第6章-變壓器.ppt

1、6.1 磁路及分析方法,6.2 交流鐵心線圈電路,6.3 變壓器*,6.4 電磁鐵,第6章 磁路與鐵心線圈電路,一、磁場基本物理量 二、磁性材料的磁性能 三、磁路的分析方法,6.1 磁路及分析方法,一、磁場基本物理量,磁場的基本物理量主要包括: 磁感應強度、 磁通、磁場強度、磁導率等,1. 磁感應強度,磁感應強度:表示磁場內(nèi)某點磁場強弱和方向的物理量, 磁感應強度是矢量,用 B 表示。,大小: 用該點磁場作用于1m長,通有 1A 電流且垂直于該磁場的導體上的力 F 來衡量，即 B=F/(l I)。效果,方向: 電流產(chǎn)生的磁場,B 的方向用右手螺旋定則確定；,永久磁鐵磁場，在磁鐵外部，B 的方向

2、由N極到S極。,均勻磁場,單位:,國際單位制:特斯拉(T) T=Wb/m2 (韋伯/米2),電磁制單位:高斯(Gs) 1T=104 Gs,2 磁通 磁路,磁通：磁感應強度 B與垂直與該磁場方向的面積S的 乘積，稱為通過該面積的磁通，用表示,即 =BS 或 B= /S,磁感應強度在數(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：,國際單位制:韋伯(Wb) Wb=伏秒,電磁制單位:麥克斯韋(Mx) 1Wb=108 Mx,磁路,3 磁場強度,磁場強度H ： 計算磁場時所引用的一個物理量。,大?。航柚艌鰪姸冉⒘舜艌雠c產(chǎn)生該 磁場的電流之間的關(guān)系。 原因 即：

3、安培環(huán)路定律（或稱全電流定律）。,方向：磁場強度方向與產(chǎn)生磁場的電流方向之間符合 右手螺旋定則。與B方向一致,單位：國際單位制:安每米（A/m) 電磁制單位:奧斯特（Oe） 1 A/m=410-8 Oe,任意選定一個閉合回線的圍繞方向，凡是電流方向與閉合回線圍繞方向之間符合右螺旋定則的電流作為正、反之為負。,其中： 是磁場強度矢量沿任意閉合 線(常取磁通作為閉合回線)的線積分；,是穿過閉合回線所圍面積的電流的代數(shù)和。,安培環(huán)路定律電流正負的規(guī)定：,安培環(huán)路定律（全電流定律）,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,用符號 表示。

4、 、B、H的關(guān)系為,相對磁導率： 任一種物質(zhì)的磁導率 和真空的磁導率0的比 值，用r 表示。,單位： 亨/米（H/m）,根據(jù)上述有,相對磁導率: 當磁場媒質(zhì)是某種物質(zhì)時某點的磁感應強度與 在同樣電流值下真空時該點的磁感應強度之比值。,H :只與電流大小、線圈匝數(shù)、及該點的幾何位置有關(guān) 與磁場媒質(zhì)的磁性() 無關(guān)， 即在同一電流值下，同一點的磁場強度不因磁場媒質(zhì) 的不同而不同。 B: 與磁場媒質(zhì)的磁性有關(guān)，當媒質(zhì)不同時，即不同， 在同樣電流值下，同一點的磁感應強度的大小不同， 線圈內(nèi)磁通也就不同。,H與B,二、磁性材料的磁性能,磁性材料主要指鐵、鎳、鈷及其合金等。 在此主要介紹其磁性能。,1 高

5、導磁性,磁性材料的 r1 ,可達數(shù)百、數(shù)千、乃至數(shù)萬 之值。能被強烈的磁化，具有很高的導磁性能。 磁性材料在外 磁場作用下, 磁性物質(zhì)內(nèi)的磁感應強度大大增加，即磁性物質(zhì)被強烈的磁化。磁力線集中于磁性物質(zhì)中通過。,磁性物質(zhì)的高導磁性被廣泛地應用于電工設(shè)備 中，如電機、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放 有鐵心。實現(xiàn)用小的勵磁電流產(chǎn)生較大的磁通和磁 感應強度。,當外磁場增大到一定程度時，磁化磁場的磁感應強度達到飽和值。如圖。,2 磁飽和性,BJ 磁場內(nèi)磁性物質(zhì)的磁化磁場 的磁感應強度曲線；,B0 磁場內(nèi)不存在磁性物質(zhì)時的 磁感應強度直線；,B 為BJ曲線和B0直線的縱坐標 相加即磁場的 B-H 磁化

6、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。,B-H 有磁性物質(zhì)存在時，B 與 H不成 正比，不是常數(shù)， 隨H而變。,-I 磁性物質(zhì)存在時， 與I不成 正比。（非線性元件）,磁性物質(zhì)的磁化曲線為非線性曲線， 實際中通過實驗得出。,3 磁滯性,當鐵心線圈中通有交變電流時，鐵心受到交變磁化。在電流變化一次時，B隨H而變化，變化關(guān)系如圖。,磁滯性：磁性物質(zhì)中，當 H 已減至0時 B 并未回到0，這種B滯后于H變化的性質(zhì)稱為磁性物質(zhì)的磁滯性。,磁滯回線：在鐵心反復交變磁化的情況下，表示 B 與 H 變化關(guān)系的閉合曲

7、線 1234561 稱磁滯回線。,剩磁感應強度（剩磁）：當線圈中電流減到零值（即H=0）時,鐵心中保留的磁感應強度稱為剩磁感應強度 Br（剩磁）。,矯頑磁力：如果要使鐵心的剩磁消失，通常改變線圈中的勵磁電流方向，即H的方向，進行反向磁化。使B=0的 H 值稱為矯頑磁力HC。,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

8、金等。,（3）矩磁材料 具有較小矯頑磁力和較大剩磁，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(guān)和邏輯元件。 常用的有鎂錳鐵氧體等。,三、磁路的分析方法,1 . 磁路的概念,2. 磁路的歐姆定律,3. 磁路的分析計算,1 . 磁路的概念,磁通的閉合路徑稱為磁路。 如四極直流電機、交流接觸器等的磁路如圖。,2. 磁路的歐姆定律,磁路的歐姆定律是分析磁路的基本定律,環(huán)形線圈如圖，其中媒質(zhì)是均 勻的，磁導率 為， 試計算線圈內(nèi)部 的磁通 。,【解】根據(jù)安培環(huán)路定律，有,設(shè)磁路的平均長度為 l，則有,2.1引例,式中：F=NI 為磁通勢，由其產(chǎn)生磁通；單位A Rm 稱為磁阻，表示磁路

9、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。,2.2 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。,2.3 磁路與電路的比較,形式比較,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，它只能用于定性分析；,（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）磁路的基

10、本物理量單位較復雜，學習時應注意。,3 磁路的分析計算,主要任務: 預先選定磁性材料中的磁通 (或磁感應強度)，按照所定的磁通、磁路各段的尺寸和材料,求產(chǎn)生預定的磁通所需要的磁通勢F=NI ， 確定線圈匝數(shù)和勵磁電流。,基本公式:,設(shè)磁路由不同材料或不同長度和截面積的 n 段組成， 則基本公式為：,即,基本步驟: （由磁通 求磁通勢F=NI ）,（1）求各段磁感應強度 Bi 各段磁路截面積不同，通過同一磁通 ，故有：,（2）求各段磁場強度 Hi 根據(jù)各段磁路材料的磁化曲線 Bi=f ( H i) ,求B1， B2 ，相對應的 H1， H2 ，。,（3）計算各段磁路的磁壓降 （Hi li ）,（

11、4）根據(jù)下式求出磁通勢（ NI ）,【例1】有一環(huán)形鐵心線圈，其內(nèi)徑為10cm，外徑為15cm，鐵心材料為鑄鋼。磁路中含有一空氣隙，其長度等于 0.2cm。 設(shè)線圈中通有 1A 的電流，如要得到 0.9T 的磁感應強度，試求線圈匝數(shù)。,【解】,磁路的平均總長度為,（1）對空氣隙,磁場強度,平均長度,（2）對鑄鋼材料,磁場強度 查鑄鋼的磁化曲線，B=0.9 T 時, 查出磁場強度 H1=500 A/m,平均長度,對各段有,總磁通勢為,線圈匝數(shù)為,磁路中含有空氣隙時，由于其磁阻較大，磁通勢幾乎都降在空氣隙上面。,綜合上述例題，可得如下結(jié)論：,（1）如果要得到相等的磁感應強度，采用磁導率高的鐵心材料

12、，可以降低線圈電流，減少用銅量； （2）如果線圈中通有同樣大小的勵磁電流，要得到相等的磁通，采用磁導率高的鐵心材料，可使鐵心的用鐵量大為降低； （3）當磁路中含有空氣隙時，由于其磁阻較大，要得到相等的磁感應強度，必須增大勵磁電流（設(shè)線圈匝數(shù)一定）。,6.2 交流鐵心線圈電路,1.電磁關(guān)系 2.電壓電流關(guān)系 3.功率損耗,自感電動勢的參考方向 規(guī)定:自感電動勢的正方向與電流正方向相同,自感電動勢瞬時極性的判別,eL與正方向相反,eL與正方向相同,1 電磁關(guān)系,基本關(guān)系,（磁通勢）,主磁通 ：產(chǎn)生的磁通中,通過鐵心閉合的部分,漏磁通：經(jīng)過空氣或其它非導磁媒質(zhì)閉合的部分,漏磁電感,漏磁電感為常數(shù),漏

13、磁通主要經(jīng)過空氣隙或非磁性物質(zhì)，鐵心線圈的漏磁電感為常數(shù)，即有,鐵心線圈為非線性電感元件,主磁通通過鐵心，主磁電感 L隨勵磁電流 i 而變化，如圖。,2 電壓電流關(guān)系,瞬時值形式,其中：R 為鐵心線圈電阻，,L 為漏磁電感，,相量形式,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(guān)系的相量式為：,其中：R 為線圈電阻；,X= L 漏磁感抗,主磁感應電動勢,漏磁感應電動勢,主磁感應電動勢,設(shè)主磁通 則,幅值,有效值,分析可知：,電源電壓 分三個分量：,由于R 和X（或漏磁通）較小，其電壓降也較小， 故有,其中：Bm 鐵心中磁感應強度的最大值，單位T； S 鐵心截面積，

14、單位m2。,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。,一、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,其中：R 線圈電阻；I 線圈中通過的電流。,二、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。,磁滯損耗（Ph）, 磁滯損耗的大?。?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其磁滯損耗較低

15、。,渦流損耗（Pe）,渦流損耗: 由渦流所產(chǎn)生的鐵損。,渦流： 交變磁通在鐵心內(nèi)產(chǎn)生感應電動勢和感應電流，其感應電流稱為渦流。渦流在垂直與磁通的平面內(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（如圖），把渦流限制在較小的截面內(nèi)。,綜合上述，鐵心線圈交流電路的有功功率為：,6.3 變壓器*,一、概述 二、變壓器的工作原理* 電磁關(guān)系 電壓變換 電流變換 阻抗變換 三、變壓器的銘牌和技術(shù)數(shù)據(jù),四、變壓器的效率(),五、變壓器的極性*,變壓器的主要功能有：,（電能損耗?。?節(jié)省金屬材料 （經(jīng)濟）,一、 概述,電力工業(yè)中常采用高壓輸電低

16、壓配電，實現(xiàn)節(jié)能并保證用電安全。具體如下：,結(jié)構(gòu),作用：構(gòu)成磁路,繞組,原繞組(初級繞組、一次繞組）,副繞組(次級繞組、二次繞組）,單相變壓器,N1,作用：構(gòu)成電路,結(jié)構(gòu)和分類,原繞組,變壓器的結(jié)構(gòu),分類,二、變壓器的工作原理,原、副繞組互不相連，能量的傳遞靠磁耦合,1. 電磁關(guān)系,原邊接交流電 源,副邊開路。,(1)空載運行情況,空載時，鐵心中主磁通是由原繞組磁勢產(chǎn)生的。,原邊接交流電 源,副邊接負載。,(2)帶負載運行情況,有載時，鐵心中主磁通是由原、副繞組磁勢共同產(chǎn)生的合成磁通。,2. 電壓變換（設(shè)加正弦交流電壓）,有效值:,同 理：,主磁通按正弦規(guī)律變化，設(shè)為 則,(1) 原、副邊主磁

17、通感應電動勢,對原邊，與交流鐵心 線圈電壓關(guān)系一樣,忽略電阻R1和漏抗X1的電壓， 則：,變壓器空載時:,對副邊，根據(jù)KVL：,(2) 原、副邊電壓,結(jié)論：改變匝數(shù)比，就能改變輸出電壓。,式中U20為變壓器空載電壓。,故有,3. 電流變換,(原副邊電流關(guān)系),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，原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)。,有載運行,空載：,有載：,或：,1.提供產(chǎn)生m的磁勢,磁勢平衡式：,空載磁勢,有載磁勢,或：,結(jié)論：原、副邊電流與匝數(shù)成反比。,4. 阻抗變換,由圖可知：,

18、結(jié)論： 變壓器原邊的等效阻抗模，為副邊所帶負載的阻抗模的K 2 倍。,(1) 變壓器的匝數(shù)比應為：,【解】,【例2】如圖，交流信號源的電動勢 E= 120V，內(nèi)阻 R 0=800，負載為揚聲器，其電阻為RL=8。要求: （1）當RL折算到原邊的等效電阻RL =R0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：,1. 變壓器的型號,三、變壓器的銘牌和技術(shù)數(shù)據(jù),三相

19、電壓的變換,1) 三相變壓器的結(jié)構(gòu),高壓繞組： A-X B-Y C-Z,X、Y 、Z ：尾端,A、B、C ：首端,低壓繞組： a-x b-y c-z,a、b、c：首端,x、y、z：尾端,2) 三相變壓器的聯(lián)接方式,聯(lián)接方式：,常用接法:,（1）三相變壓器Y/Y0聯(lián)接,線電壓之比：,（2）三相變壓器Y0/聯(lián)接,線電壓之比：,2. 額定值, 額定電壓 變壓器副邊開路（空載）時，原、副邊繞組允許的電壓值, 額定電流 變壓器滿載運行時，原、副邊繞組允許的電流值。, 額定容量 傳送功率的最大能力。,容量 SN 輸出功率 P2,原邊輸入功率 P1 輸出功率 P2,注意：變壓器幾個功率的關(guān)系（單相）,效率,

20、變壓器運行時的功率取決于負載的性質(zhì),1. 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(guān)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5%左右。,電壓變化率：,四、變壓器的外特性和效率(),變壓器的損耗包括兩部分：,銅損 (PCu) ：繞組導線電阻的損耗。,渦流損耗,鐵損(PFe )：,變壓器的效率為,一般 95% ,負載為額定負載的(5075)%時，最大。,輸出功率,輸入功率,2. 變壓器的損耗,當電流流入(或流出）兩個線圈時，若產(chǎn)生的磁通方向相同，則兩個流入(或流出）端稱為同極性端。,1、同極性端 ( 同名端 ),或者說，當鐵芯中磁通變化時，在兩線圈中產(chǎn)生的感應電動勢極性相同的兩端為同極性端。,同極性端用“”表示。,增加,+,+,+,+,同極性端和繞組的繞向有關(guān)。,五、變壓器的極性,聯(lián)接 23,變壓器原邊有兩個額定電壓為 110V 的繞組：,2、線圈的接法,聯(lián)接