磁路与变压器3.ppt

北方民族大学 第3章 磁路和变压器 北方民族大学 3.1 磁路 3.2 变压器的工作原理 3.3 变压器的使用 3.4 特殊变压器简介 第 3 章 磁路与变压器 北方民族大学 磁路：主磁通所经过的闭合路径 。 i 3.1 磁路 3.1.1. 磁路的基本概念 线圈通入电流后，产 生磁通，分主磁通和漏 磁通。 ：主磁通 ：漏磁通 铁心 （导磁性能好 的磁性材料） 线圈 北方民族大学 3.1.2 磁路计算中的基本物理量 一、磁感应强度 （磁通密度） 与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通（磁 力线） 单位：韦伯 1 Tesla = 104 高斯 B 的单位：特斯拉（Tesla） 北方民族大学 二、磁导率 ：表征各种材料导磁能力的物理量 （亨/米） 真空中的磁导率( )为常数 一般材料的磁导率 和真空中的磁导率之比， 称为这种材料的相对磁导率 ，则称为磁性材料 ，则称为非磁性材料 北方民族大学 磁性材料的磁性能： 1. 非线性 大 小 B H (I) 2. 磁饱和性 H B B H 3. 磁滞性 根据磁性能，磁性材料又可分为三种：软磁材料（磁 滞回线窄长。常用做磁头、磁心等）、永磁材料（磁 滞回线宽。常用做永久磁铁）、矩磁材料（滞回 线接近矩形。可用做记忆元件）。 北方民族大学 三、磁场强度 H 磁场强度是计算磁场所用的物理量，其大小为磁 感应强度和导磁率之比。 单位： B ：特斯拉 ：亨/米 ：安/米 北方民族大学 一、安培环路定律（全电流律） 3.1.3 磁路的基本定律 磁场中任何闭合回路磁场强度的线积分，等于 通过这个闭合路径内电流的代数和。 I1 I2 I3 电流方向和磁场强度的方向 符合右手定则，电流取正； 否则取负。 北方民族大学 在无分支的均匀磁路（磁路的材料和截面积相同， 各处的磁场强度相等）中，安培环路定律可写成： 磁路 长度L 线圈 匝数N I HL：称为磁压降。 NI：称为磁动势。一般 用 F 表示。 F=NI 北方民族大学 总磁动势 在非均匀磁路（磁路的材料或截面积不同，或磁场 强度不等）中，总磁动势等于各段磁压降之和。 例： I N 北方民族大学 对于均匀磁路 磁路中的 欧姆定律 二、磁路的欧姆律： 则： I N S L 注：由于磁性材料 是非线性的，磁路欧姆定律多用作定性 分析，不做定量计算。 令：Rm 称为磁阻 北方民族大学 磁路和电路的比较（一） 磁 路 电 路 磁通 I N R + _ E I 磁压降磁动势 电动势电流电压降 U 北方民族大学 基本定律 磁阻 磁感应 强度 安培环路 定律 磁 路 I N 欧姆定律 电阻 电流 强度 克氏 电压定律 克氏 电流定律 磁路与电路的比较 (二) 电 路 R + _ E I 北方民族大学 励磁电流：在磁路中用来产生磁通的电流 励磁电流 直流 - 直流磁路 交流 - 交流磁路 磁路分析 直流磁路 交流磁路 3.1.4 磁路的分析 北方民族大学 I U 一、直流磁路的分析 直流磁路的特点: 直流磁路和电路中的恒压源类似 直流电路中 E 固定 I 随 R 变化随 变化 直流磁路中 F 固定 一定一定 磁动势 F=IN 一定 磁通和磁通成反比 （线圈中没有反电动势） （R 为线圈的电阻） 北方民族大学 电路方程： 一般情况下 很小 交流激励 线圈中产生感应电势 二、交流磁路的分析 ：主磁通 ：漏磁通 u i 的感应电势 和 产生 北方民族大学 假设 则 最大值 有效值 u i 北方民族大学 u i 一定时磁动势IN随磁阻 的变化而变化。 当外加电压U、频率 f 与 线圈匝数N一定时， 便 确定下来。根据磁路欧姆 定律 ，当 交流磁路的特点: 交流磁路和电路中的恒流源类似 直流磁路中 ： 固定 F随 变化 直流电路中： IS固定 U 随 R 变化 北方民族大学 交流磁路中磁阻 对电流的影响 电磁铁吸合过程的分析： 在吸合过程中若外加电压 不变, 则 基本不变。 i u 电磁铁吸合前(气隙大） 大 起动电流大 电磁铁吸合后(气隙小） 小 电流小 如果气隙中有异物卡住，电磁铁长时间吸不上，线 圈中的电流一直很大，将会导致过热，把线圈烧坏。 注意： 北方民族大学 (U不变，I不变 ） ( I 随 Rm 变化） （ U不变时， 基本不变 ） 直流磁路 交流磁路 磁路小结 （随Rm变化） 北方民族大学 变压器功能： 变电压：电力系统 变阻抗：电子电路中的阻抗匹配 （如喇叭的输出变压器） 变电流：电流互感器 3.2 变压器的工作原理 北方民族大学 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 北方民族大学 单相变压器 铁芯 原边 绕组 副边 绕组 一、变压器的基本结构 北方民族大学 变压器符号： 工作过程： 北方民族大学 1. 空载运行 原边接入电源，副边开路。 接上交流电源 原边电流 i1等 于励 磁电流 i10 产生感应电动势 二、变压器的工作原理 i10 产生磁通 （交变） （ 方向符合右手定则） 北方民族大学 结论：改变匝数比，就能改变输出电压。 K为变比 原、副边电压关系 根据交流磁路的分析 可得： 时 （变电压） 北方民族大学 2. 负载运行 Z 副边带负载后对磁路的 影响：在副边感应电压的 作用下，副边线圈中有了 电流 i2 。此电流在磁路中 也会产生磁通，从而影响原边电流 i1。但当外加电压 、频率不变时，铁芯中主磁通的最大值在变压器空载 或有负载时基本不变 。带负载后磁 动势的平衡关系为： 北方民族大学 结论：原、副边电流与匝数成反比 由于变压器铁芯材料的导磁率高、空载励磁电流 很小，可忽略 。即： 原、副边电流关系 （变电流） 北方民族大学 （变阻抗）原、副边阻抗关系 从原边等效： 结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以 变比的平方。 北方民族大学 阻抗变换举例:扬声器上如何得到最大输出功率。 Rs RL 信号源 设：信号电压的有效值: U1= 50V; 信号内阻： Rs=100 ; 负载为扬声器，其等 效电阻：RL=8。 求：负载上得到的功率 解：（1）将负载直接接到信号源上，得到的输出功 率为： 北方民族大学 Rs （2）将负载通过变压器接到信号源上。 输出功率为： 设变比 则： 结论：由此例可见加入变压器以后，输出功率提高了很多。 原因是满足了电路中获得最大输出的条件（信号源内、外阻 抗差不多相等）。 北方民族大学 额定电压 变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允 许的电压值。 额定电流 变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。 额定容量 传送功率的最大能力。 （理想） 3.3.1 变压器的铭牌数据（以单相变压器为例） 3.3 变压器的使用 北方民族大学 容量 SN 输出功率 P2 原边输入功率 P1 输出功率 P2 注意：变压器几个功率的关系 效率 变压器功 率因数 容量： 原边输入功率： 输出功率： 北方民族大学 3.3.2 变压器的效率() 为防止涡流损失，铁芯一 般由一片片导磁材料叠合 而成。 变压器的损耗包括两部分： 铜损 (PCU) ：绕组导线电阻所致 。 磁滞损失：磁滞现象引起铁芯发热 ，造成的损失。 涡流损失：交变磁通在铁芯中产生 的感应电流（涡流）， 造成的损失。 铁损( )：PFE 北方民族大学 3.3.3 变压器的外特性 副边输出电压和输出电流的关系。即： U2 I2 U20U20：原边加额定电压、 副边开路时，副边的输 出电压。 一般供电系统希望要硬特性（随I2的变化，U2 变化不多 ） 北方民族大学 当电流流入两个线圈(或流出）时，若产生的磁通方向相同， 则两个流入端称为同极性端（同名端）。或者说，当铁芯中磁通 变化（增大或减小）时，在两线圈中产生的感应电动势极性相同 的两端为同极性端。 同极性端(同名端) A X a x * * 3.3.4 变压器绕组极性及连接方法 A X a x * * 北方民族大学 电器使用时两种电压（220V/110V）的切换： 220V： 联结 2 3 110V： 联结 1 3，2 4 线圈的接法 1 3 2 4 * * 北方民族大学 220V：联结 2 3 励磁 两种接法下线圈工作情况的分析 * * 1 3 2 4 北方民族大学 110V：联结 1 3，2 4 1,3 2,4 220V：联结 2 3 1 3 2 4 * * 说明：两种接法下 不变， 所以铁芯磁路的设计相同 励磁 北方民族大学 问题1：在110V 情况下，如果只用一个绕组（N），行不行？ 答：不行（两绕组必须并绕） 原边有两个相同绕组的电源变压器（220 / 110），使用 中应注意的问题： * * 1 3 2 4 1,3 2,4 N 若两种接法铁芯中的磁通相等，则： 北方民族大学 问题2：如果两绕组的极性端接错，结果如何？ 结论：在极性不明确时，一定要先测定极性再通电。 答：有可能烧毁变压器 两个线圈中的磁通抵消 烧毁 感应电势 电流 很大 原因： * * 1 3 2 4 北方民族大学 方法一：交流法 A X a x 同极性端的测定方法 若 说明 A 与 a 或 X 与 x 为同 极性端。 把两个线圈的任意两端 (X - x)连 接,然后在 AX 上加一小电压 u 。 测量： 若 说明 A 与 x 或 X 与 a 是同 极性端； 结论： 北方民族大学 方法二：直流法 mA表 + _ A X a x K + - * * A X a x + _ K 设K闭合时 增加。 感应电动势的方向， 阻止 的增加。 如果当 K 闭合时，mA 表正 偏，则 Aa 为同极性端; 如果当 K 闭合时，mA 表反 偏，则 Ax 为同极性端 结论： 北方民族大学 变压器设计中的一些概念(1) 一定 额定容量 定铁芯窗口定导线直径定 定 则 （铜多、铁少） 则 （铜少、铁多） ( , 一定时, ) 北方民族大学 在同样变比情况下，匝数多好，还是少好？ （省铜） （费铁） 截面积 A 变压器设计中的一些概念(2) 北方民族大学 3.4.1 自耦变压器 A B P 3.4 特殊变压器简介 使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的 输出电压。实验室中用的调压器就是根据此原理 制作的。注意：原、副边千万不能对调使用，以 防变压器损坏。因为N变小时，磁通增大，电流会 迅速增加。 北方民族大学 3.4.2 电压互感器 用低量程的电压表测高电压 1. 副边不能短路，以 防产生过流； 2. 铁心、低压绕组的 一端接地，以防在