2014.10.25金勛非電氣專業人員光伏、風電發電培訓課件（二）電路基礎2

聲明：本課件數據內容95%來自互聯網信息，不能做為科研、論文、工作的依據。僅供參考。九江分布式能源站/531總目錄第一章電工基礎

第一節電的基本概念第二節電路第三節直流電路第四節電與磁第五節單相交流電路第六節三相交流電路第七節正弦交流電路中的諧振第二章電子電路第三章光伏發電第四章風力發電第五章配電裝置（巡視、異常、事故、維護）第六章廠用電系統（低壓五線制系統）/532第七章

電氣主接線的形式和電力系統簡介第八章

直流系統及交流不間斷電源UPS電氣運行行的特點和任務要求電氣主設備結構及運行維護第一電動機第一節變壓器第二篇電氣設備倒閘操作第三篇電氣工作票第五章發電機同期并列裝置第六章其他設備

化學變頻器/533第五篇繼電保護及自動裝置第一章電動機保護第二章廠用變壓器保護第三章

發變組保護第四章110kV母線保護第五章110kV線路微機保護第六章自動裝置第七章ECS和NCS系統第七篇電氣運行、檢修規程解析/534第四節電與磁電和磁是相互聯系不可分割的兩個基本現象，幾乎所有電氣設備的工作原理都與電和磁有密切的關系。

根據相對磁導率μr值的不同，自然界的物質大致可分為兩大類：

1、非磁性物質

如空氣、塑料、銅、鋁、橡膠等。這些物質的導磁能力很差，磁導率均與真空的磁導率非常接近。非磁性物質的磁導率可認為是常量。

如鐵、鎳、鈷、鋼及其合金等。這些物質的導磁能力非常強，其磁導率一般為真空的幾百、幾千乃至幾萬、幾十萬倍。

如鑄鐵，其相對磁導率μr≈200～400；鑄鋼的相對磁導率μr≈500～2200；硅鋼的μr≈7000~10000。顯然，鐵磁物質的磁導率不是常量，而是一個范圍，即隨外部條件變化。2、鐵磁性物質一、導磁材料及特性/535鐵磁材料內部往往有相鄰的幾百個分子電流圈流向一致，這些分子電流產生的磁場疊加起來，就形成了一個個天然的小磁性區域—磁疇。

不同鐵磁物質內部磁疇的數量不同。通常情況下，鐵磁材料內部的磁疇排列雜亂無章，其磁性相互抵消，因此對外不顯示磁性。

鐵磁材料之所以具有高導磁性。是因為在其內部具有一種特殊的物質結構—磁疇。這些磁疇相當于一個個小磁鐵。顯然，磁疇是由分子電流產生的。

有外磁場作用時磁疇在外界磁場的作用下，均發生歸順性轉向，使得鐵磁材料內部形成一個很強的附加磁場。

3、

鐵磁物質的磁性能/536磁路的主要部分是由高導磁材料構成，使得磁通被限制在磁路內部，這就像電流被限制在電路中一樣，可以用類似于電路分析方法來建立磁路分析方法。

由于變壓器和電機的鐵心多是由高導磁材料構成的，因此磁路方法可用作分析變壓器和電機的重要工具。簡單磁路4、磁路名詞：磁場強度-H=NI/LL有效磁路長度。

磁感應強度-B＝μHμ-導磁率：導磁材料的相對磁導率。/537磁滯回線中H為零時B并不為零的現象說明鐵磁材料具有剩磁性。BH0cba起始磁化曲線oa段是線性段ab段是上升段bc段是磁化曲線的膝部C點以后是飽和段

起始磁化曲線的ab段反映了鐵磁材料的高導磁性；c點以后說明鐵磁材料具有磁飽和性，i大---。磁滯回線中B的變化總是落后于H的變化說明鐵磁材料具有磁滯性。鐵磁材料反復磁化一周所構成的曲線稱為磁滯回線。5、鐵磁材料的磁飽和性、磁滯性和剩磁性Iuφ電路部分磁路部分B＝μH/538對于同一種鐵磁材料，選擇不同的磁場Hm進行反復磁化，可測出一系列大小不同的磁滯回線。

如圖所示。再將所有磁滯回線在第一象限的頂點連接起來，所形成的曲線稱為基本磁化曲線或平均磁化曲線。鐵磁材料在交變磁場作用下反復磁化的過程中要消耗一定的能量，這種功率損耗稱為磁滯損耗。

6、磁滯特性及其損耗對于同一種鐵磁材料，選擇不同的磁場Hm進行反復磁化，可測出一系列大小不同的磁滯回線。

鐵磁材料的磁滯損耗與磁滯回線的面積、電源頻率f，以及鐵心體積V成正比。

由此，為了降低磁滯損耗應選用磁滯回線面積小的鐵磁材料，并盡量減少鐵心的體積。比如：硅鋼片的磁滯回線面積小，且因磁導率高可減小鐵心體積，常被選用作為電機和變壓器的鐵心材料。/539對于硅鋼片一類具有導電性的鐵磁材料還有一個重要特性，即在交變磁場的作用下，鐵心中會出現渦流，并由此產生渦流損耗。

7、渦流特性及其損耗如圖所示，由于鐵心是導電的，在交變磁通的作用下，根據電磁感應定律，鐵心中將產生感應電動勢，這個電動勢作用在導體上，就引起電流。這些電流在鐵心內部圍繞磁通形成旋渦狀流動，故稱為渦流。渦流在鐵心中要產生一定的能量損耗，稱為渦流損耗。

渦流損耗與磁場頻率f、磁通密度Bm和硅鋼片的厚度成正比；與鐵心的電阻率成反比。

因此，為了降低渦流損耗，電機和變壓器的鐵心通常采用含硅量較高的薄硅鋼片（厚度為0.35~0.5mm）疊成。Φ1Φ2δ/5310硅鋼片渦流平面動畫演示δδ/5311軟磁材料具有磁導率很高、易磁化、易去磁的顯著特點，適用于制作各種電機、電器的鐵心。軟磁材料：8、鐵磁材料的分類和用途

鐵磁材料根據工程上用途的不同可以分為三大類：硬磁材料的磁導率不太高、但一經磁化能保留很大剩磁且不易去磁，適用于制作各種永久磁體。硬磁材料：矩磁材料磁導率極高、磁化過程中只有正、負兩個飽和點，適用于制作各類存儲器中記憶元件的磁芯。矩磁材料：BH0軟磁性材料磁滯回線包圍的面積很小。BH0硬磁性材料磁滯回線包圍的面積很寬大。BH0/5312二、磁體和磁極人們把具有吸引鐵、鎳、鈷等物質的性質稱為磁性。

具有磁性的物體叫磁體。使原來不帶有磁性的物體具有磁性的過程，叫磁化

。天然存在的磁鐵（磁鐵礦）叫天然磁鐵。

經過一定工藝磁化過的磁鐵，叫人造磁鐵。

在電氣設備上使用的絕大部分為人造磁鐵。NS/5313實例為什么指南針能指示南北呢？地球周圍存在磁場，叫做地磁場。交流討論地球是個巨大的磁體地球的地理兩極與地磁場的兩極并不重合，

磁針并非準確地指南或指北，有個夾角，叫地磁偏角，簡稱磁偏角。/5314生活中的磁鐵冰箱門四周的密封條磁性文具盒指南針電磁起重機司南門吸/5315磁化與消磁電飯鍋跳閘的原理電飯鍋的中間有個磁鋼，磁鋼中的永磁鐵有這個特新在高溫的條件下會失去磁性。失去磁性的磁鐵，在重力的作用下就會掉下來斷開開關，也就是跳閘了，而這個高溫也就飯熟了的溫度。

磁不但能通過永久磁鐵產生，而且還可以通過電流通過導體產生。

只要有電流存在就有磁的存在，

電的磁效應和熱效應一樣，是在產生電流的同時隨之產生的。

磁鐵兩端磁性最強的區域我們稱磁極。磁極分北極（N）和南極（S）。

磁極具有同性相拆，異性相吸的特性。

磁極間相互作用力我們稱之為磁力。N極和S極總是相對存在的。/5317實驗證明，如果把一條磁鐵分成幾段，折斷處會出現兩個相異的磁性。繼續下去，會具有同樣現象，我們永遠找不到一個單獨存在的磁極，也就是說N極和S極總是相對存在的。二、磁場與磁力線磁場

磁體周圍存在磁力作用的空間稱為磁場。

互相不接觸的磁體之間具有的相互作用力，就是通過磁場這一特殊物質進行傳遞的。（磁場和電場一樣，都是一種特殊物質，之所以被稱為特殊物質，是因為他們不是由分子和原子所組成。）磁力線為了形象地描述磁場，人們抽象的引出磁力線這一概念。

規定，外磁場磁力線由N極指向S極，在磁場內部是由S極指向N極，我們通常以磁力線方向表示磁場方向。/53181.磁力線是空間分布的2.磁力線是假想的曲線，不真實存在3.任意兩條磁力線不相交4.磁力線是閉合曲線，外部從N極指向S極內部從S指向N(與電場線不同）磁力線的特點我們用磁力線根數的多少和疏密度來描繪磁場的強弱。

圖中a、b磁場面積相同，圖b的磁力線根數多于圖a，而且圖b磁力線的密度也大于a，可以認為圖b磁場強于a。三、磁通、磁感應強度前面講到磁場強度可以用磁力線的多少和疏密程度來描述，但它只能定性分析、相對比較，具體數量無法確定。為此引入了磁通這一物理量來定量描述磁場在一定面積上的分布情況。

NS圖aNS圖b/53-3-220磁通通過與磁場方向垂直的某一面積上的磁力線的總數，叫做通過該面積的磁通量，簡稱磁通，用字母Φ表示。它的單位是韋伯（Wb），簡稱韋。工程上常用比韋小的單位是麥（麥克斯韋），用Mx表示。

1韋（Wb）=108麥（Mx）S

當面積一定時，通過該面積的磁通越多，磁場就越強。這一點在工程上有極其重要的意義。

如：變壓器、電磁鐵提高效率的重要因數之一就是減小漏磁通，也就是希望全部磁力線盡可能多的通過鐵芯的截面積，以減少漏磁損耗，提高效率。所以變壓器、電磁鐵的鐵芯都用高導磁材料制成，以降低磁阻，增加磁通量。

/5321磁感應強度磁感應強度又稱磁通密度，是研究磁場中各點的強弱和方向的一物理量，用字母B表示。磁感應強度的具體內容：垂直通過單位面積的磁力線數目（磁通）叫做該點的磁感應強度，簡稱磁感應。在均勻磁場中，磁感應強度要表示為1m2式中：B：磁感應強度（韋/米2）

Φ：磁通（韋）

S：面積（米2）

上式表明，通過單位面積的磁通數越多，磁力線越密，磁場也越強。磁感應強度的單位常用的有：韋/米2（T）稱做特斯拉，簡稱特。和麥/厘米2叫做高斯（Gs），簡稱高。它們間關系：

1特（T）=104高斯（Gs）

/5322磁感應強度不但表示了磁場中某點的強弱，而且還能表示出該點的磁場方向，可以說它是一個矢量。若磁場中各點的磁感應強度的大小、方向相同，我們稱之為均勻磁場，在均勻磁場中，磁力線是等距離平行直線。

NS均勻磁場四、電流的磁場

磁場可通過兩種方式獲得：

一為永久磁鐵（石）；

二是通電導體，即，電流流過導體能產生磁場。

這就是我們常說的電的磁效應。只要導體中有電流通過，導體周圍就必然產生磁場。電流產生磁場的判定—安培定則（右手螺旋定則），這里我們分兩種結構的通電導體來分析磁場方向。一個是直線導體，另一個是線圈。/53231、直線電流的磁場

可以根據電流方向判斷磁場（磁力線）方向。用右手握住通電直導線，讓母指指向電流方向，則彎曲的四指所指的就為磁場（磁力線）方向。

/5324電流產生磁場的現象被廣泛應用在電工、電子設備中，如接觸器、電動機、變壓器等。2、環形電流產生的磁場同樣也可以根據電流方向判斷磁場（磁力線）方向。右手握住螺線管，彎曲四指指向線圈電流方向，則母指方向就是磁場（磁力線）方向。/5325五、磁場對載流導體的作用力我們知道把兩塊磁體放在一起會有作用力，即同性相拆、異性相吸，相拆、相吸都是作用力的結果。

前面講到載流導體的周圍存在磁場，若將載流導體置于磁場中，也會受到力的作用。１、磁場對載流直導體的作用將一根直導體懸掛在磁場中，并使導體垂直于磁力線，未通電導體不會運動，如接通電源，導體中有電流通過，導體就會運動。若改變電流方向導體便向反方向運動。我們把載流導體在磁場中所受的作用力，稱作電磁作用力，或電磁力，用字母Ｆ表示。

電磁力的大小與導體中通過的電流成正比，與均勻磁場的磁感應強度成正比，與導體在磁場中的有效長度成正比，即：Ｆm＝ＢＩＬ

/5326/5327/5328Ｆm＝ＢＩＬ

式中：Ｆ：導體受到的電磁力（牛）Ｂ：均勻磁場的磁感應強度（特）Ｉ：導體中的電流強度（安）

Ｌ：導體在磁場中的有效長度（米）上面公式是當導體垂直于磁感應強度的方向時的電磁力情況，此時，導體受到的電磁力最大，

而平行于磁感應強度的方向，不受力的作用。當導體既不垂直，也不平行于磁感應強度的方向，若導體與磁感應強度方向成α角時，則可將導體分解成與磁感應方向垂直的分量Ｌ┻，作為α角是時導體有效長度。請看下面演示。平面動畫演示BIlαF=BIlsinα單位：牛頓（N）α=90°，F最大α=0°，F為0電磁力的大小ＩαＬ┻ＬＢ：均勻磁場的磁感應強度（特）Ｉ：導體中的電流強度（安）Ｌ：導體在磁場中的有效長度（米）式中：/5329電磁力的方向—左手定則判斷平展左手手掌，拇指與四指垂直并在一個平面上，讓磁力線穿過手心（手心對Ｎ極），四指指向電流方向，則拇指所指的方向就是導體受力方向。舉例：試標出導體受力方向或電流方向。NSINFINNSFNSFSNNSF×/53302、磁場對通電線圈的作用研究磁場對通電線圈的作用更有其實際意義，因為常用的磁電式儀表都是根據這一原理制成。ＮＳabcdF1F2１）通電線圈在磁場中受力轉動在均勻磁場中放置一通電矩形線圈abcd，當線圈平面與磁力線平行時，ad和bc邊與磁力線平行不受磁場的作用力。但ab和cd邊因與磁力線垂直將受到磁力的作用，即F1和F2，而且F1=F2=BIL，受到作用力的兩個邊叫有效邊。兩有效邊所受到的作用力不僅大小相等（兩有效邊電流相等，長度相同，同處一均勻磁場），而且根據左手定則可知，受力方向相反（電流方向相反），因而構成一對偶力，將線圈繞軸作順時針轉動。/53312）通電線圈在磁場中的轉矩設ab=cd=L1，ad=bc=L2，ab邊和cd邊所受的作用力分別為F1和F2。

根據物理學中，力偶矩（轉矩）M等于其中任一個力與力偶臂的乘積，

因而，此時的轉矩為：M=F1L2

因為F1=BIL1，所以M=BIL1L2，又因為L1L2=S（線圈的面積），

所以，M=BIS式中：B：均勻磁場的磁感應強度（特）I：線圈中的電流（安）S：線圈的面積（米2）ＮＳabcdF1F2/5332線圈在轉矩M的作用下旋轉，有效邊不可能始終與磁力線保持90o，當線圈平面的法線與磁力線的夾角為α時，則線圈的轉矩為：

M=BISsinα

以上所述為單匝線圈的轉矩表達式，實際磁電式儀表的動圈為多匝，對于有N匝的動圈，所受到的轉矩為單匝的N倍，即：

M=NBISsinααF1F2SNＮＳＦ1Ｆ290oＮＳＦ1Ｆ20o上述得知，當線圈與磁力線平行時，α=90o，sin90o=1，此時的轉矩達到最大M=NBI，

當線圈垂直于磁力線時，α=0o，sin0o=0，這時的轉矩M=0。/5333六、電磁感應英國科學家法拉第發現：當導體相對于磁場做切割磁力線運動，或線圈中的磁通發生變化時，都有感生電動勢產生，

若導體或線圈是閉合回路的一部分，則導體或線圈將產生感生電流，這種現象叫做電磁感應，俗稱動磁生電。

發電機和變壓器等都是根據這一原理制成的。

1、右手定則（發電機定則）直導體切割磁力線所產生的感生電動勢的方向可用右手定則來判斷。根據磁力線方向及導體運動方向可確定感生電動勢方向。具休做法：展開右手掌，四指與拇指成90o并平行，手心對磁力線方向（即N極），拇指指向導體運動方向，則四指所指的為感生電動勢方向。電能生磁，磁也能生電，這是自然界的規律。/5334磁場對運動直線導體的電磁感應現象演示SABN直導體G導體切割磁力線，導體中有電動勢E產生。EN/5335右手定則——判斷感應電動勢的方向NS運動方向磁力線方向感生電動勢方向NS運動方向磁力線方向感應電勢方向/5336實驗：線圈中NSN極

向下插入拔出感應電流方向（俯視）逆時針順時針穿過回路磁通量的變化增大減小原磁場

方向向下向下感應電流磁場方向向上向下NS_+_+2、楞次定律/53371、導體切割磁力線，產生感生電流-右手。2、感生電流產生磁場-右手。磁力線方向楞次定律NS線圈GE線圈中的磁通發生變化，線圈中有感應電動勢產生。感應電流所產生的磁通和原磁通的方向相反。楞次定律/5338判斷感生電動勢或感生電流方向的方法。NSG1.確定原磁通的方向；3.根據楞次定律確定感生磁通的方向：原磁通增加，方向相反；原磁通減少，方向相同。4.根據安培定則判斷線圈感應電動勢或感應電流的方向。E－＋E－＋2.確定原磁通的變化趨勢；/5339注意：觀察電流方向。楞次定律（磁通變化）第一，導體中產生感生電動勢和感生電流的條件是：導體切割磁力線運動，或線圈中的磁通發生變化時，導體或線圈就會產生感生電動勢，若導體和線圈是閉合的，就會產生感生電流。第二、感生電流的磁場總是阻止原磁場的變化，也就是說，線圈中的磁通要增加時，感生電流就要產生一個磁場去阻止它增加；當線圈中的磁通要減少時，感生電流所產生的磁場將阻止它減少。楞次定律為我們提供了一個判斷感生電動勢或感生電流方向的法則。具體步驟：（1）首先判定原磁通方向及其變化趨勢（是增加還是減少）。（2）根據感生電流的磁場方向永遠和原磁通變化方向相反的原則確定感生電流磁場方向。（3）利用右手螺旋法則，判斷感生電流方向。/53403、法拉第電磁感應定律

楞次定律說明感生電動勢的方向，沒有回答感生電動勢的大小。法拉第電磁感應定律是對此的一個補充。不難發現，檢流器指針偏轉角度的大小與磁鐵插入或拔出線圈的速度有關，當速度快時，指針偏轉大，反之則小。磁鐵插入、拔出的快與慢正是反映了線圈磁通變化的快慢。即：線圈中感應電動勢的大小與穿過同一回路的磁通變化率（即變化快慢）成正比。

/5341

右手定則只能判斷感生電動勢的方向，不能確定感生電動勢的大小。e＝Blvsinα4、直導線切割磁力線產生的感應電動勢磁感應強度，特斯拉（T）導體有效長度，米（m）導體在磁場中的運動速度，米/秒（m/s）導體運動方向與磁力線的夾角。SNBαυυ/5342例：導體長0.5m，按圖示方向運動，速度為100cm/s，磁感應強度0.6T，確定感生電動勢的大小。NS運動方向解：感生電動勢：e=Blv=0.6×1×0.5=0.3V由于導體垂直于磁力線運動，其夾角為90o，sin90o=1，此時導體產生的感生電動勢最大，即em=Bvl。/53435、自感：

試驗-電流變化I增大感應電流E感應電動勢/5344楞次定律說，此時產生一個阻礙原磁通反方向磁通，如下圖灰線。

變化的灰線磁通產生感應電流，方向用右手定則，如下圖。

線圈本身電流發生變化引起磁場強度變化，可利用楞次定律分析。通過線圈本身電流發生變化而引起的電磁感應，稱自感。

由自感產生的感生電動勢，叫自感電動勢，用eL表示。線圈中每通過單位電流所產生的自感磁通數，叫自感系數，也稱為電感，用L表示，即式中：

Φ：通過線圈的電流i所產生的自感磁通（韋）

i：通過線圈的電流（A）

L：電感（亨）電感是衡量線圈產生自感磁通本領大小的物理量（電感只存在于線圈）。

電感線圈的電氣符號：空心：有鐵芯：/5345如果一個線圈中通過1A電流，能產生1韋伯的自感磁通，那么該線圈的電感就為1亨利，簡稱亨（H）。電感的單位：

1亨（H）=103毫亨（mH）

1毫亨（mH）=103微亨（μH）

電感L的大小不但與線圈匝數、幾何形狀有關，而且與線圈中媒介質的導磁率有密切關系（鐵芯）。

對有鐵芯的線圈而言，電感L不是一個常數，對空心線圈，當其結構一定時，電感L為常數，我們把電感L為常數的線圈稱為線性電感。線性電感自感電動勢為：式中：

為電流變化率，負號表示自感電動勢的方向和外電流變化方向相反。/5346以上討論得出結論：

（1）自感電動勢eL是由通過線圈本身電流的變化而產生的。

（2）對于線性電感，自感電動勢的大小（絕對值）等于電感和電流變化率的乘積，電流變化幅值越大，自感電動勢就越大。

（3）自感電動勢的方向，線圈中外電流增大時，感生電流的方向與外電流方向相反；當外電流減少時，自感電動勢感生電流的方向與外電流方向一致。

自感電動勢始終在阻止外電流的變化。自感電動勢對我們實際工作有利有弊：如，工礦企業用的直流電動機，其定子繞組接電源時必須串聯一個電感線圈（即扼流圈），用它來保證直流電流的連續和平滑。但在含有較大電感量元件的線路上斷電，會產生很高的自感電動勢，產生大電弧，給操作人員帶來不安全因數，具體防范我們在后幾章討論。/5347又如，我們日常工作生活中使用的熒（日）光燈，鎮流器就是一個帶鐵芯的電感線圈，它在熒光燈的啟輝階段，靠電流的突變產生的自感電動勢來擊穿燈管。工作階段它又起限流作用。6、互感：兩個線圈之間的電磁感應，叫做互感，由互感產生的電動勢叫做互感電動勢。/5348平面動畫演示I

增大IE磁耦合線圈互感/5349在實際工作中廣泛使用的各種變壓器就是根據互感的原理制成，它不但能傳遞電能，還具有良好的隔離作用，因為它兩線圈間無直接電聯系，只有電磁感應—互感。互感電動勢的大小正比于穿過本線圈磁通的變化率，俗稱“動磁生電