第7章磁路与变压器ppt课件.ppt

第7章 磁路与变压器,7.2 磁性材料的磁性能,7.5 变压器,7.6 变压器绕组的极性及其测定,7.1 磁路,7.3 铁心线圈电路,7.4 电磁铁,7.6 其他类型变压器,3、了解变压器的基本结构、工作原理、运行特性 和绕组的同极性端，理解变压器额定值的意义,4、掌握变压器电压、电流和阻抗变换作用,5、了解三相电压的变换方法,本章要求：,2、了解电磁铁的基本工作原理及其应用知识,1、理解磁场的基本物理量的意义，了解磁性材料 的基本知识及磁路的基本定律，会分析计算交 流铁心线圈电路,第7章 磁路与变压器,7.1 磁路,7.1.1 磁场的基本概念,1、磁路 是磁通流经的闭合路径。磁路中可以有空气隙，也可无空气隙,（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,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,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,2、磁场的基本物理量,7.1.1 磁场的基本概念,（2）磁通,穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数,说明:如果不是均匀磁场，则取B的平均值。,在均匀磁场=B S 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=1Vs,2、磁场的基本物理量,（3）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,磁场强度H的单位：安培/米（A/m),2、磁场的基本物理量,真空的磁导率为常数，用 0表示，有,（4）磁导率,磁导率：表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质 的导磁能力,相对磁导率 r：任一种物质的磁导率 和真空的磁导率0的比值,磁导率 的单位：亨/米（H/m）,2、磁场的基本物理量,7.1.2 磁路的欧姆定律,式中：是磁场强度矢量沿任意闭合曲 线（常取磁通作为闭合回线）的线积分,（1）安培环路定律（或全电流定律）,I NI 是穿过闭合回线所围面积的电流的代数和,（2）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，其中媒质是均 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,设磁路的平均长度为 l，则有,1）引例,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,即有,称为磁路的欧姆定律,（2）磁路欧姆定律,3、磁路与电路比较定律,磁路分析的特点：,（1）在处理电路时不涉及电场问题，在处理磁路时 离不开磁场的概念；,（2）在处理电路时一般可以不考虑漏电流，在处理 磁路时一般都要考虑漏磁通；,（3）磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相 似。由于 不是常数，其随励磁电流而变，磁 路欧姆定律不能直接用来计算，只能用于定性 分析；,（4）在电路中，当 E=0时，I=0；但在磁路中，由于 有剩磁，当 F=0 时，不为零,4、磁路的分析计算,4、磁路的分析计算,主要任务:预先选定磁性材料中的磁通(或磁感应强度)，按照所定的磁通、磁路各段的尺寸和材料,求产生预定的磁通所需要的磁通势F=NI，确定线圈匝数和励磁电流,基本公式:,设磁路由不同材料或不同长度和截面积的 n 段组成，则基本公式为,即,基本步骤:（由磁通 求磁通势F=NI）,（1）求各段磁感应强度 Bi 各段磁路截面积不同，通过同一磁通，故有,（2）求各段磁场强度 Hi 根据各段磁路材料的磁化曲线 Bi=f(Hi),求B1，B2，相对应的 H1，H2，。,（3）计算各段磁路的磁压降（Hi li）,（4）根据下式求出磁通势（NI）,4、磁路的分析计算,例题1,在图所示的均匀铁心线圈磁路中，若两块铁心都用铸钢作成，两块铁心之间有一段空气隙，其尺寸为,试求空气隙中磁感应强度,时，磁通势为多大？,解：,（1）由已知的磁感应强度B0和面积S0可求,例题1,（2）求磁路各段的磁感应强度,（3）求磁路各段的磁场强度,气隙磁场强度,例题1,根据磁化曲线可查得,H113A/cm，,H214A/cm,（4）求磁路各段的磁压降,（5）求磁路中的总磁通势,例题2,有一环形铁心线圈，其内径为10cm，外径为5cm，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，试求线圈匝数。,查铸钢的磁化曲线，B=0.9 T 时，磁场强度 H1=500 A/m,解:,空气隙的磁场强度,铸钢铁心的磁场强度，,铁心的平均长度,磁路的平均总长度为,对各段有,总磁通势为,线圈匝数为,磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，磁通势几乎都降在空气隙上面,结论：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）,例题2,7.2 磁性材料的磁性能,非磁性物质分子电流的磁场方向杂乱无章，几乎不受外磁场的影响而互相抵消，不具有磁化特性,非磁性物质,磁性物质,磁性物质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,7.2 磁性材料的磁性能,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。即磁性物质能被磁化,外磁场,在无外磁场作用的普通磁性物质中，各个磁畴排列杂乱无章，磁场互相抵消，整体对外不显磁性,（1）高导磁性,7.2 磁性材料的磁性能,磁性材料的磁导率通常都很高，即 r 1(如坡莫合金，其 r 可达 2105)磁性材料能被强烈的磁化，具有很高的导磁性能,磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等,磁性物质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。,磁性物质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,（2）磁饱和性,磁性物质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。,BJ 磁场内磁性物质的磁化磁场 的磁感应强度曲线；,B0 磁场内不存在磁性物质时的 磁感应强度直线；,B BJ曲线和B0直线的纵坐标相 加即磁场的 B-H 磁化曲线。,BJ,B,a,b,磁化曲线,磁性物质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。,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,有磁性物质存在时，B 与 H不成正比，磁性物质的磁导率 不是常数，随H而变,有磁性物质存在时，与 I 不成正比,磁性物质的磁化曲线在磁路计算上很重要，其为非线性曲线，实际中通过实验得出,磁化曲线,B和与H的关系,注意：磁化曲线（BH曲线）特征,磁性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,磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于外磁场变化的性质,磁滞回线,Br,Hc,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,磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同,（3）磁滞性,几种常见磁性物质的磁化曲线,a 铸铁 b 铸钢 c 硅钢片,（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、坡莫合金即铁氧体等（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,磁性材料分为三种类型,7.3 铁心线圈电路,铁心线圈电路,7.3.1 直流铁心线圈电路,磁路分析,主磁通 通过闭合铁心产生的磁通,漏磁通 通过闭合铁心产生的磁通,电路分析,直流电流 I 作用下在线圈中产生磁通，由于电流不变，故磁通恒定,外加电压与线圈中的电流关系为,R为线圈内阻,7.3.1 直流铁心线圈电路,1、电压电流关系,（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,i，,铁心线圈的漏磁电感,与i不是线性关系,根据KVL,式中，R是线圈导线的电阻,L 是漏磁电感,当 u 是正弦电压时，其它各电压、电流、电动势可视作正弦量，则电压、电流关系的相量式为,1、电压电流关系,设主磁通 则,有效值,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,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m2,2、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,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与磁滞回线的面积和磁场交变的频率 f,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磁性材料制作铁心。变压器和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低,设计时应适当选择值以减小铁心饱和程度,2、功率损耗,2）涡流损耗（Pe）,涡流损耗:由涡流所产生的功率损耗,交变磁通在铁心内产生感应电动势和电流，称为涡流。垂直磁通的平面内环流,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,2、功率损耗,7.4 电磁铁,（1）电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保持某种机械零件、工件于固定位置的一种电器。当电源断开时电磁铁的磁性消失，衔铁或其它零件即被释放。电磁铁衔铁的动作可使其它机械装置发生联动,根据使用电源类型分为：,直流电磁铁：用直流电源励磁,交流电磁铁：用交流电源励磁,（2）基本结构,电磁铁由线圈、铁心及衔铁三部分组成，常见的结构如图所示,铁心,衔铁,衔铁,有时是机械零件、工件充当衔铁,线圈,线圈,衔铁,铁心,线圈,铁心,3、电磁铁吸力的计算,电磁铁吸力的大小与气隙的截面积S0及气隙中的磁感应强度B0的平方成正比，即有,式中：B0 的单位是特斯拉；S0 的单位是平方米；F 的单位是牛顿（N）,（1）直流电磁铁的吸力,直流电磁铁的吸力依据上述基本公式直接求取,（2）交流电磁铁的吸力,交流电磁铁中磁场是交变的，设,吸力瞬时值为,式中,为吸力的最大值,吸力波形,吸力平均值为,O,（1）交流电磁铁吸力在零与最大值之间脉动。衔铁以两倍电源频率在颤动，引起噪音，同时触点容易损坏。为消除这种现象，在磁极的部分端面套一分磁环（或称短路环），工作时，分磁环中产生感应电流，阻碍磁通变化，在磁极端面的磁通 1 和 2 间产生相位差，相应该两部分吸力不同时为零，实现消除振动和噪音，如图所示；而直流电磁铁吸力恒定不变,注意几点：,（2）交流电磁铁中,为减少铁损，铁心由钢片叠成；直流电磁铁磁通不变，无铁损，铁心用整块软钢制成,（4）直流电磁铁的励磁电流仅与线圈电阻有关，在吸合过程中，励磁电流不变,（3）在交流电磁铁中，线圈电流不仅与线圈电阻有关，还与线圈感抗有关。在其吸合过程中，随着磁路气隙的减小，线圈感抗增大，电流减小。如果衔铁被卡住，通电后衔铁吸合不上，线圈感抗一直很小，电流较大，将使线圈严重发热甚至烧毁,4、电磁铁的应用,电磁铁在生产中获得广泛应用。其主要应用原理是：用电磁铁衔铁动作带动其他机械装置运动，产生机械连动，实现控制要求,注意几点：,图示为应用电磁铁实现制动机床或起重机电动机的基本结构，其中电动机和制动轮同轴。原理如下,通电,电磁铁动作,拉开弹簧,抱闸提起,松开制动轮,电机转动,断电,电磁铁释放,弹簧收缩,抱闸抱紧,抱紧制动轮,电机制动,启动过程,制动过程,应用实例,一拍合式交流电磁铁，磁路中c=4 cm,l=7cm。铁心由硅钢片叠成。铁心和衔铁的截面都是正方形，每边长度 a=1 cm。励磁线圈交流电压220V。要求衔铁最大空气隙=1 cm（平均值）时须产生吸力 50 N。试计算线圈匝数和此时的电流值。可忽略漏磁通，并认为铁心和衔铁的磁阻与空气隙相比可以不计,解:,按已知吸力求,（空气隙中和铁心中的可认为相等）,例题1,故有,计算线圈匝数,求初始励磁电流,例题1,7.5 变压器,变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛,变压器的主要功能有：,在能量传输过程中，当输送功率P=UI cos 及负载功率因数cos 一定时：,电能损耗小,节省金属材料（经济）,7.5.1 概述,U I,P=I Rl,I S,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,（1）发电与输配电系统中的各种变压器,单相电源变压器,三相电力变压器,单相自耦变压器,各种典型电力变压器,（2）变压器结构,几种类型的继电器,（2）变压器结构,变压器的磁路,变压器的电路,（2）变压器结构,（3）变压器分类,原边绕组、副边绕组互不相连，能量的传递靠磁 耦合,7.5.2 变压器工作原理,（1）空载运行情况,原绕组边接交流电源，副绕组边开路,空载时，铁心中主磁通是由一次绕组磁通势产生的,1、电磁关系,（2）带负载运行情况,原绕组侧接交流电源，副绕组侧接负载,有载时，铁心中主磁通是由一次、二次绕组磁通势共同产生的合成磁通,2、电压变换（设加正弦交流电压）,有效值,同 理,主磁通按正弦规律变化，设为 则,（1）原边绕组、副边绕组主磁通感应电动势,根据KVL,变压器原边等效电路如图，,由于电阻 R1 和感抗 X1(或漏磁通)较小,其两端的电压也较小,与主磁电动势 E1比较可忽略不计，则,（2）原、副边电压,式中 R1 为原边绕组的电阻;X1=L1 为原边绕组的感抗（漏磁感抗，由漏磁产生）,2、电压变换,对副绕组，根据KVL,结论：改变匝数比，就能改变输出电压,式中 R2 为副绕组的电阻;X2=L2 为副绕组的感抗；为副绕组的端电压,变压器空载时,式中U20为变压器空载电压,故有,2、电压变换,例题1,需一台小型单相变压器，额定容量SN=UNIN100 VA，电源电压U1=220 V，频率f=50HZ，铁心中的最大主磁通m=11.7210-4 Wb。试求：（1）空载电压U20=12 V时，原、副绕组各为多少匝？（2）空载电压U20=24 V时，原、副绕组又各为多少匝？,解,由 可得原绕组匝数为,（1）当空载电压U20=12 V时，副绕组匝数为,（2）当空载电压U20=24 V时,副绕组匝数为,空载电压取决于电源电压和变比K，即,解,（原、副绕组电流关系）,（1）有载运行,可见，铁心中主磁通的最大值m在变压器空载和有载时近似保持不变。即有,不论空载还是有载，原绕组上的阻抗压降均可忽略，故有,如果U1、f 不变，则 m 基本不变，近于常数,空载,有载,3、电流变换,或,结论：原、副绕组电流与匝数成反比,或,磁势平衡式,空载磁势,有载磁势,3、电流变换,例题2,一容量为5 kVA的单相变压器，原绕线额定电压U1N=220 V，副绕组的额定电压U2N=24 V。试求原、副绕额定电流I1N和I2N。,所以，副绕组额定电流为,解：因为,由于,所以,由图可知,结论：变压器一次侧的等效阻抗模，为二次侧所带负载的阻抗模的K 2 倍,4、阻抗变换,（1）变压器的匝数比应为,解:,交流信号源的电动势 Us=120V，内阻 R 0=800，负载为扬声器，其等效电阻为RL=8。要求:（1）当RL折算到原边的等效电阻 时，求变压器的匝数比和信号源输出的功率；（2）当将负载直接与信号源联接时,信号源输出多大功率？,例题3,信号源的输出功率,电子线路中，常利用阻抗匹配实现最大输出功率,结论：接入变压器以后，输出功率大大提高,原因满足了最大功率输出的条件：,（2）将负载直接接到信号源上时，输出功率为,解:,7.5.3 变压器的外特性与效率,1、外特性,当原边电压 U1和负载功率因数 cos2保持不变时，副边输出电压 U2和输出电流 I2的关系，U2=f(I2)。,U20 为原边加额定电压、副边开路时，副边的输出电压,一般供电系统希望要硬特性（随I2的变化，U2 变化不大），电压变化率约在5%左右,电压变化率,（1）变压器的型号,2、技术数据,1）额定电压 U1N、U2N 变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允许的电压值,2）额定电流 I1N、I2N 变压器满载运行时，原边、副边绕组允许的电 流值,（2）额定值,3）额定容量 SN 传送功率的最大能力,容量 SN 输出功率 P2,原边输入功率 P1 输出功率 P2,注意：变压器几个功率的关系（单相）,效率,变压器运行时的功率取决于负载的性质,（2）额定值,为减少涡流损耗，铁心一般由导磁钢片叠成,变压器的损耗包括两部分：,铜损（PCu）：绕组导线电阻的损耗,涡流损耗：交变磁通在铁心中产生的感应电 流(涡流)造成的损耗,铁损(PFe)：,变压器的效率为,负载为额定负载的（5075）%时，最大,输出功率,输入功率,（3）变压器效率,例题4,一台单相变压器，额定容量为2 kVA，额定电压为380/110 V，空载时原绕组输入功率P0=20W，I1=0.5 A。设副绕组接额定负载，且，,U2=105 V，原绕组电阻R1=0.6，副绕组电阻 R2=0.05。试求：,（1）原、副绕组的额定电流；（2）电压变化率；（3）铁损、铜损和效率。,解：（1）副绕组额定电流为,解：,所以，原绕组电流为,（2）电压变化率为,（3）空载电流很小，可视空载损耗近似铁损，即,原、副绕组的铜损为,所以，变压器的效率为,解：,当电流流入(或流出）两个线圈时，若产生的磁通方向相同，则两个流入(或流出）端称为同极性端,7.6.1 变压器绕组的极性（同极性端亦称同名端）,或者说，当铁心中磁通变化时，在两线圈中产生的感应电动势极性相同的两端为同极性端,同极性端用“”表示,增加,+,+,+,+,同极性端和绕组的绕向有关,7.6 变压器绕组的极性及其测定,联接 23,变压器原边有两个额定电压为 110V 的绕组,联接 13，2 4,当电源电压为220V时,电源电压为110V时,7.6.1 变压器绕组的极性,问题1：在110V 情况下，如果只用一个绕组（N），行不行？,答：不行（两绕组必须并接）,一次侧有两个相同绕组的电源变压器(220/110)，使用中应注意的问题,7.6.1 变压器绕组的极性,问题2：如果两绕组的极性端接错，结果如何？,结论：在同极性端不明确时，一定要先测定同极性端 再通电,答：有可能烧毁变压器,+,7.6.1 变压器绕组的极性,7.6.2 变压器绕组极性的测定,1、已知绕组的绕向,设有一交变磁通通过铁心，并任意假定其参考方向。根据右螺旋法测，判定出两个绕组中产生感应电势的参考方向。变压器的同极性端与绕组的绕向有关,同极性端为“1”和“3”端,同极性端为“1”和“4”端,2、绕组的绕向不明,方法1：交流法,把两个线圈的任意两端(X-x)连接,然后在 AX 上加一低电压 uAX,测量,若 说明 A 与 x 或 X 与 a 是同极性端,方法2：直流法,如果当 S 闭合时，电流表正偏，则 A-a 为同极性端;,结论：,如果当 S 闭合时，电流表反偏，则 A-x 为同极性端。,7.7 其他类型变压器,7.7.1 自耦变压器,自耦变压器亦称为双绕组变压器。特点：原、副绕组相互绝缘，分绕同一铁心上，且原、副绕组既有磁的联系，又有电的直接联系,1、外形结构与原理,2、电流电压变换,电压变换关系,电流变换关系,使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的输出电压。实验室中用的调压器就是根据此原理制作的 注意：原边、副边千万不能对调使用。否则，因为N变小时，磁通增大，电流会迅速增加,3、注意事项,1、三相变压器的结构,三相心式变压器的结构,7.7.1 三相变压器,大型三相电力变压器,三相电源变压器,（1）三相变压器的结构,高压绕组A-X B-Y C-Z,X、Y、Z：尾端,A、B、C：首端,低压绕组a-x b-y c-z,a、b、c：首端,x、y、z：尾端,（2）三相变压器的联结方式,联结方式,高压绕组接法,低压绕组接法,三相配电变压器,动力供电系统（井下照明）,高压、超高压供电系统,常用接法,2、三相电压变换,线电压之比,（3）三相变压器Y/Y0连接,线电压之比,（4）三相变压器Y0/连接,有一带电阻负载的三相变压器，其额定数据如下：SN=100kVA,U1N=6000V,f=50Hz。U2N=U20=400V,绕组连接成。由试验测得:PFe=600 W，额定负载时的 PCu=2400W。试求：（1）变压器的额定电流；（2）满载和半载时的效率。,解:,（1）额定电流,例题1：,（）满载和半载时的效率,解:,（1）二次侧不能短路，以防产生过流；（2）铁心、低压绕组的 一端接地，以防在 绝缘损坏时，在二 次侧出现高压,使用注意事项,被测电压=电压表读数 N1/N2,实现用低量程的电压表测量高电压,3、电压互感器,电流表,被测电流=电流表读数 N2/N1,（1）二次侧不能开 路，以防产生高电压；（2）铁心、低压绕组的 一端接地，以防在 绝缘损坏时，在二次 侧出现过压,使用注意事项,实现用低量程的电流表测量大电流,4、电流互感器,