电工学第6章磁路和铁芯线圈电路课件

第6章磁路和与铁心线圈电路

在很多电工设备中，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论，才能对各种电工设备作出作全面的分析。

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,作为应用实例。6·1磁路及其分析方法

电工设备中，常用磁性材料做成一定形状的铁心。铁心的磁导率比周围空气或其它物质的磁导率高得多，因此铁心线圈中电流产生的磁通，绝大部分经过铁心而闭合。这种人为造成的磁通的闭合路径，称为磁路。

磁路问题是局限于一定路径内的磁场问题，磁场的各个基本物理量也适用于磁路。6·1磁路及其分析方法6·1·1磁场的基本物理量

1.磁感应强度

磁感应强度

B是表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量。它是一个矢量，它与电流(电流产生磁场)之间的方向关系可用右手螺旋定则来确定。

磁感应强度的单位：特[斯拉](T)或韦[伯]每平方米(Wb/m2)。

2.磁通

磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，称为通过该面积的磁通

，即

=BS或B=

/S。

磁感应强度在数值上可以看作与磁场方向相垂直的单位面积所通过的磁通，故又称为磁通密度。磁通的单位：韦[伯](Wb)或伏秒(Vs)。6·1磁路及其分析方法6·1·2磁性材料的磁性能

磁性材料主要是指铁、镍、钴及其合金。

1.高导磁性

磁性材料的磁导率很高，r>>1，具有被强烈磁化的特性。

由于高导磁性，在具有铁心的线圈中通入不大的励磁电流，便可产生足够大的磁通和磁感应强度。

2.磁饱和性

将磁性材料放入磁场强度为

H

的磁场内，会受到强烈的磁化。开始时B与H近于成正比地增加，而后随着H的增加，B的增加缓慢下来，最后趋于磁饱和。

由于磁通与B成正比，产生磁通的励磁电流I与H成正比，因此在存在磁性物质的情况下，与I也不再成正比。磁饱和BHOBJ6·1磁路及其分析方法矫顽磁力剩磁6·1·2磁性材料的磁性能

3.磁滞性

当铁心线圈中通有交流电时，铁心就受到交变磁化。在电流变化一次时，磁感应强度B的变化将滞后于磁场强度H的变化，这种性质称为磁滞性。反映B随H而变化的关系曲线称为磁滞回线。

按磁性物质的磁性能，磁性材料可以分成三种类型：

(1)软磁材料：矫顽磁力小，剩磁小，用于制造电机电器及变压器的铁心；

(2)永磁材料：矫顽磁力大，剩磁大，用于制造永久性磁铁；

(3)矩磁材料：矫顽磁力小，剩磁大，用于制造计算机和控制系统中的记忆元件、开关元件和逻辑元件。

6·1磁路及其分析方法6·1·3磁路的分析方法根据安培环路定律，可得出Hl=NI。式中N是线圈的匝数；l是磁路的平均长度；H是磁路铁心的磁场强度。

线圈匝数与电流的乘积NI称为磁通势，即F=NI，磁通就是由它产生的，单位：安[培](A)。

将H=B/和B=/S代入上式，得，式中R称为磁路的磁阻，S为磁路的截面积。

上式与电路的欧姆定律在形式上相似，所以称为磁路的欧姆定律。

6·2交流铁心线圈电路

铁心线圈分为两种：直流铁心线圈和交流铁心线圈。

直流铁心线圈通直流电来励磁，产生的磁通是恒定的，线圈和铁心中不会感应出电动势来；在一定电压

U

下，线圈中的电流

I只和线圈本身的电阻R有关；功率损耗也只有RI2；所以分析起来比较简单。

交流铁心线圈通交流电来励磁，线圈中的电磁关系、电压电流关系及功率损耗等几个方面都比较复杂，与直流心线圈有所不同。6·2交流铁心线圈电路

6·2·1电磁关系

图所示交流线圈是具有铁心的，磁通势Ni产生的磁通绝大部分通过铁心而闭合，这部分磁通称为主磁通或工作磁通。此外还有很少的一部分漏磁通。这两个磁通在线圈中产生两个感应电动势：主磁电动势e和漏磁电动势e。

eui(Ni)

e

漏磁通主要不经过铁必，所以铁心线圈的漏磁电感L是常数。

主磁通主要通过铁心，所以铁心线圈的主磁电感L不是常数。

铁心线圈是一个非线性电感元件。6·2交流铁心线圈电路6·2·2电压电流关系

根据基尔霍夫定律

当u是正弦电压时，式中各量可视为正弦量，于是

式中X=L，称为漏磁感抗，它是由漏磁通引起的。

由于主磁电感不是常数，所以设主磁通=msint，则主磁电动势6·2交流铁心线圈电路6·2·3功率损耗

在交流铁心线圈中，除线圈电阻R

上有功率损耗RI(所谓铜损耗

PCu)外，处于交变磁化下的铁心中也有功率损耗(所谓铁损耗

PFe)。

铁损耗是由磁滞和涡流产生的。

由磁滞所产生的铁损耗称为磁滞损耗

Ph，磁滞损耗要引起铁心发热。为了减小磁滞损耗，应选用磁滞回线狭小的磁性材料制造铁心。

由涡流所产生的铁损耗称为涡流损耗Pe，涡流损耗也会引起铁心发热。为了减小涡流损耗，在顺磁场方向的铁心可由彼此绝缘的钢片叠成，这样就可以限制涡流只能在较小的截面内流通。

铁心线圈交流电路的有功功率为

6·3变压器

变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛。

在输电方面，当输送功率P=UIcos及功率因数cos为一定时，电压U愈高，则线路电流I愈小。这不仅可以减小输电线路的截面积，节省材料，同时还可以减小线路的功率损耗。因此在输电时必须利用变压器将电压升高。在用电方面，为了保证用电的安全和合乎用电设备的电压要求，还要利用变压器将电压降低。

在电子线路中，除电源变压器外，变压器还用来耦合电路，传递信号，并实现阻抗匹配。此外，尚有自耦变压器、互感器及各种专用变压器。

变压器的种类很多，但是它们的基本构造和工作原理是相同的。

6·3变压器6·3·1变压器的工作原理变压器一般由闭合铁心、高压绕组、低压绕组等几个主要部分构成。

与电源相连的绕组称为一次绕组(或初级绕组、原绕组)，与负载相连的绕组称为二次绕组(或次级绕组、副绕组)。当一次绕组接上交流电压u1时，一次绕组中便有电流i1通过。一次绕组的磁通势N1i1产生的磁通绝大部分通过铁心而闭合，从而在二次绕组中感应出电动势。6·3变压器6·3·1变压器的工作原理

e1

u1

i1

(N1i1)

e2

i2(N2i2)1

e1

2

e2

电磁关系6·3变压器6·3·1变压器的工作原理1.电压变换当u1

是正弦电压时一次绕组电路二次绕组电路当u1

是正弦电压时6·3变压器6·3·1变压器的工作原理1.电压变换当变压器空载时一次绕组电路二次绕组电路一次、二次绕组的电压之比称为变压器的变比

在电源一定时，只要改变匝数比就可以得出不同的输出电压。

变比在变压器在铬牌上注明，它表示一次、二次绕组的额定压之比。6·3变压器6·3·1变压器的工作原理2.电流变换

变压器一次、二次绕组的电流之比近似等于它们的匝数比的倒数。变压器中的电流虽然由负载的大小确定，但是一次、二次绕组中电流的比值是差不多不变的。当负载增加时，I2和N2I2随着增大，而I1和N1I1也必须相应增大，以抵偿二次绕组的电流和磁通势对主磁通的影响，从而维持主磁通的最大值近于不变。变压器的空载电流i0很小，N1i00，所以6·3变压器6·3·1变压器的工作原理2.电流变换二次绕组的额定电压与额定电流的乘积称为变压器的额定容量,即

SN=U2NI2NU1NI1N(单相)这是视在功率(单位是VA)，与输出功率(单位是W)不同。6·3变压器6·3·1变压器的工作原理3.阻抗变换

变压器还具有阻抗变换的作用，以实现“匹配”。

在图中负载阻抗模|Z|接在变压器二次侧，而图中点画线部分可以用一个阻抗模|Z|来等效替代，两者的关系

采用不同的匝数比，把负载阻抗变换为所需要的、比较合适的数值，这种做法通常称为阻抗匹配。

N1N2|Z|i1i2u1+-u2+-|Z|i1u1+-6·3变压器6·3·2变压器的外特性由式和可以看出，当电源电压U1

不变时，随着二次绕组电流I2的增加(负载增加),一次、二次绕组阻抗上的电压降便增加，这将使二次绕组的端电压U2发生变动。

当电源电压U1和负载功率因数cos2为常数时，U2和I2的变化关系可用外特性曲线

U2=f(I2)来表示。

通常希望电压U2的变动愈小愈好。从空载到额定负载，二次绕组电压的变化程度用电压变化率U表示在一般变压器中，由于其电阻和漏磁感抗均甚小，电压变化率为5%左右。U2

OI2

U20

I2N

cos2=1cos2=0.8(滞后)6·3变压器6·3·3变压器的损耗与效率变压器的功率损耗包括铁心中的铁损耗PFe和绕组上的铜损耗PCu两部分。铁损耗的大小与铁心内磁感应强度的最大值有关，而铜损耗则与负载大小有关。

变压器的效率

式中，P2为变压器的输出功率，P1为输入功率。

变压器的功率损耗很小，所以效率很高，通常在90%以上。在一般电力变压器中，当负载为额定值的50%~70%

时，效率达到最大值。6·3变压器[例题]有一带电阻负载的三相变压器,其额定数据如下:SN=100kVA,U1N=6000V,U2N=U20=400V,f=50Hz。绕组为Y/Y0联结。由试验测得:PFe=600W,额定负载时的PCu=2400W。试求:(1)变压器的额定电流;(2)满载和半载时的效率。[解](1)

(2)电阻性负载cos=1P2=100kW

6·3变压器6·3·4特殊变压器

2.电流互感器

一次绕组的匝数很少，它串联在被测电路中。二次绕组的匝数较多，它与电流表或其他仪表及继电器的电流线圈连接。根据变压器原理，电流互感器是根据变压器的原理制成的。它主要用来扩大测量交流电流的量程。还可以使测量仪表与高压电路隔开，以保证人身与设备的安全。式中，Ki是电流互感器的变换系数。

6·3变压器6·3·4特殊变压器

2.电流互感器

电流互感器可以将大电流变换为小电流，电流表的读数乘上变换系统Ki即为被测的大电流I1。测流钳是电流互感器的一种变形。它的铁心如同一钳，用弹簧压紧。测量时可以随时随地测量线路中的电流。

在使用电流互感器时，二次绕组电路是不允许断开的。6