电工学课件第7章_磁路与变压器

电工技术（电工学 I） 第七章 磁路与变压器 江苏大学 电气信息工程学院 School of electric and information， UJS 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 7.1 磁路中的基本物理量 7.2 铁磁材料 7.3 磁路的基本定律 7.4 铁心线圈 7.5 变压器 *7.6 电磁铁 内 容 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 交流铁心线圈的电磁关系 磁路的基本定律 变压器的工作原理和 功能 变压器的额定值及损耗和效率 绕组的极性 重 点 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 7.1 磁路中的基本物理量 磁通 磁感应强度 B 磁场强度 H 导磁系数 磁 路 基本物理量 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 磁 通 垂直穿过某一面积 S 的磁感线的总根数 单位：韦伯 Wb 磁感应强度 B 磁感应强度是表征磁场中某一点磁场强弱和方向的一个物理量，用矢量 B表示。 通常用垂直于该处单位面积上的磁力线的疏密来反映磁感应强度的大小。 BS 特斯拉 (T) S 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 磁场强度 H 磁场强度用矢量 H表示，方向与磁感应强度 B相同。 H代表电流本身在真空中所产生的磁场的强弱，其大小只与产生该磁场的电流大小成正比，与介质的性质无关。 BH = 安 /米 (A m) 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 导磁系数 磁导率 是衡量物质导磁能力的物理量 物质 导磁性能 70 4 1 0 H / m真空磁导率： 非磁性物质 0 磁性物质 0 单位：亨利 /米 (H/m) 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 7.2 铁 磁 材 料 (1) 高导磁性 (2) 磁饱和性 磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。 通常，磁性材料的磁导率 ，其比值可高达数百、数千甚至数万，这是由它们的内部结构决定的。 0 磁性物质的磁化曲线 (即： B-H曲线 )由实验方法测得，如图所示。 一、铁磁材料的特性 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 磁化曲线反映了铁磁物质的磁导率不是常数。磁饱和现象的存在使得 磁路分析问题成为非线性问题 ，因此，磁路分析要比电路分析复杂得多。 H B O a b c d 图 初始磁化曲线 (B-H曲线 ) B-H 磁化曲线的特征： Oa段 :B随 H的增加比较缓慢； ab段 :B与 H几乎成正比地增加； bc段 :B的增加缓慢下来； cd段 :B随 H增加很少，达到 磁饱和 。 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 磁化曲线：就是磁感应强度 B与磁场强度 H的关系曲线，是进行磁路计算不可缺乏的资料，它由实验方法获得。 几种常见磁性物质的磁化曲线 a 铸铁 b 铸钢 c 硅钢 片 O 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 H/(A/m) B/T 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 b a c 下面给出三种常用铁磁材料的 B-H曲线 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 (3) 磁滞性 B0 cHrBcHrBmHmH H剩磁 矫顽力 磁滞现象 ：当铁心线圈中通入交流电时，随着与电流成正比的磁场强度 H的交变，磁感应强度 B将沿着图示闭合曲线变化。这种磁感应强度的变化滞后于磁场强度的变化的现象称为 。 磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。 注 ：图中箭头表示反复磁化的过程 磁滞回线 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 二、铁磁材料的分类 铁磁材料 软磁材料 硬磁材料 矩磁材料 特点 易磁化易退磁 较小矫顽力 磁滞回线窄 电机、变压器、继电器、电表的铁心 磁滞回线较宽 较大矫顽力 剩磁很大 永久磁铁 较小矫顽力 较大剩磁 磁滞回线矩形 稳定性好 记忆元件、开关元件 逻辑元件 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 7.3 磁路的基本定律 一、磁路 定义：绕在铁心上的线圈通以较小的电流（励磁电流）， 便能得到较强的磁场，磁通的绝大部分通过铁心构成回路， 这种磁通的路径称为 磁路 。 S r H I N匝 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 二、磁路的安培环路定律 (全电流定律 ) 基本内容：磁场中，磁场强度 H沿任意闭合路径的线积分等于该闭合路径所包围电流的代数和，即 lH d l I 规定： 当电流的方向与闭合路径绕向之间符合右螺旋定则时，电流取正号，反之取负号。 （定量） HI1 I2 I3 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 I N匝 S r H 若：某环形线圈如图， lH d l 1lH d l 2HrHl NI2)lr( 其中：H l N I故： 1nkkkH l I 磁动势 磁压降 此式可理解为： 沿磁路一周，各段磁路磁压降的代数和等于与中心环路交链的磁动势的代数和。 其中媒质是均匀的 , 则根据 安培环路定律 若：沿积分路径可将磁路分成 n段，且每段中磁场强度 H的大小不变，则定律表示为 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 三、磁路的欧姆 定律 N I H l BlSl lS lSNIlSmFR 磁 阻 磁动势 磁路的欧姆定律 ： （定性） 由励磁电流在磁路中产生的磁通量，与磁动势F成正比，与磁路的磁阻成反比。 不是常数 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 表 磁路和电路的比较 磁路 电路 典型结构 对应的物理量 磁动势 电动势 磁压降 电 压 磁 通 电 流 磁 阻 电 阻 磁导率 电导率 I N R + _ E I U FHlEU ImR R (待续 ) 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 (续上页 ) 磁路 电路 对 应 的 关 系 式 磁阻 电阻 磁路的欧姆定律 电路的欧姆定律 磁路的基尔霍夫定律 电路的基尔霍夫定律 SlRmlRSmFR REI 0 IHl 0I EIR表 磁路和电路的比较 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 磁路计算举例 一般已知磁通量，求磁动势，分析步骤如下： 1.计算各段磁路的磁感应强度，磁通是闭合的。 2.计算各段磁场强度，空气隙根据公式计算，铁磁性 物质查磁化曲线。 3.计算总磁压降，即磁动势。 4.根据 F=IN计算出励磁电流。 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 例 ： 如图所示线圈为直流铁心线圈，其铁心由铸钢制成。 铁心尺寸为： S1=20cm2， l1=45cm， S2=25cm2， l2=15cm， l3=2cm，空气隙厚度 =0.1cm。 现要产生 =2.8 10-3Wb的磁通量，若用直流励磁， 求所需要的磁动势 F。 解： 第一步：由磁通量求出各段磁路中的磁感应强度 。 31 4212 . 8 1 0 1 . 42 0 1 0WbBTSm 32 4222 . 8 1 0 1 . 1 22 5 1 0WbBTSm 第二步：根据 B1、 B2值，查铸钢的磁化曲线，找出对应的磁场强度 H1、 H2，得 H1=2.1 103A/m H2=1.1 103A/m 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 500 701 . 4 1 1 . 1 4 1 0 /4 1 0 /B TH A mHm 空气隙的磁场强度 H0可计算为 第三步：计算各段的磁压降 H1l1=2.1 103A/m 0.45m=0.945 103A H2l2=1.1 103A/m 0.15m=0.165 103A 2H2l3=2 1.1 103A/m 0.02m=0.044 103A 2H0=2 11.14 105A/m 0.001m=2.228 103A 第四步：求出总的磁动势 F=NI=Hl=H1l1+H2l2+2H2l3+2H0 =（ 0.945+0.165+0.044+2.228） 103 =3.382 103A 从上述结果可以看出， 空气隙尽管很小，但由于空气的 导磁率很低，磁阻很大，所以这段的磁压降很大。 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 7.4 铁 心 线 圈 一、直流铁心线圈 IUUIR直流铁心线圈的特点 : （ R 为线圈的电阻） 衔铁吸合前、后的两个稳定运行状态 (不考虑衔铁吸合过程 )，励磁电流不会发生变化，即 磁路的改变对直流铁心线圈的励磁电流没有影响 。 注意 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 二、交流铁心线圈 N()u i N ie dNdtRi1、电磁关系 uee（主磁通） 线圈 铁心 i （漏磁通） e dNdt dLdt 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 2、伏安关系 根据基尔霍夫电压定律，得铁心线圈电路的电压方程为： u e e R i 线圈内阻 R很小 很小 e则由电磁关系有： 设： s i nm t deNdt c o smNt 2 s i n ( 9 0 )mf N t s i n ( 9 0 )mEt 2 s i n ( 9 0 )Et 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 2mEUE 这是一个重要常用公式，它表明当线圈匝数 N及电源频率 f一定时，主磁通的大小正比于外加电压的有效值 U。 根据上式 ue有： 注意 4 . 4 4 mU f N 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 3、功率损耗 总损耗 铜耗 （铁耗） 磁滞损耗 涡流损耗 uC h eP P P P eFP（ 1） 铜耗 2RI励磁线圈的 铜线电阻 上的功率损耗 R 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 （ 2） 铁耗 交变的磁通在 铁心中 产生的功率损耗称为铁耗，包括 磁滞损耗和涡流损耗 。 磁滞损耗 磁滞损耗是由磁滞现象引起。 hPS（ S为磁滞回线包围的面积） 为减小磁滞损耗对铁心发热的影响，常选用 磁滞回线狭小的软磁性材料 硅钢制造变压器和交流电机中的铁心。 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 涡流损耗 i交变 涡流损耗会引起铁心发热，为减小涡流损耗，常用的方法有两种： a.铁心采用彼此绝缘的硅钢片叠成 ，如图所示。 b.采用电阻率高的铁心 ，例如硅钢、铁氧体等。 Bi交变 e感应 i 感应 （旋涡状） 涡损BiBi 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 思考 1.如果交流铁心线圈的铁心由彼此绝缘的硅钢片在垂直于磁场方向叠成，这样做是否可以，为什么？ 2.铁心线圈中通过直流电，是否有铁损，为什么？ 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 7.5 变 压 器 变压器是利用 电磁感应作用 传递交流电能和交流信号，广泛应用于电力系统和电子电路中，具有 变换电压 、 变换电流 和 变换阻抗 三大功能。 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 一、变压器的构造及分类 变压器的符号 变压器的构造 一次 绕组 二次 绕组 ()原边绕组 ()副边绕组铁心 (硅钢片)N1 N2 电源侧 负载侧 1.变压器的构造 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 变压器分类 按用途 按相数 单相变压器 三相变压器 按制造方式 壳式变压器 心式变压器 电力变压器 (输配电用 ) 仪用变压器 整流变压器 2.变压器的分类 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 三相变压器 单相变压器 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 三相自耦变压器 环形变压器 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 三相干式变压器 油浸式变压器 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 发电厂 1.05万伏 输电线 22万伏 升压 变电站 1万伏 降压 变压器应用举例 降压 实验室 380 / 220伏 降压 仪器 36伏 降压 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 二、变压器的工作原理 （ 1）变压器的空载运行 11u1e1e2e1N 2N20u0i根据 KVL有： 原边： 副边： 11 1 1 0u e e R i 2 0 2ue很小 很小 1e11UE22UE 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 s i nm t 11deNdt设铁心内的主磁通为： ，则 1 c o smNt 114 . 4 4 mE f N 22deNdt2 c o smNt 224 . 4 4 mE f N 根据上面的 KVL方程， 一次侧电压与二次侧电压之比为 120UU12EE12NN K K1 降压 K1 升压 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 （ 2）变压器的有载运行 1u 11i1e1eLZ22e 2e1N 2N2i2u根据 KVL有： 原边： 副边： 1 11 11U E E R I 2 22 22U E E R I 很小 忽略 1E2E11UE22UE其中： ,E j X I XL漏感电动势 漏感抗 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 s i nm t 11deNdt同样，设铁心内的主磁通为： ，则 1 c o smNt 114 . 4 4 mE f N 22deNdt2 c o smNt 224 . 4 4 mE f N 根据上面的 KVL方程， 一次侧电压与二次侧电压之比为 12UU12EE 12NN K思考 变压器在空载运行和负载运行两种情况下，铁心中的磁通分别由什么产生？ 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 三、变压器的三大功能 1.电压变换 2.电流变换 磁动势平衡方程 1 1 2 2N I N I根据变压器的工作原理，有 （负载运行时） （空载运行时） 01 1 2 2N I N I2112II NNKI 根据变压器的工作原理，有 12UU 120UU10NI12NN K 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 3.阻抗变换 LZ 11UI 22KUIK 2 22UKI 2 LKZ 可见，变压器具有阻抗变换作用。 1u 1iLZ1N 2N2i2uLZ 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 例题 设交流信号源电压 内阻 负载 1 0 0 ,SUV0 8 0 0 ,R 8LR 。(1) 将负载直接接至信号源，负载获得多大功率？ (2) 经变压器进行阻抗匹配，求负载获得的最大功率是多少？ 变压器 变比是多少？ + - SU1N0RLR2N 选择变压器合适的匝数比，可把负载阻抗变换为合适的数值，以使其得到最大的功率。这种做法称为 阻抗匹配 。 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 变压器变比为： 2 1 N N K LLRR 0LRR 800810(1) 负载直接接信号源时，负载获得功率为 解 ： 8 2 L R L R o R U 2 L R I P 2 800+8 100 0.123(W) (2)根据最大功率传输定律， 要负载获得最大功率， 必须使 外接等效负载电阻等于信号源的内阻 ，即 负载上获得的最大功率为 0 ,LRR 3.125(W) 800 800 800 100 2 + L R 2 L R I max P 2 o L R R U 完毕 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 额定 电压 额定电流 额定容量 一次额定电压 U1N 正常时一次绕组所加电压的有效值。 二次额定电压 U2N 一次电压为 U1N时，变压器空载时对应二次侧的空载电压有效值，即 U20= U2N 一次额定电流 I1N 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 I2N 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： 22 ()N N NS U I V A四、（ 1）变压器的额定值 变压器的额定容量只反映了该变压器的额定输出能力。实际运行时，变压器输出功率的大小与 负载电流 及负载的 功率因数 有关。 cos注意 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 （ 2）变压器的外特性 外特性 ：实际变压器由于漏磁通和绕组电阻的存在， U2要随 I2的变化而变化，它们的变化关系称为 。 22U f I2U2I02NI20Uc o s 1 c o s 1 （电感性负载）%10 020220 UUUU 电压变化率 电压变化率反映电压 U2的变化程度 。 通常希望 U2的变动 愈小愈好 ， 一般变压器的电压变化率约在 5%左右 。 江苏大学电工电子教研室 磁路与变压器 （ 1）变压器的损耗 （ 2）变压器的效率 一次绕组 磁滞损耗 涡流损耗 eFP（ 电路中 ） uCP 221 1 2 2I R I R