电工学B3.

第3章磁路和变压器本章结合磁路和铁心线圈电路的分析，讨论变压器及电磁铁的工作原理及特性。2.了解变压器的基本结构、工作原理、运行特性和绕组的同极性端，理解变压器额定值的意义；3.掌握变压器电压、电流和阻抗变换作用；本章要求：4.了解电磁铁的基本工作原理及其应用知识。1.理解磁场的基本物理量的意义，了解磁性材料的基本知识及磁路的基本定律，会分析计算交流铁心线圈电路；第3章磁路和变压器3.1磁路及其分析方法3.2交流铁心线圈电路3.3变压器3.4电磁铁电工学第三章5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。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。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系。第3章磁路和变压器电工学第三章63.1磁路及其分析方法3.1.1磁场的基本物理量1.磁感应强度B—矢量•均匀磁场—磁场内各点的B大小相等，方向相同。单位：T，Gs，1T=104Gs•磁感应强度B的方向:表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。与电流的方向之间符合右手螺旋定则。2.磁通F—矢量说明:如果不是均匀磁场，则取B的平均值。在均匀磁场中F=BS或B=F/S磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通,故又称磁通密度。磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积。单位：Wb电工学第三章73.磁场强度H—矢量4.磁导率相对磁导率:任一种物质的磁导率和真空的磁导率0的比值。r=/0对于铁磁材料r=102105单位：A/m(安培/米)介质中某点的磁感应强度B与介质磁导率之比。H=B/表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质的导磁能力。单位：H/m（亨/米）真空磁导率0=410–7H/m(亨/米)是计算磁场时所引用的一个物理量，通过它来确定磁场与电流之间的关系。B=H它与磁场强度的乘积就等于磁感应强度，即：磁场的基本物理量电工学第三章81.高导磁性磁性材料的磁导率通常都很高，即r1(如坡莫磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度。3.1.2磁性物质的基本性能合金，其r可达2105)。磁性材料能被强烈的磁化，具有很高的导磁性能。电工学第三章9磁性物质会受到外磁场的强烈磁化。B磁场内磁性物质的磁化磁场的磁感应强度曲线；OHB,B磁化曲线2.磁饱和性H外磁场的磁场强度；由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强，当外磁场增大到一定程度时，磁性物质的磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值（饱和值）。如图。•磁性物质=B/H，由于B与H不成正比，故其磁导率不是常数，随H而变。•有磁性物质存在时，F与I不成正比。磁性物质的基本性能电工学第三章10磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B-H关系曲线是一条回形闭合曲线，称为磁滞回线。磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于外磁场变化的性质。磁滞回线OHB••••BrHc•剩磁感应强度Br(剩磁)：•矫顽磁力Hc：使B=0所需的值。磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。3.磁滞性当线圈中电流减小到零(H=0)时，铁心中的磁感应强度。磁性物质的基本性能电工学第三章11磁路是研究局限于一定范围内的磁场问题。磁路与电路一样，也是电工学课程所研究的基本对象。3.1.3磁路的分析方法IΦΦI线圈铁心在图a中，一个没有铁心的载流线圈所产生的磁通量是弥散在整个空间的；图a图b而在图b中，同样的线圈绕在闭合的由铁磁材料制成的铁心上时，由于铁心的磁导率远远高于周围空气的磁导率，这就使绝大多数的磁通量集中到铁心内部，并形成一个闭合通路。电工学第三章12IF主磁通F漏磁通铁心线圈•磁路：在电机、变压器及各种铁磁元件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的多，磁通的绝大部分经过铁心形成闭合通路，磁通的闭合路径称为磁路。磁路的分析方法电工学第三章131.磁通连续性原理通过任意闭合面的磁通量总为0。即穿入闭合面的磁感线，必同时穿出该闭合面。2.安培环路定律磁场强度沿任意闭合路径的线积分，等于穿过该闭合路径所包围的电流的代数和。I3I1I2lIlHdA0ABd321IIIllHd磁路的分析方法电工学第三章14得Hl=NI•磁压降：HllNui3.磁路的欧姆定律根据lIlHd•磁通势：F=NI(单位：安)F=BS=HSmSNIFHlllRS磁路磁阻：RmSlRm磁路欧姆定律：mRFF–+磁路的分析方法电工学第三章15•磁路与电路的比较磁路的分析方法磁路磁通势F磁通F磁阻电路电动势E电流密度J电阻磁感应强度B电流ImlR=SmFNI==lRSFSlRSlEREIFNI+_EIR电工学第三章16说明(1)磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似。由于不是常数，其随励磁电流而变，磁路欧姆定律不能直接用来计算，只能用于定性分析；(2)在电路中，当E=0时，I=0；但在磁路中，由于有剩磁，当F=0时，F不为零；nn2211lHlHlHNI(3)设磁路由不同材料或不同长度和截面积的n段组成，则基本公式为：niiilHNI1即磁路的分析方法电工学第三章173.2交流铁心线圈电路e–+e–+Nui–+铁心线圈分为直流铁心线圈与交流铁心线圈。直流铁心线圈所产生的磁通是恒定的，在铁心线圈中不会感应出电动势。下面分析交流铁心线圈。主磁通F漏磁通F主磁通F：通过铁心闭合的磁通。漏磁通F：经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通。uddtΦNetΦNeσσdd（磁通势）tiLσddFFFi—铁心线圈的漏磁电感常数iNΦLσσF与i不是线性关系。i(Ni)1.感应电动势与磁通的关系电工学第三章18设：F=FmsinttNeddFtNeddσσFe=NFmcost=Emsin(t90)mmm2FFfNNEmmm44.42π22FFfNfNEE感应电动势的有效值：e–+e–+Nui–+主磁通F漏磁通F交流铁心线圈电路1.感应电动势与磁通的关系电工学第三章192.外加电压与磁通的关系u→Fm=iN→uR=iRF(主磁通)→F(漏磁通)→由KVL：u=iR–e–e所以u–e因为R和e很小，U的有效值：UE=4.44fNFmU=4.44fNBmStNeddFtNeddσσFFFNuiee––+–++交流铁心线圈电路电工学第三章20FFNi(1)铁心损耗△PFe3.功率损耗e–+u–+e–+△P=△PFe+△PCu•磁滞损耗△Ph(铁心反复磁化时)由磁滞所产生的功率损耗。为减小磁滞损耗，应选用磁滞回线狭小的磁性材料制造铁心，如硅钢。交流铁心线圈电路单位体积内的磁滞损耗正比与磁滞回线的面积和磁场交变的频率f。磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。OHB电工学第三章21FNi(1)铁心损耗△PFe•涡流损耗△PeF在铁心中产生的涡流（感应电流）所引起的功率损耗。e–+u–+e–+△P=△PFe+△PCu为减小涡流损耗，在顺磁场方向铁心可由彼此绝缘的硅钢片叠成。交流铁心线圈电路交变磁通在铁心内产生的感应电动势和电流，称为涡流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。涡流损耗转化为热能，引起铁心发热。F3.功率损耗F电工学第三章22FNi(2)铜损△PCu线圈电阻产生的功率损耗。(1)铁心损耗△PFe•铁心损耗=磁滞损耗+涡流损耗PCu=I2Re–+u–+e–+△P=△PFe+△PCu交流铁心线圈电路F总之，铁心线圈交流电路的有功功率为：Fe2cosΔPRIUIP3.功率损耗电工学第三章23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。变电压：电力系统变阻抗：电子线路中的阻抗匹配变电流：电流互感器变压器的主要功能：在能量传输过程中，当输送功率P=UIcos及负载功率因数cos一定时：电能损耗小节省金属材料（经济）概述UIP=I2RlIS3.3变压器电力工业中常采用高压输电低压配电，实现节能并保证用电安全。电工学第三章243.3.1变压器的工作原理1.变压器的分类电压互感器电流互感器按用途分电力变压器(输配电用)仪用变压器整流变压器按相数分三相变压器单相变压器按制造方式壳式心式电工学第三章25变压器铁心:硅钢片叠压而成。变压器绕组:高强度漆包线绕制而成。其他部件:油箱、冷却装置、保护装置等。铁心线圈壳式变压器心式变压器铁心线圈2.变压器的结构变压器的工作原理电工学第三章262.变压器的结构变压器的磁路绕组：一次绕组二次绕组1u2uLZ1i2iΦ单相变压器+–+–变压器的电路一次绕组N1二次绕组N2铁心由高导磁硅钢片叠成厚0.35mm或0.5mm铁心:变压器的工作原理电工学第三章27FF1N1i1一次绕组二次绕组3.变压器的工作原理tNedd11FtNedd111FtNedd22FAXax变压器符号Axu1–+e1–+e1–+N2e2u20axSZLi2–++–变压器的工作原理电工学第三章28S|ZL|F1N1N2Fi1e2u2e1u1e1F2i2u1→i1(i1N1)F1→e1F→e1i2(i2N2)→F2→e23.变压器的工作原理e2–++––++–+–e2+–有载时，铁心中主磁通F是由一次、二次绕组磁通势共同产生的合成磁通。变压器的工作原理电工学第三章29F1N1N2AXaxFU1–E1••E2•–E1•U1••U20—–=—–U1U20—–=–—=KN1N2U20=E2••I0•U1U20E1E24.44fN1Fm4.44fN2FmN1N2—–=–—=–—–—–—–=–—E2•U20•E1•U1•E1•结论—变比U1=–E1–E1+R1I0••••E2=4.44fN2Fm(1)电压变换变压器空载：E1=4.44fN1Fm–+––+++–3.变压器的工作原理••变压器的工作原理电工学第三章30三相电压的变换(1)三相变压器的结构高压绕组：U2、V2、W2:尾端U1、V1、W1:首端低压绕组：u1、v1、w1:首端u2、v2、w2:尾端(2)三相变压器的联结方式Δ/////000YΔYYYYYYY、、、、联结方式：高压绕组接法低压绕组接法:YY0/三相配电变压器:ΔY/动力供电系统（井下照明）:ΔY0/高压、超高压供电系统常用接法:U1U2u1u2V1V2v1v2W1W2w1w2电工学第三章31a.三相变压器Y/Y0联结线电压之比：KUUUUUU2P1P2P1P2133U131U1U+–+–V1W1K31UKUU12w1+–+–v1u1三相电压的变换电工学第三章32b.三相变压器Y0/联结线电压之比：KUUUUUU3332P1P2P1P21U1P113UU1UKUUU312P2+–+–+–V1W1u1v1w1三相电压的变换电工学第三章331m11444Nf.EUF可见，铁心中主磁通的最大值Fm在变压器空载和有载时近似保持不变。即有由上式，若U1、f不变，则Fm基本不变，近于常数。空载：m10FNi有载：m2211FNiNi3.变压器的工作原理(2)电流变换aSZLN1N2AXxF••I1E2•U2•E1•U1•E1••I2+–+–E2•+–+–+–+–+变压器的工作原理电工学第三章34N1I1=N2I2结论产生主磁通F的磁动势有效值I0=I1N(2.5)(2)电流变换变压器接负载：KNNII112213.变压器的工作原理变压器的工作原理)(0小I•012211INININ•••02211ININ••2211ININ