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1、第八章 铁心线圈与变压器,第一节 磁路的基本概念和定律,第二节 直流铁心线圈与直流电磁铁,第三节 交流铁心线圈与交流电磁铁,第四节 单相变压器,#,第八章 铁心线圈与变压器,本章介绍的基本物理量、基本定律以及磁性材料的磁性能。在此基础上重点讨论铁心线圈电路和变压器。,第一节 磁路的基本概念和定律,电动机、继电器、电磁铁及变压器等电器都是基于电磁耦合的原理工作的，我们已经学过了电路，现在再来研究磁路。,一、磁场的基本物理量,1.磁通,2.磁感应强度B,3.磁场强度H,4.导磁系数,#,8-1,一、磁场的基本物理量,垂直穿过某一面积S 的磁力线的总根数。韦伯wb,穿过单位面积的磁力线根数。特斯拉T
2、 wb/m2,磁场中某点的B 与该点的磁导率的比值。,1.磁通,2.磁感应强度B,3.磁场强度H,4.导磁系数,描述导磁能力大小的物理量。通常使用相对导磁系数,无量纲,真空导磁系数,第一节 磁路的基本概念和定律,安/米，A/m,A/cm,#,8-1,磁动势,第一节 磁路的基本概念和定律,二、磁路的基本定律,安培环路定律,磁路欧姆定律,与电路类似，磁路也有各种定律,安培环路定律,安培环路定律,安培环路定律,安培环路定律,安培环路定律,沿任一闭合路径，H 的线积分等于包围在这闭合路径内各电流的代数和,若磁场均匀则有,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律
3、,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,无分支磁路,平均长 l,线圈N 匝,I,N,磁通,导磁系 数,截面积S,根据,磁路欧姆定律,磁阻Rm,基尔霍夫定律,#,8-1,二、磁路的基本定律,安培环路定律,磁路欧姆定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,有分支磁路,I1,N1,I2,N2,1.磁路的基尔霍夫磁通定律,在节点A 处,A,1+2-3=0,2.磁路的基尔霍夫磁压降定律,任一闭合回路中均有：,或,磁压降的代数和等于磁动势的代数和,#,8-1
4、,H（I）,a,b,c,B,铁磁材料 B-H，-H 曲线,从曲线上能明显看出，不是常数,导磁性,工程上利用它来使,磁通尽量地约束在有限的范围内，提高电磁设备的利用率，一般使用B-H 曲线的ab 段。,磁滞,B的变化滞后于H 的变化 如曲线的oa 段,o,磁饱和,当H 达到一定程度，B 不再随H 而增加，此为磁饱和。如曲线的cs 段。,s,若对铁心线圈而言，磁饱和意为,当电流I 增加到一定程度，不再随之增加。,关于磁滞,祥看请点击,#,三、磁性材料的磁性能,8-1,几点说明：,磁阻Rm 的大小取决于磁路的尺寸和材料的磁导率。,很大，但不是常数，因此 也不是常数。所以磁 路欧姆定律不能用来进行定量
5、计算，只用做定性分析。通常磁路计算应用磁路基尔霍夫定律。,磁路和电路有相似之处，但却有本质的区别。,#,8-1,第二节,第二节 直流铁心线圈与直流电磁铁,一、直流铁心线圈（磁路计算略）,二、直流电磁铁,1.构成,铁心,铁心,线圈,线圈,衔铁,衔铁,2.工作原理,通电的铁心线圈对衔铁会产生吸力,请看通电演示,3.吸力,#,电磁铁应用？,8-2,直流电磁铁的特点,励磁电流是由励磁线圈的外加电压U 和线圈电阻R 决定的,2.无磁滞和涡流损耗，铁心可以使用整块的铸钢、软铁。,电流是恒定的，无感应电动势产生。,3.吸合后电磁力比吸合前大得多，但励磁电流不变。,（因磁动势 NI 不变，磁阻Rm B，所以吸
6、力F）,电流恒定，无感应电动势产生。无磁滞和涡流损耗，可使用整块铁心3.吸合后，励磁电流不变，F,#,8-2,第三节 交流铁心线圈与交流电磁铁,一、交流铁心线圈的损耗,P=PCU+Ph+Pe,总损耗,铜损,涡流损耗,铁损,磁滞损耗,铜损PCU,线圈电阻上的损耗,PCU=I 2R,磁滞损耗,其大小与铁心材料反复磁化后的磁滞回线面积成正比,涡流损耗,交变磁通穿过铁心时，铁心既导磁又导电，因铁心在交变磁通作用下产生感应电动势，从而在垂直于磁通方向的铁心平面内产生旋涡状的感应电流，叫涡流。涡流在铁心内电阻上产生的损耗称涡流损耗。,减小涡流损耗的办法,增大涡流通路的电阻即用薄的材料叠成铁心,减小磁滞损耗
7、的办法,铁心尽量采用软磁材料,#,8-3,二、电压平衡方程式,交流铁心线圈,大部分经铁心闭合,产生e,e,主磁通,少部分经空气闭合,产生eL,漏磁通,eL,u,线圈电阻上压降为 iR,根据KVL得：,或,电压平衡方程式,#,8-3,#,二、电压平衡方程式,有效值,或,重要结论,外加电压不变时，交流铁心线圈的铁心内主磁通最大值几乎是不变的。这是分析变压器和交流电动机时的重要概念。,注意,8-3,三、交流电磁铁,交流电磁铁也是一种电磁器件，结构形式与直流电磁铁类似。在工业部门应用极为广泛。如冶金工业中用于提放钢材的电磁吊车；夹持工件的电磁工作台；传递动力的电磁离合器；液压传动中的电磁阀；交流接触器
8、及接触器等。,铁心中的磁通是交变的，空气隙处的磁感应强度为：,吸力,#,8-3,三、交流电磁铁,瞬时值,有效值,显然 f 是交变的，存在过零值。会出现吸合不牢的现象。,通常在尾端留一切口，套上铜环（或称磁环），铜环产生的感应电流阻碍的变化，致使穿过铜环的与其它存在一相位差，结果产生两个相位不同的电磁吸力，平均后，不再有过零点。,见教材P156,1.吸力是交变的，铁心需加分磁环。,2.励磁电流吸合前大，吸合后减小。前后吸力不变,3.铁心和衔铁均由硅钢片叠成，为减小铁损。,#,8-3,交、直流电磁铁的特点,电流恒定，无感应电动势产生。无磁滞和涡流损耗，可使用整块铁心3.吸合后，励磁电流不变，F,#
9、,1.吸力是交变的，铁心需加分磁环。,2.励磁电流吸合前大，吸合后减小。前后吸力不变,3.铁心和衔铁均由硅钢片叠成，为减小铁损。,8-3,一、变压器的用途、构造和分类,变压器是基于电磁感应原理而制成的静止的电器设备,用途,变电压，变电流，变阻抗,构造,心式和壳式两种,心式变压器,壳式变压器,分类,单相，三相，多相；,升压，降压；,仪用电压、电流互感器；,焊接变压器，自藕变压器。,#,有两个绕组,也有两个绕组,第四节 单相变压器,8-4,二、变压器的工作原理,原边绕组N1,名词介绍,幅边绕组N2,一次绕组N1,二次绕组N2,一次侧,二次侧,均指电源侧,均指负载侧,什么是变压器任载运行？,什么是变
10、压器空载运行？,一次侧接电源二次侧负载开路,一次侧接电源 二次侧接负载,8-4,二、变压器的工作原理,变压器空载运行,I0,U1,U20,此时的变压器相当 于交流铁心线圈,变比,空载运行的结论：,原幅边电压之比等于原幅边匝数之比，等于常数k,这就是变压器的变电压作用,8-4,I0,U1,U20,由,可见，当电源电压U1合频率f不变时，E1和m也都近于常数。,也就是说，铁芯中主磁通的最大值在变压器空载或有负载时是差不多恒定的。因此，有负载时产生主磁通的一次、二次绕组的合成磁通势（N1i1+N2i2）应该和空载时产生主磁通的一次绕组的磁通势N1i0差不多相等。即：,变压器任载运行,U1,I1,U2
11、,I2,两边绕组中通过的磁通是相同的,只要U1不变，主磁通就不应该变，所以有：,磁动势平衡方程式,有载时原边磁动势 分为两部分,1.产生主磁通（励磁分量）I0,2.用来补偿I2N2（负载分量I2）,又称去磁,一般 I0 很小，小型变压器只有2 3%I1，大的不过10%，,当略去I0N1 后有：,变电流作用,任载运行结论：,变电流作用,任载后，电压比是否还等于变比 k?,变电压作用,还有一个作用是变阻抗,幅边 Z2,原边Z1,变阻抗作用,或,8-4,二、变压器的工作原理,空载运行结论：,任载运行结论：,变电流作用,变电压作用,变阻抗作用,或,总结,8-4,例题：某阻抗为8的扬声器，接于输出变压器
12、的副边，输出变压器的原边接电动势ES=10V，内阻RS=200的信号源。设输出变压器为理想变压器，其原副绕组的匝数为500/100，如图所示。试求（1）扬声器的等效阻抗R/和获得的功率；（2）扬声器直接接信号源所获得的功率。,解：（1）8电阻接变压器等效电阻为：获得的功率：,(2)若8扬声器直接接信号源（如图a所示），所获得的功率为：,1)变压器的型号,变压器的铭牌和技术数据,变压器的外特性和额定值,2.额定值,一般变压器的额定值在其名牌上给出。,额定电压,一次额定电压U1N,正常时一次绕组所加电压的有效值。,二次额定电压U2N,一次电压为U1N时，变压器空载时对应二次侧的空载电压有效值，即U
13、20=U2N,8-4,变压器的外特性和额定值,2.额定值,一般变压器的额定值在其名牌上给出。,额定电流,一次额定电流I1N,一次绕组加额定电压，正常工作时一次绕组允许长期通过的最大电流有效值。,二次额定电流I2N,一次绕组加额定电压，正常工作时二次绕组允许长期通过的最大电流有效值。,8-4,指二次侧的输出额定视在功率,即：,8-4,额定容量SN:传送功率的最大能力。,注意：变压器几个功率的关系(单相),容量 SN 输出功率 P2,一次侧输入功率 P1 输出功率 P2,额定频率,额定频率50HZ,三、变压器的外特性和额定值,1.外特性,电压保持不变，变压器任载后，由于一、二次侧均有电流通过，必然
14、在一次侧、二次侧内阻抗上产生电压降，从而使二次电压随负载电流增加变小。称,曲线,为变压器的外特性。,变压器外特性,电压调整率,满载时电压,空载电压,一般在5%以内,8-4,四、变压器的损耗和效率,变压器损耗 p 分铁损 pFe 和铜损 pCu,1.铁损,是交变的主磁通在铁心中产生磁滞损耗ph和涡流损耗pe之和,又称为固定损耗,2.铜损,又称为可变损耗,变压器一次侧、二次侧均有电阻，当有电流通过时，产生损耗,3.效率,一次侧输入功率p1，二次侧输出功率p2，效率为,p=pFe+pCu,小型变压器的效率为7085%，大型变压器效率可达98%,8-4,三相变压器三相变压器一般采用芯式结构，在“”形铁
15、芯的三个铁芯柱上，每个铁芯柱分别安放一相的原边和副边绕组，即对应相的原副边绕组放在同一铁芯柱上。,三相原副边绕组根据需要，进行适当的三相联结，星形或三角形联结；如图，三相原边绕组已接为星形，副边尚未联结；当原边输入为三相对称电压时，三相副边绕组输出的三相电压也一定为三相对称电压；原副边绕组的输出电压也取决于原副边绕组的匝数比。,变压器的原副边绕组的同名端 变压器三相绕组的星形、三角形接法不是随便进行的;在接入之前必须先标出变压器原副边绕组的同名端，再按一定的规定进行星形、三角形联结，否则，三相变压器不能正常工作甚至被损坏。,同一铁芯（相连同一磁通）的两个（或多个）原副绕组中，某一瞬时具有 相同
16、极性的出线端称为同名端。对于变压器的原副边绕组（三相变压器中取出其中一相），其原绕组与副绕组相连着同一个主磁通。当磁通交变时，都会在原副绕组中产生感生电动势，一个绕组的某一端点的电位为正时，另一绕组的两个端点必然有一个端点的电位也是正的。这两个相应得同极性电位端即为同名端。,绕组的同名端取决于绕组的绕向，三相变压器或多绕组的单相变压器的出线端，一般都*标出同名端。变压器绕组的同名端可以通过实验的方法测得。一般三相变压器中，以A、B、C和a、b、c分别表示原副绕组的首端，X、Y、Z和x、y、z分别表示原副绕组的尾端，即A和a、B和b、C和c互为同名端，同理，X和x、Y和y、Z和z也互为同名端。,
17、同名端的实验判别方法,交流测定法 接线如图（a）所示，当一侧绕组加上交流电压时（通常加在高压侧）。,若电压表中的读数高于所加的电压，则该读数为两个绕组中的感应电势之和，说明两个绕组为正向串联，即被连接的两端为异名端；若电压表的读数低于所加的电压，则为两个绕组中的感应电动势之差，即被连接的两端为同名端。,直流测定法的接线图,接线如图（b）所示，一侧绕组接直流电源（通常在低压侧）；若开关S合上瞬间，另一侧所接的直流毫安表的指针正偏，则与电流表正极的连接端与另一绕组中与电源正极的连接端为同名端。若指针反偏，则该端的为异名端。,三相变压器的连接组别,三相变压器以及三相组合变压器，由于首尾端的标志不同和
18、原副绕组星形、三角形接法的不同，使得三相变压器原副边对于相产生各种不同的相位差，形成了三相变压器的各种不同连接组别，分别以相应的符号表示。比如Y/Y-12、Y/-11、Y0/-11连接等，是船舶三相变压器常用的连接组别。,星形连接,三角形连接,带中线星形连接,12表示副边电压与原边电压同相位11表示副边电压滞后原边电压30度相位角。,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：一次、二次侧千万不能对调使用，以防变压器损坏。因为N变小时，磁通增大，电流会迅速增加。,特殊变压器,1.自耦变压器,二次侧不能短路，以防产生过流；2.铁心、低压绕组的一
19、端接地，以防在绝缘损坏时，在二次侧出现高压。,使用注意事项：,被测电压=电压表读数 N1/N2,2.电压互感器,实现用低量程的电压表测量高电压,被测电流=电流表读数 N2/N1,二次侧不能开路，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，在二次侧出现过压。,使用注意事项：,3.电流互感器,实现用低量程的电流表测量大电流,第八章结束,课后练习,第八章习题解答,铁心,线圈,衔铁,直流电磁铁通电演示,返回,衔铁的吸合应是瞬间完成,#,通电演示,铁心,线圈,衔铁,关于磁滞,当外电场H 值作正负变化使铁磁材料反复磁化过程中，B 的变化总是落后于H 的变化。铁磁材料反复磁化后，得到近似对称原点的闭合曲线，叫磁滞回线。,不同的磁性材料，其磁滞回线形状不同,H,B,软磁材料,硬磁材料,#,返回,返回,返回,返回,箱式变压器-简称：箱变,
