交流鐵心和線圈電路

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1、磁 路 、 交 流 鐵 心 和 線 圈 電 路 教 學 目 的 ： 讓 學 生 熟 悉 磁 場 的 基 本 物 理 量 的 含義 及 磁 性 材 料 的 性 能 ； 了 解 磁 路 的 概 念 ； 學 會分 析 鐵 心 線 圈 電 路 的 電 磁 關(guān) 系 。 教 學 安 排 ：(1)舊 課 復 習 （ 5分 鐘 ）(2)新 課 講 解 （ 80分 鐘 ）(3)新 課 小 結(jié) （ 5分 鐘 ） 作 業(yè) ： 課 本 習 題 第 七 章 磁 路 與 變 壓 器 7.1 磁 路 7.2 變 壓 器 的 工 作 原 理 7.3 變 壓 器 的 使 用 7.4 特 殊 變 壓 器 簡 介 磁 路 ： 主

2、磁 通 所 經(jīng) 過 的 閉 合 路 徑 。1u 2ui s 7.1 磁 路7.1.1. 磁 路 的 基 本 概 念 線 圈 通 入 電 流 后 ， 產(chǎn)生 磁 通 ， 分 主 磁 通 和 漏磁 通 。 s ： 主 磁 通： 漏 磁 通鐵 心（ 導 磁 性 能 好 的 磁 性 材 料 ）線 圈 7.1.2 磁 路 計 算 中 的 基 本 物 理 量一 、 磁 感 應(yīng) 強 度 （ 磁 通 密 度 ）與 磁 場 方 向 相 垂 直 的 單 位 面 積 上 通 過 的 磁 通 （ 磁力 線 ） SB 單 位 ： 韋 伯1 Tesla = 104 高 斯B 的 單 位 ： 特 斯 拉 （ Tesla） 二

3、 、 磁 導 率 ： 表 征 各 種 材 料 導 磁 能 力 的 物 理 量（ 亨 /米 ）70 104 真 空 中 的 磁 導 率 ( )為 常 數(shù)0一 般 材 料 的 磁 導 率 和 真 空 中 的 磁 導 率 之 比 ，稱 為 這 種 材 料 的 相 對 磁 導 率 r0 r 1r ， 則 稱 為 磁 性 材 料1r ， 則 稱 為 非 磁 性 材 料 磁 性 材 料 的 磁 性 能 ： 1. 非 線 性 大小B H)( (I) 2. 磁 飽 和 性 HB B H 3. 磁 滯 性 根 據(jù) 磁 性 能 ， 磁 性 材 料 又 可 分 為 三 種 ： 軟 磁 材 料（ 磁 滯 回 線 窄

4、長 。 常 用 做 磁 頭 、 磁 心 等 ） 、 永 磁 材 料（ 磁 滯 回 線 寬 。 常 用 做 永 久 磁 鐵 ） 、 矩 磁 材 料 （ 滯 回 線 接 近 矩 形 。 可 用 做 記 憶 元 件 ） 。 三 、 磁 場 強 度 H 磁 場 強 度 是 計 算 磁 場 所 用 的 物 理 量 ， 其 大 小 為 磁感 應(yīng) 強 度 和 導 磁 率 之 比 。BH 單 位 ： B ： 特 斯 拉： 亨 /米 H ： 安 /米 一 . 安 培 環(huán) 路 定 律 （ 全 電 流 律 ） ：7.1.3 磁 路 的 基 本 定 律 磁 場 中 任 何 閉 合 回 路 磁 場 強 度 的 線 積

5、分 ,等 于通 過 這 個 閉 合 路 徑 內(nèi) 電 流 的 代 數(shù) 和 . HI1 I2 I3 IldH 電 流 方 向 和 磁 場 強 度 的 方 向符 合 右 手 定 則 ， 電 流 取 正 ；否 則 取 負 。 HLNI 在 無 分 支 的 均 勻 磁 路 （ 磁 路 的 材 料 和 截 面 積 相 同 ，各 處 的 磁 場 強 度 相 等 ） 中 ， 安 培 環(huán) 路 定 律 可 寫 成 ：磁 路長 度 L線 圈匝 數(shù) NIHL： 稱 為 磁 壓 降 。NI： 稱 為 磁 動 勢 。 一 般 用 F 表 示 。F=NI HLNI總 磁 動 勢 在 非 均 勻 磁 路 （ 磁 路 的 材

6、料 或 截 面 積 不 同 ， 或 磁 場強 度 不 等 ） 中 ， 總 磁 動 勢 等 于 各 段 磁 壓 降 之 和 。 00lHIHNI 例 ： I N l0l 對 于 均 勻 磁 路 LSLBHLNI 磁 路 中 的歐 姆 定 律二 . 磁 路 的 歐 姆 定 律 ：則 ： mRLSNIF I N SL注 ： 由 于 磁 性 材 料 是 非 線 性 的 ， 磁 路 歐 姆 定 律 多 用 作 定 性 分 析 ， 不 做 定 量 計 算 。slRm 令 ： Rm 稱 為 磁 阻 磁 路 和 電 路 的 比 較 （ 一 ）磁路電路 磁 通I N R+ _ EI 磁 壓 降HL磁 動 勢IN

7、F 電 動 勢 電 流 電 壓 降UE IU 基 本 定 律mRF 磁 阻 SlRm 磁 感 應(yīng)強 度 SB 安 培 環(huán) 路定 律 HLNI 0磁 路I N 歐 姆 定 律 電 阻 電 流強 度 克 氏電 壓 定 律 克 氏電 流 定 律0 I UEREI SlR SIJ磁 路 與 電 路 的 比 較 (二 )電 路 R+_EI 勵 磁 電 流 ： 在 磁 路 中 用 來 產(chǎn) 生 磁 通 的 電 流勵 磁 電 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

8、流 磁 路 的 特 點 :直 流 磁 路 和 電 路 中 的 恒 壓 源 類 似直 流 電 路 中 REI E 固 定I 隨 R 變 化mR隨 變 化 直 流 磁 路 中mRF F 固 定 U 一 定 I 一 定磁 動 勢 F=IN 一 定 )( mRF 磁 通 和 磁 通 成 反 比（ 線 圈 中 沒 有 反 電 動 勢 ）（ R 為 線 圈 的 電 阻 ） 電 路 方 程 ： dtdNRi eeuu lR )()( 一 般 情 況 下 很 小 Ru dtdNu 交 流 激 勵 線 圈 中 產(chǎn) 生 感 應(yīng) 電 勢二 . 交 流 磁 路 的 分 析 ： 主 磁 通： 漏 磁 通u Leei 的

9、 感 應(yīng) 電 勢 和 產(chǎn) 生 假 設(shè) tm sin則 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 時 磁 動 勢 IN隨 磁 阻 的 變 化 而 變 化 。mR當 外 加 電 壓 U、 頻 率 f 與線 圈 匝 數(shù) N一 定 時 ， 便確 定 下 來 。 根 據(jù) 磁 路 歐 姆定 律 ， 當 m 交 流 磁 路 的 特 點 :交 流 磁 路 和 電 路 中 的 恒 流 源 類 似直 流 磁 路 中 ： mRF 固 定 mRF隨 變 化直 流 電 路 中

10、： RIU S IS固 定 U 隨 R 變 化 交 流 磁 路 中 磁 阻 對 電 流 的 影 響mR電 磁 鐵 吸 合 過 程 的 分 析 ： 在 吸 合 過 程 中 若 外 加 電 壓不 變 , 則 基 本 不 變 。 iu mRmRIN 電 磁 鐵 吸 合 前 (氣 隙 大 ） 大 起 動 電 流 大 電 磁 鐵 吸 合 后 (氣 隙 小 ） 小 電 流 小mR 如 果 氣 隙 中 有 異 物 卡 住 ， 電 磁 鐵 長 時 間 吸 不 上 ， 線圈 中 的 電 流 一 直 很 大 ， 將 會 導 致 過 熱 ， 把 線 圈 燒 壞 。 注 意 ： RUI (U不 變 ， I不 變 ）

11、mRIN mRIN ( I 隨 Rm 變 化 ）fNUm 44.4 m（ U不 變 時 ， 基 本 不 變 ） 直 流 磁 路交 流 磁 路 磁 路 小 結(jié) （ 隨 Rm 變 化 ） 變 壓 器 的 原 理 和 應(yīng) 用 教 學 目 的 ： 讓 學 生 掌 握 變 壓 器 的 變 壓 、變 流 、 變 阻 抗 的 原 理 和 應(yīng) 用 ； 了 解 自 耦變 壓 器 的 作 用 和 注 意 事 項 。 教 學 安 排 ：(1)舊 課 復 習 （ 5分 鐘 ）(2)新 課 講 解 （ 80分 鐘 ）(3)新 課 小 結(jié) （ 5分 鐘 ） 作 業(yè) ： 課 本 習 題 變 壓 器 功 能 ：變 電 壓 ：

12、 電 力 系 統(tǒng) 變 阻 抗 ： 電 子 電 路 中 的 阻 抗 匹 配 （ 如 喇 叭 的 輸 出 變 壓 器 ） 變 電 流 ： 電 流 互 感 器 7.2 變 壓 器 的 工 作 原 理 發(fā) 電 廠1.05萬 伏 輸 電 線22萬 伏升 壓 變 電 站1萬 伏降 壓 變 壓 器 應(yīng) 用 舉 例 降 壓實 驗 室380 / 220伏降 壓 儀 器36伏降 壓 單 相 變 壓 器1u 2u LR1i 2i7.2.1 變 壓 器 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 和 工 作 原 理 鐵 芯原 邊繞 組 副 邊繞 組一 . 結(jié) 構(gòu) ： 1u 2u LR1i 2i 1u 1i 2u 2i LR變 壓 器 符 號

13、 ： 2211 iu iu 工 作 過 程 ： 空 載 運 行 ： 原 邊 接 入 電 源 ， 副 邊 開 路 。接 上 交 流 電 源 1u 原 邊 電 流 i1等 于 勵 磁 電 流 i10 dtdNedtdNe 2211 產(chǎn) 生 感 應(yīng) 電 動 勢 二 . 工 作 原 理 1u 2e1i 1e 1N 2N i10 產(chǎn) 生 磁 通 （ 交 變 ）（ 方 向 符 合 右 手 定 則 ）、e 結(jié) 論 ： 改 變 匝 數(shù) 比 ， 就 能 改 變 輸 出 電 壓 。KNNEEUU 212121 K為 變 比10i1u 20u2i1e 2e原 、 副 邊 電 壓 關(guān) 系 mmNfE NfE 22 1

14、1 44.444.4根 據(jù) 交 流 磁 路 的 分 析可 得 ： 202 uu 02 i 時 （ 變 電 壓 ） 負 載 運 行 1u 2e1i 1e 1N 2N Z2i 副 邊 帶 負 載 后 對 磁 路 的影 響 ： 在 副 邊 感 應(yīng) 電 壓 的作 用 下 ， 副 邊 線 圈 中 有 了電 流 i2 。 此 電 流 在 磁 路 中也 會 產(chǎn) 生 磁 通 ， 從 而 影 響 原 邊 電 流 i1。 但 當 外 加 電 壓 、頻 率 不 變 時 ， 鐵 芯 中 主 磁 通 的 最 大 值 在 變 壓 器 空 載 或有 負 載 時 基 本 不 變 。 帶 負 載 后 磁 動勢 的 平 衡 關(guān)

15、系 為 ： )44.4( 11 mNfU NiNiNi 102211 KNNII 11221 結(jié) 論 ： 原 、 副 邊 電 流 與 匝 數(shù) 成 反 比 1102211 NiNiNi 由 于 變 壓 器 鐵 芯 材 料 的 導 磁 率 高 、 空 載 勵 磁 電 流 很 小 ， 可 忽 略 。 即 ： 02211 NINI )(10i 原 、 副 邊 電 流 關(guān) 系 （ 變 電 流 ） 2211 NINI （ 變 阻 抗 ）1i1u 2u 2i LR1N 2N原 、 副 邊 阻 抗 關(guān) 系 LL RKR 2 22IURL 從 原 邊 等 效 ： 22222 211 KRKIUKIKUIUR L

16、L 結(jié) 論 ： 變 壓 器 原 邊 的 等 效 負 載 ， 為 副 邊 所 帶 負 載 乘 以 變 比 的 平 方 。 阻 抗 變 換 舉 例 ： 揚 聲 器 上 如 何 得 到 最 大 輸 出 功 率i1uRs RL信 號 源設(shè) ： 信 號 電 壓 的 有 效 值 :U1= 50V;信 號 內(nèi) 阻 ： Rs=100 ;負 載 為 揚 聲 器 ， 其 等 效 電 阻 ： RL=8。求 ： 負 載 上 得 到 的 功 率解 ： （ 1） 將 負 載 直 接 接 到 信 號 源 上 ， 得 到 的 輸 出 功 率 為 ： W)(7.1810850 22 LLS RRR UpL 1i1u 2u 2i

17、 LR1N 2NRs（ 2） 將 負 載 通 過 變 壓 器 接 到 信 號 源 上 。輸 出 功 率 為 ： W25.6989810050 22 L LSL RRR Up 設(shè) 變 比 1:5.321 NNK 9885.3 2LR則 ：結(jié) 論 ： 由 此 例 可 見 加 入 變 壓 器 以 后 ， 輸 出 功 率 提 高 了 很 多 。 原 因 是 滿 足 了 電 路 中 獲 得 最 大 輸 出 的 條 件 （ 信 號 源 內(nèi) 、 外 阻 抗 差 不 多 相 等 ） 。 額 定 電 壓 變 壓 器 副 邊 開 路 （ 空 載 ） 時 ， 原 、 副 邊 繞 組 允 許 的 電 壓 值 。 NN

18、 UU 21 、 額 定 電 流 變 壓 器 滿 載 運 行 時 ， 原 、 副 邊 繞 組 允 許 的 電 流 值 。NN II 21 額 定 容 量 傳 送 功 率 的 最 大 能 力 。 NS NNNNN IUIUS 2211 （ 理 想 ） 7.3.1 變 壓 器 的 銘 牌 數(shù) 據(jù) （ 以 單 相 變 壓 器 為 例 ） 7.3 變 壓 器 的 使 用 容 量 SN 輸 出 功 率 P2 原 邊 輸 入 功 率 P1 輸 出 功 率 P2注 意 ： 變 壓 器 幾 個 功 率 的 關(guān) 系 效 率變 壓 器 功率 因 數(shù)NNN IUS 11 容 量 ： 21 PP 原 邊 輸 入 功

19、率 ： cos222 IUP 輸 出 功 率 ： 7.3.2 變 壓 器 的 效 率 () 為 防 止 渦 流 損 失 ， 鐵 芯一 般 由 一 片 片 導 磁 材 料疊 合 而 成 。變 壓 器 的 損 耗 包 括 兩 部 分 ：銅 損 (PCU) ： 繞 組 導 線 電 阻 所 致 。磁 滯 損 失 ： 磁 滯 現(xiàn) 象 引 起 鐵 芯 發(fā) 熱 ， 造 成 的 損 失 。渦 流 損 失 ： 交 變 磁 通 在 鐵 芯 中 產(chǎn) 生 的 感 應(yīng) 電 流 （ 渦 流 ） ， 造 成 的 損 失 。鐵 損 ( )：PFE 1112 P PPPPP FECU 7.3.3 變 壓 器 的 外 特 性副

20、邊 輸 出 電 壓 和 輸 出 電 流 的 關(guān) 系 。 即 ：)( 22 IfU U2 I2U20 U20： 原 邊 加 額 定 電 壓 、副 邊 開 路 時 ， 副 邊 的 輸出 電 壓 。一 般 供 電 系 統(tǒng) 希 望 要 硬 特 性 （ 隨 I 2的 變 化 ， U2 變 化 不 多 ） 當 電 流 流 入 兩 個 線 圈 (或 流 出 ） 時 ， 若 產(chǎn) 生 的 磁 通 方向 相 同 ， 則 兩 個 流 入 端 稱 為 同 極 性 端 （ 同 名 端 ） 。 或 者說 ， 當 鐵 芯 中 磁 通 變 化 （ 增 大 或 減 小 ） 時 ， 在 兩 線 圈 中產(chǎn) 生 的 感 應(yīng) 電 動

21、勢 極 性 相 同 的 兩 端 為 同 極 性 端 。同 極 性 端 (同 名 端 )AXax *7.3.4 變 壓 器 繞 組 極 性 及 連 接 方 法AXax * 電 器 使 用 時 兩 種 電 壓 （ 220V/110V） 的 切 換 ：220V： 聯(lián) 結(jié) 2 3110V： 聯(lián) 結(jié) 1 3， 2 4線 圈 的 接 法1324 * 220V： 聯(lián) 結(jié) 2 3 mNfU )2(44.4220 勵 磁 mNi 210 NfU m 244.4 220 兩 種 接 法 下 線 圈 工 作 情 況 的 分 析*1324 NN 10i220U 110V： 聯(lián) 結(jié) 1 3， 2 4 NfUm 244.

22、4 220 mNfU )(44.4110 NfUm 44.4 110 1,32,4220V： 聯(lián) 結(jié) 2 31324 *110U10i說 明 ： 兩 種 接 法 下 不 變 ， 所 以 鐵 芯 磁 路 的 設(shè) 計 相 同 m 勵 磁 mNi 10 問 題 1： 在 110V 情 況 下 ， 如 果 只 用 一 個 繞 組 （ N） ， 行 不 行 ？答 ： 不 行 （ 兩 繞 組 必 須 并 繞 ） 原 邊 有 兩 個 相 同 繞 組 的 電 源 變 壓 器 （ 220 / 110） ，使 用 中 應(yīng) 注 意 的 問 題 ：*1324 NN220i220U 1,32,4 110i N若 兩 種

23、 接 法 鐵 芯 中 的 磁 通 相 等 ， 則 ： Ni 2 220 Ni 110 21110220 ii 問 題 2： 如 果 兩 繞 組 的 極 性 端 接 錯 ， 結(jié) 果 如 何 ？結(jié) 論 ： 在 極 性 不 明 確 時 ， 一 定 要 先 測 定 極 性 再 通 電 。答 ： 有 可 能 燒 毀 變 壓 器 兩 個 線 圈 中 的 磁 通 抵 消燒 毀感 應(yīng) 電 勢 0e電 流 很 大 11 Rui 11 11 eRiu 原 因 ：*1324 NN10i220U 方 法 一 ： 交 流 法 AX axu同 極 性 端 的 測 定 方 法若 說 明 A 與 a 或 X 與 x 為 同

24、極 性 端 。 axAXAa UUU 把 兩 個 線 圈 的 任 意 兩 端 (X - x)連接 ,然 后 在 AX 上 加 一 小 電 壓 u 。AaaxAX UUU 、測 量 ： axAXAa UUU 若 說 明 A 與 x 或 X 與 a 是 同 極 性 端 ；結(jié) 論 ： 方 法 二 ： 直 流 法 mA表+_ AX axK +- *AXax+_ K 2e 設(shè) K閉 合 時 增 加 。 感 應(yīng) 電 動 勢 的 方 向 ，阻 止 的 增 加 。如 果 當 K 閉 合 時 ， mA 表 正偏 ， 則 A a 為 同 極 性 端 ;如 果 當 K 閉 合 時 ， mA 表 反偏 ， 則 A x

25、 為 同 極 性 端結(jié) 論 ： 變 壓 器 設(shè) 計 中 的 一 些 概 念 (1) 11IUSN 1U 一 定額 定 容 量 定 鐵 芯 窗 口定 導 線 直 徑1I定定 mN1UIS mfNU 11 44.4 則 （ 銅 多 、 鐵 少 ）mN 則 （ 銅 少 、 鐵 多 ）mN( , 一 定 時 , )SB B S 在 同 樣 變 比 情 況 下 ， 匝 數(shù) 多 好 ， 還 是 少 好 ？mfNU 11 44.4 m（ 省 銅 ）N（ 費 鐵 ）截 面 積 A AB 變 壓 器 設(shè) 計 中 的 一 些 概 念 (2) 7.4.1 自 耦 變 壓 器KNNII KNNUU 11221 212

26、1 AB P1u 2u1i 2i LR1N 2N 7.4 特 殊 變 壓 器 簡 介 使 用 時 ， 改 變 滑 動 端 的 位 置 ， 便 可 得 到 不 同 的輸 出 電 壓 。 實 驗 室 中 用 的 調(diào) 壓 器 就 是 根 據(jù) 此 原 理制 作 的 。 注 意 ： 原 、 副 邊 千 萬 不 能 對 調(diào) 使 用 ， 以防 變 壓 器 損 壞 。 因 為 N變 小 時 ， 磁 通 增 大 ， 電 流會 迅 速 增 加 。 7.4.2 電 壓 互 感 器 ： 用 低 量 程 的 電 壓 表 測 高 電 壓1. 副 邊 不 能 短 路 ， 以 防 產(chǎn) 生 過 流 ；2. 鐵 心 、 低 壓

27、繞 組 的 一 端 接 地 ， 以 防 在 絕 緣 損 時 ， 在 副 邊 出 現(xiàn) 高 壓 。使 用 注 意 ： V R N1（ 匝 數(shù) 多 ） 保 險 絲 N2（ 匝 數(shù) 少 ）u（ 被 測 電 壓 ） 電 壓 表被 測 電 壓 =電 壓 表 讀 數(shù) N1/N2 7.4.3 電 流 互 感 器 ： 用 低 量 程 的 電 流 表 測 大 電 流（ 被 測 電 流 ）N1（ 匝 數(shù) 少 ）N2（ 匝 數(shù) 多 ） A Ri1 i2 電 流 表被 測 電 流 =電 流 表 讀 數(shù) N 2/N11. 副 邊 不 能 開 路 ， 以 防 產(chǎn) 生 高 電 壓 ；2. 鐵 心 、 低 壓 繞 組 的 一 端 接 地 ， 以 防 在 絕 緣 損 壞 時 ， 在 副 邊 出 現(xiàn) 過 壓 。 使 用 注 意 事 項 ：