非电气专业人员光伏、风电培训课件二(电路基础2)-最终版

2014.10.25金勋非电气专业人员光伏、风电发电培训课件（二）电路基础2

声明：本课件数据内容95%来自互联网信息，不能做为科研、论文、工作的依据。仅供参考。九江分布式能源站/531总目录第一章电工基础

第一节电的基本概念第二节电路第三节直流电路第四节电与磁第五节单相交流电路第六节三相交流电路第七节正弦交流电路中的谐振第二章电子电路第三章光伏发电第四章风力发电第五章配电装置（巡视、异常、事故、维护）第六章厂用电系统（低压五线制系统）/532第七章

电气主接线的形式和电力系统简介第八章

直流系统及交流不间断电源UPS电气运行行的特点和任务要求电气主设备结构及运行维护第一电动机第一节变压器第二篇电气设备倒闸操作第三篇电气工作票第五章发电机同期并列装置第六章其他设备

化学变频器/533第五篇继电保护及自动装置第一章电动机保护第二章厂用变压器保护第三章

发变组保护第四章110kV母线保护第五章110kV线路微机保护第六章自动装置第七章ECS和NCS系统第七篇电气运行、检修规程解析/534第四节电与磁电和磁是相互联系不可分割的两个基本现象，几乎所有电气设备的工作原理都与电和磁有密切的关系。

根据相对磁导率μr值的不同，自然界的物质大致可分为两大类：

1、非磁性物质

如空气、塑料、铜、铝、橡胶等。这些物质的导磁能力很差，磁导率均与真空的磁导率非常接近。非磁性物质的磁导率可认为是常量。

如铁、镍、钴、钢及其合金等。这些物质的导磁能力非常强，其磁导率一般为真空的几百、几千乃至几万、几十万倍。

如铸铁，其相对磁导率μr≈200～400；铸钢的相对磁导率μr≈500～2200；硅钢的μr≈7000~10000。显然，铁磁物质的磁导率不是常量，而是一个范围，即随外部条件变化。2、铁磁性物质一、导磁材料及特性/535铁磁材料内部往往有相邻的几百个分子电流圈流向一致，这些分子电流产生的磁场叠加起来，就形成了一个个天然的小磁性区域—磁畴。

不同铁磁物质内部磁畴的数量不同。通常情况下，铁磁材料内部的磁畴排列杂乱无章，其磁性相互抵消，因此对外不显示磁性。

铁磁材料之所以具有高导磁性。是因为在其内部具有一种特殊的物质结构—磁畴。这些磁畴相当于一个个小磁铁。显然，磁畴是由分子电流产生的。

有外磁场作用时磁畴在外界磁场的作用下，均发生归顺性转向，使得铁磁材料内部形成一个很强的附加磁场。

3、

铁磁物质的磁性能/536磁路的主要部分是由高导磁材料构成，使得磁通被限制在磁路内部，这就像电流被限制在电路中一样，可以用类似于电路分析方法来建立磁路分析方法。

由于变压器和电机的铁心多是由高导磁材料构成的，因此磁路方法可用作分析变压器和电机的重要工具。简单磁路4、磁路名词：磁场强度-H=NI/LL有效磁路长度。

磁感应强度-B＝μHμ-导磁率：导磁材料的相对磁导率。/537磁滞回线中H为零时B并不为零的现象说明铁磁材料具有剩磁性。BH0cba起始磁化曲线oa段是线性段ab段是上升段bc段是磁化曲线的膝部C点以后是饱和段

起始磁化曲线的ab段反映了铁磁材料的高导磁性；c点以后说明铁磁材料具有磁饱和性，i大---。磁滞回线中B的变化总是落后于H的变化说明铁磁材料具有磁滞性。铁磁材料反复磁化一周所构成的曲线称为磁滞回线。5、铁磁材料的磁饱和性、磁滞性和剩磁性Iuφ电路部分磁路部分B＝μH/538对于同一种铁磁材料，选择不同的磁场Hm进行反复磁化，可测出一系列大小不同的磁滞回线。

如图所示。再将所有磁滞回线在第一象限的顶点连接起来，所形成的曲线称为基本磁化曲线或平均磁化曲线。铁磁材料在交变磁场作用下反复磁化的过程中要消耗一定的能量，这种功率损耗称为磁滞损耗。

6、磁滞特性及其损耗对于同一种铁磁材料，选择不同的磁场Hm进行反复磁化，可测出一系列大小不同的磁滞回线。

铁磁材料的磁滞损耗与磁滞回线的面积、电源频率f，以及铁心体积V成正比。

由此，为了降低磁滞损耗应选用磁滞回线面积小的铁磁材料，并尽量减少铁心的体积。比如：硅钢片的磁滞回线面积小，且因磁导率高可减小铁心体积，常被选用作为电机和变压器的铁心材料。/539对于硅钢片一类具有导电性的铁磁材料还有一个重要特性，即在交变磁场的作用下，铁心中会出现涡流，并由此产生涡流损耗。

7、涡流特性及其损耗如图所示，由于铁心是导电的，在交变磁通的作用下，根据电磁感应定律，铁心中将产生感应电动势，这个电动势作用在导体上，就引起电流。这些电流在铁心内部围绕磁通形成旋涡状流动，故称为涡流。涡流在铁心中要产生一定的能量损耗，称为涡流损耗。

涡流损耗与磁场频率f、磁通密度Bm和硅钢片的厚度成正比；与铁心的电阻率成反比。

因此，为了降低涡流损耗，电机和变压器的铁心通常采用含硅量较高的薄硅钢片（厚度为0.35~0.5mm）叠成。Φ1Φ2δ/5310硅钢片涡流平面动画演示δδ/5311软磁材料具有磁导率很高、易磁化、易去磁的显著特点，适用于制作各种电机、电器的铁心。软磁材料：8、铁磁材料的分类和用途

铁磁材料根据工程上用途的不同可以分为三大类：硬磁材料的磁导率不太高、但一经磁化能保留很大剩磁且不易去磁，适用于制作各种永久磁体。硬磁材料：矩磁材料磁导率极高、磁化过程中只有正、负两个饱和点，适用于制作各类存储器中记忆元件的磁芯。矩磁材料：BH0软磁性材料磁滞回线包围的面积很小。BH0硬磁性材料磁滞回线包围的面积很宽大。BH0/5312二、磁体和磁极人们把具有吸引铁、镍、钴等物质的性质称为磁性。

具有磁性的物体叫磁体。使原来不带有磁性的物体具有磁性的过程，叫磁化

。天然存在的磁铁（磁铁矿）叫天然磁铁。

经过一定工艺磁化过的磁铁，叫人造磁铁。

在电气设备上使用的绝大部分为人造磁铁。NS/5313实例为什么指南针能指示南北呢？地球周围存在磁场，叫做地磁场。交流讨论地球是个巨大的磁体地球的地理两极与地磁场的两极并不重合，

磁针并非准确地指南或指北，有个夹角，叫地磁偏角，简称磁偏角。/5314生活中的磁铁冰箱门四周的密封条磁性文具盒指南针电磁起重机司南门吸/5315磁化与消磁电饭锅跳闸的原理电饭锅的中间有个磁钢，磁钢中的永磁铁有这个特新在高温的条件下会失去磁性。失去磁性的磁铁，在重力的作用下就会掉下来断开开关，也就是跳闸了，而这个高温也就饭熟了的温度。

磁不但能通过永久磁铁产生，而且还可以通过电流通过导体产生。

只要有电流存在就有磁的存在，

电的磁效应和热效应一样，是在产生电流的同时随之产生的。

磁铁两端磁性最强的区域我们称磁极。磁极分北极（N）和南极（S）。

磁极具有同性相拆，异性相吸的特性。

磁极间相互作用力我们称之为磁力。N极和S极总是相对存在的。/5317实验证明，如果把一条磁铁分成几段，折断处会出现两个相异的磁性。继续下去，会具有同样现象，我们永远找不到一个单独存在的磁极，也就是说N极和S极总是相对存在的。二、磁场与磁力线磁场

磁体周围存在磁力作用的空间称为磁场。

互相不接触的磁体之间具有的相互作用力，就是通过磁场这一特殊物质进行传递的。（磁场和电场一样，都是一种特殊物质，之所以被称为特殊物质，是因为他们不是由分子和原子所组成。）磁力线为了形象地描述磁场，人们抽象的引出磁力线这一概念。

规定，外磁场磁力线由N极指向S极，在磁场内部是由S极指向N极，我们通常以磁力线方向表示磁场方向。/53181.磁力线是空间分布的2.磁力线是假想的曲线，不真实存在3.任意两条磁力线不相交4.磁力线是闭合曲线，外部从N极指向S极内部从S指向N(与电场线不同）磁力线的特点我们用磁力线根数的多少和疏密度来描绘磁场的强弱。

图中a、b磁场面积相同，图b的磁力线根数多于图a，而且图b磁力线的密度也大于a，可以认为图b磁场强于a。三、磁通、磁感应强度前面讲到磁场强度可以用磁力线的多少和疏密程度来描述，但它只能定性分析、相对比较，具体数量无法确定。为此引入了磁通这一物理量来定量描述磁场在一定面积上的分布情况。

NS图aNS图b/53-3-220磁通通过与磁场方向垂直的某一面积上的磁力线的总数，叫做通过该面积的磁通量，简称磁通，用字母Φ表示。它的单位是韦伯（Wb），简称韦。工程上常用比韦小的单位是麦（麦克斯韦），用Mx表示。

1韦（Wb）=108麦（Mx）S

当面积一定时，通过该面积的磁通越多，磁场就越强。这一点在工程上有极其重要的意义。

如：变压器、电磁铁提高效率的重要因数之一就是减小漏磁通，也就是希望全部磁力线尽可能多的通过铁芯的截面积，以减少漏磁损耗，提高效率。所以变压器、电磁铁的铁芯都用高导磁材料制成，以降低磁阻，增加磁通量。

/5321磁感应强度磁感应强度又称磁通密度，是研究磁场中各点的强弱和方向的一物理量，用字母B表示。磁感应强度的具体内容：垂直通过单位面积的磁力线数目（磁通）叫做该点的磁感应强度，简称磁感应。在均匀磁场中，磁感应强度要表示为1m2式中：B：磁感应强度（韦/米2）

Φ：磁通（韦）

S：面积（米2）

上式表明，通过单位面积的磁通数越多，磁力线越密，磁场也越强。磁感应强度的单位常用的有：韦/米2（T）称做特斯拉，简称特。和麦/厘米2叫做高斯（Gs），简称高。它们间关系：

1特（T）=104高斯（Gs）

/5322磁感应强度不但表示了磁场中某点的强弱，而且还能表示出该点的磁场方向，可以说它是一个矢量。若磁场中各点的磁感应强度的大小、方向相同，我们称之为均匀磁场，在均匀磁场中，磁力线是等距离平行直线。

NS均匀磁场四、电流的磁场

磁场可通过两种方式获得：

一为永久磁铁（石）；

二是通电导体，即，电流流过导体能产生磁场。

这就是我们常说的电的磁效应。只要导体中有电流通过，导体周围就必然产生磁场。电流产生磁场的判定—安培定则（右手螺旋定则），这里我们分两种结构的通电导体来分析磁场方向。一个是直线导体，另一个是线圈。/53231、直线电流的磁场

可以根据电流方向判断磁场（磁力线）方向。用右手握住通电直导线，让母指指向电流方向，则弯曲的四指所指的就为磁场（磁力线）方向。

/5324电流产生磁场的现象被广泛应用在电工、电子设备中，如接触器、电动机、变压器等。2、环形电流产生的磁场同样也可以根据电流方向判断磁场（磁力线）方向。右手握住螺线管，弯曲四指指向线圈电流方向，则母指方向就是磁场（磁力线）方向。/5325五、磁场对载流导体的作用力我们知道把两块磁体放在一起会有作用力，即同性相拆、异性相吸，相拆、相吸都是作用力的结果。

前面讲到载流导体的周围存在磁场，若将载流导体置于磁场中，也会受到力的作用。１、磁场对载流直导体的作用将一根直导体悬挂在磁场中，并使导体垂直于磁力线，未通电导体不会运动，如接通电源，导体中有电流通过，导体就会运动。若改变电流方向导体便向反方向运动。我们把载流导体在磁场中所受的作用力，称作电磁作用力，或电磁力，用字母Ｆ表示。

电磁力的大小与导体中通过的电流成正比，与均匀磁场的磁感应强度成正比，与导体在磁场中的有效长度成正比，即：Ｆm＝ＢＩＬ

/5326/5327/5328Ｆm＝ＢＩＬ

式中：Ｆ：导体受到的电磁力（牛）Ｂ：均匀磁场的磁感应强度（特）Ｉ：导体中的电流强度（安）

Ｌ：导体在磁场中的有效长度（米）上面公式是当导体垂直于磁感应强度的方向时的电磁力情况，此时，导体受到的电磁力最大，

而平行于磁感应强度的方向，不受力的作用。当导体既不垂直，也不平行于磁感应强度的方向，若导体与磁感应强度方向成α角时，则可将导体分解成与磁感应方向垂直的分量Ｌ┻，作为α角是时导体有效长度。请看下面演示。平面动画演示BIlαF=BIlsinα单位：牛顿（N）α=90°，F最大α=0°，F为0电磁力的大小ＩαＬ┻ＬＢ：均匀磁场的磁感应强度（特）Ｉ：导体中的电流强度（安）Ｌ：导体在磁场中的有效长度（米）式中：/5329电磁力的方向—左手定则判断平展左手手掌，拇指与四指垂直并在一个平面上，让磁力线穿过手心（手心对Ｎ极），四指指向电流方向，则拇指所指的方向就是导体受力方向。举例：试标出导体受力方向或电流方向。NSINFINNSFNSFSNNSF×/53302、磁场对通电线圈的作用研究磁场对通电线圈的作用更有其实际意义，因为常用的磁电式仪表都是根据这一原理制成。ＮＳabcdF1F2１）通电线圈在磁场中受力转动在均匀磁场中放置一通电矩形线圈abcd，当线圈平面与磁力线平行时，ad和bc边与磁力线平行不受磁场的作用力。但ab和cd边因与磁力线垂直将受到磁力的作用，即F1和F2，而且F1=F2=BIL，受到作用力的两个边叫有效边。两有效边所受到的作用力不仅大小相等（两有效边电流相等，长度相同，同处一均匀磁场），而且根据左手定则可知，受力方向相反（电流方向相反），因而构成一对偶力，将线圈绕轴作顺时针转动。/53312）通电线圈在磁场中的转矩设ab=cd=L1，ad=bc=L2，ab边和cd边所受的作用力分别为F1和F2。

根据物理学中，力偶矩（转矩）M等于其中任一个力与力偶臂的乘积，

因而，此时的转矩为：M=F1L2

因为F1=BIL1，所以M=BIL1L2，又因为L1L2=S（线圈的面积），

所以，M=BIS式中：B：均匀磁场的磁感应强度（特）I：线圈中的电流（安）S：线圈的面积（米2）ＮＳabcdF1F2/5332线圈在转矩M的作用下旋转，有效边不可能始终与磁力线保持90º，当线圈平面的法线与磁力线的夹角为α时，则线圈的转矩为：

M=BISsinα

以上所述为单匝线圈的转矩表达式，实际磁电式仪表的动圈为多匝，对于有N匝的动圈，所受到的转矩为单匝的N倍，即：

M=NBISsinααF1F2SNＮＳＦ1Ｆ290ºＮＳＦ1Ｆ20º上述得知，当线圈与磁力线平行时，α=90º，sin90º=1，此时的转矩达到最大M=NBI，

当线圈垂直于磁力线时，α=0º，sin0º=0，这时的转矩M=0。/5333六、电磁感应英国科学家法拉第发现：当导体相对于磁场做切割磁力线运动，或线圈中的磁通发生变化时，都有感生电动势产生，

若导体或线圈是闭合回路的一部分，则导体或线圈将产生感生电流，这种现象叫做电磁感应，俗称动磁生电。

发电机和变压器等都是根据这一原理制成的。

1、右手定则（发电机定则）直导体切割磁力线所产生的感生电动势的方向可用右手定则来判断。根据磁力线方向及导体运动方向可确定感生电动势方向。具休做法：展开右手掌，四指与拇指成90º并平行，手心对磁力线方向（即N极），拇指指向导体运动方向，则四指所指的为感生电动势方向。电能生磁，磁也能生电，这是自然界的规律。/5334磁场对运动直线导体的电磁感应现象演示SABN直导体G导体切割磁力线，导体中有电动势E产生。EN/5335右手定则——判断感应电动势的方向NS运动方向磁力线方向感生电动势方向NS运动方向磁力线方向感应电势方向/5336实验：线圈中NSN极

向下插入拔出感应电流方向（俯视）逆时针顺时针穿过回路磁通量的变化增大减小原磁场

方向向下向下感应电流磁场方向向上向下NS_+_+2、楞次定律/53371、导体切割磁力线，产生感生电流-右手。2、感生电流产生磁场-右手。磁力线方向楞次定律NS线圈GE线圈中的磁通发生变化，线圈中有感应电动势产生。感应电流所产生的磁通和原磁通的方向相反。楞次定律/5338判断感生电动势或感生电流方向的方法。NSG1.确定原磁通的方向；3.根据楞次定律确定感生磁通的方向：原磁通增加，方向相反；原磁通减少，方向相同。4.根据安培定则判断线圈感应电动势或感应电流的方向。E－＋E－＋2.确定原磁通的变化趋势；/5339注意：观察电流方向。楞次定律（磁通变化）第一，导体中产生感生电动势和感生电流的条件是：导体切割磁力线运动，或线圈中的磁通发生变化时，导体或线圈就会产生感生电动势，若导体和线圈是闭合的，就会产生感生电流。第二、感生电流的磁场总是阻止原磁场的变化，也就是说，线圈中的磁通要增加时，感生电流就要产生一个磁场去阻止它增加；当线圈中的磁通要减少时，感生电流所产生的磁场将阻止它减少。楞次定律为我们提供了一个判断感生电动势或感生电流方向的法则。具体步骤：（1）首先判定原磁通方向及其变化趋势（是增加还是减少）。（2）根据感生电流的磁场方向永远和原磁通变化方向相反的原则确定感生电流磁场方向。（3）利用右手螺旋法则，判断感生电流方向。/53403、法拉第电磁感应定律

楞次定律说明感生电动势的方向，没有回答感生电动势的大小。法拉第电磁感应定律是对此的一个补充。不难发现，检流器指针偏转角度的大小与磁铁插入或拔出线圈的速度有关，当速度快时，指针偏转大，反之则小。磁铁插入、拔出的快与慢正是反映了线圈磁通变化的快慢。即：线圈中感应电动势的大小与穿过同一回路的磁通变化率（即变化快慢）成正比。

/5341

右手定则只能判断感生电动势的方向，不能确定感生电动势的大小。e＝Blvsinα4、直导线切割磁力线产生的感应电动势磁感应强度，特斯拉（T）导体有效长度，米（m）导体在磁场中的运动速度，米/秒（m/s）导体运动方向与磁力线的夹角。SNBαυυ/5342例：导体长0.5m，按图示方向运动，速度为100cm/s，磁感应强度0.6T，确定感生电动势的大小。NS运动方向解：感生电动势：e=Blv=0.6×1×0.5=0.3V由于导体垂直于磁力线运动，其夹角为90º，sin90º=1，此时导体产生的感生电动势最大，即em=Bvl。/53435、自感：

试验-电流变化I增大感应电流E感应电动势/5344楞次定律说，此时产生一个阻碍原磁通反方向磁通，如下图灰线。

变化的灰线磁通产生感应电流，方向用右手定则，如下图。

线圈本身电流发生变化引起磁场强度变化，可利用楞次定律分析。通过线圈本身电流发生变化而引起的电磁感应，称自感。

由自感产生的感生电动势，叫自感电动势，用eL表示。线圈中每通过单位电流所产生的自感磁通数，叫自感系数，也称为电感，用L表示，即式中：

Φ：通过线圈的电流i所产生的自感磁通（韦）

i：通过线圈的电流（A）

L：电感（亨）电感是衡量线圈产生自感磁通本领大小的物理量（电感只存在于线圈）。

电感线圈的电气符号：空心：有铁芯：/5345如果一个线圈中通过1A电流，能产生1韦伯的自感磁通，那么该线圈的电感就为1亨利，简称亨（H）。电感的单位：

1亨（H）=103毫亨（mH）

1毫亨（mH）=103微亨（μH）

电感L的大小不但与线圈匝数、几何形状有关，而且与线圈中媒介质的导磁率有密切关系（铁芯）。

对有铁芯的线圈而言，电感L不是一个常数，对空心线圈，当其结构一定时，电感L为常数，我们把电感L为常数的线圈称为线性电感。线性电感自感电动势为：式中：

为电流变化率，负号表示自感电动势的方向和外电流变化方向相反。/5346以上讨论得出结论：

（1）自感电动势eL是由通过线圈本身电流的变化而产生的。

（2）对于线性电感，自感电动势的大小（绝对值）等于电感和电流变化率的乘积，电流变化幅值越大，自感电动势就越大。

（3）自感电动势的方向，线圈中外电流增大时，感生电流的方向与外电流方向相反；当外电流减少时，自感电动势感生电流的方向与外电流方向一致。

自感电动势始终在阻止外电流的变化。自感电动势对我们实际工作有利有弊：如，工矿企业用的直流电动机，其定子绕组接电源时必须串联一个电感线圈（即扼流圈），用它来保证直流电流的连续和平滑。但在含有较大电感量元件的线路上断电，会产生很高的自感电动势，产生大电弧，给操作人员带来不安全因数，具体防范我们在后几章讨论。/5347又如，我们日常工作生活中使用的荧（日）光灯，镇流器就是一个带铁芯的电感线圈，它在荧光灯的启辉阶段，靠电流的突变产生的自感电动势来击穿灯管。工作阶段它又起限流作用。6、互感：两个线圈之间的电磁感应，叫做互感，由互感产生的电动势叫做互感电动势。/5348平面动画演示I

增大IE磁耦合线圈互感/5349在实际工作中广泛使用的各种变压器就是根据互感的原理制成，它不但能传递电能，还具有良好的隔离作用，因为它两线圈间无直接电联系，只有电磁感应—互感。互感电动势的大小正比于穿过本线圈磁通的变化率，俗称“动磁生电