鐵心線圈與變壓器1.ppt

1、第八章 鐵心線圈與變壓器,作者,GSQ,第八章 鐵心線圈與變壓器,第一節(jié) 磁路的基本概念和定律,第二節(jié) 直流鐵心線圈與直流電磁鐵,第三節(jié) 交流鐵心線圈與交流電磁鐵,第四節(jié) 單相變壓器,第八章 鐵心線圈與變壓器,本章介紹的基本物理量、基本定律以及磁性材料的磁性能。在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)討論鐵心線圈電路和變壓器,第一節(jié) 磁路的基本概念和定律,電動(dòng)機(jī)、繼電器、電磁鐵及變壓器等電器都是基于電磁耦合的原理工作的，我們已經(jīng)學(xué)過了電路，現(xiàn)在再來研究磁路,一、磁場的基本物理量,1.磁通,2.磁感應(yīng)強(qiáng)度B,3.磁場強(qiáng)度H,4.導(dǎo)磁系數(shù),8-1,一、磁場的基本物理量,垂直穿過某一面積S 的磁力線的總根數(shù)。韋伯wb,穿過單

2、位面積的磁力線根數(shù)。特斯拉T wb/m2,磁場中某點(diǎn)的B 與該點(diǎn)的磁導(dǎo)率的比值,1.磁通,2.磁感應(yīng)強(qiáng)度B,3.磁場強(qiáng)度H,4.導(dǎo)磁系數(shù),描述導(dǎo)磁能力大小的物理量。通常使用相對導(dǎo)磁系數(shù),無量綱,真空導(dǎo)磁系數(shù),第一節(jié) 磁路的基本概念和定律,安/米，A/m, A/cm,8-1,磁動(dòng)勢,第一節(jié) 磁路的基本概念和定律,二、磁路的基本定律,安培環(huán)路定律,磁路歐姆定律,與電路類似，磁路也有各種定律,安培環(huán)路定律,安培環(huán)路定律,安培環(huán)路定律,安培環(huán)路定律,安培環(huán)路定律,沿任一閉合路徑，H 的線積分等于包圍在這閉合路徑內(nèi)各電流的代數(shù)和,若磁場均勻則有,磁路歐姆定律,磁路歐姆定律,磁路歐姆定律,磁路歐姆定律,磁

3、路歐姆定律,磁路歐姆定律,磁路歐姆定律,磁路歐姆定律,磁路歐姆定律,磁路歐姆定律,磁路歐姆定律,磁路歐姆定律,磁路歐姆定律,無分支磁路,平均長 l,線圈N 匝,I,N,磁通,導(dǎo)磁系 數(shù),截面積S,根據(jù),磁路歐姆定律,磁阻Rm,基爾霍夫定律,8-1,二、磁路的基本定律,安培環(huán)路定律,磁路歐姆定律,基爾霍夫定律,基爾霍夫定律,基爾霍夫定律,基爾霍夫定律,基爾霍夫定律,基爾霍夫定律,基爾霍夫定律,基爾霍夫定律,基爾霍夫定律,有分支磁路,I1,N1,I2,N2,1. 磁路的基爾霍夫磁通定律,在節(jié)點(diǎn)A 處,A,1+2 -3=0,2. 磁路的基爾霍夫磁壓降定律,任一閉合回路中均有,或,磁壓降的代數(shù)和等于磁

4、動(dòng)勢的代數(shù)和,8-1,H（I,a,b,c,B,鐵磁材料 B-H，-H 曲線,從曲線上能明顯看出，不是常數(shù),導(dǎo)磁性,工程上利用它來使,磁通盡量地約束在有限的范圍 內(nèi)，提高電磁設(shè)備的利用率， 一般使用B-H 曲線的ab 段,磁滯,B的變化滯后于H 的變化 如曲線的oa 段,o,磁飽和,當(dāng)H 達(dá)到一定程度，B 不再隨H 而增加，此為磁飽和。 如曲線的cs 段,s,若對鐵心線圈而言，磁飽和意為,當(dāng)電流I 增加到一定程度，不再隨之增加,關(guān)于磁滯,祥看請點(diǎn)擊,三、磁性材料的磁性能,8-1,8-1,幾點(diǎn)說明,磁阻Rm 的大小取決于磁路的尺寸和材料的磁導(dǎo)率,很大，但不是常數(shù)，因此 也不是常數(shù)。所以磁 路歐姆定

5、律不能用來進(jìn)行定量計(jì)算，只用做定性分析。 通常磁路計(jì)算應(yīng)用磁路基爾霍夫定律,磁路和電路有相似之處，但卻有本質(zhì)的區(qū)別。 祥見教材P149,第二節(jié),第二節(jié) 直流鐵心線圈與直流電磁鐵,一、直流鐵心線圈 （磁路計(jì)算略,二、直流電磁鐵,1. 構(gòu)成,鐵心,鐵心,線圈,線圈,銜鐵,銜鐵,8-2,2. 工作原理,通電的鐵心線圈對銜鐵會(huì)產(chǎn)生吸力,請看通電演示,3. 吸力,電磁鐵應(yīng)用,直流電磁鐵的特點(diǎn),8-2,勵(lì)磁電流是由勵(lì)磁線圈的外加電壓U 和線圈電阻R 決定的,2. 無磁滯和渦流損耗，鐵心可以使用整塊的鑄鋼、軟鐵,電流是恒定的，無感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生,3. 吸合后電磁力比吸合前大得多，但勵(lì)磁電流不變,因磁動(dòng)勢 NI

6、 不變，磁阻Rm B ，所以吸力F,電流恒定，無感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生。 無磁滯和渦流損耗，可使用整塊鐵心 3. 吸合后，勵(lì)磁電流不變， F,第三節(jié) 交流鐵心線圈與交流電磁鐵,8-3,一、交流鐵心線圈的損耗,P = PCU + Ph + Pe,總損耗,銅損,渦流損耗,鐵損,磁滯損耗,銅損PCU,線圈電阻上的損耗,PCU =I 2R,磁滯損耗,其大小與鐵心材料反復(fù)磁化后的磁滯回線面積成正比,渦流損耗,交變磁通穿過鐵心時(shí)，鐵心既導(dǎo)磁又導(dǎo)電 ，因鐵心在交變磁通作用下產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢， 從而在垂直于磁通方向的鐵心平面內(nèi)產(chǎn)生旋渦狀的感應(yīng)電流，叫渦流。渦流在鐵心內(nèi)電阻上產(chǎn)生的損耗稱渦流損耗,減小渦流損耗的辦法,增大

7、渦流通路的電阻即用薄的材料疊成鐵心,減小磁滯損耗的辦法,鐵心盡量采用軟磁材料,8-3,二、電壓平衡方程式,交流鐵心線圈,大部分經(jīng)鐵心閉合,產(chǎn)生e,e,主磁通,少部分經(jīng)空氣閉合,產(chǎn)生eL,漏磁通,eL,u,線圈電阻上壓降為 iR,根據(jù)KVL得,或,電壓平衡方程式,8-3,二、電壓平衡方程式,有效值,或,重要結(jié)論,外加電壓不變時(shí)，交流鐵心線圈的鐵心內(nèi)主磁通最大值幾 乎是不變的。這是分析變壓器和交流電動(dòng)機(jī)時(shí)的重要概念,注意,8-3,三、交流電磁鐵,交流電磁鐵也是一種電磁器件，結(jié)構(gòu)形式與直流電磁鐵類似。在工業(yè)部門應(yīng)用極為廣泛。如冶金工業(yè)中用于提放鋼材的電磁吊車；夾持工件的電磁工作臺(tái)；傳遞動(dòng)力的電磁離合

8、器；液壓傳動(dòng)中的電磁閥；交流接觸器及接觸器等,鐵心中的磁通是交變的，空氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為,吸力,8-3,三、交流電磁鐵,瞬時(shí)值,有效值,顯然 f 是交變的，存在過零值。會(huì)出現(xiàn)吸合不牢的現(xiàn)象,通常在尾端留一切口，套上銅環(huán)（或稱磁環(huán)），銅環(huán)產(chǎn)生的感應(yīng)電流阻礙的變化，致使穿過銅環(huán)的與其它存在一相位差，結(jié)果產(chǎn)生兩個(gè)相位不同的電磁吸力，平均后，不再有過零點(diǎn),見教材P156,1. 吸力是交變的，鐵心需加分磁環(huán),2. 勵(lì)磁電流吸合前大，吸合后減小。前后吸力不變,3. 鐵心和銜鐵均由硅鋼片疊成，為減小鐵損,交、直流電磁鐵的特點(diǎn),8-3,電流恒定，無感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生。 無磁滯和渦流損耗，可使用整塊鐵心 3. 吸

9、合后，勵(lì)磁電流不變， F,1. 吸力是交變的，鐵心需加分磁環(huán),2. 勵(lì)磁電流吸合前大，吸合后減小。前后吸力不變,3. 鐵心和銜鐵均由硅鋼片疊成，為減小鐵損,8-4,一、變壓器的用途、構(gòu)造和分類,變壓器是基于電磁感應(yīng)原理而制成的靜止的電器設(shè)備,用途,變電壓，變電流，變阻抗,構(gòu)造,心式和殼式兩種,心式變壓器,殼式變壓器,分類,單相，三相，多相,升壓，降壓,儀用電壓、電流互感器,焊接變壓器，自藕變壓器,有兩個(gè)繞組,也有兩個(gè)繞組,第四節(jié) 單相變壓器,8-4,二、變壓器的工作原理,原邊繞組N1,名詞介紹,幅邊繞組N2,一次繞組N1,二次繞組N2,一次側(cè),二次側(cè),均指電源側(cè),均指 負(fù)載側(cè),什么是變壓器任載

10、運(yùn)行,什么是變壓器空載運(yùn)行,一次側(cè)接電源 二次側(cè)負(fù)載開路,一次側(cè)接電源 二次側(cè)接負(fù)載,8-4,二、變壓器的工作原理,變壓器空載運(yùn)行,I0,U1,U20,此時(shí)的變壓器相當(dāng) 于交流鐵心線圈,變比,空載運(yùn)行的結(jié)論,原幅邊之比等于原幅邊匝數(shù)之比，等于常數(shù) k,這就是變壓器的變電壓作用,變壓器任載運(yùn)行,U1,I1,U2,I2,兩邊繞組中通過的磁通是相同的,8-4,只要U1不變，主磁通就不應(yīng)該變，所以有,磁動(dòng)勢平衡方程式,有載時(shí)原邊磁動(dòng)勢 分為兩部分,1. 產(chǎn)生主磁通 （勵(lì)磁分量）I0,2. 用來補(bǔ)償I2N2（負(fù)載分量I2）, 又稱去磁,一般 I0 很小，小型變壓器只有2 3%，大的不過10,當(dāng)略去I0N

11、1 后有,變電流作用,任載運(yùn)行結(jié)論,變電流作用,任載后，電壓比是否還等于變比 k ,變電壓作用,還有一個(gè)作用是變阻抗,幅邊 Z2,原邊Z1,變阻抗作用,或,8-4,二、變壓器的工作原理,空載運(yùn)行結(jié)論,任載運(yùn)行結(jié)論,變電流作用,變電壓作用,變阻抗作用,或,總結(jié),變壓器的外特性和額定值,2. 額定值,一般變壓器的額定值在其名牌上給出,額定 電壓,額定電流,額定容量,額定頻率,一次額定電壓U1N,正常時(shí)一次繞組所加電壓的有效值,二次額定電壓U2N,一次電壓為U1N時(shí)，變壓器空載時(shí)對應(yīng)二次側(cè)的空載電壓有效值，即U20= U2N,一次額定電流I1N,一次繞組加額定電壓，正常工作時(shí)一次繞組允許長期通過的最

12、大電流有效值,二次額定電流I2N,一次繞組加額定電壓，正常工作時(shí)二次繞組允許長期通過的最大電流有效值,指二次側(cè)的輸出額定視在功率,即,額定頻率50HZ,8-4,三、變壓器的外特性和額定值,1. 外特性,電壓保持不變，變壓器任載后，由于一、二次側(cè)均有電流通過，必然在一次側(cè)、二次側(cè)內(nèi)阻抗上產(chǎn)生電壓降，從而使二次電壓隨負(fù)載電流增加變小。稱,曲線,為變壓器的外特性,變壓器外特性,電壓調(diào)整率,滿載時(shí)電壓,空載電壓,一般在5%以內(nèi),8-4,四、變壓器的損耗和效率,8-4,變壓器損耗 p 分鐵損 pFe 和銅損 pCu,1. 鐵損,是交變的主磁通在鐵心中產(chǎn)生磁滯損耗ph和渦流損耗pe之和,又稱為固定損耗,2. 銅損,又稱為可變損耗,變壓器一次側(cè)、二次側(cè)均有電阻，當(dāng)有電流通過時(shí)，產(chǎn)生損耗,3. 效率,一次側(cè)輸入功率p1 ，二次側(cè)輸出功率p2 ，效率為,p = pFe +pCu,小型變壓器的效率為7085%，大型變壓器效率可達(dá)98,第八章結(jié)