交流铁心和线圈电路

磁 路 、 交 流 铁 心 和 线 圈 电 路 教 学 目 的 ： 让 学 生 熟 悉 磁 场 的 基 本 物 理 量 的 含义 及 磁 性 材 料 的 性 能 ； 了 解 磁 路 的 概 念 ； 学 会分 析 铁 心 线 圈 电 路 的 电 磁 关 系 。 教 学 安 排 ：(1)旧 课 复 习 （ 5分 钟 ）(2)新 课 讲 解 （ 80分 钟 ）(3)新 课 小 结 （ 5分 钟 ） 作 业 ： 课 本 习 题 第 七 章 磁 路 与 变 压 器 7.1 磁 路 7.2 变 压 器 的 工 作 原 理 7.3 变 压 器 的 使 用 7.4 特 殊 变 压 器 简 介 磁 路 ： 主 磁 通 所 经 过 的 闭 合 路 径 。1u 2ui s 7.1 磁 路7.1.1. 磁 路 的 基 本 概 念 线 圈 通 入 电 流 后 ， 产生 磁 通 ， 分 主 磁 通 和 漏磁 通 。 s ： 主 磁 通： 漏 磁 通铁 心（ 导 磁 性 能 好 的 磁 性 材 料 ）线 圈 7.1.2 磁 路 计 算 中 的 基 本 物 理 量一 、 磁 感 应 强 度 （ 磁 通 密 度 ）与 磁 场 方 向 相 垂 直 的 单 位 面 积 上 通 过 的 磁 通 （ 磁力 线 ） SB 单 位 ： 韦 伯1 Tesla = 104 高 斯B 的 单 位 ： 特 斯 拉 （ Tesla） 二 、 磁 导 率 ： 表 征 各 种 材 料 导 磁 能 力 的 物 理 量（ 亨 /米 ）70 104 真 空 中 的 磁 导 率 ( )为 常 数0一 般 材 料 的 磁 导 率 和 真 空 中 的 磁 导 率 之 比 ，称 为 这 种 材 料 的 相 对 磁 导 率 r0 r 1r ， 则 称 为 磁 性 材 料1r ， 则 称 为 非 磁 性 材 料 磁 性 材 料 的 磁 性 能 ： 1. 非 线 性 大小B H)( (I) 2. 磁 饱 和 性 HB B H 3. 磁 滞 性 根 据 磁 性 能 ， 磁 性 材 料 又 可 分 为 三 种 ： 软 磁 材 料（ 磁 滞 回 线 窄 长 。 常 用 做 磁 头 、 磁 心 等 ） 、 永 磁 材 料（ 磁 滞 回 线 宽 。 常 用 做 永 久 磁 铁 ） 、 矩 磁 材 料 （ 滞 回 线 接 近 矩 形 。 可 用 做 记 忆 元 件 ） 。 三 、 磁 场 强 度 H 磁 场 强 度 是 计 算 磁 场 所 用 的 物 理 量 ， 其 大 小 为 磁感 应 强 度 和 导 磁 率 之 比 。BH 单 位 ： B ： 特 斯 拉： 亨 /米 H ： 安 /米 一 . 安 培 环 路 定 律 （ 全 电 流 律 ） ：7.1.3 磁 路 的 基 本 定 律 磁 场 中 任 何 闭 合 回 路 磁 场 强 度 的 线 积 分 ,等 于通 过 这 个 闭 合 路 径 内 电 流 的 代 数 和 . HI1 I2 I3 IldH 电 流 方 向 和 磁 场 强 度 的 方 向符 合 右 手 定 则 ， 电 流 取 正 ；否 则 取 负 。 HLNI 在 无 分 支 的 均 匀 磁 路 （ 磁 路 的 材 料 和 截 面 积 相 同 ，各 处 的 磁 场 强 度 相 等 ） 中 ， 安 培 环 路 定 律 可 写 成 ：磁 路长 度 L线 圈匝 数 NIHL： 称 为 磁 压 降 。NI： 称 为 磁 动 势 。 一 般 用 F 表 示 。F=NI HLNI总 磁 动 势 在 非 均 匀 磁 路 （ 磁 路 的 材 料 或 截 面 积 不 同 ， 或 磁 场强 度 不 等 ） 中 ， 总 磁 动 势 等 于 各 段 磁 压 降 之 和 。 00lHIHNI 例 ： I N l0l 对 于 均 匀 磁 路 LSLBHLNI 磁 路 中 的欧 姆 定 律二 . 磁 路 的 欧 姆 定 律 ：则 ： mRLSNIF I N SL注 ： 由 于 磁 性 材 料 是 非 线 性 的 ， 磁 路 欧 姆 定 律 多 用 作 定 性 分 析 ， 不 做 定 量 计 算 。slRm 令 ： Rm 称 为 磁 阻 磁 路 和 电 路 的 比 较 （ 一 ）磁路电路 磁 通I N R+ _ EI 磁 压 降HL磁 动 势INF 电 动 势 电 流 电 压 降UE IU 基 本 定 律mRF 磁 阻 SlRm 磁 感 应强 度 SB 安 培 环 路定 律 HLNI 0磁 路I N 欧 姆 定 律 电 阻 电 流强 度 克 氏电 压 定 律 克 氏电 流 定 律0 I UEREI SlR SIJ磁 路 与 电 路 的 比 较 (二 )电 路 R+_EI 励 磁 电 流 ： 在 磁 路 中 用 来 产 生 磁 通 的 电 流励 磁 电 流 直 流 - 直 流 磁 路 交 流 - 交 流 磁 路磁 路 分 析 直 流 磁 路交 流 磁 路7.1.4 磁 路 的 分 析 RUI IU 一 . 直 流 磁 路 的 分 析直 流 磁 路 的 特 点 :直 流 磁 路 和 电 路 中 的 恒 压 源 类 似直 流 电 路 中 REI E 固 定I 随 R 变 化mR随 变 化 直 流 磁 路 中mRF F 固 定 U 一 定 I 一 定磁 动 势 F=IN 一 定 )( mRF 磁 通 和 磁 通 成 反 比（ 线 圈 中 没 有 反 电 动 势 ）（ R 为 线 圈 的 电 阻 ） 电 路 方 程 ： dtdNRi eeuu lR )()( 一 般 情 况 下 很 小 Ru dtdNu 交 流 激 励 线 圈 中 产 生 感 应 电 势二 . 交 流 磁 路 的 分 析 ： 主 磁 通： 漏 磁 通u Leei 的 感 应 电 势 和 产 生 假 设 tm sin则 tfN tNu mm cos2 cos 最 大 值 mm fNU 2有 效 值 mm fNUU 44.42 dtdNu u Leei mNfU 44.4u Leei mRIN m一 定 时 磁 动 势 IN随 磁 阻 的 变 化 而 变 化 。mR当 外 加 电 压 U、 频 率 f 与线 圈 匝 数 N一 定 时 ， 便确 定 下 来 。 根 据 磁 路 欧 姆定 律 ， 当 m 交 流 磁 路 的 特 点 :交 流 磁 路 和 电 路 中 的 恒 流 源 类 似直 流 磁 路 中 ： mRF 固 定 mRF随 变 化直 流 电 路 中 ： RIU S IS固 定 U 随 R 变 化 交 流 磁 路 中 磁 阻 对 电 流 的 影 响mR电 磁 铁 吸 合 过 程 的 分 析 ： 在 吸 合 过 程 中 若 外 加 电 压不 变 , 则 基 本 不 变 。 iu mRmRIN 电 磁 铁 吸 合 前 (气 隙 大 ） 大 起 动 电 流 大 电 磁 铁 吸 合 后 (气 隙 小 ） 小 电 流 小mR 如 果 气 隙 中 有 异 物 卡 住 ， 电 磁 铁 长 时 间 吸 不 上 ， 线圈 中 的 电 流 一 直 很 大 ， 将 会 导 致 过 热 ， 把 线 圈 烧 坏 。 注 意 ： RUI (U不 变 ， I不 变 ） mRIN mRIN ( I 随 Rm 变 化 ）fNUm 44.4 m（ U不 变 时 ， 基 本 不 变 ） 直 流 磁 路交 流 磁 路 磁 路 小 结 （ 随 Rm 变 化 ） 变 压 器 的 原 理 和 应 用 教 学 目 的 ： 让 学 生 掌 握 变 压 器 的 变 压 、变 流 、 变 阻 抗 的 原 理 和 应 用 ； 了 解 自 耦变 压 器 的 作 用 和 注 意 事 项 。 教 学 安 排 ：(1)旧 课 复 习 （ 5分 钟 ）(2)新 课 讲 解 （ 80分 钟 ）(3)新 课 小 结 （ 5分 钟 ） 作 业 ： 课 本 习 题 变 压 器 功 能 ：变 电 压 ： 电 力 系 统 变 阻 抗 ： 电 子 电 路 中 的 阻 抗 匹 配 （ 如 喇 叭 的 输 出 变 压 器 ） 变 电 流 ： 电 流 互 感 器 7.2 变 压 器 的 工 作 原 理 发 电 厂1.05万 伏 输 电 线22万 伏升 压 变 电 站1万 伏降 压 变 压 器 应 用 举 例 降 压实 验 室380 / 220伏降 压 仪 器36伏降 压 单 相 变 压 器1u 2u LR1i 2i7.2.1 变 压 器 的 基 本 结 构 和 工 作 原 理 铁 芯原 边绕 组 副 边绕 组一 . 结 构 ： 1u 2u LR1i 2i 1u 1i 2u 2i LR变 压 器 符 号 ： 2211 iu iu 工 作 过 程 ： 空 载 运 行 ： 原 边 接 入 电 源 ， 副 边 开 路 。接 上 交 流 电 源 1u 原 边 电 流 i1等 于 励 磁 电 流 i10 dtdNedtdNe 2211 产 生 感 应 电 动 势 二 . 工 作 原 理 1u 2e1i 1e 1N 2N i10 产 生 磁 通 （ 交 变 ）（ 方 向 符 合 右 手 定 则 ）、e 结 论 ： 改 变 匝 数 比 ， 就 能 改 变 输 出 电 压 。KNNEEUU 212121 K为 变 比10i1u 20u2i1e 2e原 、 副 边 电 压 关 系 mmNfE NfE 22 11 44.444.4根 据 交 流 磁 路 的 分 析可 得 ： 202 uu 02 i 时 （ 变 电 压 ） 负 载 运 行 1u 2e1i 1e 1N 2N Z2i 副 边 带 负 载 后 对 磁 路 的影 响 ： 在 副 边 感 应 电 压 的作 用 下 ， 副 边 线 圈 中 有 了电 流 i2 。 此 电 流 在 磁 路 中也 会 产 生 磁 通 ， 从 而 影 响 原 边 电 流 i1。 但 当 外 加 电 压 、频 率 不 变 时 ， 铁 芯 中 主 磁 通 的 最 大 值 在 变 压 器 空 载 或有 负 载 时 基 本 不 变 。 带 负 载 后 磁 动势 的 平 衡 关 系 为 ： )44.4( 11 mNfU NiNiNi 102211 KNNII 11221 结 论 ： 原 、 副 边 电 流 与 匝 数 成 反 比 1102211 NiNiNi 由 于 变 压 器 铁 芯 材 料 的 导 磁 率 高 、 空 载 励 磁 电 流 很 小 ， 可 忽 略 。 即 ： 02211 NINI )(10i 原 、 副 边 电 流 关 系 （ 变 电 流 ） 2211 NINI （ 变 阻 抗 ）1i1u 2u 2i LR1N 2N原 、 副 边 阻 抗 关 系 LL RKR 2 22IURL 从 原 边 等 效 ： 22222 211 KRKIUKIKUIUR LL 结 论 ： 变 压 器 原 边 的 等 效 负 载 ， 为 副 边 所 带 负 载 乘 以 变 比 的 平 方 。 阻 抗 变 换 举 例 ： 扬 声 器 上 如 何 得 到 最 大 输 出 功 率i1uRs RL信 号 源设 ： 信 号 电 压 的 有 效 值 :U1= 50V;信 号 内 阻 ： Rs=100 ;负 载 为 扬 声 器 ， 其 等 效 电 阻 ： RL=8。求 ： 负 载 上 得 到 的 功 率解 ： （ 1） 将 负 载 直 接 接 到 信 号 源 上 ， 得 到 的 输 出 功 率 为 ： W)(7.1810850 22 LLS RRR UpL 1i1u 2u 2i LR1N 2NRs（ 2） 将 负 载 通 过 变 压 器 接 到 信 号 源 上 。输 出 功 率 为 ： W25.6989810050 22 L LSL RRR Up 设 变 比 1:5.321 NNK 9885.3 2LR则 ：结 论 ： 由 此 例 可 见 加 入 变 压 器 以 后 ， 输 出 功 率 提 高 了 很 多 。 原 因 是 满 足 了 电 路 中 获 得 最 大 输 出 的 条 件 （ 信 号 源 内 、 外 阻 抗 差 不 多 相 等 ） 。 额 定 电 压 变 压 器 副 边 开 路 （ 空 载 ） 时 ， 原 、 副 边 绕 组 允 许 的 电 压 值 。 NN UU 21 、 额 定 电 流 变 压 器 满 载 运 行 时 ， 原 、 副 边 绕 组 允 许 的 电 流 值 。NN II 21 额 定 容 量 传 送 功 率 的 最 大 能 力 。 NS NNNNN IUIUS 2211 （ 理 想 ） 7.3.1 变 压 器 的 铭 牌 数 据 （ 以 单 相 变 压 器 为 例 ） 7.3 变 压 器 的 使 用 容 量 SN 输 出 功 率 P2 原 边 输 入 功 率 P1 输 出 功 率 P2注 意 ： 变 压 器 几 个 功 率 的 关 系 效 率变 压 器 功率 因 数NNN IUS 11 容 量 ： 21 PP 原 边 输 入 功 率 ： cos222 IUP 输 出 功 率 ： 7.3.2 变 压 器 的 效 率 () 为 防 止 涡 流 损 失 ， 铁 芯一 般 由 一 片 片 导 磁 材 料叠 合 而 成 。变 压 器 的 损 耗 包 括 两 部 分 ：铜 损 (PCU) ： 绕 组 导 线 电 阻 所 致 。磁 滞 损 失 ： 磁 滞 现 象 引 起 铁 芯 发 热 ， 造 成 的 损 失 。涡 流 损 失 ： 交 变 磁 通 在 铁 芯 中 产 生 的 感 应 电 流 （ 涡 流 ） ， 造 成 的 损 失 。铁 损 ( )：PFE 1112 P PPPPP FECU 7.3.3 变 压 器 的 外 特 性副 边 输 出 电 压 和 输 出 电 流 的 关 系 。 即 ：)( 22 IfU U2 I2U20 U20： 原 边 加 额 定 电 压 、副 边 开 路 时 ， 副 边 的 输出 电 压 。一 般 供 电 系 统 希 望 要 硬 特 性 （ 随 I 2的 变 化 ， U2 变 化 不 多 ） 当 电 流 流 入 两 个 线 圈 (或 流 出 ） 时 ， 若 产 生 的 磁 通 方向 相 同 ， 则 两 个 流 入 端 称 为 同 极 性 端 （ 同 名 端 ） 。 或 者说 ， 当 铁 芯 中 磁 通 变 化 （ 增 大 或 减 小 ） 时 ， 在 两 线 圈 中产 生 的 感 应 电 动 势 极 性 相 同 的 两 端 为 同 极 性 端 。同 极 性 端 (同 名 端 )AXax *7.3.4 变 压 器 绕 组 极 性 及 连 接 方 法AXax * 电 器 使 用 时 两 种 电 压 （ 220V/110V） 的 切 换 ：220V： 联 结 2 3110V： 联 结 1 3， 2 4线 圈 的 接 法1324 * 220V： 联 结 2 3 mNfU )2(44.4220 励 磁 mNi 210 NfU m 244.4 220 两 种 接 法 下 线 圈 工 作 情 况 的 分 析*1324 NN 10i220U 110V： 联 结 1 3， 2 4 NfUm 244.4 220 mNfU )(44.4110 NfUm 44.4 110 1,32,4220V： 联 结 2 31324 *110U10i说 明 ： 两 种 接 法 下 不 变 ， 所 以 铁 芯 磁 路 的 设 计 相 同 m 励 磁 mNi 10 问 题 1： 在 110V 情 况 下 ， 如 果 只 用 一 个 绕 组 （ N） ， 行 不 行 ？答 ： 不 行 （ 两 绕 组 必 须 并 绕 ） 原 边 有 两 个 相 同 绕 组 的 电 源 变 压 器 （ 220 / 110） ，使 用 中 应 注 意 的 问 题 ：*1324 NN220i220U 1,32,4 110i N若 两 种 接 法 铁 芯 中 的 磁 通 相 等 ， 则 ： Ni 2 220 Ni 110 21110220 ii 问 题 2： 如 果 两 绕 组 的 极 性 端 接 错 ， 结 果 如 何 ？结 论 ： 在 极 性 不 明 确 时 ， 一 定 要 先 测 定 极 性 再 通 电 。答 ： 有 可 能 烧 毁 变 压 器 两 个 线 圈 中 的 磁 通 抵 消烧 毁感 应 电 势 0e电 流 很 大 11 Rui 11 11 eRiu 原 因 ：*1324 NN10i220U 方 法 一 ： 交 流 法 AX axu同 极 性 端 的 测 定 方 法若 说 明 A 与 a 或 X 与 x 为 同 极 性 端 。 axAXAa UUU 把 两 个 线 圈 的 任 意 两 端 (X - x)连接 ,然 后 在 AX 上 加 一 小 电 压 u 。AaaxAX UUU 、测 量 ： axAXAa UUU 若 说 明 A 与 x 或 X 与 a 是 同 极 性 端 ；结 论 ： 方 法 二 ： 直 流 法 mA表+_ AX axK +- *AXax+_ K 2e 设 K闭 合 时 增 加 。 感 应 电 动 势 的 方 向 ，阻 止 的 增 加 。如 果 当 K 闭 合 时 ， mA 表 正偏 ， 则 A a 为 同 极 性 端 ;如 果 当 K 闭 合 时 ， mA 表 反偏 ， 则 A x 为 同 极 性 端结 论 ： 变 压 器 设 计 中 的 一 些 概 念 (1) 11IUSN 1U 一 定额 定 容 量 定 铁 芯 窗 口定 导 线 直 径1I定定 mN1UIS mfNU 11 44.4 则 （ 铜 多 、 铁 少 ）mN 则 （ 铜 少 、 铁 多 ）mN( , 一 定 时 , )SB B S 在 同 样 变 比 情 况 下 ， 匝 数 多 好 ， 还 是 少 好 ？mfNU 11 44.4 m（ 省 铜 ）N（ 费 铁 ）截 面 积 A AB 变 压 器 设 计 中 的 一 些 概 念 (2) 7.4.1 自 耦 变 压 器KNNII KNNUU 11221 2121 AB P1u 2u1i 2i LR1N 2N 7.4 特 殊 变 压 器 简 介 使 用 时 ， 改 变 滑 动 端 的 位 置 ， 便 可 得 到 不 同 的输 出 电 压 。 实 验 室 中 用 的 调 压 器 就 是 根 据 此 原 理制 作 的 。 注 意 ： 原 、 副 边 千 万 不 能 对 调 使 用 ， 以防 变 压 器 损 坏 。 因 为 N变 小 时 ， 磁 通 增 大 ， 电 流会 迅 速 增 加 。 7.4.2 电 压 互 感 器 ： 用 低 量 程 的 电 压 表 测 高 电 压1. 副 边 不 能 短 路 ， 以 防 产 生 过 流 ；2. 铁 心 、 低 压 绕 组 的 一 端 接 地 ， 以 防 在 绝 缘 损 时 ， 在 副 边 出 现 高 压 。使 用 注 意 ： V R N1（ 匝 数 多 ） 保 险 丝 N2（ 匝 数 少 ）u（ 被 测 电 压 ） 电 压 表被 测 电 压 =电 压 表 读 数 N1/N2 7.4.3 电 流 互 感 器 ： 用 低 量 程 的 电 流 表 测 大 电 流（ 被 测 电 流 ）N1（ 匝 数 少 ）N2（ 匝 数 多 ） A Ri1 i2 电 流 表被 测 电 流 =电 流 表 读 数 N 2/N11. 副 边 不 能 开 路 ， 以 防 产 生 高 电 压 ；2. 铁 心 、 低 压 绕 组 的 一 端 接 地 ， 以 防 在 绝 缘 损 坏 时 ， 在 副 边 出 现 过 压 。 使 用 注 意 事 项 ：