J__《电工电子技术基础》电子教案_电工电子技术课件_第4章 磁路和变压器(1)

2004年8月制作曾令琴主编曾令琴第1章4.1铁芯线圈、磁路4.2变压器的基本结构和工作原理4.3三相电力变压器4.4特殊变压器第1章4.1铁芯线圈、磁路+－(a)电磁铁的磁路(b)变压器的磁路(c)直流电机的磁路实际电路中有大量电感元件的线圈中有铁心。线圈通电后铁心就构成磁路，磁路又影响电路。因此电工技术不仅有电路问题，同时也有磁路问题。第2页1.磁路的基本概念iuφ交流铁心线圈示意图电路部分磁路部分电流通过N匝线圈产生的磁动势：f=iNf在铁芯中激发按正弦规律变化，沿铁芯闭合的工作磁通φ。均匀磁场中磁通Φ等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，单位是韦伯(Wb)。BS……1Wb=108Mx第2页磁导率μ磁导率μ表示物质的导磁性能，单位是亨/米(H/m)。真空的磁导率：H/m10470非铁磁物质的磁导率与真空极为接近，铁磁物质的磁导率远大于真空的磁导率。相对磁导率μr：无量纲）（r0r物质磁导率与真空磁导率的比值。第2页非磁性物质：μr≈1的物质，如铜、铝、橡胶、空气、塑料等。铁磁性物质：μr1的物质，如铁、镍、钴、钢、合金钢、坡莫合金等。铁磁性物质彼此之间的相对磁导率差别很大。如铸铁的μr≈200～400；铸钢的μr≈500～2200；硅钢的μr≈7000～10000；坡莫合金的μr≈20000～200000。一个磁路中若有气隙存在，则气隙磁阻铁芯磁阻。物质根据相对磁导率的不同可分为两大类第2页磁感应强度B和磁场强度H1.磁感应强度B是表征磁场中某点强弱和方向的物理量。B的大小与磁场周围介质的磁导率μ有关；2.磁场强度H是表征电流的磁场强弱和方向的物理量。H的大小与磁场周围介质的磁导率μ无关。磁路欧姆定律：磁路的截面积。—磁路的长度；—其中SlSlRRINRFmmm:磁路欧姆定律可以用来定性的分析磁路的情况。第2页铁磁材料内部往往有相邻的几百个分子电流圈流向一致，因此在这些极小的区域内就形成了一个个天然的磁性区域—磁畴。2.铁磁材料的磁性能铁磁材料内部的磁畴排列杂乱无章，磁性相互抵消，因此对外不显示磁性。铁磁材料之所以具有高导磁性，是因为在它们的内部具有一种特殊的物质结构—磁畴。磁畴是怎么形成的？显然，磁畴是由分子电流产生的。磁畴因受外磁场作用而顺着外磁场的方向发生归顺性重新排列，在内部形成一个很强的附加磁场。（a）无外磁场情况（b）有外磁场情况第2页磁滞回线中H为零时B并不为零的现象说明铁磁材料具有剩磁性。BH0cba起始磁化曲线oa段是线性段ab段是上升段bc段是磁化曲线的膝部C点以后是饱和段起始磁化曲线反映了什么？起始磁化曲线的ab段反映了铁磁材料的高导磁性；c点以后说明铁磁材料具有磁饱和性。磁滞回线中B的变化总是落后于H的变化说明铁磁材料具有磁滞性；铁磁材料反复磁化一周所构成的曲线称为磁滞回线。起始磁化曲线和磁滞回线第2页铁心线圈中通过交变电流时，H的大小和方向都会改变，铁心在交变磁场中反复磁化的过程中，B的变化总是滞后于H的变化，这种现象称为磁滞性；当H减为零时B并不为零。磁导率可达102~104，由铁磁材料组成的磁路磁阻很小，在线圈中通入较小的电流即可获得较大的磁通。B不会随H的增强而无限增强，H增大到一定值时，B不能继续增强。高导磁性磁滞性和剩磁性磁饱和性：铁磁性材料具有高导磁性、磁饱和性、磁滞性和剩磁性。第2页涡流在铁芯中造成的热量损耗。根据电流的热效应，涡流通过铁芯将使铁芯发热，严重时会造成设备烧损。铁磁材料反复磁化时，内部磁畴的极性取向随着外磁场的交变来回翻转，在翻转的过程中，由于磁畴间相互摩擦而引起的能量损耗称为磁滞损耗。3.铁芯损耗磁滞损耗涡流损耗φ在交变磁场作用下，整块铁芯中产生的旋涡状感应电流称为涡流。涡流对电气设备有何影响？为减小涡流损耗，常用硅钢片叠压制成电机电器的铁芯。第2页具有磁导率极高、磁化后只有正、负两个饱和状态特点的铁磁材料。矩磁材料适用于制作各类存储器记忆元件的磁芯。具有磁导率不太高、但一经磁化、能保留很大的剩磁且不易去磁特点的铁磁材料。硬磁材料适用于制作各种人造磁体。具有磁导率很高、易磁化、易去磁特点的铁磁材料。软磁材料适用于制作各种电机电器的铁心。4.铁磁材料的分类和用途铁磁材料根据工程上用途的不同可分为三大类软磁材料硬磁材料矩磁材料对交流铁芯而言，当外加电压有效值及电源频率不变时，主磁通的最大值φm也将基本维持不变。5.主磁通原理第2页由主磁通原理可知，发生机械故障时电源电压和电源频率并没有发生变化，因此磁路中的主磁通应基本维持不变。例：一个交流电磁铁，由于机械故障造成通电后不能吸合，结果把线圈烧坏，试分析原因。分析根据磁路欧姆定律：mRiN由式可得：交流电磁铁由于卡住而不能吸合，空气隙增大造成磁路中的磁阻大大增加，而主磁通又要维持不变，因此电流i将大大增加，结果使线圈烧损。铁损包括磁滞损耗和涡流损耗。铁损不仅造成能量损耗，还可造成电机、电器的铁芯发热，若发热严重时将造成设备绝缘的永久性损坏。何谓铁损？铁损对电器有何影响？第2页例：有一铁心线圈，接到V220U、Hz50f的交流电源上，测得电流A2I，功率W50P。（1）不计线圈电阻及漏磁通，试求铁心线圈等效电路的Ro及Xo；（2）若线圈电阻1RΩ，试计算该线圈的铜损及铁损。解：（1）由cosUIP，得：5.83222050arccosarccosUIP阻抗：3.1095.125.831105.832220oojIUjXRZΩ5.12oRΩ，3.109oXΩ（2）铜损：W41222CuRIP铁损：W46450CuFePPP或：W46)15.12(22o2FeRIP第2页4.2变压器的基本结构和工作原理ΦTrN1i10u1AXN2|ZL|u20Saxx由硅钢片叠压制成的变压器铁心磁路。变压器一次侧绕组（原边）变压器二次侧绕组（副边）变压器图形符号变压器是一种能变换电压、变换电流、变换阻抗的“静止”电气设备。变压器在传递电能的过程中频率不变。1.变压器的基本结构第2页2．变压器的工作原理（1）变压器的空载运行与变换电压作用ΦN1i10u1AXN2|ZL|u20Saxx变压器的一次侧接电源，二次侧开路，这种运行状态称为空载。变压器空载时原边电流i10很小，在铁心磁路中产生按正弦规律变化的磁通φ，当φ穿过两线圈时，分别感应电压：m2M2m1L144.444.4fNUfNUm2M220m1L1144.444.4fNUUfNUU变压器原、副边电压与感应电压的关系为：变压器原、副边电压与感应电压的关系为：kNNfNUUUUML21m2m1212014.44fN44.4其中k称为变压器的变比。显然：变压器通过改变原、副边的匝数即可变换电压。第2页（2）变压器的负载运行与变换电流作用变压器的一次侧接电源，二次侧与负载接通，这种运行状态称为负载运行。变压器负载运行时由于副边电流存在的去磁作用，因此原边电流由i10增大至i1。原边磁动势增加的数值恰好等于二次侧负载所需要的磁动势。即：2211011NININI221121IUIUPP或：变压器在能量传递的过程中损耗甚小，因此：因此：kNUUII1N121221其中1/k称为变压器的变流比。显然：变压器在改变电压的同时也改变了电流，即变压器还可以变换电流。ΦN1i1u1AXN2|ZL|u2Saxi2第2页已知某收音机输出变压器的原边匝数为600,副边匝数为30,原边原接有16Ω的扬声器，现要改接成4Ω扬声器，求N2应改为多少？（3）变压器的变换阻抗作用变压器的副边所接负载为|ZL|，原边输入阻抗为Z1时，有：把变压比和变流比公式代入可得：；22LIUZL222222111ZkIUkkIkUIUZ变压器的阻抗变换作用常用于电子电路中。例如：匝所以：则，扬声器后改接成解：1540600'40'160046400'4640016202030600122L2L2121kNNkkZZkZNNkΦN1i1u1AXN2|ZL|u2Saxi2111IUZ第2页例：设交流信号源电压V100U，内阻800oRΩ，负载8LRΩ。（1）将负载直接接至信号源，负载获得多大功率？（2）经变压器进行阻抗匹配，求负载获得的最大功率是多少？变压器变比是多少？解：（1）负载直接接信号源时，负载获得功率为：W123.08880010022o2LLLRRRURIP（2）最大输出功率时，LR折算到原绕组应等于800oRΩ。负载获得的最大功率为：W125.380080080010022o2maxLLLRRRURIP变压器变比为：108800RLo21RNNk第2页2．变压器的外特性变压器的外特性就是描述输出电压u2随负载电流i2变化的关系，即：u2＝f（i2）两者之间的对应关系可用左图所示曲线进行描述。u2U2Ni2I2N0cos(-φ2)=0.8超前cosφ2=1cosφ2=0.8滞后2．电压调整率%100%20N220UUUU电压调整率反映了变压器运行时输出电压的稳定性，是变压器的主要性能指标之一。4．变压器的损耗和效率（1）损耗222121CuFeCuRIRIPPPP其中：铁损耗包括磁滞损耗和涡流损耗。第2页4.3三相电力变压器讯号式温度计吸湿计储油柜安全气道油表气体继电器高压套管低压套管分接开关油箱铁芯绕组放油阀门变压器主要由铁芯和绕组两大部分构成。铁芯是它的磁路部分，绕组是它的电路部分。第2页电力变压器的型号S7-500/10低损耗系列产品额定容量（KVA）高压绕组额定电压（KV）变压器同极性端判别变压器的额定值额定容量：三相变压器的总容量：SN=3I2NU2N额定电压：原、副边额定值均指线电压数值。额定电流：I1N、I2N均指原、副边线电流值。··axAXAX是变压器的原边绕组ax是变压器的副边绕组Aa是变压器一对同名端由同一电流感应的电动势，极性始终保持一致的端子为同名端。电流同时由同名端流入（或流出）时，它们所产生的磁场相互增强，反之相互削弱。判别方法：第2页用实验的方法测试同极性端S闭合时：毫伏表指示正值，则1和3是同极性端，若指针反偏，则1和4是同极性端。S打开时指针偏转情况相反。先将两线圈的一对端子相联，构成串联连接。U13=U12－U34时，1和3是同极性端；U13=U12＋U34时，1和4是同极性端。34V＋－12S＋US－～34V＋－uS12V＋－第2页三相变压器的联接组别较多，为了制造和使用的方便，国家标准规定，三相双绕组电力变压器的标准联接组别有五种：Y，yn0；YN，y0；Y，y0；Y，d11；YN，d11。其中大写字母Y表示高压绕组为星形联接方式，后面加N表示带有中线；小写字母y或d，表示低压绕组联接为星形或三角形，星形有中线引出时，后面加字母n（0表示指0点）。5.三相电力变压器的连接组别副边绕组···abcxyzabcaUcUbUcUbUaUAU···ABCXYZCAB原边绕组BUCUAUBUCUABUY,d11连接组别电路图与相量图第2页6.三相电力变压器的并联运行ACBacbNACBacbNⅠACBacbNⅡ两台变压器并联运行将两台或两台以上变压器的原、副绕组分别并联到原边和副边的公共母线上，共同向负载供电的方式，称为变压器的并联运行。为了安全可靠地并联运行，变压器组必须满足下列三个条件：1.并联运行的变压器，其连接组别标号必须相同；2.并联运行的变压器，其变比应当相等；3.并联运行的变压器，其短路电压应当相等。其中第1条必须严格遵守！第2页特点：副绕组是原绕组的一部分，原、副压绕组不但有磁的联系，也有电的联系。4.4特殊变压器1．自耦变压器kNNUU2121kNNII11221