變壓比；2）空載電流占額定電流的百分數(shù)；3）空載時一次繞組的功率因數(shù)。解：1）2）3）功率因數(shù)8-18

一臺容量的照明變壓器，它的電壓為

6600V/220V，問它能正常供應(yīng)220V、40W的白熾燈多少盞？能供應(yīng)，電壓220V，功率40W的日光燈多少盞？解：#或變壓器可供出總電流每只燈的電流鐵心線圈銜鐵直流電磁鐵通電演示返回銜鐵的吸合應(yīng)是瞬間完成#通電演示鐵心線圈銜鐵關(guān)于磁滯

當外電場H

值作正負變化使鐵磁材料反復(fù)磁化過程中，B

的變化總是落后于H

的變化。鐵磁材料反復(fù)磁化后，得到近似對稱原點的閉合曲線，叫磁滯回線。不同的磁性材料，其磁滯回線形狀不同HBHB軟磁材料HB硬磁材料#返回發(fā)電機電力輸變電系統(tǒng)示意圖20kV輸電線升壓變壓器降壓變壓器降壓變壓器降壓變壓器≈110kV220kV500kV10kV66kV低壓用戶400V一變二變配電變壓器配電變壓器外形圖返回返回返回返回返回鐵心繞組返回教學(xué)目的：1.掌握單相變壓器的電壓、電流和阻抗變換功能，阻抗匹配問題

2.掌握變壓器額定值的概念

3.了解變壓器繞組極性及其判別教學(xué)重點：變壓器的電壓、電流和阻抗變換功能；變壓器額定值的概念教學(xué)難點：變壓器的電壓、電流和阻抗變換功能主要內(nèi)容：

1.交待變壓器的用途、構(gòu)造和分類

2.關(guān)于變壓器的基本概念：變壓器繞組等稱謂；運行工況稱謂。

3.在變壓器空載運行中引出-變壓器的變電壓作用