【正文】 第 2 課時(shí)課題:電磁學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)目的和要求: 補(bǔ)充了解磁場(chǎng)的基本物理量以及鐵磁材料的性質(zhì)和磁路歐姆定律，掌握交流鐵心線圈電路中的電磁關(guān)系并了解其功率損耗情況。重點(diǎn)與難點(diǎn):掌握鐵磁材料的性質(zhì)、交流鐵心線圈電路中的電磁關(guān)系及其功率損耗。教學(xué)方法: 繪圖說(shuō)明，簡(jiǎn)單推正，結(jié)論分析，應(yīng)用介紹，案例教學(xué)。預(yù)復(fù)習(xí)任務(wù): 復(fù)習(xí)前期學(xué)的《電工技術(shù)基礎(chǔ)》相關(guān)知識(shí)。一、磁路的基本物理量磁場(chǎng)可由電流產(chǎn)生，用磁感線來(lái)描述。磁場(chǎng)的強(qiáng)弱可用磁感線的疏密程度來(lái)表示。磁感線可以看成是無(wú)頭無(wú)尾的閉合曲線。1)磁感線的回轉(zhuǎn)方向和電流方向之間的關(guān)系遵守右手螺旋法則。 2)磁感線總是閉合的，既無(wú)起點(diǎn)，也無(wú)終點(diǎn)。 3)磁場(chǎng)中的磁感線不會(huì)相交，因?yàn)榇艌?chǎng)中每一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向都是確定的、唯一的。 磁場(chǎng)中穿過(guò)某一截面積A的總磁線數(shù)稱為通過(guò)該面積的磁通量，簡(jiǎn)稱磁通Ф，單位WB。磁場(chǎng)中穿過(guò)某一截面積A的總磁線數(shù)稱為通過(guò)該面積的磁通量，簡(jiǎn)稱磁通Ф，單位WB。 當(dāng)線圈中通以電流后，大部分磁感線沿鐵心、銜鐵和工作氣隙構(gòu)成回路，這部分磁通稱為主磁通；還有一部分磁通，沒(méi)有經(jīng)過(guò)氣隙和銜鐵，而是經(jīng)空氣自成回路，這部分磁通稱為漏磁通。 磁通經(jīng)過(guò)的閉合路徑叫磁路。磁路和電路一樣，分為有分支磁路和無(wú)分支磁路兩種類型。2．磁感應(yīng)強(qiáng)度B 描述磁介質(zhì)中實(shí)際的磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量，是矢量，用B表示。均勻磁場(chǎng)中，若通過(guò)與磁感線垂直的某面積A的磁通為Ф，則 B = Ф/ A 所以磁感應(yīng)強(qiáng)度也稱磁通密度，單位T3．磁場(chǎng)強(qiáng)度H 是進(jìn)行磁場(chǎng)計(jì)算時(shí)引進(jìn)的一個(gè)物理量，電流產(chǎn)生磁場(chǎng)外，介質(zhì)被磁化后還會(huì)產(chǎn)生附加磁場(chǎng)。單位安每米。 H代表電流本身產(chǎn)生的磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，反映了電流的勵(lì)磁能力，大小只與該電流的大小成正比，與介質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)； B代表電流所產(chǎn)生的以及介質(zhì)被磁化所產(chǎn)生的總磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，其大小不僅與電流的大小有關(guān)，還與介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。4．磁導(dǎo)率μ磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之比，是衡量物質(zhì)導(dǎo)磁能力的物理量。μ = B / Hμ為導(dǎo)磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率。真空的磁導(dǎo)率為 。鐵磁材料的 ，例如鑄鋼的μ約為 的1000 倍，各種硅鋼片的μ約為 的6000～7000 倍。5．磁場(chǎng)儲(chǔ)能 磁場(chǎng)能夠儲(chǔ)存能量，這些能量是在磁場(chǎng)建立過(guò)程中由其他能源的能量轉(zhuǎn)換而來(lái)的。電機(jī)就是借助磁場(chǎng)儲(chǔ)能來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的。二、磁性材料的性質(zhì)1．高導(dǎo)磁性磁性物質(zhì)的內(nèi)部存在著很多很小的區(qū)域，稱為“磁疇”，磁化前，無(wú)外磁場(chǎng)的作用，雜亂無(wú)章地排列，磁場(chǎng)互相抵消，對(duì)外界不顯示磁性。若將鐵磁材料放入磁場(chǎng)，在外磁場(chǎng)的作用下，磁疇的軸線趨于一致，形成一個(gè)附加磁場(chǎng)，疊加在外磁場(chǎng)上，從而使合成磁場(chǎng)大為增強(qiáng)。變壓器和電機(jī)中的磁場(chǎng)是由通過(guò)線圈的電流來(lái)產(chǎn)生，這些線圈都是繞在磁性物質(zhì)（稱為鐵心）上的。采用鐵心后，在同樣的電流下，鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁通Ф將大為增加，且比鐵心外的B和Ф大很多，一方面可用較小的電流產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)，另一方面可使絕大部分磁通集中在由磁性材料限定的空間內(nèi)。2．磁飽和性如上圖中：oa段，外磁場(chǎng)H較弱，H的增加主要是與外磁場(chǎng)同方向的磁疇邊界增大的過(guò)程，B的增加緩慢；ab段，外磁場(chǎng)H較強(qiáng)，主要是磁疇沿外磁場(chǎng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程，B迅速增大；bc段，可隨外磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的磁疇越來(lái)越少，H的增加變慢，出現(xiàn)了磁飽和現(xiàn)象；cd段，類似于真空中的情況。3．磁滯性磁性材料都具有保留其磁性的傾向，B的變化總是滯后于H的變化，稱磁滯現(xiàn)象。當(dāng)H降為零時(shí)，保留的磁感應(yīng)強(qiáng)度Br稱為剩磁強(qiáng)度，永久磁鐵的磁性就是由Br產(chǎn)生的。三、磁路的歐姆定律正如電動(dòng)勢(shì)作用在一定電阻的電路上產(chǎn)生的電流遵循歐姆定律一樣，一定的磁動(dòng)勢(shì)作用在一定磁阻的磁路上可以產(chǎn)生磁通。磁通的大小同樣遵循磁路的歐姆定律。當(dāng)磁路中有空氣隙存在，磁路的磁阻Rm將顯著增加。四、鐵心損耗1．磁滯損耗Ph磁性材料被交變磁化時(shí)，磁疇之間相互摩擦，要消耗能量，對(duì)應(yīng)的功率損耗Ph = KhfBmαV式中α與材料的性質(zhì)有關(guān)，——，V為鐵心體積2．渦流損耗Pe磁性材料不僅是導(dǎo)磁材料，又是導(dǎo)電材料。在交變磁場(chǎng)作用下，鐵心是也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而在垂直于磁通方向的鐵心平面內(nèi)產(chǎn)生旋渦狀的感應(yīng)電流表，稱渦流。渦流在鐵心電阻上的功率損耗稱渦流損耗。Pe = Ked2f2Bm2V 式中d為鋼片厚度第 4 課時(shí)課題:變壓器的工作原理和結(jié)構(gòu)教學(xué)目的和要求: 變壓器的一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換或信號(hào)轉(zhuǎn)換的電磁機(jī)械裝置。要求根據(jù)電磁感應(yīng)原理掌握變壓器的工作原理、電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)、電力變壓器額定值的計(jì)算、了解電力變壓器的型號(hào)及主要系列。重點(diǎn)與難點(diǎn):重點(diǎn)是變壓器的工作原理、電力變壓器的額定值的計(jì)算。難點(diǎn)是變壓器的工作原理、電力變壓器的結(jié)構(gòu)。教學(xué)方法:以變壓器的廣泛應(yīng)用為切入點(diǎn)，以圖片和實(shí)物為依托，說(shuō)明其工作原理。繪圖說(shuō)明，簡(jiǎn)單推正，結(jié)論分析，應(yīng)用介紹。預(yù)復(fù)習(xí)任務(wù): 完成課后作業(yè)l 變壓器：是一種靜止的電氣設(shè)備。它是根據(jù)電磁感應(yīng)的原理，將某一等級(jí)的交流電壓和電流轉(zhuǎn)換成同頻率的另一等級(jí)電壓和電流的設(shè)備。l 作用：變換交流電壓、變換交流電流和變換阻抗。一、變壓器的基本工作原理變壓器是在一個(gè)閉合的鐵心磁路中，套上兩個(gè)相互獨(dú)立的、絕緣的繞組，這兩個(gè)繞組之間只有磁的耦合，沒(méi)有電的聯(lián)系，如圖11所示。一次繞組（也稱原繞組或初級(jí)繞組）：接交流電源；其匝數(shù)為N1；二次繞組（也稱副繞組或次級(jí)繞組）：接負(fù)載；其匝數(shù)為N2。當(dāng)在一次繞組中加上交流電壓u1時(shí)在一、二次繞組中其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值分別為 （11）二、變壓器的應(yīng)用與分類：變壓器能夠變換交變電壓、變換交變電流、變換阻抗。：l）電力變壓器：供輸配電系統(tǒng)中升壓或降壓用。2）特殊變壓器：如電爐變壓器、電焊變壓器和整流變壓器等。3）僅用互感器：如電壓互感器與電流互感器。4）試驗(yàn)變壓器：高壓試驗(yàn)用。5）控制用變壓器：控制線路中使用。6）調(diào)壓器：用來(lái)調(diào)節(jié)電壓。三、電力變壓器的基本結(jié)構(gòu)電力變壓器主要由鐵心、繞組、絕緣套管、油箱及附件等部分組成。以油浸式電力變壓器為例其基本結(jié)構(gòu)如圖1－2所示。鐵心是變壓器的磁路部分，是繞組的支撐骨架。鐵心由心柱和磁軛兩部分組成，表面涂有絕緣漆的熱軋硅鋼片或冷軋硅鋼片疊裝而成。繞組是變壓器的電路部分，常用絕緣銅線或鋁線繞制而成。工作電壓高的繞組稱為高壓繞組，工作電壓低的繞組稱為低壓統(tǒng)組。絕緣套管是變壓器繞組的引出裝置，將其裝在變壓器的油箱上，實(shí)現(xiàn)帶電的變壓器繞組引出線與接地的油箱之間的絕緣。油箱安裝變壓器的鐵心與繞組。變壓器油起絕緣和冷卻作用。電力變壓器附件還有安全氣道、測(cè)溫裝置、分接開(kāi)關(guān)、吸濕器與油表等。四、電力變壓器的額定值與主要系列(1)額定容量SN :指的是變壓器的視在功率，單位為VA或kVA。:SN=UN1IN1=UN2IN2 （1－2）:SN=UN1IN= UN2IN2 （1－3）(2)額定電壓U1N和U2NUN1為一次側(cè)繞組額定電壓，它是根據(jù)變壓器的絕緣強(qiáng)度和允許發(fā)熱條件而規(guī)定的一次繞組正常工作電壓值。UN2為二次繞組額定電壓，它是當(dāng)一次繞組加上額定電壓，二次繞組的空載電壓值。對(duì)于三相變壓器，額定電壓值指的是線電壓，單位為V或kV。(3)額定電流IN1和IN2 :額定電流是根據(jù)允許發(fā)熱條件所規(guī)定的繞組長(zhǎng)期允許通過(guò)的最大電流值，單位是A或KA。IN1是一次繞組的額定電流；IN2是二次繞組的額定電流。對(duì)于三相變壓器，額定電流是指線電流。(4)額定頻率f我國(guó)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)用電頻率為50HZ。2．電力變壓器的型號(hào)及主要系列 第 6 課時(shí)課題:單相變壓器的空載運(yùn)行教學(xué)目的和要求: 掌握單相變壓器的空載運(yùn)行特性。重點(diǎn)與難點(diǎn):重點(diǎn)是空載運(yùn)行時(shí)電動(dòng)勢(shì)平衡方程式,空載電流的作用。難點(diǎn)是變壓器空載運(yùn)行時(shí)的相量圖。教學(xué)方法:繪圖說(shuō)明，簡(jiǎn)單推正，結(jié)論分析。預(yù)復(fù)習(xí)任務(wù): 復(fù)習(xí)電工基礎(chǔ)相關(guān)知識(shí),題解正弦量的正方向的規(guī)定。變壓器的空載運(yùn)行是指變壓器的一次繞組接在額定電壓的交流電源上，而二次統(tǒng)組開(kāi)路時(shí)的工作情況，如圖14所示。一、空載運(yùn)行時(shí)各物理量正方向的規(guī)定正弦量的正方向通常規(guī)定如下：1）電源電壓正方向與其電流正方向采用關(guān)聯(lián)方向，即兩者正方向一致。2）繞組電流產(chǎn)生的磁通勢(shì)所建立的磁通，這二者的正方向符合右手螺旋定則。3）由交變磁通φ產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)，二者的正方向符合右手螺旋定則，即它的正方向與產(chǎn)生該磁通的電流正方向一致。由上述規(guī)定，在圖l4中標(biāo)出各電壓、電流、磁通、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的正方向如圖中所示。二、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與漏磁電動(dòng)勢(shì)若主磁通，φ=Φmsinωt，則一、二次繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值為：其有效值為：E1= (15)E2= (16) 相量表示為： （17） （18）變壓器一次繞組漏磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：=jωL1 =jX1三、變壓器空載運(yùn)行時(shí)的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式和電壓比一次繞組電動(dòng)勢(shì)平衡方程式： (1 9) (110)二次繞組的端電壓等于其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)： （111）變壓器一次繞組的匝數(shù)Nl與二次繞組匝數(shù)N2之比稱為變壓器的電壓比k，即 k=N1/N2=E1/E2≈U1/U2 (112)當(dāng)N2＞N1時(shí)，k＜1，則U2＞U1，為升壓變壓器；若N2＜N1，k＞1，則U2＜U1，為降壓變壓器。若改變電壓比k，即改變一次或二次繞組匝數(shù)，則可達(dá)到改變二次繞組輸出電壓時(shí)目的。四、空載電流和空載損耗變壓器空載運(yùn)行時(shí)，空載電流分解成兩部分：1．無(wú)功分量，用來(lái)建立磁場(chǎng)，起勵(lì)磁作用，其與主磁通同相位；2．有功分量，用來(lái)供給變壓器鐵心損耗，其相位超前主磁通約900。即五、變壓器空載運(yùn)行時(shí)的相量圖第 8 課時(shí)課題:單相變壓器的負(fù)載運(yùn)行教學(xué)目的和要求: 與空載運(yùn)行時(shí)相比較，掌握單相變壓器的負(fù)載運(yùn)行特性，強(qiáng)調(diào)變壓器的三個(gè)變換特性以及運(yùn)行特性。重點(diǎn)與難點(diǎn):重點(diǎn)是負(fù)載運(yùn)行時(shí)的磁通勢(shì)平衡方程式和電動(dòng)勢(shì)平衡方程式，變壓器的作用，電壓變化率。難點(diǎn)是負(fù)載運(yùn)行時(shí)的基本方程式，變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)的相量圖。教學(xué)方法:繪圖說(shuō)明，簡(jiǎn)單推正，結(jié)論分析。預(yù)復(fù)習(xí)任務(wù): 復(fù)習(xí)單相變壓器空載運(yùn)行時(shí)的特性，預(yù)習(xí)本節(jié)內(nèi)容，作比較分析。變壓器的負(fù)載運(yùn)行：是指變壓器在一次繞組加上額定正弦交流電壓，二次繞組接負(fù)載ZL的情況下的運(yùn)行狀態(tài)，如圖l6所示。一、負(fù)載運(yùn)行時(shí)的各物理量負(fù)載運(yùn)行時(shí)一、二次電流關(guān)系 (114)上式表明變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)，二次電流的變化同時(shí)引起一次電流的變化。二、變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)的基本方程式（1） 變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)磁通勢(shì)平衡方程式為 (115)（2） 電流平衡方程式為(116)忽略I10時(shí)，一、二次繞組電流有效值關(guān)系為I1=I2/k （117）二次繞組中漏磁電動(dòng)勢(shì)即： （118）(120)(119)負(fù)載運(yùn)行時(shí)的一、二次繞組的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式為(119)(120)(121)綜上所述，變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)的基本方程式有三、變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)的相量圖四、變壓器的作用通過(guò)對(duì)變壓器負(fù)載運(yùn)行的分析，可以清楚地看出變壓器具有變電壓、變電流、變阻抗的作用。U1/U2≈E1/E2=k=N1/N2I1/I2≈N2/N1=1/k(122)上式表明，經(jīng)變壓器把負(fù)載阻抗變換為。通過(guò)選擇合適的電壓比k，可把實(shí)際負(fù)載阻抗變換為所需的阻抗值，這就是變壓器的變換阻抗作用。五、變壓器的運(yùn)行特性變壓器運(yùn)行特性主要有：（1）外特性（2）效率特性。1. 變壓器的外特性和電壓變化率(1) 變壓器的外特性：是指在一次繞組加額定電壓，負(fù)載功率因數(shù)cosφ2為額定值時(shí)，二次繞組端電壓U2隨負(fù)載電流I2的變化關(guān)系，即U2=f(I2) 曲線，如圖l9所示。在純電阻負(fù)