课题三 磁路与变压器.ppt

1 628 课题三磁路与变压器 学习情境1了解磁路的基本知识 一 磁路的基本物理量 一 磁场磁场是一种特殊的物质 它不是由分子或原子组成的 但它却是确实存在的 永久磁铁的周围与电流的周围都存在着磁场 二 磁感应强度磁场的强弱称为磁感应强度 磁场不仅对磁铁具有磁场力作用 而且对通电导体也有磁场力作用 实验证明 长度L和电流I一定的通电导体 只有在导体与磁感线方向垂直放置时才受到最大电磁力 一定的通电导体 在不同的磁场中受到的最大电磁力是不同的 磁场越强 所受最大电磁力就越大 磁场越弱 所受最大电磁力就越小 用通电导体在磁场中某处所受的最大电磁力F与通电导体有效长度L 电流I的乘积之比 定义为该处的磁感应强度 用B表示 3 1 B的单位为特 斯拉 符号为T 磁感应强度的方向规定为该处小磁针N极所受力的方向 也即静止时N极所指的方向 三 磁场力磁极与磁极之间 磁极与电流之间 电流与电流之间存在着相互作用力 它们的相互作用都是通过磁场而发生的 磁场力是指通过磁场对磁极或电流的作用力 1 磁极之间的作用力磁极间的相互作用特点是 同名磁极相互排斥 异名磁极相互吸引 一般简称为 同性相斥 异性相吸 2 磁场与电流的作用力由式 3 1 可得当电流与磁场垂直时F BIL 3 2 若一般磁场与电流之间夹角为 时 电流在磁场中所受的力为F BILsin 3 3 磁场力的方向可用左手定则来判定 四 磁通为了表示空间某个区域内的磁场情况 引入磁通这一物理量 磁感应强度B与和其垂直的某一截面S的乘积称为通过该面积的磁通 在匀强磁场中 磁感应强度B是一常数 磁通的定义式为 BS 3 4 的单位是韦 伯 Wb 表示通过S面的磁感线的多少 五 通电螺线管的磁场通电螺线管的长度远大于管径时 产生的磁场基本上集中在螺线管内部且基本上是匀强磁场 如果把铁芯放在螺线管内部 就会使螺线管内部的磁感应强度大大增强 把导线密绕在圆环上就形成了螺线管 精确的实验表明 细长的通电螺线管内的磁场的磁感应强度B的大小与螺线管中的电流成正比 与螺线管的匝数N成正比而与螺线管的长度L成反比 即 3 5 其中 的大小取决于通电螺线管内部的铁芯材料 叫做磁导率 磁导率的大小反映了磁性材料的导磁能力 六 磁动势 磁场强度和相对磁导率螺线管内的磁感应强度的大小决定于线圈的匝数N与通入的电流I的乘积 这个乘积称为磁动势 用字母E表示 即E NI 3 6 由式 3 5 可以看出 螺线管内磁场的强弱不仅与磁动势及内部磁介质的磁导率有关 而且与螺线管的长度有关 作用在螺线管单位长度上的磁动势称为磁场强度 用H表示 即 3 7 则螺线管内部的磁感强度为 式 3 5 中 称为磁性材料的磁导率 螺线管内部磁性材料的磁导率为 3 8 真空的磁导率用 0表示 实验测定 0 4 10 7H m 为了便于对各种物质的磁导率进行比较 将某种物质的磁导率与真空的磁导率的比值称为该种物质的相对磁导率 用 r表示 即 3 9 相对磁导率是没有单位名称的纯系数 实验发现 空气 木材 玻璃及某些金属 如铜 铝等物质的相对磁导率很接近1 称为非磁性物质 而铁磁物质的相对磁导率远远大于1 称为铁磁物质 二 铁磁性材料 铁磁材料的磁性能通常用它们的磁化曲线来表示 一 磁化曲线研究铁磁材料磁化情况的装置如图3 1所示 把待测的铁磁材料作为铁芯 铁芯内部的磁感应强度B 0 当电流 通常称为励磁电流 从零开始逐渐增大 则铁磁材料中的磁场强度H也从零增大 磁性材料中的磁感应强度B随之从零增大 在各个H值的磁化下 必有一相应的B值 如此便可得出如图3 2所示的B与H的关系曲线 该曲线称为磁化曲线 图3 1研究铁磁材料磁化情况的装置 图3 2磁化曲线 二 磁滞回线铁磁材料在磁化过程中 H从零到大 当磁感应强度B随H的增大由零达到饱和值Bm 如图3 3中的磁化曲线Oa段 此时若减小励磁电流I 则H也随之减小 B不是沿原来的曲线Oa下降 而是沿曲线ab下降 当磁场强度为零 即I 0 时 材料仍然保留磁性 B Br 0 如图3 3中的b点 Br称做剩磁 要使剩磁去掉 就必须使线圈中的电流反向 产生反向磁场 使材料退磁 图3 3中bc段就是退磁过程 直到H Hc时 剩磁完全消除 克服剩磁所加的磁场强度Hc称做矫顽磁力 图3 3铁磁性物质的磁滞回线 三 铁磁材料的磁性能根据以上分析 铁磁材料具有以下磁性能 1 高导磁性 2 磁饱和性 3 磁滞性 4 磁滞损耗 四 铁磁性材料的分类铁磁材料基本上分为软磁材料和硬磁材料两大类 1 软磁材料软磁材料的特点是矫顽磁力和剩磁都比较小 且撤去外磁场后 磁性大部分消失 2 硬磁材料硬磁材料的特点是矫顽磁力大 剩磁也大 磁滞回线较宽 三 磁路与磁路欧姆定律 放在空气中的线圈 通电后产生磁场 磁通分布在线圈的周围空间 如将相同的线圈绕在闭合铁芯上 线圈中流出的磁通大部分是沿铁芯闭合流动的 称为主磁通 只有少部分在空气中流通 漏磁通 以上情况说明 磁通是沿着磁导率很大的铁磁物质流通的 就像电流是沿着电导率很大的导体流动一样 因此 在电工学中引入磁路的概念 通过主磁通的闭合路径称为磁路 许多电器设备 如电动机 变压器 继电器等结构都与螺线管铁芯线圈相似 如图3 4所示 图3 4各种铁芯磁路 学习情境2掌握变压器的结构 工作原理及应用 一 变压器的结构不同类型的变压器 尽管因使用场合 工作要求不同 它们的外型 体积和质量有很大差别 但是它们的基本结构都是由铁芯和绕组组成的 变压器的基本结构和表示符号如图3 5所示 图3 5变压器的结构与符号 a 变压器结构示意图 b 变压器的符号 一 铁芯铁芯是变压器的磁路部分 并作为绕组的骨架 为了增强磁耦合 减少磁滞及涡流损耗 铁芯通常采用磁导率高的绝缘硅钢片叠加而成 在电子设备中 为了缩小变压器的体积 提高质量和效率 目前已逐渐采用C型铁芯 坡莫合金及各种铁氧体代替硅钢片 工作频率较高的变压器多采用铁氧体铁芯 铁芯的作用 构成磁路 集中磁通 减小漏磁通 减小变压器体积和铁芯损耗 铁芯结构 变压器铁芯分为心式和壳式两种 如图3 6和图3 7所示 图3 6心式变压器图3 7壳式变压器1 绕组 2 铁芯1 绕组 2 铁芯 二 绕组变压器中的线圈通常又称绕组 常用有绝缘层的导线 即漆包铜线绕制而成 绕组有原边绕组 也称 初级绕组 或 一次侧绕组 其匝数为N1 和副边绕组 也称 次级绕组 或称为 二次侧绕组 其匝数为N2 三 冷却系统变压器在工作时 绕组和铁芯都要发热 故要考虑冷却问题 常见的变压器冷却方式有空气自冷式和油浸自冷式两种 也有采用强制风冷的变压器 二 变压器的工作原理及应用 变压器是根据电磁感应原理制成的 最简单的变压器由一个闭合铁芯和套在铁芯上的两个匝数不同的原边和副边绕组组成 为减少铁损 变压器的铁芯用硅钢片叠装而成 原 副边绕组用绝缘导线绕成 它们在电路上是相互绝缘的 但两者都处于同一铁芯的磁路上 电磁关系把它们联系在一起 变压器中各绕组的电量及其参考方向如图3 8所示 一 变压器的空载运行 电压变换原理变压器空载运行是指一次绕组接交流电压u1 二次绕组开路时的运行情况 如图3 8所示 当二次绕组空载时 一次绕组的电流称为空载电流 用i0表示 相应地 将空载时的二次侧电压用u20表示 图3 8变压器空载运行的原理 设原 副边绕组的匝数分别为N1 N2 当原边绕组加上交流电源后 原边绕组中有电流i0流通 称为空载电流 其有效值为原边绕组额定电流的3 8 电流i0通过原边绕组在闭合的铁芯中建立了磁场 在铁芯内部产生一个交变的磁通 这个交变磁通大部分沿着铁芯磁路而闭合 并与原 副边绕组相交链 由于变压器副边绕组没有接负载 副边电流i20 0 当原边绕组外加正弦电压u1时 空载电流i0作正弦变化 从而产生作正弦变化磁通 msin t 磁通将在原 副边绕组中产生感应电动势e1和e2 由 其最大值为Em 2 fN m 有效值为 3 11 由上式可得 3 12 式中 N1为原边绕组匝数 N2为副边绕组匝数 由于i0在空载时很小 故可忽略原边绕组的阻抗不计 则电源电压U1与E1近似相等 即U1 E1由于副边开路 空载端电压U20与E2相等 即U20 E2 因此有 3 13 式中 K称为变压比 简称 变比 即原 副绕组的匝数比 它是变压器的一个重要参数 可见 当电源电压U1一定时 只要改变匝数比 就可得到不同的输出电压U2 上式表明 变压器具有变换电压的作用 且电压大小与其匝数成正比 因此匝数多的绕组电压高 匝数少的绕组电压低 当K 1时为降压变压器 当K 1时为升压变压器 二 负载运行及变流比原边绕组接交流电源 副边绕组接负载的运行方式叫负载运行 如图3 9所示 此时 副边绕组中有电流i2 原边绕组中的电流也由i0增加到i1 但铁芯中的磁通 和空载时相比基本保持不变 若不计原 副边的阻抗值 仍有 图3 9变压器负载运行的原理 变压器是一种传送电能的设备 在传送电能的过程中绕组及铁芯中的损耗很小 励磁电流也很小 理想情况下可以认为一次侧视在功率与二次侧视在功率相等 即所以 有 3 14 上式表明 变压器具有变换电流的作用 电流大小与其匝数成反比 因此 匝数多的绕组电流小 可用细导线绕制 匝数少的绕组电流大 可用粗导线绕制 三 阻抗变换变压器不仅能起变换电压和变换电流的作用 还具有变换负载阻抗的作用 在电子设备中 为了获得较大的功率输出 常采用变压器来获得所需要的等效阻抗 以实现电路的阻抗匹配 如图3 10所示 当变压器处于负载运行时 从一次绕组看进去的阻抗为而负载阻抗为故有 3 15 图3 10变压器的阻抗等效变换 式 3 15 表明 对交流电源来说 通过变压器接入阻抗为 ZL 的负载 相当于在交流电源上直接接入阻抗为K2 ZL 的负载 即阻抗为 ZL 的负载经变比为K的变压器后的等效阻抗为K2 ZL 在电子技术中 经常要用到变压器的阻抗变换作用以达到阻抗匹配的目的 四 变压器的铭牌为了安全 正确地使用变压器 必须了解变压器铭牌上规定的额定数据 铭牌上的主要数据有以下几种 1 额定电压2 额定电流3 额定容量4 额定频率5 相数6 温升 1 外特性实际上 在变压器运行中 随着输出电流I2的增大 变压器绕组本身的电阻压降及漏磁感应电动势都将增大 从而使变压器输出电压U2降低 在电源电压及负载功率因数cos 不变的条件下 副绕组的端电压U2随副绕组输出电流I2变化的曲线U2 f I2 称为变压器的外特性 如图3 11所示 对电阻性或电感性负载 U2随I2的增加而下降 负载功率因数愈低 U2下降愈大 对容性负载 U2随I2的增加而增加 即电压随电流的增加而增加 工程上 常用电压变化率 U 来反映变压器二次侧端电压U2随负载而变化的情况 即 3 16 式中 U20是空载时二次侧绕组端电压 U2是负载时二次侧绕组的端电压 图3 11变压器的外特性曲线 电压变化率反映电压U2的变化程度 表示了变压器运行时输出电压的稳定性 通常希望U2的变动愈小愈好 是变压器的主要性能指标之一 电力变压器的电压调整率一般是5 左右 2 损耗与效率变压器的能量损耗有铜损耗和铁损耗两种 铜损耗是由原 副绕组导线电阻产生的 即 它与负载电流的大小有关 铁损耗是交变磁通在铁芯中产生的磁滞损耗和涡流损耗 它与铁芯的材料及电源电压U1 频率f有关而与负载电流大小无关 总的损耗为 变压器的效率是变压器的输出功率P2与对应的输入功率P1的比值 通常用百分数表示 即 3 17 通常在满载的80 左右时 变压器的效率最高 大型电力变压器的效率可达99 小型变压器的效率约60 90 六 单相变压器的同名端及其判断有些单相变压器具有两个相同的一次绕组和几个二次绕组 这样可以适应不同的电源电压和提供几个不同的输出电压 在使用这种变压器时 若需要进行绕组间的连接 则首先应知道各绕组的同名端 才能正确连接 否则可能会导致变压器的损坏 同名端 是指在同一交变磁通的作用下 两个绕组上所产生的感应电压瞬时极性始终相同的端子 同名端又称同相端 同名端用 或 标记 在实际中 往往无法辨别绕组的绕向 可根据下面的方法判断同名端 1 直流法如图3 12所示 当开关迅速闭合时 毫安级电流表的指针正偏 则1和3是同极名端 反偏则1和4是同极名端 图3 12直流法测定同名端 2 交流法如图3 13所示 在1和2端加一交流电压U12 用电压表量取U12 U34 U13 若U13 U12 U34时 1和3是同名端 U13 U12 U34时 1和4是同名端 图3 13交流法测定绕组同名端 七 三相变压器目前在电力系统中 普遍采用三相制供电 用三相电力变压器来变换三相电压 变换三相电压可以采用三台技术指标相同的单相变压器组成三相变压器组来完成 但通常用一台三相变压器来实现 三相变压器有三个原绕组和三个副绕组 其铁芯有三个心柱 每相的原 副绕组同心装在一个心柱上 原绕组首端用A B C 末端用X Y Z表示 副绕组首端用a b c 末端用x y z表示 如图3 14所示 其工作原理与单相变压器工作原理相同 图3 14三相变压器 三 特殊变压器 变压器的种类很多 除上面讨论的双绕组变压器外 还有一些特殊用途的变压器 例如 多绕组变压器 可以得到多种不同的输出电压 又如常用于调节电压的自耦变压器 工业上常用的电焊变压器 测量用的电压互感器和电流互感器等 这些特殊变压器的工作原理同前述的一般变压器类似 但又各有自己的特点 一 自耦变压器前面叙述的普通双绕组变压器 其一次绕组和二次绕组是截然分开的 即只有磁耦合 而有电的直接联系 如果把一次绕组和二次绕组合二为一 就成为只有一个绕组的变压器 这种变压器称为自耦变压器 如图3 15所示 其特点是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 自耦变压器的原理与普通变压器一样 如图3 15所示 由于穿过一 二次绕组的磁通相同 因此 图3 15自耦变压器工作原理 自耦变压器的优点是 结构简单 节约用铜量 且效率较高 自耦变压器的变比一般不超过2 变比愈小 其优点愈明显 其缺点是 一次侧电路与二次侧电路有直接的电的联系 高压端的电气故障会波及到低压端 故高 低压端应采用同一绝缘等级 另外 由于自耦变压器一 二次绕组有电的联系 因此安全操作规程中规定 自耦变压器不能作为安全变压器使用 因为万一线路接错 就可能发生触