电工学简明教程(秦曾煌)3

第3章磁路与电压器第3章磁路与变压器第3章磁路与电压器第3章磁路与变压器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电磁铁第3章磁路与电压器3.1磁路及其分析方法3.1.1磁场的基本物理量1．磁感应强度B——矢量单位：T均匀磁场——磁场内各点的B大小相等，方向相同。2．磁通——标量单位：Wb对于均匀磁场=B·S3．磁导率真空磁导率0=410–7H/m(亨/米)相对磁导率r=/0对于铁磁材料r=1021054．磁场强度H——矢量定义H=B/单位：A/m(安/米)第3章磁路与电压器3.1.2磁性材料的磁性能1．高导磁性在外磁场的作用下，磁性物质被强烈磁化而呈现出很强的磁性。Hm–HmBr–HCBH2．磁滞性B的变化落后于H。剩磁矫顽力第3章磁路与电压器3．磁饱和性H增加，B增加很小的现象。Hm–HmBrHCBHB-H-HbcBHaa、c段值大、过c点出现饱和3.1.2磁性材料的磁性能第3章磁路与电压器3.1.3磁路的分析方法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。I主磁通漏磁通铁心线圈磁路：磁通相对集中通过的路径。第3章磁路与电压器3.1.3磁路的分析方法1．磁通连续性原理：0dSSB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．安培环路定律：lIlHdI1I2I3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。321dIIIllH第3章磁路与电压器3．磁路的欧姆定律lNui–+根据lIlHd得Hl=NI磁通势：F=NI(单位：安)磁压降：HlmRFSlNIHllSSHSB磁路欧姆定律：mRF磁路为不同材料组成时)(2211HllHlHNI磁路磁阻：RmSlRm第3章磁路与电压器3.2交流铁心线圈电路1．感应电动势与磁通的关系Nuiee––+–++设：=msinttNeddtNedde=–Nmcost=Emsin(t–90)Em=Nm=2fNm=2fNBmS感应电动势的有效值：mmm44.4222NfNfEE第3章磁路与电压器2．外加电压与磁通的关系Nuiee––+–++u→Fm=iN→uR=iR(主磁通)→tNedd(漏磁通)→tNedd由KVL：u=iR–e–e因为R和e很小所以u–eU的有效值UE=4.44fNmU=4.44fNBmS第3章磁路与电压器3．功率损耗Nie–+u–+e–+(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)铁心损耗铁心损耗=磁滞损耗+涡流损耗(4)铜损耗线圈电阻产生的损耗PCu=I2R第3章磁路与电压器3.3变压器3.3.1变压器的工作原理1．变压器的分类按用途分：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。2．变压器的结构变压器铁心：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。第3章磁路与电压器变压器铁心：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心式变压器铁心线圈2．变压器的结构第3章磁路与电压器1N1i1一次绕组二次绕组3．变压器的工作原理u1–+e1–+e1–+N2e2u20SZLi2–++–tNedd11tNedd111tNedd22变压器符号U1U2u1u2第3章磁路与电压器u1→i1(i1N1)1→e1→e1i2(i2N2)→2→e23．变压器的工作原理e2S|Z|1N1N2i1e2u2e1u1e12i2–++––++–+–e2+–第3章磁路与电压器1N1N2••I0•E2•U20•E1•U1•E1•–+––+++–(1)电压变换变压器空载：01111IREEU11EUE1=4.44fN1m220EUE2=4.44fN2m21201EEUU21m2m12120144.444.4NNfNfNEEUU结论U1U20—–=–—=KN1N2—变比第3章磁路与电压器(2)电流变换SZLN1N2••I1E2•U2•E1•U1•E1••I2+–+–E2•+–+–+–+–+N1I1=N2I2•(I0小)结论产生主磁通的磁通势有效值I0=I1N(2.55)变压器接负载：012211INININ02211ININ2211ININKNNII11221第3章磁路与电压器(3)阻抗变换•I2KZL•U2•U1•I1Z0E•+––++–结论'ZL可利用变压器进行阻抗匹配1221212212221()NUUNNUNINIINLL1212UUZZII，LL212()NZZN第3章磁路与电压器4．变压器的铭牌数据(1)额定容量SN三相变压器SN=U1NI1N=U2NI2N单相变压器SN=U1NI1N=U2NI2N(2)额定电压U1N和U2NU2N应比满载运行时的输出电压U2高出5%10%。(3)额定电流I1N和I2N允许通过的最大电流。(4)额定频率fN第3章磁路与电压器[例1]有一台额定容量50kV·A、额定电压3300/220V的变压器，高压绕组为6000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9kW，cos=0.8时的二次侧端电压U2。[解](1)21N2N1NNUU40033002206000N1N212UUNN(2)A1.15A3300105031NNN1USII2N=KI1N=6000400×15.1A=226.5A(3)P=U2I2NcosPI2NcosU2=391032270.8=V=215V第3章磁路与电压器•I2KRL•U2•U1•I1R0E•+–+–+–[例2]如图所示，交流信号源E=120V，内阻R0=800，负载RL=8。(1)当RL折算到一次侧的等效电阻RL=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连接时，信号源输出多大功率？[解]'RL1088001LL21RRNN)(W5.4W8008008001202L2L0RRREP(2)W176.0W888001202L2L0RRREP第3章磁路与电压器3.3.2变压器的外特性0U2I2外特性U2=f(I2)电压变化率U20–U2U20U=100%U20I2N•I2KRL•U2•U1•I1RiUs•+–+–+–第3章磁路与电压器3.3.3变压器的损耗与效率1．损耗P=PCu+PFe铜损222211CuΔIRIRP铁损PFe与Bm有关2．效率%100%100FeCu2212PPPPPP=(9099)%第3章磁路与电压器3.3.4特殊变压器U1•N1N2ZL•U2++•U1•N1N2•U2ZLI1•I2•I++1．自耦变压器KNNUU2121KNNII1122121III第3章磁路与电压器2．电流互感器3.3.4特殊变压器KNNII11221N1N2负载A~i1i22121INNI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。第3章磁路与电压器3.3.5变压器绕组的极性1234ii12••同名端1．同名端感应电动势的同极性端++––e1e21234••第3章磁路与电压器2与3相连，两个1的方向相同u=–e1–e1+R1i+R1i=–2e1+2R1i2与4相连，两个1的方向相反u=–e1+e1+R1i+R1i=2R1i正确连接方法，u加在1、4端错误连接方法，u加在1、3端产生很大电流，不允许2．绕组的连接1234••ii11e1e1++––1234••ii11e1e1++––第3章磁路与电压器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。第3章磁路与电压器1．直流电磁铁→F↑B0↑结论：吸力变大！通入直流，无铁损，铁心用整块的铸钢、软钢。(1)电磁吸力0207810SBF(2)吸合前后的电磁吸力变化情况对电流U=IRU不变时，I不变磁通势Fm=IN=Um=Rm，也不变吸合前Rm=Rm0+Rm1后Rm=Rm1所以在吸合后↑S不变第3章磁路与电压器(1)平均电磁吸力铁心由硅钢片叠成；有分磁环。2．交流电磁铁02m71610SBF(2)吸合前后的电磁吸力—不变根据U=4.44fNm当U，f，N不变，m不变→Bm不变→吸力F不变。磁通势Fm=iN=Um=Rm前Rm=Rm0+Rm1后Rm=Rm1吸合所以在吸合过程中，吸力不变，励磁电流由大变小大→iN↑→有效值I大小→iN↓→有效值I小第3章磁路与电压器t，FF1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2短路铜环(3)分磁环结构第3章磁路与电压器[例1]把一台50Hz、380V的交流电磁铁接在50Hz、220V的交流电源上，会出现什么问题？怎样解决？[解]根据U4.44fNmUmF吸力不足减少N解决方法第3章磁路与电压器[例2]一台单相变压器，一次侧为两个绕组，额定电压均为110V，试问电源电压为220V时，如何连接？电源电压为110V时，如何连接？[解]电源电压为220V电源电压为110V1234••1234••+u1234••+u第3章磁路与电压器电磁铁应用一例M3~抱闸电磁铁制动轮弹簧第3章磁路与电压器M3~电磁铁应用一例M3~抱闸电磁铁制动轮弹簧