电工电子技术-6

第一节磁路一磁路的基本概念二磁性材料的磁性能三磁路的基本定律返回返回一磁路的基本概念1.磁路磁感应强度（B）：磁感应强度表示磁场中某点磁场强弱方向的物理量。如果磁场内各点的磁感应强度大小相等，方向相同，这样的磁场称为均匀磁场。2.磁路的基本物理量磁路就是磁力线或磁通集中通过的路径。磁路是个闭合路径。2磁通（Φ）：磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，成为通过该面积的磁通。磁通的单位是韦伯（wb）.Φ=BS返回磁场强度（H）：表示磁场中与磁铁材料无关的磁场大小和方向的物理量。磁场强度的单位是安/米（A/m）H=B/µ磁感应强度的单位是特斯拉（T）磁导率µ：是用来衡量物质导磁能力的物理量。单位是亨/米(H/m)真空磁导率µ0=4π×10－7(H/m)相对导磁系数µr=µ/µ0若µr=1说明是非磁性材料。若µr1说明是磁铁材料返回二磁性材料的磁性能1高导磁性磁性材料之所以具有高导磁性是因为内部具有磁畴结构。磁畴：由于磁性材料的分子之间有一种特殊的作用而使每一区域内的分子磁铁都排列整齐，显示磁性，这些区域称为磁畴。返回磁畴：返回在无外磁场时磁畴任意排列，处于无序状态，对外不显磁性。返回在有外磁场作用时，磁场就顺外磁场方向转向，形成一个很强的与外磁场方向一致的磁化磁场，磁铁材料被磁化。2磁饱和性磁化磁场不会随着外磁场的增加而无限地增加当外磁场增加到一定值时，全部磁畴的方向都已与外磁场的方向一致，这时磁化磁场不在增强，B达到最大值，这一特性称为磁饱和性。HBOabc返回当磁铁材料在交变磁场作用下，将受到交变磁化,曲线如图。HB磁滞曲线返回3磁滞性可见，当H为零时，滞后一些时间才能到零值，这段为磁铁材料的磁滞性。当H到零时，铁磁材料在磁化时所获得的磁性不能完全消失，还要保留一定的磁性，这种磁性称为剩磁Br。使B=0的H值，即HC称为矫顽磁力。BrHC软磁材料：具有较小的Br和HC磁滞回线较窄，它的导率很高，一般用来制作电极，变压器等的磁心。硬磁材料：具有较大的Br和HC磁滞回线较宽，它们被磁化后，剩磁不易消失，一般用来制造永久磁铁。返回磁铁材料按磁滞回线形状不同分为两类：在磁路中，磁场强度H沿任何一闭合路径的线积分，等于包围在闭合回路内各电流的代数和。返回IHLld其中，凡是电流的方向与总积分路程的方向符合右手定则的取正，反之取负。1.全电流定律三、磁路的基本定律•若材料单一，结构均匀ISΦHL=IN•若材料、结构分段均匀INILHnKKK1IHL1L2L3L4返回2.磁路欧姆定律IΦNEIR电动势E磁动势F=I·N电流I磁通Φ电压U=E磁压HL=F电阻R=l/Sr磁阻Rm=L/Sμ电路欧姆定律I=U/R磁路欧姆定律Φ=F/Rm返回Rm=L/µS称为磁阻单位：1/H磁通Φ与磁动势F成正比，与磁阻成反比，这就是磁路欧姆定律。注意：由于磁铁材料的磁导率µ不是常数，所以Rm不是常数。所以磁路欧姆定律一般用于定性分析磁路，而不是直接通用于计算磁路。磁路的定量计算要涌泉电流定律辅以物质的磁化曲线来进行。返回例：在铁心线圈中通直流电，N=1000匝，磁路平均长度L=30cm，截面积S=10cm2，工作点上相对磁导率μr=1137。与在铁心中建立磁通Φ=0.001WB，电流I=？IΦNSL解：T11010001.0SΦB4m/A70010411371BBH70r由HL=INA21.010001030700I2返回第二节交流铁心线圈返回一各物理量之间的关系二铁心线圈电路的能量损失三交直流磁路的比较返回当铁心线圈的励磁电流为直流时成为直流铁心线圈，当励磁电流为交流时，就是交流铁心线圈。交流铁心线圈的电磁关系是分析交流电机、变压器等电器的基础。一、各物理量之间的关系电磁关系如下：ui(in)Φe=-NdΦ/dtΦσeσ=-NdΦσ/dtiRΦ：主磁通Φó漏磁通iueeó返回列铁心线圈的KVL方程：u=-e-eσ+iR一般线圈的电压降eσ和漏感电动势都很小，所以上式近似写为：u≈-e=NdΦ/dt设主磁通Φ=Φmsin（ωt）则：e=NdΦ/dt=-NωΦmcos(ωt)=2πfNΦmsin(ωt-90°)=Emsin(ωt-90°)返回这是一个常用公式，它表明当线圈匝数N及电源频率f一定时，主磁通Φm的大小只取决于外加电压的有效值U.Em=2πfNΦmE=Em/=4.44fNΦmU=E=4.44fNΦm返回2返回例:已知日光灯镇流器的铁心由硅钢片叠成，平均磁路长度L=20cm，截面积S=7cm2，N=1000匝，接在工频f=50Hz交流电路中，测得线圈的电压有效值为192V。试求:1）主磁通Φm2）磁感应强度Bm3）励磁电流I。解：把镇流器相当一个铁心线圈，则：U≈4.44fNΦmΦm=U／4.44fN=192／4.44×50×1000=8.65×10-4WbBm=Φm／S=8.65×10-4／7×10-4=1.24T查硅钢磁化曲线得：Hm=0.6×103A/mA085.010002120N2LHIm二、铁心线圈电路的能量损失1铁心线圈电路的铜损无铁心的线圈加交流电时线圈电阻上的功率损耗称为铜损。Pcu=I2R返回铁心线圈的功率损耗主要有两部分2铁心线圈电路的铁损有铁心的线圈加上交流电时，它产生的交变磁场在铁心中产生能量损耗而使之发热，这种能量损耗称为铁损。返回磁滞损耗铁损涡流损耗PFe=Ph+Pe磁滞损耗Ph：铁心在交变磁场内反复磁化的过程要消耗磁场能量，使磁铁发热。可以证明，铁心反复磁化所消耗的能量与磁滞回线的面积成正比。所以一般为了减小磁滞损耗，常选用磁滞回线狭小的软磁材料制造铁心，通常采用硅钢。返回涡流损耗Pe:磁铁材料既导磁又导电，在交变磁通通过铁心时，在线圈和铁心中都有感应电动势产生，在磁铁中会出现旋涡式的电流称为涡流。涡流在铁心中产生的能量损耗称为涡流损耗。Φic返回为了减小涡流损耗，一方面采用电阻率较高的铁磁材料（如硅钢）也可以减小涡流。另一方面可以把整块铁心改成顺着磁场方向彼此绝缘的硅钢片叠成。这样就可以限制涡流在较小的截面内流过；iΦic交流铁心线圈的铁心都选用法。0.5或0.35mm厚的彼此绝缘的硅钢片叠成返回三.交直流磁路的比较１.在直流磁路中，磁动势，磁通，磁感应强度及磁场强度都是恒定不变的，而在交流磁路中，这些量应随时间不断地变化。返回２.直流励磁电流的大小取决于线端电压和线圈电阻的大小，而与磁路的性质（材料种类，几何尺寸，有无气隙及气隙大小等）无关，而交流励磁电流的大小则主要由磁路的性质决定。３.交流磁路的磁通基本上由线圈电压决定，与磁路的性质无关，而在直流磁路中，在线圈端电压一定时，磁通的大小与磁路的磁阻有关。返回４.交流磁路中，在交变磁通的作用下，铁心中有磁滞损耗和涡流损耗（铁损），而在直流磁路中，由于磁通是恒定不变的，所以无铁损。第三节变压器返回一变压器的基本结构二变压器的工作原理三变压器的外特性与额定值四变压器的极性五自耦变压器返回变压器是用来改变电压大小的一种重要的电器设备,它在电力和供电系统中占有很重要的地位.在电子技术也得到广泛的应用.变压器用途1.升压送电2.降压送电3.在电子线路中,用作电源变换,传递信号,阻抗变换等。一、变压器的基本结构变压器主要有硅钢片叠成的闭合铁心和高压，低压线组组成。按铁心和绕组的放置方式不同分为心式和壳式两种。绕组包围铁心成为心式。铁心包围绕组成为壳式。返回绕组铁心铁心绕组返回壳式心式二、变压器的工作原理u2u1i2i1Φ电磁关系如下：u1i1(i1N1)Φe1=-N1dΦ/dte2=-N2dΦ/dti2(i2N2)Φσ2eσ2-Lσ2di2/dtΦσ1eσ1=-Lσ1di1/dt返回N1N2Φσ1Φσ2e1eó1e2eó21.空载运行和变换电压副边无负载，i2=0,此时原边绕组中的电流成为空载电流i0。原边当忽略漏感和线圈电阻时有U1=-E1=-4.44fN1ΦmU2=E2=4.44fN2Φmu2u1i2i1ΦN1N2Φσ1e1e2返回U1/U2=N1/N2=Ku返回所以有：U1/U2=E1/E2=N1/N22.有载运行和电流变换u2u1i2i1ΦN1N2Φσ1Φσ2e1e2变压器有载时与无载时一样U1/U2=N1/N2=Ku当有负载时，i2≠0,这时原边电流用i1表示。由U1=4.44fN1Φm知,当U1和f不变时,Φm基本不变当变压器接上负载后，原边磁动势i1N1和副边磁动势i2N2共同产生磁通与变压器空载时产生的磁通基本相等，所以这两种情况下磁动势相等。即：返回i1N1+i2N2=i0N1由于i0很小，忽略不计：İ1N1=-İ2N2I1N1=I2N2所以有：I1/I2=N2/N1=1/Ku返回3.阻抗变换Zu1i1i2i1u1Z′z=U2/U1z′=U1/I1=KU2/(I2/K0)=K2U2/I2z′=K2z改变K，即可改变z实现阻抗变换。返回u2返回U1/U2=N1/N2=KuI1/I2=N2/N1=1/Kuz′=K2z升压→K1→z′z降压→K1→z′z三、变压器的外特性与额定值1外特性外特性指当电源电压U1和负载的功率因数cos(φ2)不变时，U2与I2之间的关系曲线，U2=f(I2)外特性曲线：U20I20U2U20为空载电压△U=(U20-U2)/U20×100％一般为5％左右cos(φ2)=1cos(φ2)1返回2.额定值原边额定电压和电流：U1N,I1N副边额定电压和电流：U2N,I2N变压器的额定容量SN=U2N·I2N返回四、变压器的极性返回同极性端又称同名端，是指铁心中的磁磁通变化时，在该端产生的感应电动势的极性相同，或电流从两个线圈的同极性端流入时，产生的磁通方向相同，用‘·’或‘＊’表示，在使用变压器时，必须知道同名端以便正确联接。例如，在图示电路中，每个原边线圈的额定电压为110Ｖ，副边线圈的额定电压分别为3V、9Ｖ。··1234返回5678··1.当接到220Ｖ的电源时，应将２－３相联，１，４与电源两个线圈串联。当接110Ｖ电源时，应将１－３相联２－４相联，两线圈并联接到110Ｖ电源上.2.若要得到12Ｖ的输出时，应将6－8相联，从5，7两个端子输出。若要得到6Ｖ的输出时，应将6－7相联，从5，8两个端子输出。五、自耦变压器变压器除了有传输能量用的电力变压外，还有一些专用变压器，如电压互感器，电流互感器，自耦变压器等。自耦变压器只有一个绕组，副绕组是原绕组的一部分，它同样有变换电压，电流和阻抗的作用。电路如图：返回u1u2N1N2i1i2U1/U2=N1/N2=KI1/I2=N2/N1=1/K返回返回例:某变压器额定SN=100VA，额定UN=220V/25V,Bm=1T,S=9cm2,求：原，副边的绕组匝数N1、N2及额定电流I1N、I2N各是多少？解：U1≈4.44fN1BmSN1=U1N／4.44fBmS=220/4.44×50×9×10-4=1100匝N2=U2N×N1／U1N=25×1100／220=125匝返回I2N=SN／U2N=100／25=4AI1N≈N2×I2N／N1=125×4／1100A=0.454A