第四章 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,*,第四章 磁路与变压器,第一节 铁磁物质及磁路,第二节 交,流铁心线圈,第三节 变压器的基本结构及工作原理,第四节 变压器的效率和外特性,#,第五节 变压器的同名端,第六节 三相电力变压器,第七节 特殊变压器,第四章 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。,第一节 铁磁物质及磁路,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、铁磁物质,#,4-1,根据物质的导磁性将其分为铁磁物质和非铁磁物质。,铁磁物质的磁化过程详见,电工学,第,71,页。,二、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,安,/,米，,A/m,A/cm,#,8-1,磁导率,：表征各种材料导磁能力的物理量,（,亨,/,米）,真空中的磁导率,(),为常数,一般材料的磁导率 和真空中的磁导率之比，,称为这种材料的相对磁导率,，则称为磁性材料,，则称为非磁性材料,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,4-1,磁路：主磁通所经过的闭合路径。,i,磁路的基本概念,线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏磁通。,：,主磁通,：,漏磁通,铁心,（导磁性能好,的磁性材料）,线圈,磁动势,四、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,#,4-1,了解,四、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,#,4-1,安培环路定律（全电流律）：,磁场中任何闭合回路磁场强度的线积分,等于通过这个闭合路径内电流的代数和,.,I,1,I,2,I,3,电流方向和磁场强度的方向,符合右手定则，电流取正；,否则取负。,在无分支的均匀磁路,（磁路的材料和截面积相同，各处的磁场强度相等）中，安培环路定律可写成：,磁路,长度,L,线圈,匝数,N,I,HL,：,称为磁压降。,NI,：,称为磁动势。一般,用,F,表示。,F,=,NI,总磁动势,在非均匀磁路,（磁路的材料或截面积不同，或磁场强度不等）中，,总磁动势等于各段磁压降之和。,例：,I,N,对于均匀磁路,磁路中的,欧姆定律,磁路的欧姆定律：,则：,I,N,S,L,注：由于磁性材料 是非线性的，磁路欧姆定律多用作定性,分析，不做定量计算。,令：,R,m,称为磁阻,4-1,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。,#,磁路和电路的比较（一）,磁,路,电,路,磁通,I,N,R,+,_,E,I,磁压降,磁动势,电动势,电流,电压降,U,#,基本定律,磁阻,磁感应,强度,安培环路,定律,磁 路,I,N,欧姆定律,电阻,电流,强度,克氏,电压定律,克氏,电流定律,磁路与电路的比较,(,二,),电 路,R,+,_,E,I,#,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，,的变化总是落后于,i,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,i,i,软磁,材料,i,硬磁,材料,#,第二节 交流铁芯线圈,4-2,第二节 交流铁芯线圈,4-2,一、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,#,4-2,二、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,#,#,4-2,二、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,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,第三节 变压器的基本结构和工作原理,4-3,二、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,4-3,二、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,4-3,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,4-3,二、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,三,.,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,4-3,容量,S,N,输出功率,P,2,原边输入功率,P,1,输出功率,P,2,注意：变压器几个功率的关系,效率,变压器功,率因数,容量：,原边输入功率：,输出功率：,一、变压器的损耗和效率,4-4,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%,第四节 变压器的效率和特性,2.,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,4-4,第四节 变压器的效率和特性,当电流流入两个线圈,(,或流出）时，若产生的磁通方向相同，则两个流入端称为同极性端（同名端）。或者说，当铁芯中磁通变化（增大或减小）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,(,同名端,),A,X,a,x,*,*,第五节 变压器的同名端,A,X,a,x,*,*,电器使用时两种电压（,220V/110V,）,的切换：,220V,：,联结,2,3,110V,：,联结,1,3,，,2,4,线圈的接法,1,3,2,4,*,*,220V,：,联结,2,3,励磁,两种接法下线圈工作情况的分析,*,*,1,3,2,4,110V,：,联结,1,3,，,2,4,1,3,2,4,220V,：,联结,2,3,1,3,2,4,*,*,说明：两种接法下 不变，所以铁芯磁路的设计相同,励磁,问题,1,：,在,110V,情况下，如果只用一个绕组（,N,），,行不行？,答：,不行（两绕组必须并绕）,原边有两个相同绕组的电源变压器（,220/110,），使用中应注意的问题：,*,*,1,3,2,4,1,3,2,4,N,若两种接法铁芯中的磁通相等，则：,问题,2,：,如果两绕组的极性端接错，结果如何？,结论：,在极性不明确时，一定要先测定极性再通电。,答：,有可能烧毁变压器,两个线圈中的磁通抵消,烧毁,感应电势,电流,很大,原因：,*,*,1,3,2,4,方法一：交流法,A,X,a,x,同极性端的测定方法,若 说明,A,与,a,或,X,与,x,为同,极性端。,把两个线圈的任意两端,(,X,-,x,),连,接,然后在,AX,上加一小电压,u,。,测量：,若 说明,A,与,x,或,X,与,a,是同,极性端,；,结论：,方法二：直流法,mA,表,+,_,A,X,a,x,K,+,-,*,*,A,X,a,x,+,_,K,设,K,闭合时,增加。,感应电动势的方向，阻止,的增加。,如果当,K,闭合时，,mA,表正偏，则,A,a,为同极性端,;,如果当,K,闭合时，,mA,表反偏，则,A,x,为同极性端,结论：,内容详见,电工学,P80-82,第六节 三相电力变压器,7.1,自耦变压器,A,B,P,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、副边千万不能对调使用，,以防变压器损坏。因为,N,变小时，磁通增大，电流会迅速增加。,第七节 特殊变压器,7.2,电压互感器,用低量程的电压表测高电压,1.,副边不能短路，以,防产生过流；,2.,铁心、低压绕组的,一端接地，以防在,绝缘损时，在副边,出现高压。,使用注意：,V,R,N,1,（,匝数多,）,保险丝,N,2,（,匝数少,）,u,（被测电压）,电压表,被测电压,=,电压表读数,N,1,/,N,2,7.3,电流互感器,用低量程的电流表测大电流,（,被测电流）,N,1,（,匝数少,）,N,2,（,匝数多,）,A,R,i,1,i,2,电流表,被测电流,=,电流表读数,N,2,/,N,1,1.,副边不能开路，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，在副,边出现过压。,使用注意事项：,右手螺旋定则、左手定则、右手定则,右手螺旋定则判断磁场方向,1,、右手四指握导线，当大拇指方向与导线电流方向一致时，其余四指所指的方向，就是导线周围磁场的方向。,2,、右手四指握线圈，弯曲的四指指向线圈电流方向，则大拇指指的方向，即为线圈的磁场方向。,左手定则判断电磁力的方向,平伸左手，拇指与其余四指在同一平面内相互垂直，手心对磁场北极，四指指向电流方向时，则拇指所指的方向，就是磁场对通电导体作用力（电磁力）的方向。,右手定则判定感应电动势的方向,平伸右手，让拇指与其余四指在同一平面内相互垂直，手心对磁场北极，拇指指向导体运动方向，则其余四指的指向就是感应电动势（即感应电流）的方向。,第八章习题解答,铁心,线圈,衔铁,直流电磁铁通电演示,返回,衔铁的吸合应是瞬间完成,#,通电演示,铁心,线圈,衔铁,返回,返回,返回,箱式变压器,-,简称：箱变,