电工技术(6)磁路与变压器概要

电工技术济南铁道职业技术学院电工技术第七章磁路与变压器7.3变压器的结构和工作原理7.4变压器的额定值和运行特性7.1磁路的基本知识7.2交流铁心线圈电路7.5常用变压器和电磁铁电工技术济南铁道职业技术学院电工技术一、磁路的概念在电机、变压器及各种铁磁元件中常用铁磁材料做成一定形状的铁心。铁心的磁导率比周围空气或其它物质的磁导率高的多，磁通的绝大部分经过铁心形成闭合通路，磁通的闭合路径称为磁路。+–NIfNSS直流电机的磁路交流接触器的磁路7—1磁路的基本知识磁路分为直流磁路和交流磁路。电工技术济南铁道职业技术学院电工技术二、磁场的基本物理量1、磁感应强度B表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。磁感应强度B的大小:单位正电荷在磁场中以单位速度沿与磁场垂直方向运动时所受的最大磁场力。磁感应强度B的方向:与电流的方向之间符合右手螺旋定则。FqvB磁感应强度B的单位:特斯拉(T)，1T=1Wb/m2均匀磁场:各点磁感应强度大小相等，方向相同的磁场，也称匀强磁场。电工技术济南铁道职业技术学院电工技术2、磁通磁通：穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数。如果不是均匀磁场，则在均匀磁场中=BS或B=/S磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通,故又称磁通密度。磁通的单位:韦[伯](Wb)1Wb=1V·s3、磁导率表示物质导磁性能的物理量。真空中的磁导率μ0=4π×10-7H/m.相对磁导率μr=μ/μ0单位：亨/米H/mSBdS电工技术济南铁道职业技术学院电工技术4、磁场强度磁场强度H：介质中某点的磁感应强度B与介质磁导率之比。BH磁场强度H的单位：安培/米（A/m)三、铁磁材料根据导磁性能的好坏，自然界的物质可分两类：铁磁性的材料，如铁、钴、镍、钢等；另一类为非铁磁性的材料，如铜、铝、纸、空气等。电工技术济南铁道职业技术学院电工技术1、磁导率高铁磁材料内部形成许多小区域，其分子间存在的一种特殊的作用力使每一区域内的分子磁场排列整齐，显示磁性，称这些小区域为磁畴。在外磁场作用下，磁畴方向发生变化，使之与外磁场方向趋于一致，物质整体显示出磁性来，称为磁化。即铁磁材料能被磁化。磁畴外磁场在没有外磁场作用的普通铁磁材料中，各个磁畴排列杂乱无章，磁场互相抵消，整体对外不显磁性。磁畴铁磁材料的特点电工技术济南铁道职业技术学院电工技术铁磁材料的磁导率通常都很高，即r1(如坡莫合金，其r可达2105)。铁磁材料能被强烈的磁化，具有很高的导磁性能。铁磁材料的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度。非铁磁材料没有磁畴结构，所以不具有磁化结构。电工技术济南铁道职业技术学院电工技术2、磁饱和性BJ磁场内铁磁材料的磁化磁场的磁感应强度曲线；B0磁场内不存在铁磁材料时的磁感应强度直线；BBJ曲线和B0直线的纵坐标相加即磁场的B-H磁化曲线。OHBB0BJB•a•b磁化曲线铁磁材料由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。当外磁场增大到一定程度时，磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值。如图。电工技术济南铁道职业技术学院电工技术B-H磁化曲线的特征：Oa段：B与H几乎成正比地增加；ab段：B的增加缓慢下来；b点以后：B增加很少，达到饱和。OHBB0BJB•a•b有铁磁材料存在时，B与H不成正比，铁磁材料的磁导率不是常数，随H而变。有铁磁材料存在时，与I不成正比。铁磁材料的磁化曲线在磁路计算上极为重要，其为非线性曲线，实际中通过实验得出。OHB,B磁化曲线B和与H的关系电工技术济南铁道职业技术学院电工技术3、磁滞性铁磁材料在交变磁场中反复磁化，其B-H关系曲线是一条回形闭合曲线，称为磁滞回线。磁滞性：铁磁材料中磁感应强度B的变化总是滞后于外磁场变化的性质。磁滞回线剩磁感应强度Br(剩磁)：当线圈中电流减小到零(H=0)时，铁心中的磁感应强度。矫顽磁力Hc：使B=0所需的H值。铁磁材料不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。OHB••••+BrHc+Hm-Hm-Hc+Bm-Br-Bm电工技术济南铁道职业技术学院电工技术几种常见磁性物质的磁化曲线a铸铁b铸钢c硅钢片O0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0103H/(A/m)H/(A/m)12345678910103B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2ababcc电工技术济南铁道职业技术学院电工技术按铁磁材料的磁性能，铁磁材料分为三种类型：(1)软磁材料具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金、铁氧体等。(2)永磁材料具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。(3)矩磁材料具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性良好。在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等。电工技术济南铁道职业技术学院电工技术四、磁路欧姆定律磁路的欧姆定律是分析磁路的基本定律环形线圈如图，其中介质是均匀的，磁导率为，试计算线圈内部的磁通。解：根据安培环路定律，有lSlHlNIBHIdl设磁路的平均长度为l，则有1.引例SxHxIN匝即有：SlNIΦmRF电工技术济南铁道职业技术学院电工技术mRF式中：F=NI为磁通势，由其产生磁通；Rm称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用；l为磁路的平均长度；S为磁路的截面积。2.磁路的欧姆定律若某磁路的磁通为，磁通势为F，磁阻为Rm，则此即磁路的欧姆定律。当磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，要得到相等的磁感应强度，必须增大励磁电流（设线圈匝数一定）。电工技术济南铁道职业技术学院电工技术3.磁路与电路的比较磁路磁通势F磁通磁阻电路电动势E电流密度J电阻磁感应强度B电流ISlRmSlNIRFmSlRSlEREINI+_EIR电工技术济南铁道职业技术学院电工技术在计算磁路时，往往是预先给定铁芯中磁通Φ或磁感应强度B，然后根据所给的磁路及各段磁路的尺寸和材料来计算产生预定的磁通所需的磁通势F=IN。但是由于铁磁材料的磁导率μ不是常数，它随励磁电流而改变，因此不能直接利用F=ΦRm来计算磁通势F。实际上在计算磁路时，要用磁场强度H来计算HdlIINHl1122()INHlHlHl均匀磁路如果磁路是由几段不同材料组成，即磁路是由几段磁阻不同的材料串联而成，那么计算磁路的基本公式式中：称为各段磁路的磁压降。1122HlHl、、电工技术济南铁道职业技术学院电工技术如：继电器的磁路，由三段串联而成δ111ls222ls01ssμ0如果已知磁通Φ和各段的材料及尺寸，求磁通势如下（1）首先求出各段磁路的磁感应强度B：（2）根据各段材料的磁化曲线B=f（H）找出相应的H1、H2，对于空气隙，磁场强度H0=B0/μ0（3）计算各段磁路的磁压降Hl（4）求出磁通势IN=H1l1+H2l2+H0δB1=Φ/s1B2=Φ/s2B0=Φ/s1电工技术济南铁道职业技术学院电工技术例有一环形铁心线圈其内径为10cm，外径为15cm，铁心材料为铸钢。磁路中含有一空气隙，其长度等于0.2cm。设线圈中通有1A的电流，如要得到0.9T的磁感应强度，试求线圈的匝数。解：磁路的平均长度为从铸钢的磁化曲线可查出：当B=0.9T时，H=500A/m,于是空气隙中的磁场强度为则有总磁通势为线圈匝数为可见，当磁路中含有空气隙的时候，由于其磁阻较大，磁通势差不多都用在空气隙上面。101539.22lcm211500(39.20.2)10195HlA50700.97.210/410BHAm5207.2100.2101440HA110()19514401635INHIHlHA163516351INNI电工技术济南铁道职业技术学院电工技术7-2交流铁心线圈电路一、电磁关系–+e–+e+–uNiu(Ni)iσddtΦNeddσσΦdieNLtdt（磁通势）主磁通：通过铁心闭合的磁通。漏磁通：经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通。线圈铁心与i不是线性关系。根据KVL:eeRiuσ式中：R是线圈导线的电阻电工技术济南铁道职业技术学院电工技术NLi常数σ()RdiuRieeiRLedtuuu()()()RUIREEIRjIXEUUU对于漏磁通，主要不经过铁心，所以励磁电流i与Φσ之间可认为成线性关系，铁心线圈的漏磁电感但是主磁通通过铁心，所以i与Φ之间不存在线性关系。铁心线圈的主磁电感L不是常数，它随励磁电流而变化。因此铁心线圈是一个非线性元件。根据KVL:式中：R是线圈导线的电阻当u是正弦电压时，式中各量可视作正弦量，有EjIXXL漏磁感应电动势漏磁感抗电工技术济南铁道职业技术学院电工技术设主磁通则t,sinm)sin(ddddmttNtNetNcosm)90t(sin2mπfN)90(sinmtE有效值mmm444222fN.fNEE由于线圈电阻R和感抗X（或漏磁通）较小，其电压降也较小，与主磁电动势E相比可忽略，故有EU(V)444444mmSfNB.fN.EU式中：Bm是铁心中磁感应强度的最大值，单位[T]；S是铁心截面积，单位[m2]。主磁感应电动势的计算电工技术济南铁道职业技术学院电工技术二、功率损耗交流铁心线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种。1.铜损（PCu）在交流铁心线圈中,线圈电阻R上的功率损耗称铜损，用PCu表示。PCu=RI2式中：R是线圈的电阻；I是线圈中电流的有效值。2.铁损（PFe）在交流铁心线圈中，处于交变磁通下的铁心内的功率损耗称铁损，用PFe表示。铁损由磁滞和涡流产生。+–ui电工技术济南铁道职业技术学院电工技术（1）磁滞损耗（Ph）由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗（Ph）。磁滞损耗的大小：单位体积内的磁滞损耗正比于磁滞回线的面积和磁场交变的频率f。OHB磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。减少磁滞损耗的措施：选用磁滞回线狭小的铁磁材料制作铁心。变压器和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。电工技术济南铁道职业技术学院电工技术(2)涡流损耗（Pe）涡流损耗:由涡流所产生的功率损耗。涡流：交变磁通在铁心内产生感应电动势和电流，称为涡流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。涡流损耗转化为热能，引起铁心发热。减少涡流损耗措施：提高铁心的电阻率。铁心用彼此绝缘的钢片叠成，把涡流限制在较小的截面内。铁心线圈交流电路的有功功率为：Fe2cosΔPRIUIP电工技术济南铁道职业技术学院电工技术7-3变压器的结构和工作原理变压器是利用电磁感应原理传输电能或信号的器件，在电力系统和电子线路中应用广泛。变电压：电力系统变阻抗：电子线路中的阻抗匹配变电流：电流互感器变压器的主要功能有：在能量传输过程中，当输送功率P=UIcos及负载功率因数cos一定时：电能损耗小节省金属材料（经济）UIP=I²RlIS电工技术济南铁道职业技术学院电工技术电力工业中常采用高压输电低压配电，实现节能并保证用电安全。具体如下：发电厂10.5kV输电线220kV升压仪器36V降压…工业或民用380/220V降压变电站10kV降压降压电工技术济南铁道职业技术学院电工技术一、变压器的结构变压器的磁路绕组：一次绕组二次绕组1u2uLZ1i2iΦ单相变压器+–+–由高导磁硅钢片叠成厚0.35mm或0.5mm铁心变压器的电路一次绕组N1二次绕组N2铁心电