第6章 磁路与铁芯线圈电路

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,/39,*,电工技术,第六章 磁路与铁芯线圈电路,1,/39,第六章 磁路与铁心线圈电路,6.1,磁路及其分析方法,6.2,交流铁心线圈电路,6.3,变压器,2,/39,关于磁路的一些基本概念,磁路：采用磁性材料制成的具有一定形状的导磁通路。,磁路与电路的比较：,电路：金属铜的电阻率：,1.75,10,-6,cm,，干燥空气的电阻率：,1.015,10,5,cm,，铜的电导率是干燥空气的,5.8,10,10,倍；,磁路：常用的导磁性能较好的材料，硅钢片相对真空的磁导率倍数：约,10000,倍。,两个倍数之间的倍率：,5.8,10,6,倍。,磁性材料有饱和特性，磁场强度达到一定程度后磁性材料的磁导率大大下降，甚至接近空气的磁导率。,结论：磁场比电场更容易从磁路中泄露到周围的空气中。,3,/39,6.1,磁路及其分析方法,心式变压器,壳式变压器,4,/39,变压器实现能量传递条件：,两个线圈被磁场耦合起来,。,能量转换,i,1,输入电能,电能,磁,场,输出电能,i,2,电能,磁场,5,/39,磁场的基本物理量,磁感应强度,B,（磁通密度）,表示磁场内某点磁场强弱与方向的物理量。,描述了磁场强弱及方向。,单位：,特斯拉或高斯,T,Gs,，,1Gs=10,-4,T,磁通量,(,简称：磁通,),(,垂直,),穿过截面,S,的磁力线根数,在均匀磁场，且,B,与,S,垂直时，有,单位：,韦伯,Wb,根据电磁感应定律有：,6,/39,磁场的基本物理量,磁场强度,H,一个由电流引起的磁场物理量。,单位：安每米,A/m,磁导率,表示物质导磁能力的大小，单位：亨,/,米（,H/m,）,用于衡量导磁能力：,真空的磁导率,H/m,相对磁导率：相对于真空磁导率的倍数。,7,/39,磁性材料的磁性能,磁性材料：,铁、钴、镍及其合金,高导磁性,：具有很高的磁导率。,磁饱和性（非线性）,：磁场强度达到一定程度后再增加，磁感应强度不再线性增加。,磁滞特性,：磁场强度与磁感应强度不同步。,磁滞回线：,剩磁,：,H=0,时,B,的值,矫顽力,：,B=0,时,H,的值,8,/39,磁性材料的分类,软磁材料,：矫顽力较小、磁滞回线较窄的材料。导磁性能好、交流磁损耗小：铸铁、硅钢、坡莫合金、铁氧体。,永磁材料,：矫顽力较大、磁滞回线较宽的材料。用于制造永久磁铁，碳钢、铁镍铝钴合金、稀土材料等。,矩磁材料,：矫顽力较小、剩磁较大的材料。用于制造记忆元件，有镁锰铁氧体、铁镍合金等。,9,/39,磁路的分析方法,安培环路定律：,简单磁路：,对于均匀磁路有：,磁通势定义：,磁压降定义（磁路欧姆定律）：,磁通势又称：磁动势,磁阻定义：,则：,磁压降又称：磁位差,10,/39,电 路,磁 路,电流,：,I A,磁通,：,Wb,电流密度,J A/m,2,磁通密度,B T=Wb/m,2,电动势,E/,电压,U V,磁动势,F/,磁位差,V A,电阻,磁阻,1/H,电导,S,磁导,H,KCL,定律,磁路节点定律,KVL,定律,磁路回路定律,电路欧姆定律,磁路欧姆定律,电路与磁路的对照,11,/39,相比电路，磁路分析的特点,1,、,由于导线相比周围的介质导电性能好得多，电流被束缚在导线中流动，而导磁材料通常比周围的介质导磁性能稍好，但饱和时两者接近，有时还需要有气隙，会有较多的磁场泄漏到周围介质中去，磁路分析较复杂。,2,、,磁性材料通常是非线性材料，磁路分析只能采用近似分析方法，难以精确计算。,3,、,磁性材料通常有剩磁，剩磁处理较为麻烦，造成计算与实际情况的差异。,4,、,磁路空间结构通常不是很规则，计算只能作近似处理。,12,/39,磁路的串联,串联磁路：,铁芯与气隙的串联磁路：,总磁阻：,磁回路：,磁动势：,磁通：,串联磁路截面积相同时,磁感应强度相同。,13,/39,磁路的并联,并联磁路：,两条并联磁路：,总磁阻：,磁回路：,磁动势：,磁通：,并联磁路磁路长度相同时,磁场强度相同。,14,/39,磁路的串并联,两条磁路并联再与一条磁路串联：,并联磁路：,磁回路：,磁动势：,总磁阻：,磁通：,磁位差：,15,/39,直流铁心线圈电路,直流铁心线圈：具有一定电阻的导电线圈。,稳态时，线圈的电压与电流符合欧姆定律：,或,16,/39,例,1,环形铁心线圈，铁心平均长度,39.2cm,，磁路中含有一段长度为,0.2cm,的气隙，铁心磁导率,0.0018H/m,，线圈电流,1A,，磁感应强度,0.9T,，求线圈匝数,N,。,17,/39,6.2,交流铁心线圈电路,电磁关系,交流铁心线圈：铁心磁通发生改变时会在线圈中产生感应电动势。,铁心线圈的磁通大部分经过铁心闭合称为主磁通，少部分通过周围空气闭合称为漏磁通，主磁通与对应的电流呈非线性关系，电感也是非线性的；而漏磁通经过的介质为空气，电流与漏磁通呈线性关系，电感是线性的。实际上主磁通与漏磁通难以区分。,电感：,18,/39,电压与电流的关系,铁心线圈,(,注意参考方向,),：,电磁感应定律：,当电压为正弦时，,其它物理量也近似为正弦量。,当忽略电阻,R,时：,19,/39,功率损耗,交流铁心线圈的损耗分为铜耗与铁耗，,P=P,铜,+P,铁,。,铜耗：导致线圈发热，由线圈的直流电阻产生的损耗。,铁耗：导致铁心发热，包括磁滞损耗、涡流损耗。,磁滞损耗：铁心材料磁滞产生的损耗，与磁滞回线的面积成正比，采用磁滞回线面积小的导磁材料或降低工作时的磁场强度以减少损耗。,涡流损耗：铁心材料中感应涡流产生的损耗，采用电阻率大的材料或将整块材料分割成小块（或片状）以减小损耗。,磁滞现象的利用：磁滞同步电机，启动特性好。,涡流线性的留用：涡流制动器，结构简单、成本低廉。,铁耗近似与磁感应强度的平方成正比。,20,/39,等效电路,铁心线圈,(,注意参考方向,),：,R,0,：铁耗等效电阻,X,+X,0,：线圈感抗,21,/39,例,2,交流铁心线圈，电源电压,220V,，电流,4A,，功率表读数,P=100W,，频率,50Hz,，线圈电阻与漏感忽略不计，求：铁心线圈的功率因数、铁心线圈的等效电阻与感抗。,22,/39,例,3,交流铁心线圈，电源电压,220V,，电流,3.4A,，功率表读数,P=100W,，线圈电阻,2.4,，求：铁心线圈的功率因数、铁耗等效电阻与线圈感抗。,23,/39,6.3,变压器,心式变压器,壳式变压器,24,/39,变压器的主要结构部件,副边：,负载侧,二次绕组,变压器铁心 磁路部分,原边：,电源侧,一次绕组,25,/39,变压器各电磁量的参考方向,-,-,-,26,/39,工作原理,原边绕组与副边绕组的电流除产生少量的漏磁通外，所产生的主磁通相互匝链（耦合）。,漏磁通的变化在原副边中各自产生漏感电动势。,主磁通的变化在原边与副边中产生感应电动势。,原边电压与原边的漏感电动势、主磁通感应电动势及铜线电阻电压、铁耗等效电阻电压形成平衡关系；,副边电压与副边的漏感电动势、主磁通感应电动势及铜线电阻电压、铁耗等效电阻电压形成平衡关系。,为了简化计算，常常将铁耗等效电阻忽略，或合并到铜耗电阻中去。,27,/39,电压变换,原边电压与原边的漏感电动势、主磁通感应电动势及铜线电阻电压形成平衡关系：,副边电压与副边的漏感电动势、主磁通感应电动势及铜线电阻电压形成平衡关系：,原边绕组与副边绕组的电流除产生少量的漏磁通外，所产生的主磁通相互匝链（耦合）,:,当原边电流在原边铜耗电阻与漏感上产生的电压较小时可忽略，以简化计算，则：,当副边开路时，副边电流为零，则：,28,/39,例,4,变压器,U,1,为,380V,，,N,1,为,760,匝，空载电压,U,20,为,127,、,U,30,为,36V,，求：,N,2,、,N,3,为多少匝。,29,/39,电流变换,当原边电流在原边铜耗电阻与漏感上产生的电压较小时可忽略，原边电压不变时主磁通几乎不变，则原边绕组与副边绕组的合成磁动势与副边开路时的空载磁动势几乎相同，即：,由于空载电流较小，为计算方便忽略空载电流，则：,额定容量：副边绕组额定电压与额定电流的乘积，即：,30,/39,例,5,变压器,U,1,为,380V,，,N,1,为,760,匝，空载电压,U,20,为,127,、,U,30,为,36V,，接电阻性负载，,I,2,为,2.14A,，,I,3,为,3A,，,求：,I,1,、,P,1,、,P,2,、,P,3,。,31,/39,阻抗变换,变压器除可以进行电压变换与电流变换外还可以进行阻抗变换，当副边外接阻抗器,Z,时，从原边观测有相应的阻抗,Z,，则：,阻抗变换常用于阻抗匹配的而进行的变换。,32,/39,例,6,交流信号源,E=120V,，内阻,R,0,=800,，负载电阻,R,L,=8,；,（,1,）当,R,1,折算到原边,R,1,等于,R,0,时，求：变压器变比,K,、信号源输出功率；（,2,）负载直接与信号源连接，求：信号源输出功率。,33,/39,变压器的外特性,由于变压器存在铜耗电阻、漏抗，当负载电流增加时，变压器副边输出电压会略有下降，且由于变压器本身呈现较强的感性，当负载功率因数降低（感性）时，副边输出电压下降会更多些。,变压器的电压稳定性采用空载至额定负载的输出电压的变化率来表征。,I,2,U,2,U,20,Cos,=1,Cos,=0.8,34,/39,变压器的损耗与效率,由于变压器存在铜耗、铁耗。,铜耗与负载大小有关：正比于电流平方；,而铁耗与负载大小基本无关（但与输入电压的大小有关）。,变压器的效率：,通常当负载率达到,50%70%,时，变压器的效率达到最大。,35,/39,例,7,三相变压器,S,N,=100KVA,，,U,1N,=6000V,，,U,2N,=U,20,=400V,，,f=50Hz,，,P,Fe,=600W,，,P,Cu,=2400W,，绕组,Y/Y,0,连接，,求,（,1,）,变压器的额定电流；（,2,）满载与半载时的效率。,36,/39,特殊变压器,自耦变压器,：副边输出绕组原边共用的变压器。,自耦变压器原副边不隔离。,调压变压器通常采用自耦变压器。,电流互感器,：变压器的另一种用途。,原边（匝数少）串入电路中，副边（匝数多）短路。,根据变压器的变流关系，短路电流较小。,电流互感器用于表征（测量）原边电流。,-,-,-,-,-,-,37,/39,变压器的极性,同极性端,：又称同名端，是指变压器的两个绕组感应出来的电动势极性相同的接线端。,原副边的同名端,：原副边的同名端其电动势的极性相同，而非同名端极性相反（差,180,度）。,绕组的串联,：同一个变压器两个绕组同名端与非同名端顺次同向串联，所产生的磁动势叠加，总匝数为两个绕组匝数之和，否则总匝数为两个绕组匝数之差。,38,/39,本章习题,6.2.7,、,6.2.8,6.3.3,、,6.3.9,、,6.3.10,、,6.3.11,39,/39,