电工学- 磁路与变压器

1、第第4 4章章 磁路与变压器磁路与变压器第第5 5章章 电动机与拖动基础电动机与拖动基础第第6 6章章 生产机械的电气自动控制生产机械的电气自动控制第第3 3篇篇 电机与传动控制基础电机与传动控制基础概 述：电路是电工学的主要研究对象。但是，有一些电工、电气设备，电路是电工学的主要研究对象。但是，有一些电工、电气设备，变压器变压器电动机电动机电磁铁电磁铁电工测量仪表电工测量仪表。如：如：-“电磁转换原理电磁转换原理”工作：工作： 既既 牵扯到牵扯到电路电路，又涉及，又涉及磁路磁路。 磁路磁路：由良好导磁能力的材料构成，研究局限于一定路径内：由良好导磁能力的材料构成，研究局限于一定路径内的磁场问

2、题。的磁场问题。 因此，磁场中的各物理量是用于磁路。因此，磁场中的各物理量是用于磁路。第第4 4章章 磁路与变压器磁路与变压器思考：电工学、思考：电工学、电工技术的研究电工技术的研究对象？对象？4.1 磁路的基本知识磁路的基本知识4.1.1 磁场的基本物理量磁场的基本物理量电流电流 磁场磁场用用磁场线磁场线描述描述2.磁通磁通 : 矢量；矢量；与介质材料有关。A -与磁场线垂直的某面积（与磁场线垂直的某面积（m2 )AB = 通过磁场中某一面积的磁场线的总数。单位：通过磁场中某一面积的磁场线的总数。单位：Wb。 1.磁感应强度磁感应强度 B：矢量；矢量；与磁场内的介质材料有关与磁场内的介质材料

3、有关。也称为也称为“磁通密度磁通密度”=BA矢量，矢量， 方向与方向与 B 的方向相同。的方向相同。3.磁场强度磁场强度H：x xdlH lH NII xxxNIFHll式中，式中，N ：线圈匝数；线圈匝数； lx： x处的磁感线路径长度；处的磁感线路径长度； Hx ： x处的磁场强度；处的磁场强度；磁通势：磁通势：dH lI NxlxHH H 的大小：的大小：只与产生该磁场的电流成正比，与介质性质无关。只与产生该磁场的电流成正比，与介质性质无关。B B 的大小：的大小：不仅与产生该磁场的电流大小有关，还与介质性质有关。不仅与产生该磁场的电流大小有关，还与介质性质有关。xxxNIBHl表示磁场

4、介质磁性的物理量，衡量物质导磁能力表示磁场介质磁性的物理量，衡量物质导磁能力。H/m10470 0r 0BB HH0 BNxlxH4.1.2 物质的磁性物质的磁性 , NIBAHl0=ddddHiBHiiNLiiieLteNt 线性电感（无铁心）：线性电感（无铁心）：磁畴磁畴 在外磁场作用下，磁畴方向变化，与外磁场方向趋于一致，物质整在外磁场作用下，磁畴方向变化，与外磁场方向趋于一致，物质整体显示出磁性来，称为体显示出磁性来，称为磁化磁化。即。即磁性物质能被磁化磁性物质能被磁化。H=( )HiBHB= f HH非线性电感非线性电感（有铁心）（有铁心）： =BAN dd=-ddieNLtt与电流

5、不成正比与电流不成正比与电流不成正比与电流不成正比 磁性材料（物质）的磁性能磁性材料（物质）的磁性能(1) 高导磁性高导磁性 0 铸钢：铸钢： 1 0000 硅钢片：硅钢片：(6 000 7 000)0(2) 磁饱和性磁饱和性 不是常数不是常数(3) 磁滞性磁滞性BH0图图 初始磁化曲线初始磁化曲线BH0HmBr剩磁剩磁HC矫顽矫顽磁力磁力HmBrHC图图 磁滞回线磁滞回线硬磁物质硬磁物质: 磁性物质的分类、特点：磁性物质的分类、特点：Br 大、大、HC 大大软磁物质：软磁物质：Br 小、小、HC 小小矩磁物质：矩磁物质：Br 大、大、HC 小小例如：磁头录音和放音举例。例如：磁头录音和放音举

6、例。4.1.4 4.1.4 磁路欧姆定律磁路欧姆定律-略略用于定性分析磁路。用于定性分析磁路。BC =ACB0 =A0HC = BCCC AC=H0 = B000 A0=全电流定律全电流定律: :左边=H dl = HC lC + H 0 l0lCC AC=( + l 00 A0)Rm = Rmc + Rm0令：令：Rmc =lCC ACl 00 A0Rm0 =铁心的磁阻铁心的磁阻空气隙的磁阻空气隙的磁阻磁路的磁阻：磁路的磁阻：磁路的磁通势磁路的磁通势因此：因此： =N IRm磁路欧姆定律：磁路欧姆定律：C0Rm0Rmc NINI一定时，一定时， 因因 R Rm0 m0 的存在，使的存在，使

7、大大减小。大大减小。若要保持一定的若要保持一定的，则需要大大增加，则需要大大增加 NINI。 = FRm 常见的电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛。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：变电压：电力系统电力系统 变阻抗：变阻抗：电子线路中的阻抗匹配电子线路中的阻抗匹配变电流：变电流：电流互感器电流互感器 ： 在能量传输过程中，当输送功率在能量传输过程中，当输送功率P =UI cos 及负载功率因及负载功率因数数cos 一定时：一定时：电能损耗小电能损耗小减小线路电压降损失减小线路电压降损失U I P = I Rl节省导线金属材料（经济）节省导线金属材料（经济） 发电厂发

8、电厂10.5kV输电线输电线220kV升压升压仪器仪器36V降压降压实验室实验室380 / 220V降压降压变电站变电站 10kV降压降压降压降压 变压器：变压器：是利用电磁感应作用来改变交流电的电压、电流是利用电磁感应作用来改变交流电的电压、电流等级的电气设备。等级的电气设备。 在电力系统中：在电力系统中：110 kV、220 kV330 kV、500 kV电能电能负荷负荷升升压压变变压压器器远远 距距 离离 输输 电电降降压压变变压压器器10 kV10 kV6 kV380 V220 V 输电距离、输电功率与输电电压的关系输电距离、输电功率与输电电压的关系: :输电电压输电电压 输电功率输电

9、功率 输电距离输电距离 110 kV 5104 kW 50 150 km 220 kV (20 30)104 kW 200 400 km 500 kV 100104 kW 500 km 在电子线路和自动控制系统中，在电子线路和自动控制系统中，变压器起着变压器起着信号传递、信号传递、 阻抗变换以及信号隔离阻抗变换以及信号隔离等作用。等作用。二次二次绕组绕组N2一次一次绕组绕组N1单相变压器单相变压器1u2u1i2i+磁路磁路由高导磁硅钢片叠成由高导磁硅钢片叠成厚厚0.35mm 或或 0.5mm铁心铁心铁心铁心(1)(1)空载运行：空载运行：一次侧接交流电源，二次侧开路。一次侧接交流电源，二次侧开

10、路。0i02i1u+20u+2e+1e+1e+ 11N2N 1u dd11tNe i0 ( i0N1) 1 dd011tiLe tNedd 22 空载时，铁空载时，铁心中主磁通心中主磁通 由一次绕组由一次绕组磁通势产生。磁通势产生。(2)(2)带负载运行：带负载运行：一次侧接交流电源，二次侧一次侧接交流电源，二次侧。1u+1e+1e+ 11N2N 1u dd11tNe 1 dd111tiLe tNedd 22 i1 ( i1N1) i1i2 ( i2N2) 2有载时，铁心中主有载时，铁心中主磁通磁通 是是由一次、由一次、二次绕组磁通势共二次绕组磁通势共同产生的合成磁通。同产生的合成磁通。 2i

11、2+e2+e 2+u2 dd2tiLe22 m111d(sin)dNddteNtttN cosm1 1msin (90 )Et1m144.4NfE 222111mmfNEE )90t(sinm22 Ee2m244. 4NfE t, sinm +1u+1e+1e+1N2N+1122 UEUE；111u222UENkUEN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。+|Z|2i1u2e1i1e1N2N+2u12i21u1INkINk-电流比电流比，即：一次、二次侧的电流与匝数成反比。，即：一次、二次侧的电流与匝数成反比。11 1SUI22 2SU I12SS11IUZ

12、11UZI2uZkZ 结论：结论： 变压器一次侧的等效阻抗模，为二次侧所带负载阻变压器一次侧的等效阻抗模，为二次侧所带负载阻抗模的抗模的ku 2 倍。倍。 1U2U1I2IZ+1U1IZ+Zu22uk UIk22u2UkI2ukZ4. 4. 单相变压器的外特性单相变压器的外特性 即：一次绕组加额定电压时，负载功率因数不变的条件下，即：一次绕组加额定电压时，负载功率因数不变的条件下，二次绕组的电压与电流的关系。二次绕组的电压与电流的关系。 电压调整率：电压调整率： 变压器从空载到额定负载时，二次绕组电压的变化量与空载电变压器从空载到额定负载时，二次绕组电压的变化量与空载电压的比值，称为电压调整率

13、。压的比值，称为电压调整率。 变压器的电压调整率一般为变压器的电压调整率一般为35%。 注意：注意：式中，式中，U20：空载电压；：空载电压； U2：满载：满载(额定电流额定电流)时的电压。时的电压。2022N2202N%100%100%UUUUUUUPCu = R1I12 + R2I22图图 减小涡流损耗减小涡流损耗减小铁损耗的方法：减小铁损耗的方法： 使用软磁材料减小使用软磁材料减小 Ph ； 增大铁心的电阻率，减小涡流及其损耗增大铁心的电阻率，减小涡流及其损耗 ； 用很薄的硅钢片叠成铁心，减小涡流及其损耗用很薄的硅钢片叠成铁心，减小涡流及其损耗 。不变损耗不变损耗PFe = Ph+Pe铁

14、损耗：铁损耗：（2）变压器的功率关系与效率）变压器的功率关系与效率视在功率：视在功率：S1 = U1I1二次绕组二次绕组S2 = U2I2额定容量：额定容量：SN = U2NI2N = U1NI1N输入功率（一次绕组）：输入功率（一次绕组）：P1 = U1I1cos 1输出功率（二次绕组）：输出功率（二次绕组）：P2 = U2I2cos 2损耗：损耗：P = P1 - P2= PCu + PFe铜损耗铜损耗PCu = R1I12 + R2I22不变损耗不变损耗PFe = Ph+Pe铁损耗铁损耗效率效率: :一次绕组一次绕组不变损耗不变损耗2CuFePPP000222000122CuFe1001

15、00=100PPPPPPPPP 1234 134 同极性端用同极性端用“”表示表示。增加增加+ 联接联接 23 联接联接 13， 2 4ii当电源电压为当电源电压为220V时：时：220u+110u+电源电压为电源电压为110V时：时：NN1324NN1324 不行（两绕组必须并接）不行（两绕组必须并接）iuNN1324+1324NNi +u单相多绕组变压器的连接方式单相多绕组变压器的连接方式: : 例如：一次侧有两个线圈，其额定电压均为例如：一次侧有两个线圈，其额定电压均为 110 V ，要求它们能在要求它们能在 110 V 和和 220 V 两种交流电源上工作，而输两种交流电源上工作，而输

16、出电压不变。出电压不变。(a) 当电源电压为当电源电压为 220 V 时：时：110V110V+220V(a) 绕组的串联绕组的串联(b) 当电源电压为当电源电压为 110 V 时：时：110V110V+110V(b) 绕组的并联绕组的并联图图 绕组的正确接法绕组的正确接法讨论思考：讨论思考：若接反，会若接反，会如何如何?注意：若接错，则烧坏绕组！注意：若接错，则烧坏绕组！ 变压器额定容量变压器额定容量(KVA)S:三相三相D:单相单相 N1N1N2N2NIUIUS N1N1N2N2N33IUIUS N1N1NIUS 容量：容量： 21PP 一次侧输入功率：一次侧输入功率： cos222IUP

17、 输出功率：输出功率： 变压器运行时的功率变压器运行时的功率取决于负载的性质取决于负载的性质111uu2i2221 1 UNINkkUNIkNABP1u2u1i2iLR1N2N+电压表电压表被测电压被测电压=电压表读数电压表读数 N1/N2VR N1（匝数多（匝数多）保险丝保险丝 N2（匝数少（匝数少）u （被测电压）（被测电压）电流表电流表被测电流被测电流=电流表读数电流表读数 N2/N1（被测电流）（被测电流）ARi1i2 一变压器容量为一变压器容量为 10 kVA，铁耗为，铁耗为 300 W，满载时的铜耗为满载时的铜耗为 400 W。求该变压器在满载时向功。求该变压器在满载时向功率因数为

18、率因数为 0.8 的负载供电时输入和输出的有功功率的负载供电时输入和输出的有功功率及效率。及效率。 解解例例忽略电压变化率，则忽略电压变化率，则P2 = SN cos 2= 101030.8 W = 8 kWP = PCu + PFe= (300 + 400) W = 0.7 kWP1 = P2 + P = (8 + 0.7) kW = 8.7 kWP1P2=100%88.7=100% = 92 % 某单相变压器的额定电压为某单相变压器的额定电压为10 000/230 V，接在，接在 10 000 V 的交流电源上向一电感性负载供电，电压调整率为的交流电源上向一电感性负载供电，电压调整率为 0

19、.03。求。求变压器的电压比及空载和满载时的二次电压。变压器的电压比及空载和满载时的二次电压。解解例例电压比：电压比：U1NU2Nk = 10 000230= 43.5空载电压：空载电压：= 230 V满载电压满载电压:= 223 VU20 = U2N U2 = U2N (1U ) PCu = 230(10.03) V 例例4.2.2 电路如图所示，已知某信号源的电压电路如图所示，已知某信号源的电压Us = 40V，内阻为内阻为R0 = 400，负载电阻，负载电阻RL = 4。试求。试求：(1) 需用多大电压需用多大电压比的变压器才能实现阻抗匹配？比的变压器才能实现阻抗匹配？(2) 不计变压器

20、的损耗，当实不计变压器的损耗，当实现阻抗匹配时，负载获得多大的功率？现阻抗匹配时，负载获得多大的功率？(3) 将负载直接和信号将负载直接和信号源相接时，负载获得多大的功率？源相接时，负载获得多大的功率？ 解解：(1) 当负载电阻等于电源的内电阻时，电源的输出功率当负载电阻等于电源的内电阻时，电源的输出功率电源最大，称为阻抗匹配。这时电源最大，称为阻抗匹配。这时0LRR 104400L0LLuRRRRkZkZu2 例例4.2.2 电路如图所示，已知某信号源的电压电路如图所示，已知某信号源的电压Us = 40V，内阻为内阻为R0 = 400，负载电阻，负载电阻RL = 4。试求。试求：(1) 需用多大电压需用多大电压比的变压器才能实现阻抗匹配？比的变压器才能实现阻抗匹配？(2) 不计变压器的损耗，当实不计变压器的损耗，当实现阻抗匹配时，负载获得多大的功率？现阻抗匹配时，负载获得多大的功率？(3) 将负载直接和信号将负载直接和信号源相接时，负载获得多大的功率？源相接时，负载获得多大的功率？ 解解：