第10章磁路与变压器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,10,章 磁路和变压器,10.1,磁路,10.3,三相变压器,10.2,单相变压器,10,磁路与变压器,本章介绍的基本物理量、基本定律以及磁性材料的磁性能。在此基础上重点讨论铁心线圈电路和变压器。,10.1,磁路,电动机、继电器、电磁铁及变压器等电器都是基于电磁耦合的原理工作的，我们已经学过了电路，现在再来研究磁路。,一、磁场的基本物理量,1.,磁通,2.,磁感应强度,B,3.,磁场强度,H,4.,导磁系数,10-1,一、磁场的基本物理量,垂直穿过某一面积,S,的磁力线的总根数。,韦伯,wb,穿过单位面积的磁力线根数。,特斯拉,T,wb/m,2,磁场中某点的,B,与该点的磁导率,的比值。,1.,磁通,2.,磁感应强度,B,3.,磁场强度,H,4.,导磁系数,描述导磁能力大小的物理量。通常使用相对导磁系数,无,量纲,真空导磁系数,10.1,磁路的基本概念和定律,安,/,米，,A/m,A/cm,10-1,磁动势,10.1,磁路的基本概念和定律,二、磁路的基本定律,安培环路定律,磁路欧姆定律,与,电路类似，磁路也有各种定律,安培环路定律,安培环路定律,安培环路定律,安培环路定律,安培环路定律,沿任一,闭合路径，,H,的线积分等于包围在这闭合路径内各电流的代数和,若,磁场均匀则有,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,无分支磁路,平均长,l,线圈,N,匝,I,N,磁通,导磁系 数,截面积,S,根据,得,磁路欧姆定律,磁阻,R,m,基尔霍夫,定律,#,二、磁路的基本定律,安培环路定律,磁路欧姆定律,基尔霍夫,定律,基尔霍夫,定律,基尔霍夫,定律,基尔霍夫,定律,基尔霍夫,定律,基尔霍夫,定律,基尔霍夫,定律,基尔霍夫,定律,基尔霍夫,定律,有,分支磁路,I,1,N,1,I,2,N,2,1,2,3,1.,磁路的基尔霍夫磁通定律,在,节点,A,处,A,1,+,2,-,3,=0,2.,磁路的基尔霍夫磁压降定律,任一,闭合回路中均有：,或,磁压降的,代数和等于磁动势的代数和,I,N,H,（,I,）,B,（,）,a,b,c,B,铁磁材料,B-H,，,-,H,曲线,从,曲线上能明显看出，,不是常数,导磁性,工程上利用它来使,磁通尽量地约束在有限的范围,内，提高电磁设备的利用率，,一般使用,B,-,H,曲线的,ab,段。,磁滞,B,的变化滞后于,H,的变化,如曲线的,oa,段,o,磁饱和,当,H,达到一定程度，,B,不再随,H,而增加，此为磁饱和。,如曲线的,cs,段。,s,若对,铁心线圈而言，磁饱和意为,当,电流,I,增加到一定程度，,不再随之增加。,关于磁滞,祥看请点击,三、磁性材料的磁性能,几点说明：,磁阻,R,m,的,大小取决于磁路的尺寸和材料的磁导率。,很大，但不是常数，因此 也不是常数。所以磁,路欧姆定律不能用来进行定量计算，只用做定性分析。,通常磁路计算应用磁路基尔霍夫定律。,磁路和电路有相似之处，但却有本质的区别。,祥见教材,P,149,第二节,直流铁心线圈与直流电磁铁,一、直流铁心线圈（磁路计算略）,二、直流电磁铁,1.,构成,铁心,铁心,线圈,线圈,衔铁,衔铁,2.,工作原理,通电的铁心线圈对衔铁会产生吸力,请看通电演示,3.,吸力,磁动势主要降在空气隙上,磁动势,电磁铁应用？,直流电磁铁的特点,励磁电流是由励磁线圈的外加电压,U,和线圈电阻,R,决定的,2.,无磁滞和涡流损耗，铁心可以使用整块的铸钢、软铁。,电流是恒定的，无感应电动势产生。,3.,吸合后电磁力比吸合前大得多，但励磁电流不变。,（因磁动势,NI,不变，磁阻,R,m,B,，,所以吸力,F,）,电流恒定，无感应电动势产生。,无磁滞和涡流损耗，可使用整块铁心,3.,吸合后，励磁电流不变，,F,交流铁心线圈与交流电磁铁,一、交流铁心线圈的损耗,P=,P,CU,+,P,h,+,P,e,总,损耗,铜损,涡流损耗,铁损,磁滞损耗,铜损,P,CU,线圈电阻上的损耗,P,CU,=,I,2,R,磁滞损耗,其大小与铁心材料反复磁化后的磁滞回线面积成正比,涡流损耗,交变磁通穿过铁心时，铁心既导磁又导电，因铁心在交变磁通作用下产生感应电动势，从而在垂直于磁通方向的铁心平面内产生旋涡状的感应电流，叫涡流。涡流在铁心内电阻上产生的损耗称,涡流损耗,。,减小涡流损耗的办法,增大涡流通路的电阻即用薄的材料叠成铁心,减小磁滞损耗的办法,铁心尽量采用软磁材料,二、电压平衡方程式,i,N,L,交流铁心线圈,大部分经铁心闭合,线圈中,磁通,产生,e,e,主,磁通,少,部分经空气闭合,产生,e,L,漏,磁通,e,L,u,线圈电阻上压降为,iR,根据,KVL,得：,或,电压平衡方程式,#,二、电压平衡方程式,有效值,忽略了漏磁感应电动势 和线圈内阻压降 后，方程变为：,或,重要结论,外加电压不变时，交流铁心线圈的铁心内主磁通最大值几,乎是不变的。这是分析变压器和交流电动机时的重要概念。,注意,三、交流电磁铁,铁心,线圈,衔铁,交流电磁铁也是一种电磁器件，结构形式与直流电磁铁类似。在工业部门应用极为广泛。如冶金工业中用于提放钢材的电磁吊车；夹持工件的电磁工作台；传递动力的电磁离合器；液压传动中的电磁阀；交流接触器及接触器等。,铁心中的磁通是交变的，空气隙处的磁感应强度为：,吸力,平均值,三、交流电磁铁,瞬时值,有效值,显然,f,是交变的，存在过零值。会出现吸合不牢的现象。,通常在尾端留一切口，套上铜环（或称磁环），铜环产生的感应电流阻碍,的,变化，致使穿过铜环的,与其它,存在一相位差，结果产生两个相位不同的电磁吸力，平均后，不再有过零点。,见,教材,P156,交流电磁,铁特点,1.,吸力是交变的，铁心需加分磁环。,2.,励磁电流吸合前大，吸合后减小。前后吸力不变,3.,铁心和衔铁均由硅钢片叠成，为减小铁损。,交、直流电磁铁的特点,电流恒定，无感应电动势产生。,无磁滞和涡流损耗，可使用整块铁心,3.,吸合后，励磁电流不变，,F,交流电磁,铁特点,1.,吸力是交变的，铁心需加分磁环。,2.,励磁电流吸合前大，吸合后减小。前后吸力不变,3.,铁心和衔铁均由硅钢片叠成，为减小铁损。,直流电磁,铁特点,一、变压器的用途、构造和分类,变压器是基于电磁感应原理而制成的静止的电器设备,用途,变,电压，变电流，变阻抗,构造,心式和壳式,两种,心式变压器,壳式变压器,分类,单相，三相，多相；,升压，降压；,仪用电压、电流互感器；,焊接变压器，自藕变压器。,有两个绕组,也有两个绕组,10.2,变压器,二、变压器的工作原理,原边绕组,N,1,名词介绍,幅边绕组,N,2,一次绕组,N,1,二次绕组,N,2,一次侧,二次侧,均指,电源侧,均指,负载侧,什么是,变压器任载运行？,什么是,变压器空载运行？,u,u,Z,2,Z,2,s,一次侧接电源,二次侧负载开路,一次侧接电源,二次侧接负载,二、变压器的工作原理,变压器空载运行,u,Z,2,s,I,0,空载电流,U,1,U,20,此时的变压器相当 于交流铁心线圈,变比,二次侧额定电压,空载运行的结论：,原幅边,之比等于原幅边匝数之比，等于常数,k,这,就是变压器的,变电压作用,u,Z,2,变压器任载运行,U,1,I,1,U,2,I,2,两边绕组中通过的磁通是相同的,只要,U,1,不变，主磁通就不应该变，所以有：,磁动势平衡方程式,有载时,原边磁动势,分为两部分,1.,产生主磁通 （励磁分量）,I,0,2.,用来补偿,I,2,N,2,（,负载分量,I,2,）,又称,去磁,一般,I,0,很小，小型变压器只有,2 3%,，大的不过,10%,，,当,略去,I,0,N,1,后有：,变,电流作用,任载运行结论：,变,电流作用,任载后，电压比是否还等于变比,k,?,变,电压作用,还有一个作用是变阻抗,幅边,Z,2,原边,Z,1,变,阻抗作用,或,二、变压器的工作原理,空载运行结论：,任载运行结论：,变,电流作用,变,电压作用,变,阻抗作用,或,总结,变压器的外特性和额定值,2.,额定值,一般变压器的额定值在其名牌上给出。,额定,电压,额定电流,额定容量,额定频率,一次额定电压,U,1N,正常时一次绕组所加电压的有效值。,二次额定电压,U,2N,一次电压为,U,1N,时，变压器空载时对应二次侧的空载电压有效值，即,U,20,=,U,2N,一次额定电流,I,1N,一次绕组加额定电压，正常工作时一次绕组允许长期通过的最大电流有效值。,二次额定电流,I,2N,一次绕组加额定电压，正常工作时二次绕组允许长期通过的最大电流有效值。,指二次侧的,输出额定视在功率,即：,额定频率,50H,Z,三、变压器的外特性和额定值,1.,外特性,电压保持不变，变压器任载后，由于一、二次侧均有电流通过，必然在一次侧、二次侧内阻抗上产生电压降，从而使二次电压随负载电流增加变小。称,曲线,为变压器的,外,特性。,变压器外特性,电压调整率,满载时电压,空载电压,一般在,5%,以内,四、变压器的损耗和效率,变压器损耗,p,分铁损,p,Fe,和,铜损,p,Cu,1.,铁损,是交变的主磁通在铁心中产生磁滞损耗,p,h,和涡流损耗,p,e,之和,又,称为固定损耗,2.,铜损,又,称为可变损耗,变压器一次侧、二次侧均有电阻，当有电流通过时，产生损耗,3.,效率,一次侧输入功率,p,1,，二次侧,输出功率,p,2,，,效率为,p,=,p,Fe,+,p,Cu,小型变压器的效率为,7085%,，大型变压器效率可达,98%,3.3,三相电压器,1),三相变压器的结构,三相心式变压器的结构,A,B,C,3.3,三相电压器,A,B,C,X,Y,Z,a,b,c,z,y,x,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,:,（,1,）三相变压器,Y/Y,0,联结,线电压之比：,A,C,B,b,c,a,+,+,+,+,（,2,）三相变压器,Y,0,/,联结,线电压之比：,A,C,B,a,b,c,+,+,+,第,10,章结束,课后练习,第,10,章习题解答,铁心,线圈,衔铁,直流电磁铁通电演示,衔铁的吸合应是瞬间完成,通电演示,铁心,线圈,衔铁,关于磁滞,当,外,电场,H,值作正负变化使铁磁材料反复磁化过程中，,B,的变化总是落后于,H,的变化。铁磁材料反复磁化后，得到近,似对称原点的闭合曲线，叫,磁滞回线,。,不同的磁性材料，其磁滞回线形状不同,H,B,H,B,软磁,材料,H,B,硬磁,材料,箱式变压器,-,简称：箱变,