電工學少學時第五章ppt課件

.,第5章變壓器,.,5.1磁路,5.2電磁鐵,5.4變壓器的基本結(jié)構(gòu),5.3變壓器的工作原理,5.7自耦變壓器,5.5三相變壓器,5.9繞組的極性,第5章變壓器,5.6儀用互感器,5.8三繞組變壓器,.,5.1磁路,5.1磁場的基本物理量,1、磁感應強度B:表示磁場內(nèi)某點磁場強弱和方向的物理量。,磁感應強度B的大小:,磁感應強度B的方向:與電流的方向之間符合右手螺旋定則。,磁感應強度B的單位:特斯拉(T),均勻磁場:各點磁感應強度大小相等，方向相同的磁場，也稱勻強磁場。,.,2、磁通,磁通：穿過垂直于B方向的面積S中的磁力線總數(shù)。,說明:如果不是均勻磁場，則取B的平均值。,在均勻磁場中=BS或B=/S,磁感應強度B在數(shù)值上可以看成為與磁場方向垂直的單位面積所通過的磁通,故又稱磁通密度。,磁通的單位:韋伯(Wb),3、磁場強度,磁場強度H：介質(zhì)中某點的磁感應強度B與介質(zhì)磁導率之比。,磁場強度H的單位：安培/米（A/m),.,真空的磁導率為常數(shù)，用0表示，有：,4、磁導率,磁導率：表示磁場媒質(zhì)磁性的物理量，衡量物質(zhì)的導磁能力。,相對磁導率r：任一種物質(zhì)的磁導率和真空的磁導率0的比值。,磁導率的單位：亨/米（H/m）,.,5.2物質(zhì)的磁性能,1.非磁性物質(zhì),非磁性物質(zhì)分子電流的磁場方向雜亂無章，幾乎不受外磁場的影響而互相抵消，不具有磁化特性。非磁性材料的磁導率都是常數(shù)，有：,所以磁通與產(chǎn)生此磁通的電流I成正比，呈線性關系。,當磁場媒質(zhì)是非磁性材料時，有：,即B與H成正比，呈線性關系。,由于,0r1,B=0H,(),(I),.,2.磁性物質(zhì),磁性物質(zhì)內(nèi)部形成許多小區(qū)域，其分子間存在的一種特殊的作用力使每一區(qū)域內(nèi)的分子磁場排列整齊，顯示磁性，稱這些小區(qū)域為磁疇。,在外磁場作用下，磁疇方向發(fā)生變化，使之與外磁場方向趨于一致，物質(zhì)整體顯示出磁性來，稱為磁化。即磁性物質(zhì)能被磁化。,磁疇,外磁場,在沒有外磁場作用的普通磁性物質(zhì)中，各個磁疇排列雜亂無章，磁場互相抵消，整體對外不顯磁性。,磁疇,.,5.2.1磁性材料的磁性能,1高導磁性,磁性材料的磁導率通常都很高，即r1(如坡莫合金，其r可達2105)。磁性材料能被強烈的磁化，具有很高的導磁性能。,磁性材料主要指鐵、鎳、鈷及其合金等。,磁性物質(zhì)的高導磁性被廣泛地應用于電工設備中，如電機、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放有鐵心。,磁性物質(zhì)的高導磁性被廣泛地應用于電工設備中，如電機、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放有鐵心。在這種具有鐵心的線圈中通入不太大的勵磁電流，便可以產(chǎn)生較大的磁通和磁感應強度。,.,在電機、變壓器及各種鐵磁元件中常用磁性材料做成一定形狀的鐵心。鐵心的磁導率比周圍空氣或其它物質(zhì)的磁導率高的多，磁通的絕大部分經(jīng)過鐵心形成閉合通路，磁通的閉合路徑稱為磁路。,直流電機的磁路,交流接觸器的磁路,.,磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場不會隨著外磁場的增強而無限的增強。,2磁飽和性,磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場不會隨著外磁場的增強而無限的增強。當外磁場增大到一定程度時，磁性物質(zhì)的全部磁疇的磁場方向都轉(zhuǎn)向與外部磁場方向一致，磁化磁場的磁感應強度將趨向某一定值。如圖。,初始磁化曲線,.,B-H磁化曲線的特征：Oa段：B與H幾乎成正比地增加；ab段：B的增加緩慢下來；b點以后：B增加很少，達到飽和。,O,H,B,B,a,b,有磁性物質(zhì)存在時，B與H不成正比，磁性物質(zhì)的磁導率不是常數(shù)，隨H而變。,有磁性物質(zhì)存在時，與I不成正比。,磁化曲線,.,3磁滯性,磁性材料在交變磁場中反復磁化，其B-H關系曲線是一條回形閉合曲線，稱為磁滯回線。,磁滯性：磁性材料中磁感應強度B的變化總是滯后于外磁場變化的性質(zhì)。,磁滯回線,Br,Hc,剩磁感應強度Br(剩磁)：當線圈中電流減小到零(H=0)時，鐵心中的磁感應強度。,矯頑磁力Hc：使B=0所需的H值。,磁性物質(zhì)不同，其磁滯回線和磁化曲線也不同。,.,按磁性物質(zhì)的磁性能，磁性材料分為三種類型：(1)軟磁材料具有較小的矯頑磁力，磁滯回線較窄。一般用來制造電機、電器及變壓器等的鐵心。常用的有鑄鐵、硅鋼、坡莫合金即鐵氧體等。(2)永磁材料具有較大的矯頑磁力，磁滯回線較寬。一般用來制造永久磁鐵。常用的有碳鋼及鐵鎳鋁鈷合金等。(3)矩磁材料具有較小的矯頑磁力和較大的剩磁，磁滯回線接近矩形，穩(wěn)定性良好。在計算機和控制系統(tǒng)中用作記憶元件、開關元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體等。,.,式中：F=NI為磁通勢，由其產(chǎn)生磁通；Rm稱為磁阻，表示磁路對磁通的阻礙作用；l為磁路的平均長度；S為磁路的截面積。,三.磁路的歐姆定律,若某磁路的磁通為，磁通勢為F，磁阻為Rm，則,即有：,此即磁路的歐姆定律。,.,1.磁路分析的特點,(1)在處理電路時不涉及電場問題，在處理磁路時離不開磁場的概念；,(2)在處理電路時一般可以不考慮漏電流，在處理磁路時一般都要考慮漏磁通；,(3)磁路歐姆定律和電路歐姆定律只是在形式上相似。由于不是常數(shù)，其隨勵磁電流而變，磁路歐姆定律不能直接用來計算，只能用于定性分析；,(4)在電路中，當E=0時，I=0；但在磁路中，由于有剩磁，當F=0時，不為零；,.,5.2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。,.,5.2電磁鐵,電磁鐵的常見結(jié)構(gòu)形式,電磁鐵的種類：直流電磁鐵、交流電磁鐵。,.,一、直流電磁鐵,UINI,(1)電壓與電流的關系,(2)線圈的功率：P=RI2,1.直流鐵心線圈電路,.,一、直流電磁鐵,2.電磁吸力線圈通電后，產(chǎn)生主磁通。鐵心和銜鐵被磁化，在它們的兩端形成N極和S極，從而產(chǎn)生電磁吸力F。,I不變,F,銜鐵吸合后磁阻,.,二、交流電磁鐵,1、電磁關系,（磁通勢）,主磁通：通過鐵心閉合的磁通。,漏磁通：經(jīng)過空氣或其它非導磁媒質(zhì)閉合的磁通。,線圈,鐵心,i，,鐵心線圈的漏磁電感,與i不是線性關系。,.,2、電壓電流關系,根據(jù)KVL:,式中：R是線圈導線的電阻,L是漏磁電感,當u是正弦電壓時，其它各電壓、電流、電動勢可視作正弦量，則電壓、電流關系的相量式為：,Z是漏磁阻抗,.,設主磁通根據(jù)電磁感應定律,有效值,由于線圈電阻R和感抗X（或漏磁通）較小，其電壓降也較小，與主磁電動勢E相比可忽略，故有,式中：Bm是鐵心中磁感應強度的最大值，單位T；S是鐵心截面積，單位m2。,.,忽略漏阻抗，有,則,當U、f一定時，m基本不變。(2)功率視在功率:S=UI無功功率:Q=Ssin有功功率:P=Scos=PCuPFe,銅損耗,鐵損耗,=RI2+(PhPe),磁滯損耗,渦流損耗,.,3、功率損耗,交流鐵心線圈的功率損耗主要有銅損和鐵損兩種。,1.銅損（Pcu）,在交流鐵心線圈中,線圈電阻R上的功率損耗稱銅損，用Pcu表示。,Pcu=RI2,式中：R是線圈的電阻；I是線圈中電流的有效值。,2.鐵損（PFe）,在交流鐵心線圈中，處于交變磁通下的鐵心內(nèi)的功率損耗稱鐵損，用PFe表示。,鐵損由磁滯和渦流產(chǎn)生。,.,（1）磁滯損耗（Ph）,由磁滯所產(chǎn)生的能量損耗稱為磁滯損耗（Ph）。,磁滯損耗的大小：交變磁化一周在鐵心的單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的磁滯損耗能量與磁滯回線所包圍的面積成正比。,磁滯損耗轉(zhuǎn)化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。,減少磁滯損耗的措施：選用磁滯回線狹小的磁性材料制作鐵心。變壓器和電機中使用的硅鋼等材料的磁滯損耗較低。,.,(2)渦流損耗（Pe）,渦流損耗:由渦流所產(chǎn)生的功率損耗。,渦流：交變磁通在鐵心內(nèi)產(chǎn)生感應電動勢和電流，稱為渦流。渦流在垂直于磁通的平面內(nèi)環(huán)流。,渦流損耗轉(zhuǎn)化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。,減少渦流損耗措施：,提高鐵心的電阻率。鐵心用彼此絕緣的鋼片疊成，把渦流限制在較小的截面內(nèi)。,鐵心線圈交流電路的有功功率為：,.,(1)變化f變化電磁吸力用平均值衡量。m不變Fm不變。(2)銜鐵吸合后磁阻起動電流工作電流。,4.電磁吸力,m不變,磁通勢勵磁電流,平均吸力,.,(1)交流電磁鐵的吸力在零與最大值之間脈動。銜鐵以兩倍電源頻率在顫動，引起噪音，同時觸點容易損壞。為了消除這種現(xiàn)象，在磁極的部分端面上套一個分磁環(huán)（或稱短路環(huán)），工作時，在分磁環(huán)中產(chǎn)生感應電流，其阻礙磁通的變化，在磁極端面兩部分中的磁通1和2之間產(chǎn)生相位差，因而兩部分的吸力不同時為零，實現(xiàn)消除振動和噪音，如圖所示；而直流電磁鐵吸力恒定不變；,綜合上述：,(2)交流電磁鐵中,為了減少鐵損，鐵心由鋼片疊成；直流電磁鐵的磁通不變，無鐵損，鐵心用整塊軟鋼制成；,.,(4)直流電磁鐵的勵磁電流僅與線圈電阻有關，在吸合過程中，勵磁電流不變。,(3)在交流電磁鐵中，在其吸合過程中，隨著磁路氣隙的減小，磁阻減小，電流減小。如果銜鐵被卡住，通電后銜鐵吸合不上，電流較大，將使線圈嚴重發(fā)熱甚至燒毀；,4.電磁鐵的應用,電磁鐵在生產(chǎn)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(chǎn)生機械連動，實現(xiàn)控制要求。,.,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(jié)構(gòu)，其中電動機和制動輪同軸。原理如下：,通電,電磁鐵動作,拉開彈簧,抱閘提起,松開制動輪,電機轉(zhuǎn)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：,.,例5.2.1,一個鐵心線圈，加上12V直流電壓時，電流為1A；加上110V交流時，電流為2A，消耗的功率為88W。求后一種情況線圈的銅損耗、鐵損耗和功率因數(shù)。解：,(1)線圈施加直流電壓時：,=12,(2)線圈施加交流電壓時：PCu=RI2,=1222W,=48W,PFe=PPCu,=(8848)W,=40W,=0.4,.,一次、二次繞組互不相連，能量的傳遞靠磁耦合。,5.3變壓器的工作原理,.,(1)空載運行情況,1.電磁關系,一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)開路。,空載時，鐵心中主磁通是由一次繞組磁通勢產(chǎn)生的。,.,(2)帶負載運行情況,1.電磁關系,一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)接負載。,有載時，鐵心中主磁通是由一次、二次繞組磁通勢共同產(chǎn)生的合成磁通。,.,2.電壓變換（設加正弦交流電壓）,有效值:,同理：,主磁通按正弦規(guī)律變化，設為則,變壓器一次、二次側(cè)繞組的電動勢之比稱為變壓器的電壓比,(1)一次、二次側(cè)主磁通感應電動勢,.,根據(jù)KVL：,變壓器一次側(cè)等效電路如圖,由于電阻R1和感抗X1(或漏磁通)較小,其兩端的電壓也較小,與主磁電動勢E1比較可忽略不計，則,(2)一次、二次側(cè)電壓,式中R1為一次側(cè)繞組的電阻;X1=L1為一次側(cè)繞組的感抗(漏磁感抗，由漏磁產(chǎn)生)。,.,對二次側(cè)，根據(jù)KVL：,結(jié)論：改變匝數(shù)比，就能改變輸出電壓。,式中R2為二次繞組的電阻;X2=L2為二次繞組的感抗；為二次繞組的端電壓。,變壓器空載時:,式中U20為變壓器空載電壓。,故有,.,一般取高壓繞組的電壓與低壓繞組的電壓之比，,規(guī)定:當U1=U1N時,U1N,U2N,即：k1,U20=U2N,如銘牌上標注:,電壓10000/230V,變壓器銘牌參數(shù)：額定電壓U1N、U2N變壓器二次側(cè)開路（空載）時，一次、二次側(cè)繞組允許的電壓值,U1N，一次繞組的額定電壓U2N，一次繞組加上額定電壓時，二次側(cè)空載時的電壓,一般U2N比滿載時的電壓高5%10%。,.,（3）、變壓器的外特性,當一次側(cè)電壓U1和負載功率因數(shù)cos2保持不變時，二次側(cè)輸出電壓U2和輸出電流I2的關系，U2=f(I2),U20：一次側(cè)加額定電壓、二次側(cè)開路時，二次側(cè)的輸出電壓。,一般供電系統(tǒng)希望要硬特性（隨I2的變化，U2變化不大），電壓變化率約在23%左右。,電壓變化率：,.,例5.3.1某單相變壓器的額定電壓為10000/230V接在10000V的交流電源上向一電感性負載供電，電壓調(diào)整率為0.03，求變壓器的電壓比、空載和滿載時的二次電壓。,解變壓器的電壓比為,空載時的二次電壓為U20=U2N=230V滿載時的二次電壓為U2=U2N(1VR)=230(10.03)V=223V,.,3.電流變換,(一次、二次側(cè)電流關系),有載運行,可見，鐵心中主磁通的最大值m在變壓器空載和有載時近似保持不變。即有,不論變壓器空載還是有載，一次繞組上的阻抗壓降均可忽略，故有,由上式，若U1、f不變，則m基本不變，近于常數(shù)。,空載：,有載：,.,或,結(jié)論：一次、二次側(cè)電流與匝數(shù)成反比。,磁勢平衡式：,空載磁勢,有載磁勢,.,=224A,=5.15A,例5.3.1,某單相變壓器的額定電壓為10000/230V，接在10000V的交流電源上向一電感性負載供電，電壓調(diào)整率為0.03。當|ZL|=0.966時，變壓器正好滿載。求該變壓器的電流。,.,4.阻抗變換,由圖可知：,結(jié)論：變壓器一次側(cè)的等效阻抗模，為二次側(cè)所帶負載的阻抗模的K2倍。,.,一只電阻為8的揚聲器（喇叭），需要把電阻提高到800才可以接入半導體收音機的輸出端。問：應該利用電壓比為多大的變壓器才能實現(xiàn)這一阻抗匹配。解：,例5.3.3,=10,RL=k2R,上一節(jié),下一節(jié),上一頁,下一頁,返回,.,(1)變壓器的匝數(shù)比應為：,解:,例1:如圖，交流信號源的電動勢E=120V，內(nèi)阻R0=800，負載為揚聲器，其等效電阻為RL=8。（1）當RL折算到原邊的等效電阻時，求變壓器的匝數(shù)比和信號源輸出的功率；（2）當將負載直接與信號源聯(lián)接時,信號源輸出多大功率？,.,信號源的輸出功率：,電子線路中，常利用阻抗匹配實現(xiàn)最大輸出功率。,結(jié)論：接入變壓器以后，輸出功率大大提高。,原因：滿足了最大功率輸出的條件：,（2）將負載直接接到信號源上時，輸出功率為：,.,5變壓器的功率關系,一次繞組的視在功率：,S1=U1I1,二次繞組的視在功率：,S2=U2I2,變壓器的額定容量：,SN=U2NI2N,=U1NI1N,輸入功率：,P1=U1I1cos1,輸出功率：,P2=U2I2cos2,變壓器的損耗：,P=P1P2,=PCu+PFe,.,不變損耗,PFe=Ph+Pe,鐵損耗：,上一節(jié),下一節(jié),上一頁,下一頁,返回,銅損耗：,PCu=R1I12+R2I22,可變損耗,銅損(PCu)：繞組導線電阻的損耗。,渦流損耗：交變磁通在鐵心中產(chǎn)生的感應電流(渦流)造成的損耗。,鐵損(PFe)：,變壓器的效率為,輸出功率,輸入功率,一般95%,負載為額定負載的(5075)%時，最大,.,一變壓器容量為10kVA，鐵耗為300W，滿載時的銅耗為400W。求該變壓器在滿載時向功率因數(shù)為0.8的負載供電時輸入和輸出的有功功率及效率。解：,例5.3.4,忽略電壓變化率，則,P2=SNcos2,=101030.8W,=8kW,P=PCu+PFe,=(300+400)W,=0.7kW,P1=P2+P,=(8+0.7)kW,=8.7kW,=92%,上一節(jié),下一節(jié),上一頁,下一頁,返回,.,5.4變壓器的基本結(jié)構(gòu),一、主要部件,1.鐵心用硅鋼片疊成。2.繞組（線圈）高壓繞組和低壓繞組同心地套在鐵心上。3.其他油箱、油、儲油柜、絕緣套管、保護設備等。,.,1.按相數(shù)分類三相變壓器、單相變壓器。2.按每相繞組的個數(shù)分類雙繞組變壓器、三繞組變壓器、自耦變壓器。3.按結(jié)構(gòu)分類心式變壓器、殼式變壓器。3.按冷卻方式分類干式變壓器、油浸式變壓器。,二、主要種類,.,心式變壓器,殼式變壓器,.,S9型10kV三相油浸配電變壓器,.,樹脂澆注干式變壓器,.,(2)三相繞組的聯(lián)結(jié)方式：GB:Y,ynY,dYN,dY,yYN,y,(1)三相電壓變換的方式：采用三臺單相變壓器、,三相心式變壓器。,常用的三種,高壓繞組接法,低壓繞組接法,5.5三相電壓的變換,.,5.5三相變壓器,1.三相組式變壓器,特點：三相之間只有電的聯(lián)系，沒有磁的聯(lián)系。,.,2.三相心式變壓器,特點：三相之間既有電的聯(lián)系，又有磁的聯(lián)系。,.,三相電壓的變換,1)三相變壓器的結(jié)構(gòu),高壓繞組：A-XB-YC-Z,X、Y、Z：尾端,A、B、C：首端,低壓繞組：a-xb-yc-z,a、b、c：首端,x、y、z：尾端,2)三相變壓器的聯(lián)結(jié)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）,常用接法:,.,（1）三相變壓器Y/yn聯(lián)結(jié),線電壓之比：,（三相配電變壓器）,.,（2）三相變壓器Y/聯(lián)結(jié),線電壓之比：,動力供電系統(tǒng)（井下照明）,.,1）變壓器的型號,變壓器的銘牌和技術數(shù)據(jù),.,額定值,額定電壓U1N、U2N變壓器二次側(cè)開路（空載）時，一次、二次側(cè)繞組允許的電壓值,額定電流I1N、I2N變壓器滿載運行時，一次、二次側(cè)繞組允許的電流值。,.,額定容量SN傳送功率的最大能力。,容量SN輸出功率P2,一次側(cè)輸入功率P1輸出功率P2,注意：變壓器幾個功率的關系（單相）,效率,變壓器運行時的功率取決于負載的性質(zhì),額定值,.,某三相變壓器SN=50kVA，U1N/U2N=10000/400V，Y/D聯(lián)結(jié)，向2=cos2=0.9的感性負載供電，滿載時二次繞組的電壓為380V。求：(1)滿載時一、二次繞組的線電流、相電流；(2)輸出的有功功率。解：,例5.5.1,(1),=2.9A,=72.2A,I1p=I1N=2.9A,=41.7A,.,(2),=42.8kW,.,*5.6儀用互感器,一、電壓互感器,國產(chǎn)互感器：U2N=100V,1.工作原理空載運行的降壓變壓器。,.,二次側(cè)不能短路，以防產(chǎn)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(cè)出現(xiàn)高壓。,使用注意事項：,被測電壓=電壓表讀數(shù)N1/N2,2.電壓互感器,實現(xiàn)用低量程的電壓表測量高電壓,.,二、電流互感器,1.工作原理短路運行的升壓變壓器。,國產(chǎn)互感器：I2N=5A,12匝,.,被測電流=電流表讀數(shù)N2/N1,二次側(cè)不能開路，以防產(chǎn)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(cè)出現(xiàn)過壓。,使用注意事項：,2.電流互感器,實現(xiàn)用低量程的電流表測量大電流,.,*5.7自耦變壓器,一、結(jié)構(gòu),手柄,接線柱,調(diào)壓器,.,二、工作原理,降壓自耦變壓器,升壓自耦變壓器,忽略漏阻抗，則,.,使用時，改變滑動端的位置，便可得到不同的輸出電壓。實驗室中用的調(diào)壓器就是根據(jù)此原理制作的。注意：一次、二次側(cè)千萬不能對調(diào)使用，以防變壓器損壞。因為N變小時，磁通增大，電流會迅速增加。,1.自耦變壓器,.,*5.8三繞組變壓