磁路和變壓器

磁路和變壓器第1頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一第五章磁路和變壓器5.1

變壓器的工作原理5.2

變壓器的應用第2頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一5.1變壓器的工作原理實際電路中有大量電感元件的線圈中有鐵心。線圈通電后鐵心就構成磁路，磁路又影響電路。因此電工技術不僅有電路問題，同時也有磁路問題。第3頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一5.1.1變壓器的分類及型號1.按電壓的升降：升壓、降壓2.按相數(shù)：單相、三相、多相3.按用途：用于供配電系統(tǒng)的電力變壓器，用于測量和繼電保護的變壓器等等。4.按冷卻方式和冷卻介質：干冷、油浸、水冷。符號含義：S:三相，D：單相，F(xiàn)：風冷，W：水冷，Z：有載調壓，L:鋁線圈變壓器第4頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一5.1.2變壓器的結構變壓器鐵心（軟磁性材料）繞組（電路部分）原邊繞組副邊繞組變壓器的結構第5頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一5.1.3變壓器的額定值1.額定電壓U1N/U2N（空載時端電壓保證值，線電壓有效值）2.額定電流I1N/I2N(連續(xù)運行時允許通過的最大電流，線電壓有效值）3.額定容量SN（單相：SN＝U1NI1N＝U2NI2N

三相：SN＝√3U1NI1N＝√3U2NI2N）第6頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一5.1.4磁路的基本物理量1．磁感應強度B磁感應強度B是表示磁場內某點磁場強弱及方向的物理量。B的大小等于通過垂直于磁場方向單位面積的磁力線數(shù)目，B的方向用右手螺旋定則確定。單位是特斯拉(T)。2．磁通Φ均勻磁場中磁通Φ等于磁感應強度B與垂直于磁場方向的面積S的乘積，單位是韋伯(Wb)。第7頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一3．磁導率μ磁導率μ表示物質的導磁性能，單位是亨/米(H/m)。真空的磁導率非鐵磁物質的磁導率與真空極為接近，鐵磁物質的磁導率遠大于真空的磁導率。

相對磁導率μr：物質磁導率與真空磁導率的比值。非鐵磁物質μr近似為1，鐵磁物質的μr遠大于1。第8頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一4．磁場強度H

磁場強度只與產生磁場的電流以及這些電流分布有關，而與磁介質的磁導率無關，單位是安／米（A／m）。是為了簡化計算而引入的輔助物理量。5．磁動勢F第9頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一理解：磁場的基本定律1．安培環(huán)路定律

計算電流代數(shù)和時，與繞行方向符合右手螺旋定則的電流取正號，反之取負號。若閉合回路上各點的磁場強度相等且其方向與閉合回路的切線方向一致，則：第10頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一2．磁路歐姆定律

稱為磁阻，表示磁路對磁通的阻礙作用。因鐵磁物質的磁阻Rm不是常數(shù)，它會隨勵磁電流I的改變而改變，因而通常不能用磁路的歐姆定律直接計算，但可以用于定性分析很多磁路問題。第11頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一3．電磁感應定律

第12頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一3.磁路與電路的比較磁路磁通勢F磁通磁阻電路電動勢E電流密度J電阻磁感應強度B電流INI+_EIR第13頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一5.1.5鐵磁材料的磁性能高導磁性：磁導率可達102~104，由鐵磁材料組成的磁路磁阻很小，在線圈中通入較小的電流即可獲得較大的磁通。磁飽和性：B不會隨H的增強而無限增強，H增大到一定值時，B不能繼續(xù)增強。磁滯性：鐵心線圈中通過交變電流時，H的大小和方向都會改變，鐵心在交變磁場中反復磁化，在反復磁化的過程中，B的變化總是滯后于H的變化。第14頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一鐵磁材料的類型：軟磁材料：磁導率高，磁滯特性不明顯，矯頑力和剩磁都小，磁滯回線較窄，磁滯損耗小。硬磁材料：剩磁和矯頑力均較大，磁滯性明顯，磁滯回線較寬。矩磁材料：只要受較小的外磁場作用就能磁化到飽和，當外磁場去掉，磁性仍保持，磁滯回線幾乎成矩形。磁化曲線磁滯回線第15頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一5.2變壓器5.2.1變壓器的工作原理原繞組匝數(shù)為N1，電壓u1，電流i1，主磁電動勢e1，漏磁電動勢eσ1；副繞組匝數(shù)為N2，電壓u2，電流i2，主磁電動勢e2，漏磁電動勢eσ2。第16頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一變壓器的結構第17頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一1．電壓變換原繞組的電壓方程：副繞組的電壓方程：忽略電阻R1和漏抗Xσ1的電壓，則：k稱為變壓器的變比。第18頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一第19頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一三相變壓器的兩種接法及電壓的變換關系第20頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一2．電流變換由U1≈E1=4.44N1fΦm可知，U1和f不變時，E1和Φm也都基本不變。因此，有負載時產生主磁通的原、副繞組的合成磁動勢（i1N1+i2N2）和空載時產生主磁通的原繞組的磁動勢i0N1基本相等，即：空載電流i0很小，可忽略不計。第21頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一3．阻抗變換設接在變壓器副繞組的負載阻抗Z的模為|Z|，則：Z反映到原繞組的阻抗模|Z'|為：第22頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一第23頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一5.2.2變壓器的工作特性1．外特性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。2．損耗與效率鐵損ΔPFe包括磁滯損耗和渦流損耗。損耗：銅損：第24頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一效率：3．額定值(1)額定電壓UN：指變壓器副繞組空載時各繞組的電壓。三相變壓器是指線電壓。(2)額定電流IN：指允許繞組長時間連續(xù)工作的線電流。(3)額定容量SN：在額定工作條件下變壓器的視在功率。三相變壓器：單相變壓器：第25頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一(1)同極性端的標記(2)同極性端的測定毫安表的指針正偏1和3是同極性端；反偏1和4是同極性端。U13=U12－U34時1和3是同極性端；U13=U12＋U34時1和4是同極性端。5.3.1變壓器線圈極性測定第26頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一5.3.2特殊變壓器1．自耦變壓器特點：副繞組是原繞組的一部分，原、副壓繞組不但有磁的聯(lián)系，也有電的聯(lián)系。第27頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一2．儀用互感器(1)電流互感器：原繞組線徑較粗，匝數(shù)很少，與被測電路負載串聯(lián)；副繞組線徑較細，匝數(shù)很多，與電流表及功率表、電度表、繼電器的電流線圈串聯(lián)。用于將大電流變換為小電流。使用時副繞組電路不允許開路。第28頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一電流表被測電流=電流表讀數(shù)N2/N1二次側不能開路，以防產生高電壓；2.鐵心、低壓繞組的一端接地，以防在絕緣損壞時，在二次側出現(xiàn)過壓。使用注意事項：實現(xiàn)用低量程的電流表測量大電流（被測電流）N1（匝數(shù)少）N2（匝數(shù)多）ARi1i2第29頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一(2)電壓互感器：電壓互感器的原繞組匝數(shù)很多，并聯(lián)于待測電路兩端；副繞組匝數(shù)較少，與電壓表及電度表、功率表、繼電器的電壓線圈并聯(lián)。用于將高電壓變換成低電壓。使用時副繞組不允許短路。第30頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一二次側不能短路，以防產生過流；2.鐵心、低壓繞組的一端接地，以防在絕緣損壞時，在二次側出現(xiàn)高壓。使用注意事項：電壓表被測電壓=電壓表讀數(shù)N1/N2實現(xiàn)用低量程的電壓表測量高電壓VR

N1（匝數(shù)多）保險絲

N2（匝數(shù)少）~u（被測電壓）第31頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一5.4磁路在其他方面的應用5.4.1磁電式儀表1.結構螺旋彈簧IINS指針永久磁鐵圓柱形鐵心O'O線圈(1)固定部分馬蹄形永久磁鐵、極掌NS及圓柱形鐵心等。(2)可動部分鋁框及線圈，兩根半軸O和O，螺旋彈簧及指針。極掌與鐵心之間的空氣隙的長度是均勻的，其中產生均勻的輻射方向的磁場。第32頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一2.工作原理(1)轉動轉矩T的產生(2)阻轉矩TC的產生在線圈和指針轉動時，螺旋彈簧被扭緊而產生阻轉矩TC。線圈通入電流

I

電磁力

F線圈受到的轉矩T=k1IFSNF線圈通入電流

I

電磁力

F線圈受到轉矩

T線圈和指針轉動，

彈簧的TC與指針的偏轉角成正比，即TC=k2當彈簧的阻轉矩T與線圈受到的轉矩TC達到平衡時，可動部分停止轉動，此時有T=TC

第33頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一當彈簧阻轉矩與轉動轉矩達到平衡即TC=T時，可轉動部分便停止轉動，T=k1I，

TC=k2。儀表的標度尺上作均勻刻度。3.阻尼作用的產生當線圈通入電流而發(fā)生偏轉時，鋁框切割磁通，在框內感應出電流，其電流再與磁場作用，產生與轉動方向相反的制動力，于是可轉動部分受到阻尼作用，快速停止在平衡位置。即指針的偏轉角

結論:指針偏轉的角度與流經線圈的電流成正比。

第34頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一4.用途

5.優(yōu)點：刻度均勻；靈敏度和準確度高；阻尼強；消耗電能量小；受外界磁場影響小。缺點：只能測量直流；價格較高；不能承受較大過載。測量直流電壓、直流電流及電阻。第35頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一5.4.2

電磁鐵1.概述電磁鐵是利用通電的鐵心線圈吸引銜鐵或保持某種機械零件、工件于固定位置的一種電器。當電源斷開時電磁鐵的磁性消失，銜鐵或其它零件即被釋放。電磁鐵銜鐵的動作可使其它機械裝置發(fā)生聯(lián)動。根據(jù)使用電源類型分為：直流電磁鐵：用直流電源勵磁；交流電磁鐵：用交流電源勵磁。第36頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一2.基本結構電磁鐵由線圈、鐵心及銜鐵三部分組成，常見的結構如圖所示。鐵心銜鐵銜鐵有時是機械零件、工件充當銜鐵FFFF線圈線圈銜鐵鐵心線圈鐵心第37頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一3.電磁鐵的應用電磁鐵在生產中獲得廣泛應用。其主要應用原理是：用電磁鐵銜鐵的動作帶動其他機械裝置運動，產生機械連動，實現(xiàn)控制要求。第38頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一應用實例

圖示為應用電磁鐵實現(xiàn)制動機床或起重機電動機的基本結構，其中電動機和制動輪同軸。原理如下：M3~抱閘制動輪彈簧電磁鐵通電電磁鐵動作拉開彈簧抱閘提起松開制動輪電機轉動斷電電磁鐵釋放彈簧收縮抱閘抱緊抱緊制動輪電機制動啟動過程：制動過程：第39頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一5.5三相變壓器ABCXYZabczyx1)三相變壓器的結構高壓繞組：A-XB-YC-ZX、Y、Z：尾端A、B、C：首端低壓繞組：a-xb-yc-za、b、c：首端x、y、z：尾端2)三相變壓器的聯(lián)結方式聯(lián)結方式：高壓繞組接法低壓繞組接法三相配電變壓器動力供電系統(tǒng)（井下照明）高壓、超高壓供電系統(tǒng)常用接法:第40頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一（1）三相變壓器Y/Y0聯(lián)結線電壓之比：ACBbca+–+–+–+–第41頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一（2）三相變壓器Y0/聯(lián)結線電壓之比：ACBabc+–+–+–第42頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一5.5三相變壓器5.5.1磁路系統(tǒng)一、組式磁路變壓器二、心式磁路變壓器特點是：三相磁路彼此無關聯(lián)。特點是：三相磁路彼此有關聯(lián)。第43頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一5.5.2電路系統(tǒng)一、變壓器的端頭標號繞組名稱單相變壓器三相變壓器中性點首端末端首端末端高壓繞組U1U2U1、V2、W1U2、V2、W2N低壓繞組u1u2u1、v1、w1u2、v2、w2n中壓繞組U1mU2mU1m、V1m、W1mU2m、V2m、W2mNm第44頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一一、單相變壓器的極性**一、二次繞組的同極性端同標志時，一、二次繞組的電動勢同相位。******一、二次繞組的同極性端異標志時，一、二次繞組的電動勢反相位。5.5.3電路系統(tǒng)第45頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一二、三相變壓器的連接組別連接組別：反映三相變壓器連接方式及一、二次線電動勢（或線電壓）的相位關系。三相變壓器的連接組別不僅與繞組的繞向和首末端標志有關，而且還與三相繞組的連接方式有關。理論和實踐證明，無論采用怎樣的連接方式，一、二次側線電動勢（可電壓）的相位差總是300的整數(shù)倍。因此可以采用時鐘表示法——作為時鐘的分針，指向12點，作為時鐘的時針，其指向的數(shù)字就是三相變壓器的組別號。組別號的數(shù)字乘以300，就是二次繞組的線電動勢滯后于一次側電動勢的相位角。第46頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一連接組別可以用相量圖來判斷：若高壓繞組三相標志不變，低壓繞組三相標志依次后移，可以得到Y,y4、Y,y8連接組別。1、Y，y連接同名端在對應端，對應的相電動勢同相位，線電動勢和也同相位，連接組別為Y，y0。同理，若異名端在對應端，可得到Y，y6、Y,y10和Y,y2連接組別。第47頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一若高壓繞組三相標志不變，低壓繞組三相標志依次后移，可以得到Y,d3、Y,d7連接組別。2、Y，d連接——1同名端在對應端，對應的相電動勢同相位，線電動勢和相差3300，連接組別為Y，d11。同理，若異名端在對應端，可得到Y，d5、Y,d9和Y,d1連接組別。第48頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一若高壓繞組三相標志不變，低壓繞組三相標志依次后移，可以得到Y,d5、Y,d9連接組別。3、Y，d連接——2同名端在對應端，對應的相電動勢同相位，線電動勢和相差300，連接組別為Y，d1。同理，若異名端在對應端，可得到Y，d7、Y,d11和Y,d3連接組別。第49頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一總之，對于Y，y（或D，d）連接，可以得到0、2、4、6、8、10等六個偶數(shù)組別；而Y，d（或D，y）連接，可以得到1、3、5、7、9、11等六個奇數(shù)組別。變壓器的連接組別很多，為了便