电工技术基础课程课件

电工与电子技术基础第六章磁路与铁心线圈电路6.2交流铁心线圈电路6.3变压器6.4电磁铁6.1磁路及其分析方法电工与电子技术基础+－(a)电磁铁的磁路(b)变压器的磁路(c)直流电机的磁路实际电路中有大量电感元件的线圈中有铁心。线圈通电后铁心就构成磁路，磁路又影响电路。因此电工技术不仅有电路问题，同时也有磁路问题。6.1磁路及其分析方法电工与电子技术基础磁感应强度B磁感应强度B是表示磁场内某点磁场强弱及方向的物理量。B的大小等于通过垂直于磁场方向单位面积的磁力线数目，B的方向用右手螺旋定则确定。单位是特斯拉(T)。BlFddI磁感应强度或磁通密度FBIdlddsinFIlBα定义maxddFBIlT（Wb/m2）安培力1T=104（GS）根据安培力定义B6.1.1磁场的基本物理量电工与电子技术基础根据洛仑兹力定义B电流是电荷以某一速度运动形成的，所以磁场对电流的作用可以看作是对运动电荷的作用。ddd(d)dqIttFlBvBBvFqdFBv洛仑兹力dsinFqvBα定义maxdFBqv电工与电子技术基础若S面为闭合曲面0dSBΦ磁通连续性原理注意磁通是标量。磁通连续性原理表明磁力线是无头无尾的闭合曲线，这一性质是建立在自然界不存在磁荷的基础上。电工与电子技术基础磁性材料主要是指由过度元素铁、钴、镍极其合金等材料。它们主要的磁性能如下。1、高磁导率磁性材料的磁导率很大，μr1，可达102~105量级。分子电流和磁畴理论：•分子中电子的绕核运动和自转将形成分子电流，分子电流将产生磁场，每个分子都相当于一个小磁铁。•由于磁性物质分子的相互作用，使分子电流在局部形成有序排列而显示出磁性，这些小区域称为磁畴。6.1.2磁性材料的磁性能电工与电子技术基础•磁性物质因磁化产生的磁场是不会无限制增加的，当外磁场(或激励磁场的电流)增大到一定程度时，全部磁畴都会转向与外场方向一致。这时的磁感应强度将达到饱和值。HBB0BBJO磁化曲线HB，μOμBμ与H的关系B0是真空情况下的磁感应强度；BJ是磁化产生的磁感应强度；B是介质中的总磁感应强度。磁性物质的μ不是常数，Φ与H也不存在正比关系。2.磁饱和性电工与电子技术基础oa段：B与H几乎成正比地增加；ab段：B的增加缓慢下来；b点以后：B增加很少，达到饱和。OHBB0BJB•a•b有磁性物质存在时，B与H不成正比，磁性物质的磁导率不是常数，随H而变。有磁性物质存在时，与I不成正比。磁性物质的磁化曲线在磁路计算上极为重要，其为非线性曲线，实际中通过实验得出。OHB,B磁化曲线B和与H的关系B-H磁化曲线的特征：电工与电子技术基础a铸铁b铸钢c硅钢片O0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0103H/(A/m)H/(A/m)12345678910103B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2ababcc几种常见磁性物质的磁化曲线电工与电子技术基础在铁心线圈通有交变电流时，铁心将受到交变磁化。但当H减少为零时，B并未回到零值，出现剩磁Br。BHO12345磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁滞性。如图为磁性物质的滞回曲线。要使剩磁消失，通常需进行反向磁化。将B=0时的H值称为矫顽磁力Hc，（见图中3和6所对应的点）6图中2点为剩磁感应强度Br(剩磁)3.磁滞性电工与电子技术基础磁滞回线OHB••••BrHc但剩磁也存在着有害的一面，例如，当工件在平面磨床上加工完毕后，由于电磁吸盘有剩磁，还将工件吸住。为此要通入反向去磁电流，去掉剩磁，才能取下工件。矫顽磁力Hc：使B=0所需的H值。磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。电工与电子技术基础按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型：(1)软磁材料其矫顽磁力较小，磁滞回线较窄。(铁心)(2)永磁材料其矫顽磁力较大，磁滞回线较宽。(磁铁)(3)矩磁材料其剩磁大而矫顽磁力小，磁滞回线为矩形。(记忆元件)HBHBHB电工与电子技术基础•为了使励磁电流产生尽可能大的磁通，在电磁设备或电磁元件中要放置一定形状的铁心。绝大部分磁通将通过铁心形成闭合路径——磁路。图示为交流接触器的磁路，磁通经过铁心和空气隙而闭合。IldHllSlBHlIN得出或/mINFlSR6.1.3磁路的分析方法电工与电子技术基础式中：F=IN称为磁动势，此为产生磁通的激励；Rm为磁阻，是磁路对磁通具有阻碍作用的物量；l为磁路的平均长度；S为磁路的截面积。/mINFlSR此即磁路的欧姆定律电工与电子技术基础上式与电路中的欧姆定律在形式上相似，与磁路对照如下：磁路电路磁动势F磁通Φ磁感应强度B磁阻R=l/SmFR电动势E电流I电流密度J电阻R=l/γSEIRNI+–EIR电工与电子技术基础(1)在处理电路时不涉及电场问题，在处理磁路时离不开磁场的概念；例如在讨论电机时，常常要分析电机磁路的气隙中磁感应强度的分布情况。(2)在处理电路时一般可以不考虑漏电流，在处理磁路时一般都要考虑漏磁通；(3)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；(4)在电路中，当E=0时，I=0；但在磁路中，由于有剩磁，当F=0时，不为零；磁路分析的特点电工与电子技术基础计算磁路问题时，可以应用上面介绍的磁路欧姆定律，但由于磁路的磁导率μ不是常数(随励磁电流而变)，往往要借助于磁场强度H这个物理量。INHl或INHl若磁路不均匀，由不同材料构成，则磁路的磁阻应由不同的几段串联而成，即1122()INHlHlHlI0S0S11l1S12l2S2右图所示继电器的磁路就是由三段串联11/BS22/BS电工与电子技术基础查铸钢的磁化曲线，B=0.9T时，磁场强度H1=500A/m例1:有一环形铁心线圈，其内径为10cm，外径为5cm，铁心材料为铸钢。磁路中含有一空气隙，其长度等于0.2cm。设线圈中通有1A的电流，如要得到0.9T的磁感应强度，试求线圈匝数。解:空气隙的磁场强度A/m102.71049.057000BHcm390.2-2391.ll铸钢铁心的磁场强度，铁心的平均长度磁路的平均总长度为cm23921510.l电工与电子技术基础对各段有A16351951440110lHHNIA144010201027250..HA1951039500211lH总磁通势为163511635ININ线圈匝数为磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，磁通势几乎都降在空气隙上面。结论：当磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，要得到相等的磁感应强度，必须增大励磁电流（设线圈匝数一定）。电工与电子技术基础2．交流铁心线圈电路铁心线圈分为两种：1．直流铁心线圈电路直流铁心线圈通直流来励磁（如直流电机的励磁线圈、电磁吸盘及各种直流电器的线圈）。因为励磁是直流，则产生的磁通是恒定的，在线圈和铁心中不会感应出电动势来，在一定的电压U下，线圈电流I只与线圈的R有关，P也只与I2R有关，所以分析直流铁心线圈比较简单。本课不讨论。交流铁心线圈通交流来励磁（如交流电机、变压器及各种交流电器的线圈）。起电压、电流等关系与直流不同，下面我们就来讨论之。6.2交流铁心线圈电路电工与电子技术基础磁动势F=iN产生的磁通绝大多数通过铁心而闭合，这部分磁通称为工作磁通Φ。uΦσeeσiΦN铁心如图所示，此外还有一少部分通过空气等非磁性材料而闭合，这部分磁通称为漏磁通，用Φσ表示。这两个磁通在线圈中产生感应电动势e和eσ。e为主磁电动势，eσ为漏磁电动势。6.2.1电磁关系电工与电子技术基础这个电磁关系可表示如下：u()iNiNddeNdtdtddieNLdtdt式中Nφσ=Lσi中的Lσ为常数，称为漏电感，而i与φ不存在线性关系，即L不是常数。因此，铁心线圈是一个非线性的电感元件。Φ与i和L的关系如图所示。0Φ、LiΦL电工与电子技术基础2．铁损1．铜损2CuPIRFehePPP①磁滞损耗由磁滞所产生的铁损称为磁滞损耗。可以证明，交变磁化一周在铁心的单位体积内所产生的磁滞损耗能量与磁滞回线所包围的面积成正比。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。硅钢就是变压器和电机中常用的铁心材料，其磁滞损耗较小。①磁滞损耗②涡流损耗6.2.3功率损耗电工与电子技术基础②涡流损耗由涡流所产生的铁损称为涡流损耗△Pe0φi当线圈中通有交流电时，它所产生的磁通也是交变的。因此，不仅要在线圈中产生感应电动势，而且在铁心内也要产生感应电动势和感应电流。这种感应电流称为涡流，它在垂直于磁通方向的平面内环流着。电工与电子技术基础在交流磁通的作用下，铁心内的这两种损耗合称铁损△PFe0铁损差不多与铁心内磁感应强度的最大值Bm的平方成正比，故Bm不宜选得过大。从上述可知，铁心线圈交流电路的有功功率为P=UIcos=I2R+△PFe0电工与电子技术基础6.2.4等效电路铁心线圈交流电路也可用等效电路进行分析，所谓等效电路，就是用一个不含铁心的交流电路来等效代替它。等效的条件是：在同样电压作用下，功率、电流及各量之间的相位关系保持不变[注意：铁心线圈中的非正弦周期电流已用等效正弦电流代替。这样就使磁路计算的问题简化为电路计算的问题了。先把铁心线圈的电阻R和感抗Xσ划出，剩下的就成为一个没有电阻和漏磁通的理想铁心线圈电路。但铁心中仍有能量的损耗和能量的储放。因此可将这个理想的铁心线圈交流电路用具有电阻R0和感抗X0的一段电路来等效代替。其电路如图所示。电工与电子技术基础φiuRXσuσuRu/iXσuRuσuRu/R0X0其中电阻R0是和铁心中能量损耗（铁损）相应的等效电阻，其值为02FePRI感抗X0是和铁心中能量的储放（与电源发生能量互换）相应的等效感抗，其值为02FeQXI等效电路的阻抗模为22000||UZRXI电工与电子技术基础+––+ueuiRX++––uRuX0R02Fe0ΔIPR2Fe0IQX式中：PFe为铁损，QFe为铁心储放能量的无功功率。IUIUXRZ20200故有：+––+–+eeu理想铁心线圈有能量的损耗和储放，可用具有电阻R0和感抗X0串联的电路等效。其中：电阻R0是和铁心能量损耗(铁损)相应的等效电阻，感抗X0是和铁心能量储放相应的等效感抗。其参数为：等效电路理想铁心线圈的等效电路电工与电子技术基础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•变压器的主要功能有：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）6.3.1概述UIP=I²RlIS6.3变压器电工与电子技术基础变压器电工与电子技术基础变压器电工与电子技术基础有载调压变压器电工与电子技术基础小变压器电工与电子技术基础调压器整流器牵引电磁铁电流互感器电工与电子技术基础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。具体如下：发电厂10.5kV输电线220kV升压仪器36V降压…实验室380/220V降压变电站10kV降压降压电工与电子技术基础单相变压器1u2u1i2iΦ+–+–Z变压器的磁路绕组：一次绕组二次绕组由高导磁硅钢片叠成厚0.35mm或0.5mm铁心变压器的电路一次绕组N1二次绕组N2铁心变压器的结构电工与电子技术基础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变压器符号变压器的分类电工与电子技术基础一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。单相变压器1u2u1i2iΦ+–+–Z一次绕组N1二次绕组N