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1、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,退出,1. 磁感应强度 B 矢量,2. 磁通 F 标量 单位：Wb,4. 磁场强度 H 矢量 定义：H = B/,3. 磁导率 真空磁导率 0 = 410 7 H/m (亨/米),均匀磁场 磁场内各点的 B 大小相等，方向相同。,对于均匀磁场 F = B S,相对磁导率 r= /0 对于铁磁材料 r = 102 105,单位：A/m (安培/米),单位：T，Gs，1 T = 104 Gs,3.1 磁路及其分析方法,3.1.1 磁场的基本物理量,1. 高导磁性 在外磁场的作用下，磁性物质
2、被强烈磁化 而呈现出很强的磁性。,Hm,Hm,Br,HC,3.1.2 磁性物质的基本性能,2. 磁滞性 B 的变化落后于 H。,剩磁,矫顽力,3. 磁饱和性 H 增加，B 增加很小的现象。,Hm,Hm,Br,HC,B - H, - H,b,c,a,a、c 段 值大、过 c 点出现饱和,3.1.2 磁性物质的基本性能,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, 主磁通, 漏磁通,铁心,线圈,磁路：磁通相对集中通过的路径。,1. 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
3、. 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。,3.1.3 磁路的分析方法,得 H l = N I,磁压降：Hl,l,N,u,i,3. 磁路的欧姆定律,根据,磁通势：F = NI (单位：安), = B S = HS,磁路磁阻：Rm,磁路欧姆定律：,+,返回,N,u,i,设： = msin t,3.2 交流铁心线圈电路,1. 感应电动势与磁通的关系,e,e,e = - Nmcos t = Emsin( t - 90),感应电动势的有效值：, +, +,+,2. 外加电压与磁通的关系,u,Fm= iN ,uR= iR, (主磁通) ,(漏磁通),由
4、KVL： u = iR e e,所以 u e,因为 R 和 e 很小，,U 的有效值,U E = 4.44 f Nm,U = 4.44 f NBmS,N,u,i,e,e, +, +,+,N,i,(4)铜损 线圈电阻产生的损耗,(1) 磁滞损耗 铁心反复 磁化时所消耗的功率。,(2)涡流损耗 在铁心中 产生的感应电流而引起的损耗。,(3)铁心损耗 = 磁滞损耗 + 涡流损耗,PCu = I 2R,3. 功率损耗,3.2 交流铁心线圈电路,返回,按用途分: 电力变压器，特种用途变压器。 按相数分: 单相、三相和多相变压器。 按绕组数分: 双绕组、多绕组及自耦变压器。,3.3 变 压 器,3.3.1
5、 变压器的工作原理,2. 变压器的结构,1. 变压器的分类,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。,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,铁心,线圈,2. 变压器的结构,1,N1,一次绕组,二次绕组,3. 变压器的工作原理,变压器符号,S,|ZL |,1,N1,N2,i1,e2,u2,e1,u1,e1,2,i2,u1 ,i1( i1N1),1 e1, e1,i2 (i2N2 ), 2 e2,3. 变压器的工作原理,e2,+,+
6、,+,+,+,e2,+,1,N1,N2,A,X,a,x,U20,U1,E1,结论, 变比,E2 = 4.44 f N2 m,(1) 电压变换,变压器空载：,E1 = 4.44 f N1 m,+,+,+,+,a,S,ZL,N1I1= N2 I2,N1,N2,A,X,x,I1,E2,U2,E1,U1,I2,结论,产生主磁通 的磁动势,有效值,I0 = I1N (2. 5),(2) 电流变换,变压器接负载：,+,+,+,+,+,+,+,= K2 ZL,结论,I2,K,ZL,U2,U1,I1,Z0,E,可利用变压器进行阻抗匹配,(3) 阻抗变换,+,+,+,(1) 额定容量 SN,三相变压器,单相变压
7、器,SN = U1NI1N = U2NI2N,(2) 额定电压 U1N 和 U2N,(3) 额定电流 I1N 和 I2N,(4) 额定频率 fN,U2N 一次侧加 U1N 时，二次侧绕组的开路电压。,U2N 应比满载运行时的输出电压 U2 高出 5% 10%。,4. 变压器的铭牌数据,允许通过的最大电流。,例 1 有一台额定容量 50 kVA、额定电压 3 300/220 V 的变压器，高压绕组为 6 000 匝，试求：(1) 低压绕组匝数； (2) 高压边低压边额定电流；(3) 当一次侧保持额定电压不变，二次侧达到额定电流，输出功率 9 kW，功率因数为 cos = 0.8 时的副边端电压
8、U2。,解(1),(3) P = U2I2Ncos ,例 2 如图所示，交流信号源 E = 220 V，内阻 R0 = 800 ，负载 RL= 8 ，(1) 当 RL 折算到原边的等效电阻 RL= R0 时 ，求变压器的匝数和信号源的输出功率；(2) 当将负载直接与信号源联接时，信号源输出多大功率？,解,(1) RL = K2RL= R0,I2,K,RL,U2,U1,I1,R0,E,+,+,+,(2),cos = 0.8,cos = 1,O,U2,I2,外特性 U2= f (I2),电压变化率,3.3.2 变压器的外特性,U20,I2N,1.损耗 P = PCu+ PFe,铜损,2.效率, =
9、 (90 99)%,3.3.3 变压器的损耗与效率,铁损 PFe与 Bm有关,U1,N1,N2,ZL,U2,1. 自耦变压器,3.3.4 特殊变压器,2. 电流互感器,3.3.4 特殊变压器,N1,N2,负载,A,i1,i2,用来扩大测量交流电流的量程,注意：测量时二次绕组电路不允许开路！,A,X,a,x,i,i,1,2,1. 同名端,感应电动势的同极性端,3.3.5 变压器绕组的极性,X 与 a 相连，两个1的方向相同,u = e1 e1+ R1i + R1i = 2e1+ 2R1i,X 与 x 相连， 两个1的方向相反,u = e1+ e1 + R1i + R1i = 2R1i,正确联接方
10、法，u 加在 Ax 端，,错误联接方法，u 加在A a 端，,产生很大电流，不允许！,2. 绕组的连接,返回,3.4 电磁铁,衔铁,铁心,铁心,线圈,线圈,衔铁,结构 ：线圈、铁心、衔铁,利用电磁力实现某一机械发生动作的电磁元件。,1. 直流电磁铁,(1) 电磁吸力,通入直流，无铁损，铁心用整块的铸钢、软钢。, F,对直流 U = IR U 不变时，I 不变,磁动势 Fm= IN =Um= Rm 也不变,Rm= Rm0+Rm1,Rm= Rm1,吸合,后,前,所以在吸合后,B0,S 不变,结论：吸力变大！,(2) 吸合前后的电磁吸力 变化情况,(1) 平均电磁吸力,铁心由硅钢片叠成；,有分磁环。
11、,2. 交流电磁铁,(2) 吸合前后的电磁吸力 不变,根据 U = 4.44 f N m,当 U, f , N不变, m不变 Bm不变吸力 F 不变。,磁动势 Fm= i N =Um= Rm,Rm= Rm0+ Rm1,Rm= Rm1,吸合,后,前,所以在吸合过程中， 吸力不变，励磁电流由大变小。,大i N 有效值 I 大,小i N 有效值 I 小,t,、f,f,铁心,电磁吸力,由于 1 与 2 之间出现了相位差， 合成磁通所产生的电磁吸力就不会为零。,磁通为零， 吸力也为零,短路铜环,(3) 分磁环结构,例 1 把一台 50 Hz、380 V 的交流电磁铁接在 50 Hz、 220 V 的交流电源上，会出现什么问题？怎 样解决？,解 根据,U 4.44f Nm,U m F ,吸力不足,减少 N,例 2 一台单相变压器，一次侧为两个绕组，额定电压均为 110 V， 试问电源电压为 220 V 时，如何连接？ 电源电压为 110 V 时，如何连接？,解 电源电压为 220 V 时，接线如右图所示；,电源电压为 110 V 时，接线如 下图所示。,电磁铁应用一例,抱闸,电磁铁,制动轮,弹簧,电磁铁应用一例,抱闸,电磁铁,制动轮,弹簧,返回,