《电工电子技术基础》电子教案电工电子技术课件第4章磁路和变压器.ppt

磁路概念、变压器工作原理,磁路与变压器,主要授课内容,第1章,第4章 磁路与变压器,4.1 铁芯线圈、磁路,4.2 变压器的基本结构和工作原理,4.3 三相电力变压器,4.4 特殊变压器,第1章,4.1 铁芯线圈、磁路,实际电路中有大量电感元件的线圈中有铁心。线圈通电后铁心就构成磁路，磁路又影响电路。因此电工技术不仅有电路问题，同时也有磁路问题。,第2页,1. 磁路的基本概念,交流铁心线圈示意图,电路部分,磁路部分,电流通过N匝线圈产生的磁动势：,f = i N,f 在铁芯中激发按正弦规律变化，沿铁芯闭合的工作磁通。,均匀磁场中磁通 等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，单位是韦伯(Wb)。,1Wb=108Mx,第2页,磁导率,磁导率表示物质的导磁性能，单位是亨/米(H/m)。,真空的磁导率：,非铁磁物质的磁导率与真空极为接近，铁磁物质的磁导率远大于真空的磁导率。,相对磁导率r ：,物质磁导率与真空磁导率的比值。,第2页,非磁性物质：r1的物质，如铜、铝、橡胶、空 气、塑料等。,铁磁性物质：r1的物质，如铁、镍、钴、钢、 合金钢、坡莫合金等。,铁磁性物质彼此之间的相对磁导率差别很大。如铸铁的r200400；铸钢的r5002200；硅钢的r700010000；坡莫合金的r20000200000。,一个磁路中若有气隙存在，则气隙磁阻铁芯磁阻。,物质根据相对磁导率的不同可分为两大类,第2页,磁感应强度B和磁场强度H,1. 磁感应强度B是表征磁场中某点强弱和方向的物理量。B的大小与磁场周围介质的磁导率有关； 2. 磁场强度H是表征电流的磁场强弱和方向的物理量。H的大小与磁场周围介质的磁导率无关。,磁路欧姆定律：,磁路欧姆定律可以用来定性的分析磁路的情况。,第2页,铁磁材料内部往往有相邻的几百个分子电流圈流向一致，因此在这些极小的区域内就形成了一个个天然的磁性区域磁畴。,2. 铁磁材料的磁性能,铁磁材料内部的磁畴排列杂乱无章，磁性相互抵消，因此对外不显示磁性。,铁磁材料之所以具有高导磁性，是因为在它们的内部具有一种特殊的物质结构磁畴。,磁畴是怎么形成的？,显然，磁畴是由分子电流产生的。,磁畴因受外磁场作用而顺着外磁场的方向发生归顺性重新排列，在内部形成一个很强的附加磁场。,（a）无外磁场情况,（b）有外磁场情况,第2页,磁滞回线中H为零时B并不为零 的现象说明铁磁材料具有剩磁性。,B,c,b,a,起始磁化曲线,oa段是线性段,ab段是上升段,bc段是磁化曲线的膝部,C点以后是饱和段,起始磁化曲线反映了什么？,起始磁化曲线的ab段反映了铁磁材料的高导磁性；c点以后说明铁磁材料具有磁饱和性。,磁滞回线中B的变化总是落后于H的变化说明铁磁材料具有磁滞性；,铁磁材料反复磁化一周所构成的曲线称为磁滞回线。,起始磁化曲线和磁滞回线,第2页,铁心线圈中通过交变电流时，H的大小和方向都会改变，铁心在交变磁场中反复磁化的过程中，B的变化总是滞后于H的变化，这种现象称为磁滞性；当H减为零时B并不为零。,磁导率可达102104，由铁磁材料组成的磁路磁阻很小，在线圈中通入较小的电流即可获得较大的磁通。,B不会随H的增强而无限增强，H增大到一定值时，B不能继续增强。,高导磁性,磁滞性和剩磁性,磁饱和性：,铁磁性材料具有高导磁性、磁饱和性、磁滞性和剩磁性。,第2页,涡流在铁芯中造成的热量损耗。,根据电流的热效应，涡流通过铁芯将使铁芯发热，严重时会造成设备烧损。,铁磁材料反复磁化时，内部磁畴的极性取向随着外磁场的交变来回翻转，在翻转的过程中，由于磁畴间相互摩擦而引起的能量损耗称为磁滞损耗。,3. 铁芯损耗,磁滞损耗,涡流损耗,在交变磁场作用下，整块铁芯中产生的旋涡状感应电流称为涡流。,涡流对电气设备有何影响？,为减小涡流损耗，常用硅钢片叠压制成电机电器的铁芯。,第2页,具有 磁导率极高、磁化后只有正、负两个饱和状态特点的铁磁材料。矩磁材料适用于制作各类存储器记忆元件的磁芯。,具有 磁导率不太高、但一经磁化、能保留很大的剩磁且不易去磁 特点的铁磁材料。硬磁材料适用于制作各种人造磁体。,具有 磁导率很高、易磁化、易去磁 特点的铁磁材料。软磁材料适用于制作各种电机电器的铁心。,4. 铁磁材料的分类和用途,铁磁材料根据工程上用途的不同可分为三大类,软磁材料,硬磁材料,矩磁材料,对交流铁芯而言，当外加电压有效值及电源频率不变时，主磁通的最大值m也将基本维持不变。,5. 主磁通原理,第2页,由主磁通原理可知，发生机械故障时电源电压和电源频率并没有发生变化，因此磁路中的主磁通应基本维持不变。,一个交流电磁铁，由于机械故障造成通电后不能吸合，结果把线圈烧坏，试分析原因。,根据磁路欧姆定律：,由式可得：交流电磁铁由于卡住而不能吸合，空气隙增大造成磁路中的磁阻大大增加，而主磁通又要维持不变，因此电流 i 将大大增加，结果使线圈烧损。,铁损包括磁滞损耗和涡流损耗。铁损不仅造成能量损耗，还可造成电机、电器的铁芯发热，若发热严重时将造成设备绝缘的永久性损坏。,何谓铁损？铁损对电器有何影响？,第2页,第2页,4.2 变压器的基本结构和工作原理,由硅钢片叠压制成的变压器铁心磁路。,变压器一次侧绕组 （原边）,变压器二次侧绕组 （副边）,变压器图形符号,变压器是一种能变换电压、变换电流、变换阻抗的“静止”电气设备。变压器在传递电能的过程中频率不变。,1. 变压器的基本结构,第2页,2变压器的工作原理,（1）变压器的空载运行与变换电压作用,变压器的一次侧接电源，二次侧开路，这种运行状态称为空载。,变压器空载时原边电流 i10很小，在铁心磁路中产生按正弦规律变化的磁通，当穿过两线圈时，分别感应电压：,变压器原、副边电压与感应电压的关系为：,变压器原、副边电压与感应电压的关系为：,其中k 称为变压器的变比。显然：变压器通过改变原、副边的匝数即可变换电压。,第2页,（2）变压器的负载运行与变换电流作用,变压器的一次侧接电源，二次侧与负载接通，这种运行状态称为负载运行。,变压器负载运行时由于副边电流存在的去磁作用，因此原边电流由 i10增大至i1。原边磁动势增加的数值恰好等于二次侧负载所需要的磁动势。即：,变压器在能量传递的过程中损耗甚小，因此：,因此：,其中1/k 称为变压器的变流比。显然：变压器在改变电压的同时也改变了电流，即变压器还可以变换电流。,第2页,已知某收音机输出变压器的原边匝数为600,副边匝数为30,原边原接有16的扬声器，现要改接成4 扬声器，求N2应改为多少？,（3）变压器的变换阻抗作用,变压器的副边所接负载为|ZL|，原边输入阻抗为Z1时，有：,把变压比和变流比公式代入可得：,变压器的阻抗变换作用常用于电子电路中。,例如：,第2页,第2页,2变压器的外特性,变压器的外特性就是描述输出电压u2随负载电流 i2变化的关系，即： u2f（i2） 两者之间的对应关系可用左图所示曲线进行描述。,cos(-2)=0.8超前,cos2=1,cos2=0.8滞后,2电压调整率,电压调整率反映了变压器运行时输出电压的稳定性，是变压器的主要性能指标之一。,4变压器的损耗和效率,（1）损耗,铁损耗包括磁滞损耗和涡流损耗。,第2页,4.3 三相电力变压器,讯号式温度计,吸湿计,储油柜,安全气道,油表,气体继电器,高压套管,低压套管,分接开关,油箱,铁芯,绕组,放油阀门,变压器主要由铁芯和绕组两大部分构成。铁芯是它的磁路部分，绕组是它的电路部分。,第2页,电力变压器的型号,S7-500/10,变压器同极性端判别,变压器的额定值,额定容量：三相变压器的总容量：SN=3I2NU2N,额定电压：原、副边额定值均指线电压数值。,额定电流：I1N、I2N均指原、副边线电流值。,AX是变压器的原边绕组,ax是变压器的副边绕组,Aa是变压器一对同名端,由同一电流感应的电动势，极性始终保持一致的端子为同名端。,电流同时由同名端流入（或流出）时，它们所产生的磁场相互增强，反之相互削弱。,判别方法：,第2页,用实验的方法测试同极性端,S闭合时：毫伏表指示正值，则1和3是同极性端，若指针反偏，则1和4是同极性端。S打开时指针偏转情况相反。,先将两线圈的一对端子相联，构成串联连接。U13=U12U34时，1和3是同极性端； U13=U12U34时，1和4是同极性端。,第2页,三相变压器的联接组别较多，为了制造和使用的方便，国家标准规定，三相双绕组电力变压器的标准联接组别有五种：Y，yn0；YN，y0；Y，y0；Y，d11；YN，d11。其中大写字母Y表示高压绕组为星形联接方式，后面加N表示带有中线；小写字母y或d，表示低压绕组联接为星形或三角形，星形有中线引出时，后面加字母n（0表示指0点）。,5. 三相电力变压器的连接组别,Y,d11连接组别电路图与相量图,第2页,6. 三相电力变压器的并联运行,两台变压器并联运行,将两台或两台以上变压器的原、副绕组分别并联到原边和副边的公共母线上，共同向负载供电的方式，称为变压器的并联运行。,为了安全可靠地并联运行，变压器组必须满足下列三个条件：,1.并联运行的变压器，其连接组别标号必须相同； 2.并联运行的变压器，其变比应当相等； 3.并联运行的变压器，其短路电压应当相等。,其中第1条必须严格遵守！,第2页,特点：副绕组是原绕组的一部分，原、副压绕组不但有磁的联系，也有电的联系。,4.4 特殊变压器,1自耦变压器,自耦变压器的工作原理和普通双绕组变压器一样，因此变比相同,自耦变压器也称为自耦调压器，它的最大特点就是可以通过转动手柄来获得原、副边所需要的各种电压。,自耦变压器的电路图符号,第2页,2电焊变压器,电焊变压器：交流弧焊机实质是一种特殊的降压变压器，因此也称为电焊变压器。靠电弧放电的热量来融化焊条和金属以达到焊接金属的目的。,交流电焊机示意图,第2页,电焊变压器必须满足下列要求：,3. 为了适应不同的焊接要求，要求电焊变压器的焊接电流能够在较大的范围内进行调节，而且工作电流要比较稳定。,1. 具有较高的起弧电压。起弧电压应达到6070V，额定负载时约为30V；,2. 起弧以后，要求电压能够迅速下降，同时在短路时（如焊条碰到工件上，副边输出电压为零）次级电流也不要过大，一般不超过额定值的两倍。也就是说，电焊变压器要具有陡降的外特性。,第2页,电压互感器：电压互感器的原绕组匝数很多，并联于待测电路两端；副绕组匝数较少，与电压表及电度表、功率表、继电器的电压线圈并联。用于将高电压变换成低电压。使用时副绕组不允许短路。,电压互感器使用时，二次侧并联阻抗不得太小，否则影响测量精度。 电压互感器二次侧表头额定值为标准值100V。,3仪用互感器,第2页,电流互感器：原绕组线径较粗，匝数很少，与被测电路负载串联；副绕组线径较细，匝数很多，与电流表及功率表、电度表、继电器的电流线圈串联。用于将大电流变换为小电流。使用时副绕组电路不允许开路。,电流互感器二次侧所接仪表的阻抗不得大于规定值！ 电流互感器二次侧表头额定值为标准值5A（或1A）。,第2页,自耦变压器为什么不能用作安全变压