第6章 磁路及铁心线圈电路(修改版)

1、 在很多电工设备（像变压器、电机、电磁铁电在很多电工设备（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。论，才能对以上电工设备进行全面分析。 本章结合磁路和铁心线圈电路的分析，讨论变本章结合磁路和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。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

2、系。磁路和电路的关系以及磁和电的关系。HBlH d IlH dlINH 或或H/m10470 HBmHmsmAsVmAmWb /2位的单0r 0BB HH0 lSlHlNI B IlH dmRF SlNI mRF SlR mSl NIRFm SlR Sl EREI nn2211lHlHlHNI niiilHNI1 ,lH,lH2211nnSBBSB , . , S , 2211 niiilHNI1 A 5133004509000.NHlI A 390300450260.NHlI A/m102.71049.057000 BH cm 390.2- 2391 .ll cm 23921510.l A

3、144010201027250 .H A 1951039500211 lHA 16351951440110 lHHNI 163511635 ININu(Ni)i ddtNe tNedd （磁通势）（磁通势）tiLdd 常常数数 iNLeeRi u )(ddetiLRi )()(EEIRU )(jEIXIR t, sinm )sin(ddddmttNtNe tN cosm )90t(sin2m fN)90(sinm tE mmm444222 fN.fNEE EU (V) 444444mmSfNB.fN.EU )(jEIXIRU Fe2cosPRIUIP 11404220100cos.UIP 55

4、4220 IUZ0RIPRRR 25. 64100220022220X 6 . 5425. 655RXXX Z2cm 527910230.S 3001052721504442204444m .SfB.UN A13002106070022 NlHIm变压器功能：变压器功能：变电压：变电压：电力系统电力系统 变阻抗：变阻抗：电子电路中的阻抗匹配电子电路中的阻抗匹配 （如喇叭的输出变压器）（如喇叭的输出变压器） 变电流：变电流：电流互感器电流互感器 6.2 变压器的工作原理变压器的工作原理 发电厂发电厂1.05万伏万伏输电线输电线22万伏万伏升压升压变电站变电站1万伏万伏降压降压 变压器应用举例降压

5、降压实验室实验室380 / 220伏伏降压降压仪器仪器36伏伏降压降压单相变压器单相变压器1u2uLR1i2i铁芯铁芯原边原边绕组绕组副边副边绕组绕组一、变压器的基本结构一、变压器的基本结构1u2uLR1i2i1u1i2u2iLR变压器符号：变压器符号：2211iuiu工作过程：工作过程：1. 空载运行空载运行 原边接入电源，副边开路。原边接入电源，副边开路。接上接上交流电源交流电源1u 原边电流原边电流 i1等等 于励于励 磁电流磁电流 i10 dtdNedtdNe2211 产生感应电动势产生感应电动势二、变压器的工作原理二、变压器的工作原理1u2e1i1e1N2N i10 产生磁通产生磁通

6、 （交变）（交变）（ 方向符合右手定则）方向符合右手定则）、e结论：改变匝数比，就能改变输出电压。结论：改变匝数比，就能改变输出电压。KNNEEUU212121K为变比为变比10i1u20u2i1e2e原、副边电压关系原、副边电压关系mmNfENfE221144. 444. 4根据交流磁路的分析根据交流磁路的分析可得：可得：202uu 02i时时 （变电压）（变电压）2. 负载运行负载运行1u2e1i1e1N2NZ2i 副边带负载后对磁路的副边带负载后对磁路的影响：在副边感应电压的影响：在副边感应电压的作用下，副边线圈中有了作用下，副边线圈中有了电流电流 i2 。此电流在磁路中此电流在磁路中也

7、会产生磁通，从而影响原边电流也会产生磁通，从而影响原边电流 i1。但当外加电压、但当外加电压、频率不变时，铁芯中主磁通的最大值在变压器空载或频率不变时，铁芯中主磁通的最大值在变压器空载或有负载时基本不变有负载时基本不变 。 带负载后带负载后磁动势的平衡关系为：磁动势的平衡关系为：)44. 4(11mNfU NiNiNi102211KNNII11221结论：原、副边电流与匝数成反比结论：原、副边电流与匝数成反比1102211NiNiNi 由于变压器铁芯材料的导磁率高、空载励磁电流由于变压器铁芯材料的导磁率高、空载励磁电流 很小，可忽略很小，可忽略 。即：。即：02211NINI)(10i原、副边

8、电流关系原、副边电流关系 （变电流）（变电流）2211NINI （变阻抗）（变阻抗）1i1u2u2i| Z1N2N原、副边阻抗关系原、副边阻抗关系|2ZKZ 22|IUZ 从原边等效：从原边等效：22222211|KZKIUKIKUIUZ 结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以 变比的平方。变比的平方。 阻抗变换举例：阻抗变换举例：扬声器上如何得到最大输出功率。扬声器上如何得到最大输出功率。i1uRsRL信号源信号源设：设：信号电压的有效值信号电压的有效值:U1= 50V;信号内阻：信号内阻： Rs=100 ;负载为扬声器，其等负载为扬声器

9、，其等 效电阻：效电阻：RL=8 。求：负载上得到的功率求：负载上得到的功率解：解：（1）将负载直接接到信号源上）将负载直接接到信号源上，得到的输出功，得到的输出功 率为：率为： W)(7 . 181085022LLSRRRUpL1i1u2u2iLR1N2NRs（2）将负载通过变压器接到信号源上。）将负载通过变压器接到信号源上。输出功率为：输出功率为：W25. 698981005022LLSLRRRUp设变比设变比 1:5 . 321NNK9885 . 32LR则：则：结论：由此例可见加入变压器以后，输出功率提高了结论：由此例可见加入变压器以后，输出功率提高了 很多。原因是满足了电路中获得最大

10、输出的条很多。原因是满足了电路中获得最大输出的条 件（信号源内、外阻抗差不多相等）。件（信号源内、外阻抗差不多相等）。 额定电压额定电压 变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允 许的电压值。许的电压值。NNUU21 、 额定电流额定电流 变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。NNII21 额定容量额定容量 传送功率的最大能力。传送功率的最大能力。NSNNNNNIUIUS2211（理想）（理想）6.3.1 变压器的铭牌数据变压器的铭牌数据（以单相变压器为例）（以单相变压器为例） 6.3 变压器的使用变压器

11、的使用容量容量 SN 输出功率输出功率 P2 原边输入功率原边输入功率 P1 输出功率输出功率 P2注意：变压器几个功率的关系注意：变压器几个功率的关系效率效率变压器功变压器功率因数率因数NNNIUS22容量：容量：21PP 原边输入功率：原边输入功率：cos222IUP 输出功率：输出功率： 6.3.2 变压器的效率变压器的效率( )为防止涡流损失，铁芯为防止涡流损失，铁芯一般由一片片导磁材料一般由一片片导磁材料叠合而成。叠合而成。 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 (PCU) ：绕组导线电阻所致。绕组导线电阻所致。磁滞损失：磁滞现象引起铁芯发热，磁滞损失：磁滞现象引

12、起铁芯发热， 造成的损失。造成的损失。涡流损失：交变磁通在铁芯中产生涡流损失：交变磁通在铁芯中产生 的感应电流（涡流），的感应电流（涡流）， 造成的损失。造成的损失。铁损铁损( )：PFE1112PPPPPPFECU6.3.3 变压器的外特性变压器的外特性副边输出电压和输出电流的关系。即：副边输出电压和输出电流的关系。即：)(22IfU U2I2U20U20：原边加额定电压、：原边加额定电压、副边开路时，副边的输副边开路时，副边的输出电压。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I2的变化，的变化，U2 变化不多）变化不多） 当电流流入两个线圈当电流流入两个线圈(或流出

13、）时，若产生的磁通方或流出）时，若产生的磁通方向相同，则两个流入端称为同极性端（同名端）。或者向相同，则两个流入端称为同极性端（同名端）。或者说，当铁芯中磁通变化（增大或减小）时，在两线圈中说，当铁芯中磁通变化（增大或减小）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。产生的感应电动势极性相同的两端为同极性端。同极性端同极性端(同名端同名端)AXax*6.3.4 变压器绕组极性及连接方法变压器绕组极性及连接方法AXax*电器使用时两种电压（电器使用时两种电压（220V/110V）的切换：）的切换：220V： 联结联结 2 3110V： 联结联结 1 3，2 4线圈的接法线圈的接法13

14、24*220V：联结：联结 2 3mNfU)2(44. 4220励磁励磁mNi210NfUm244. 4220两种接法下线圈工作情况的分析两种接法下线圈工作情况的分析*1324NN10i220U110V：联结：联结 1 3，2 4NfUm244. 4220mNfU)(44. 4110NfUm44.41101,32,4220V：联结：联结 2 31324*110U10i说明：两种接法下说明：两种接法下 不变，不变， 所以铁芯磁路的设计相同所以铁芯磁路的设计相同m励磁励磁mNi10问题问题1：在在110V 情况下，如果只用一个绕组（情况下，如果只用一个绕组（N），行不行？），行不行？答：答：不行（

15、两绕组必须并绕）不行（两绕组必须并绕）原边有两个相同绕组的电源变压器（原边有两个相同绕组的电源变压器（220 / 110），使），使用中应注意的问题：用中应注意的问题：*1324NN220i220U1,32,4110iN若两种接法铁芯中的磁通相等，则：若两种接法铁芯中的磁通相等，则： Ni2220Ni11021110220ii问题问题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：在极性不明确时，一定要先测定极性再通电。在极性不明确时，一定要先测定极性再通电。答：答：有可能烧毁变压器有可能烧毁变压器两个线圈中的磁通抵消两个线圈中的磁通抵消烧毁烧毁感应电势感应

16、电势0e电流电流 很大很大11Rui 1111eRiu原因：原因：*1324NN10i220U 方法一：交流法方法一：交流法AXaxu同极性端的测定方法同极性端的测定方法若若 说明说明 A 与与 a 或或 X 与与 x 为同为同 极性端。极性端。 axAXAaUUU把两个线圈的任意两端把两个线圈的任意两端 (X - x)连连接接,然后在然后在 AX 上加一小电压上加一小电压 u 。AaaxAXUUU、测量：测量：axAXAaUUU 若若 说明说明 A 与与 x 或或 X 与与 a 是同是同 极性端；极性端；结论：结论：方法二：直流法方法二：直流法mA表表+_AXaxK+-*AXax+_K2e设

17、设K闭合时闭合时 增加。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 K 闭合时，闭合时，mA 表正表正偏，则偏，则 Aa 为同极性端为同极性端;如果当如果当 K 闭合时，闭合时，mA 表反表反偏，则偏，则 Ax 为同极性端为同极性端结论：结论： 变压器设计中的一些概念变压器设计中的一些概念(1)11IUSN1U一定一定额定容量额定容量定铁芯窗口定铁芯窗口定导线直径定导线直径1I定定定定mN1UIS mfNU1144. 4 则则 （铜多、铁少）（铜多、铁少）mN则则 （铜少、铁多）（铜少、铁多）mN( , 一定时一定时, )SBBS在同样变比情况下，匝数多

18、好，还是少好？在同样变比情况下，匝数多好，还是少好？mfNU1144. 4m（省铜）（省铜）N（费铁）（费铁）截面积截面积 A AB 变压器设计中的一些概念变压器设计中的一些概念(2)6.4.1 自耦变压器自耦变压器KNNIIKNNUU112212121ABP1u2u1i2iLR1N2N6.4 特殊变压器简介特殊变压器简介 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。制作的。注意：原、副边千万不能对调使用，注意：原、副边千万不能对调使用，以以防变压器损坏。因为防变压器损坏。因为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。6.4.2 电压互感器电压互感器 用低量程的电压表测高电压用低量程的电压表测高电压1. 副边不能短路，以副边不能短路，以 防产生过流；防产生过流；2. 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 绝缘损时，在副边绝缘损时，在副边 出现高压。出现高压。使用注意：使用注意：VR N1（匝数多）（匝数