電工學(xué)課件-磁路與變壓器

1、7.1 磁路中的根本物理量 7.2 鐵磁材料 7.3 磁路的根本定律 7.4 鐵心線圈 7.5 變壓器 *7.6 電磁鐵 內(nèi) 容 交流鐵心線圈的電磁關(guān)系 磁路的基本定律 變壓器的工作原理和功能變壓器的額定值及損耗和效率繞組的極性 重點 7.1 磁路中的根本物理量磁通磁感應(yīng)強度B磁場強度H導(dǎo)磁系數(shù)磁 路根本物理量磁 通 垂直穿過某一面積S 的磁感線的總根數(shù)單位：韋伯Wb磁感應(yīng)強度B 磁感應(yīng)強度是表征磁場中某一點磁場強弱和方向的一個物理量，用矢量B表示。 通常用垂直于該處單位面積上的磁力線的疏密來反映磁感應(yīng)強度的大小。 特斯拉(T) S磁場強度H 磁場強度用矢量H表示，方向與磁感應(yīng)強度B相同。H代

2、表電流本身在真空中所產(chǎn)生的磁場的強弱，其大小只與產(chǎn)生該磁場的電流大小成正比，與介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。安/米(Am)導(dǎo)磁系數(shù)磁導(dǎo)率是衡量物質(zhì)導(dǎo)磁能力的物理量 物質(zhì) 導(dǎo)磁性能 真空磁導(dǎo)率： 非磁性物質(zhì)磁性物質(zhì) 單位：亨利/米(H/m)7.2 鐵 磁 材 料(1) 高導(dǎo)磁性 (2) 磁飽和性磁性材料主要指鐵、鎳、鈷及其合金等。 通常，磁性材料的磁導(dǎo)率 ，其比值可高達數(shù)百、數(shù)千甚至數(shù)萬，這是由它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。 磁性物質(zhì)的磁化曲線(即：B-H曲線)由實驗方法測得，如下圖。一、鐵磁材料的特性 磁化曲線反映了鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率不是常數(shù)。磁飽和現(xiàn)象的存在使得磁路分析問題成為非線性問題，因此，磁路分析要比電路分析

3、復(fù)雜得多。HBOabcd圖 初始磁化曲線 (B-H曲線) B-H 磁化曲線的特征： Oa段:B隨H的增加比較緩慢； ab段:B與H幾乎成正比地增加； bc段:B的增加緩慢下來； cd段:B隨H增加很少，到達磁飽和。 磁化曲線：就是磁感應(yīng)強度B與磁場強度H的關(guān)系曲線，是進行磁路計算不可缺乏的資料，它由實驗方法獲得。 幾種常見磁性物質(zhì)的磁化曲線a 鑄鐵 b 鑄鋼 c 硅鋼片O0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9H/(A/m)B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2bac 下面給出三種常用鐵磁材料的B-H曲線 (3) 磁滯性剩磁矯頑力 磁滯現(xiàn)象：

4、當鐵心線圈中通入交流電時，隨著與電流成正比的磁場強度H的交變，磁感應(yīng)強度B將沿著圖示閉合曲線變化。這種磁感應(yīng)強度的變化滯后于磁場強度的變化的現(xiàn)象稱為。 磁性物質(zhì)不同，其磁滯回線和磁化曲線也不同。注：圖中箭頭表示反復(fù)磁化的過程磁滯回線二、鐵磁材料的分類鐵磁材料軟磁材料硬磁材料矩磁材料特點易磁化易退磁較小矯頑力磁滯回線窄電機、變壓器、繼電器、電表的鐵心磁滯回線較寬較大矯頑力剩磁很大永久磁鐵較小矯頑力較大剩磁磁滯回線矩形穩(wěn)定性好記憶元件、開關(guān)元件 邏輯元件7.3 磁路的根本定律一、磁路 定義：繞在鐵心上的線圈通以較小的電流勵磁電流，便能得到較強的磁場，磁通的絕大局部通過鐵心構(gòu)成回路，這種磁通的路徑稱

5、為磁路。SrHIN匝二、磁路的安培環(huán)路定律(全電流定律) 根本內(nèi)容：磁場中，磁場強度H沿任意閉合路徑的線積分等于該閉合路徑所包圍電流的代數(shù)和，即 規(guī)定：當電流的方向與閉合路徑繞向之間符合右螺旋定那么時，電流取正號，反之取負號。 定量I1I2I3IN匝SrH假設(shè)：某環(huán)形線圈如圖，故：磁動勢磁壓降 此式可理解為：沿磁路一周，各段磁路磁壓降的代數(shù)和等于與中心環(huán)路交鏈的磁動勢的代數(shù)和。 其中媒質(zhì)是均勻的,則根據(jù)安培環(huán)路定律 假設(shè)：沿積分路徑可將磁路分成n段，且每段中磁場強度H的大小不變，那么定律表示為 三、磁路的歐姆定律磁 阻磁動勢 磁路的歐姆定律：定性 由勵磁電流在磁路中產(chǎn)生的磁通量，與磁動勢F成正

6、比，與磁路的磁阻成反比。不是常數(shù)表 磁路和電路的比較磁路電路典型結(jié)構(gòu)對應(yīng)的物理量 磁動勢 電動勢 磁壓降 電 壓 磁 通 電 流 磁 阻 電 阻 磁導(dǎo)率 電導(dǎo)率INR+_EIU(待續(xù))(續(xù)上頁)磁路電路對應(yīng)的關(guān)系式磁阻電阻磁路的歐姆定律電路的歐姆定律磁路的基爾霍夫定律電路的基爾霍夫定律表 磁路和電路的比較磁路計算舉例一般磁通量，求磁動勢，分析步驟如下：1.計算各段磁路的磁感應(yīng)強度，磁通是閉合的。2.計算各段磁場強度，空氣隙根據(jù)公式計算，鐵磁性 物質(zhì)查磁化曲線。3.計算總磁壓降，即磁動勢。4.根據(jù)F=IN計算出勵磁電流。例：如下圖線圈為直流鐵心線圈，其鐵心由鑄鋼制成。鐵心尺寸為：S1=20cm2

7、，l1=45cm，S2=25cm2， l2=15cm， l3=2cm，空氣隙厚度?，F(xiàn)要產(chǎn)生=2.810-3Wb的磁通量，假設(shè)用直流勵磁，求所需要的磁動勢F。解：第一步：由磁通量求出各段磁路中的磁感應(yīng)強度。第二步：根據(jù)B1、B2值，查鑄鋼的磁化曲線，找出對應(yīng)的磁場強度H1、H2，得H1=2.1103A/m H2=1.1103A/m空氣隙的磁場強度H0可計算為第三步：計算各段的磁壓降 H1l1=2.1103A/m0.45m=0.945103AH2l2=1.1103A/m0.15m=0.165103A2H2l3=21.1103A/m0.02m=0.044103A2H0=211.14105A/m0.0

8、01m=2.228103A第四步：求出總的磁動勢 F=NI=Hl=H1l1+H2l2+2H2l3+2H0 =103 =3.382103A從上述結(jié)果可以看出，空氣隙盡管很小，但由于空氣的導(dǎo)磁率很低，磁阻很大，所以這段的磁壓降很大。7.4 鐵 心 線 圈一、直流鐵心線圈直流鐵心線圈的特點:R 為線圈的電阻 銜鐵吸合前、后的兩個穩(wěn)定運行狀態(tài)(不考慮銜鐵吸合過程)，勵磁電流不會發(fā)生變化，即磁路的改變對直流鐵心線圈的勵磁電流沒有影響。注意二、交流鐵心線圈1、電磁關(guān)系 主磁通線圈鐵心i漏磁通2、伏安關(guān)系 根據(jù)基爾霍夫電壓定律，得鐵心線圈電路的電壓方程為： 線圈內(nèi)阻R很小很小那么由電磁關(guān)系有：設(shè)： 這是一個

9、重要常用公式，它說明當線圈匝數(shù)N及電源頻率f一定時，主磁通的大小正比于外加電壓的有效值U。根據(jù)上式有：注意3、功率損耗總損耗銅耗鐵耗磁滯損耗渦流損耗1銅耗勵磁線圈的銅線電阻 上的功率損耗2鐵耗 交變的磁通在鐵心中產(chǎn)生的功率損耗稱為鐵耗，包括磁滯損耗和渦流損耗。 磁滯損耗磁滯損耗是由磁滯現(xiàn)象引起。 S為磁滯回線包圍的面積 為減小磁滯損耗對鐵心發(fā)熱的影響，常選用磁滯回線狹小的軟磁性材料硅鋼制造變壓器和交流電機中的鐵心。 渦流損耗 渦流損耗會引起鐵心發(fā)熱，為減小渦流損耗，常用的方法有兩種：a.鐵心采用彼此絕緣的硅鋼片疊成，如下圖。b.采用電阻率高的鐵心，例如硅鋼、鐵氧體等。 思考 1.如果交流鐵心線

10、圈的鐵心由彼此絕緣的硅鋼片在垂直于磁場方向疊成，這樣做是否可以，為什么？ 2.鐵心線圈中通過直流電，是否有鐵損，為什么？ 7.5 變 壓 器 變壓器是利用電磁感應(yīng)作用傳遞交流電能和交流信號，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)和電子電路中，具有變換電壓、變換電流和變換阻抗三大功能。一、變壓器的構(gòu)造及分類變壓器的符號變壓器的構(gòu)造一次繞組二次繞組鐵心N1N2電源側(cè)負載側(cè)1.變壓器的構(gòu)造變壓器分類按用途按相數(shù)單相變壓器三相變壓器按制造方式殼式變壓器心式變壓器電力變壓器 (輸配電用)儀用變壓器整流變壓器2.變壓器的分類三相變壓器 單相變壓器 三相自耦變壓器環(huán)形變壓器三相干式變壓器 油浸式變壓器 發(fā)電廠1.05萬伏輸電線

11、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伏降壓二、變壓器的工作原理1變壓器的空載運行 根據(jù)KVL有：原邊：副邊：很小很小設(shè)鐵心內(nèi)的主磁通為：，那么根據(jù)上面的KVL方程，一次側(cè)電壓與二次側(cè)電壓之比為 變比K1 降壓K1 升壓2變壓器的有載運行 根據(jù)KVL有：原邊：副邊：很小忽略其中：漏感電動勢漏感抗同樣，設(shè)鐵心內(nèi)的主磁通為：，那么根據(jù)上面的KVL方程，一次側(cè)電壓與二次側(cè)電壓之比為 思考 變壓器在空載運行和負載運行兩種情況下，鐵心中的磁通分別由什么產(chǎn)生？三、變壓器的三大功能1.電壓變換2.電流變換磁動勢平衡方程根據(jù)變壓器的工作原理，有負載運行時空載運行

12、時根據(jù)變壓器的工作原理，有變(壓)比變流比3.阻抗變換 可見，變壓器具有阻抗變換作用。 例題 設(shè)交流信號源電壓內(nèi)阻負載(1) 將負載直接接至信號源，負載獲得多大功率？(2) 經(jīng)變壓器進行阻抗匹配，求負載獲得的最大功率是多少？ 變壓器變比是多少？+- 選擇變壓器適宜的匝數(shù)比，可把負載阻抗變換為適宜的數(shù)值，以使其得到最大的功率。這種做法稱為阻抗匹配。 變壓器變比為：21=NNK(1) 負載直接接信號源時，負載獲得功率為解：82=LR+LRoRU2=LRIP2=800+81000.123(W)(2)根據(jù)最大功率傳輸定律，要負載獲得最大功率，必須使外接等效負載電阻等于信號源的內(nèi)阻，即 負載上獲得的最大

13、功率為 3.125(W)8008008001002=+=LR2LRImaxP2o+LRRU完畢額定電壓額定電流額定容量一次額定電壓U1N正常時一次繞組所加電壓的有效值。二次額定電壓U2N一次電壓為U1N時，變壓器空載時對應(yīng)二次側(cè)的空載電壓有效值，即U20= U2N一次額定電流I1N一次繞組加額定電壓，正常工作時一次繞組允許長期通過的最大電流有效值。二次額定電流I2N一次繞組加額定電壓，正常工作時二次繞組允許長期通過的最大電流有效值。指二次側(cè)的輸出額定視在功率，即：四、1變壓器的額定值 變壓器的額定容量只反映了該變壓器的額定輸出能力。實際運行時，變壓器輸出功率的大小與負載電流及負載的功率因數(shù) 有

14、關(guān)。 注意2變壓器的外特性 外特性：實際變壓器由于漏磁通和繞組電阻的存在，U2要隨I2的變化而變化，它們的變化關(guān)系稱為。 電壓變化率 電壓變化率反映電壓U2的變化程度。 通常希望U2的變動愈小愈好，一般變壓器的電壓變化率約在5%左右。1變壓器的損耗2變壓器的效率一次繞組磁滯損耗渦流損耗電路中總損耗磁路中二次繞組可變損耗不變損耗變壓器的效率為輸出功率P2與輸入功率P1之比，即：五、變壓器的損耗及效率六、變壓器繞組的極性與正確連接三繞組變壓器 現(xiàn)有一個負載的的額定電壓分別為15V，副邊繞組應(yīng)如何連接才能滿足要求？ 為了正確聯(lián)接兩個繞組，必須事先判明兩個繞組的同極性端同名端。 某三繞組變壓器如下圖。

15、 繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢是交變的，當一個繞組的某一端瞬時電位為正時，另一繞組中瞬時電位為正的對應(yīng)端稱為。 判斷同名極性端，可分為兩種情況1繞向的繞組的極性判斷 同極性端同名端：a相同繞向 b相反繞向 假設(shè)某負載額定電壓為3V，問上面兩種情況下副邊繞組分別應(yīng)如何連接？思考 將開關(guān)S閉合，如果S閉合瞬間電流表的指針正向偏轉(zhuǎn)，那么1和3是同極性端；如果電流表指針反向偏轉(zhuǎn)，那么1和3是異極性端。 2未知繞向繞組的極性判斷 假設(shè)變壓器外引出線上沒有注明極性，就要用實驗的方法測定繞組的極性。下面介紹常用的直流測定法。 測定方法： 對于多繞組的單相變壓器，如果需要將兩個或兩個以上繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用時，必須注

16、意它們的極性，以及各繞組的額定電流串聯(lián)或額定電壓并聯(lián)。 注意六、其他變壓器1. 三相變壓器 油浸式三相變壓器外形結(jié)構(gòu) 三相變壓器原理圖 下面是三相變壓器繞組的三種連接方式(a) Y連接(b) YY0連接 其中：分子表示高壓繞組的連接方式，分母表示低壓繞組的連接方式。(c) Y 連接2. 自耦變壓器三相自耦變壓器外形圖 自耦調(diào)壓器外形圖一種可調(diào)式自耦變壓器自耦變壓器原理圖 自耦變壓器一次、二次繞組間不僅有磁的耦合，而且有電的連接。 一次、二次繞組的電壓和電流關(guān)系： (1). 電流互感器電流互感器實物圖電流互感器原理圖 在使用電流互感器時，二次繞組不允許開路，這與普通變壓器不同。 注意3.儀用變壓

17、器(2). 電壓互感器電壓互感器實物圖電壓互感器原理圖 使用時，電壓互感器的二次側(cè)必須接地，且不能短路。 注意鉗行表 它是一個與電流表配裝在一起的、磁路可以開合的電流互感器。 適用于流動作業(yè)以及要求不斷開被測電路而進行電流測量的場所。*7.6 電 磁 鐵 電磁鐵是利用通電流的線圈產(chǎn)生電磁吸力使銜鐵運動來工作的，是自動控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的一種執(zhí)行元件。 按勵磁電流的不同分為直流電磁鐵和交流電磁鐵兩種。 鐵心銜鐵FF線圈F線圈銜鐵鐵心銜鐵F線圈鐵心電磁鐵的幾種類型一、直流電磁鐵電磁吸力的大小 直流電磁鐵線圈的勵磁電流僅與所加電壓和線圈電阻有關(guān)，與銜鐵的運動過程無關(guān)， 電磁吸力隨氣隙的減小而增大。因為氣隙減小，磁路的磁阻減小，由于磁通勢不變，所以，磁通增大，磁感應(yīng)強度亦增大，故電磁力隨之增大。 二、交流電磁鐵設(shè)磁感應(yīng)強度 那么 由電磁吸力的波形可見，吸力在0與Fm之間脈動。銜鐵以兩倍電源的頻率在進行機械振動，