单元四磁路与变压器ppt课件.ppt

单元四磁路与变压器 2变压器 磁路 知识目标1 简单叙述磁路基本物理量和基本定律 铁磁材料的磁性能 2 简单叙述特殊变压器各自的特点 3 正确描述变压器的工作原理和使用方法 能力目标1 会进行磁路分析 判别同名端 2 会识别变压器类型 能正确使用 3 对汽车点火线圈的工作原理 使用有较全面的了解 学习目标 单元四磁路与变压器 2 磁路 实际电路中经常采用电感元件 如电磁铁 变压器 电机等 一般电感线圈中都有铁心 线圈通电后铁心就构成磁路 磁路又会影响电路 在物理学中已经知道 电流产生磁场 也就是说通电导体周围存在着磁场 在电磁铁 变压器 电机等电工设备中 为了用较小的电流产生较大的磁场 通常把线圈绕在由铁磁材料制成的铁心上 这时当电流通过线圈时 产生的磁通绝大部分也通过铁心 通过铁心的磁通称为主磁通 用字母表示 小部分沿铁心以外空间闭合的磁通 称为漏磁通 用表示 主磁通通过的闭合路径称为磁路 用以产生磁场的电流称为励磁电流 单元四磁路与变压器 3 1 1磁路的基本物理量 磁路 磁感应强度B 表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量 磁感应强度B的大小 磁感应强度B的方向 与电流的方向之间符合右手螺旋定则 磁感应强度B的单位 特斯拉 T 1T 1Wb m2 均匀磁场 各点磁感应强度大小相等 方向相同的磁场 也称匀强磁场 4 1 1磁路的基本物理量 磁路 二 磁通 磁通 穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数 说明 如果不是均匀磁场 则取B的平均值 在均匀磁场中 BS或B S 磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通 故又称磁通密度 磁通 的单位 韦 伯 Wb 1Wb 1V s 三 磁场强度 磁场强度H 介质中某点的磁感应强度B与介质磁导率 之比 磁场强度H的单位 安培 米 A m 5 1 1磁路的基本物理量 磁路 真空的磁导率为常数 用 0表示 有 磁导率 表示磁场媒质磁性的物理量 衡量物质的导磁能力 相对磁导率 r 任一种物质的磁导率 和真空的磁导率 0的比值 磁导率 的单位 亨 米 H m 非磁性物质 r的近似为 铁磁性物质 r的远大于 真空的磁导率 0是一个常数 而铁磁物质 的磁导率不是常数 当励磁电流改变时 也改变 四 磁导率 6 1 2磁路的基本定律 磁路 任意选定一个闭合回线的围绕方向 凡是电流方向与闭合回线围绕方向之间符合右螺旋定则的电流作为正 反之为负 式中 是磁场强度矢量沿任意闭合线 常取磁通作为闭合回线 的线积分 I是穿过闭合回线所围面积的电流的代数和 安培环路定律电流正负的规定 安培环路定律 全电流定律 安培环路定律将电流与磁场强度联系起来 在均匀磁场中Hl IN 7 1 2磁路的基本定律 磁路 磁路的欧姆定律是分析磁路的基本定律 环形线圈如图 其中媒质是均匀的 磁导率为 试计算线圈内部的磁通 解 根据安培环路定律 有 设磁路的平均长度为l 则有 1 引例 8 1 2磁路的基本定律 磁路 式中 F NI为磁通势 由其产生磁通 Rm称为磁阻 表示磁路对磁通的阻碍作用 l为磁路的平均长度 S为磁路的截面积 磁路的欧姆定律 若某磁路的磁通为 磁通势为F 磁阻为Rm 则 即有 此即磁路的欧姆定律 9 1 2磁路的基本定律 磁路 磁路与电路的比较 10 1 2磁路的基本定律 磁路 电磁感应定律 11 1 3铁磁材料的磁性能 磁路 一 物质的磁性 1 非磁性物质 非磁性物质分子电流的磁场方向杂乱无章 几乎不受外磁场的影响而互相抵消 不具有磁化特性 非磁性材料的磁导率都是常数 有 所以磁通 与产生此磁通的电流I成正比 呈线性关系 当磁场媒质是非磁性材料时 有 即B与H成正比 呈线性关系 由于 0 r 1 B 0H I 12 1 3铁磁材料的磁性能 磁路 2 磁性物质 磁性物质内部形成许多小区域 其分子间存在的一种特殊的作用力使每一区域内的分子磁场排列整齐 显示磁性 称这些小区域为磁畴 在外磁场作用下 磁畴方向发生变化 使之与外磁场方向趋于一致 物质整体显示出磁性来 称为磁化 即磁性物质能被磁化 磁畴 外磁场 在没有外磁场作用的普通磁性物质中 各个磁畴排列杂乱无章 磁场互相抵消 整体对外不显磁性 磁畴 13 1 3铁磁材料的磁性能 磁路 1高导磁性 磁性材料的磁导率通常都很高 即 r 1磁性材料能被强烈的磁化 具有很高的导磁性能 磁性材料主要指铁 镍 钴及其合金等 磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中 如电机 变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁芯 磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中 如电机 变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁芯 在这种具有铁芯的线圈中通入不太大的励磁电流 便可以产生较大的磁通和磁感应强度 二 铁磁材料的磁性能 14 1 3铁磁材料的磁性能 磁路 磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强 2磁饱和性 BJ磁场内磁性物质的磁化磁场的磁感应强度曲线 B0磁场内不存在磁性物质时的磁感应强度直线 BBJ曲线和B0直线的纵坐标相加即磁场的B H磁化曲线 BJ B a b 磁化曲线 磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强 当外磁场增大到一定程度时 磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致 磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值 如图 15 1 3铁磁材料的磁性能 磁路 有磁性物质存在时 B与H不成正比 磁性物质的磁导率 不是常数 随H而变 有磁性物质存在时 与I不成正比 磁性物质的磁化曲线在磁路计算上极为重要 其为非线性曲线 实际中通过实验得出 B H磁化曲线的特征 Oa段 B与H几乎成正比地增加 ab段 B的增加缓慢下来 b点以后 B增加很少 达到饱和 16 1 3铁磁材料的磁性能 磁路 磁滞性 磁性材料在交变磁场中反复磁化 其B H关系曲线是一条回形闭合曲线 称为磁滞回线 磁滞性 磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于外磁场变化的性质 磁滞回线 Br Hc 剩磁感应强度Br 剩磁 当线圈中电流减小到零 H 0 时 铁芯中的磁感应强度 矫顽磁力Hc 使B 0所需的H值 磁性物质不同 其磁滞回线和磁化曲线也不同 矫顽力 剩磁 17 1 3铁磁材料的磁性能 磁路 几种常见磁性物质的磁化曲线 18 1 3铁磁材料的磁性能 磁路 按磁性物质的磁性能 磁性材料分为三种类型 1 软磁材料具有较小的矫顽磁力 磁滞回线较窄 一般用来制造电机 电器及变压器等的铁芯 常用的有铸铁 硅钢 坡莫合金即铁氧体等 2 永磁材料具有较大的矫顽磁力 磁滞回线较宽 一般用来制造永久磁铁 常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等 3 矩磁材料具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁 磁滞回线接近矩形 稳定性良好 在计算机和控制系统中用作记忆元件 开关元件和逻辑元件 常用的有镁锰铁氧体等 19 1 4交流铁心线圈电路 磁路 1电磁关系 磁通势 主磁通 通过铁芯闭合的磁通 漏磁通 经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通 i 铁芯线圈的漏磁电感 与i不是线性关系 20 1 4交流铁心线圈电路 磁路 2电压电流关系 根据KVL 式中 R 线圈导线的电阻 L 漏磁电感 当u是正弦电压时 其它各电压 电流 电动势可视作正弦量 则电压 电流关系的相量式为 21 1 4交流铁心线圈电路 磁路 设主磁通则 有效值 由于线圈电阻R和感抗X 或漏磁通 较小 其电压降也较小 与主磁电动势E相比可忽略 故有 式中 Bm是铁芯中磁感应强度的最大值 单位 T S是铁芯截面积 单位 m2 22 1 4交流铁心线圈电路 磁路 3功率损耗 1 铜损 Pcu 在交流铁芯线圈中 线圈电阻R上的功率损耗称铜损 用 Pcu表示 Pcu RI2 式中 R是线圈的电阻 I是线圈中电流的有效值 2 铁损 PFe 在交流铁芯线圈中 处于交变磁通下的铁芯内的功率损耗称铁损 用 PFe表示 铁损由磁滞和涡流产生 23 1 4交流铁心线圈电路 磁路 1 磁滞损耗 Ph 由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗 Ph 磁滞损耗的大小 单位体积内的磁滞损耗正比与磁滞回线的面积和磁场交变的频率f 磁滞损耗转化为热能 引起铁芯发热 减少磁滞损耗的措施 选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁芯 变压器和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低 设计时应适当选择值以减小铁芯饱和程度 24 1 4交流铁心线圈电路 磁路 2 涡流损耗 Pe 涡流损耗 由涡流所产生的功率损耗 涡流 交变磁通在铁芯内产生感应电动势和电流 称为涡流 涡流在垂直于磁通的平面内环流 涡流损耗转化为热能 引起铁芯发热 减少涡流损耗措施 提高铁芯的电阻率 铁芯用彼此绝缘的钢片叠成 把涡流限制在较小的截面内 铁芯线圈交流电路的有功功率为 25 1 4交流铁心线圈电路 磁路 先将实际铁芯线圈的线圈电阻R 漏磁感抗X 分出 得到用理想铁芯线圈表示的电路 实际铁芯线圈电路 理想铁芯线圈电路 线圈电阻 漏磁感抗 4等效电路 用一个不含铁芯的交流电路来等效替代铁芯线圈交流电路 等效条件 在同样电压作用下 功率 电流及各量之间的相位关系保持不变 26 1 4交流铁心线圈电路 磁路 式中 PFe为铁损 QFe为铁芯储放能量的无功功率 故有 理想铁芯线圈的等效电路理想铁芯线圈有能量的损耗和储放 可用具有电阻R0和感抗X0串联的电路等效 其中 电阻R0是和铁芯能量损耗 铁损 相应的等效电阻 感抗X0是和铁芯能量储放相应的等效感抗 其参数为 等效电路 27 1 4交流铁心线圈电路 磁路 28 2 1变压器的工作原理 2变压器 变压器是一种常见的电气设备 在电力系统和电子线路中应用广泛 变压器的主要功能有 在能量传输过程中 当输送功率P UIcos 及负载功率因数cos 一定时 电能损耗小 节省金属材料 经济 一 概述 U I P I Rl I S 29 2 1变压器的工作原理 2变压器 二 变压器的工作原理 一次 二次绕组互不相连 能量的传递靠磁耦合 30 2 1变压器的工作原理 2变压器 1 空载运行情况 1 电磁关系 一次侧接交流电源 二次侧开路 空载时 铁芯中主磁通 是由一次绕组磁通势产生的 31 2 1变压器的工作原理 2变压器 2 带负载运行情况 一次侧接交流电源 二次侧接负载 有载时 铁芯中主磁通 是由一次 二次绕组磁通势共同产生的合成磁通 32 2 1变压器的工作原理 2变压器 2 电压变换 设加正弦交流电压 有效值 同理 主磁通按正弦规律变化 设为则 33 2 1变压器的工作原理 2变压器 忽略线圈电阻和漏磁通 有 变压器空载时 式中U20为变压器空载电压 故有 结论 改变匝数比 就能改变输出电压 34 2 1变压器的工作原理 2变压器 三相电压的变换 1 三相变压器的联结方式 高压绕组接法 低压绕组接法 三相配电变压器 动力供电系统 井下照明 高压 超高压供电系统 常用接法 变压器的额定电流I1N和I2N是指原绕组加上额定电压U1N 原 副绕组允许长期通过的最大电流 三相变压器的I1N和I2N均为线电流 三相变压器的额定容量为 35 2 1变压器的工作原理 2变压器 1 三相变压器Y Y0联结 线电压之比 36 2 1变压器的工作原理 2变压器 2 三相变压器Y0 联结 线电压之比 37 2 1变压器的工作原理 2变压器 或 结论 一次 二次侧电流与匝数成反比 或 1 提供产生 m的磁势 磁势平衡式 空载磁势 有载磁势 3 电流的变换 38 2 1变压器的工作原理 2变压器 4 阻抗变换 由图可知 结论 变压器一次侧的等效阻抗模 为二次侧所带负载的阻抗模的K2倍 39 变压器的外特性 2变压器 1 变压器的外特性 当一次侧电压U1和负载功率因数cos 2保持不变时 二次侧输出电压U2和输出电流I2的关系 U2 f I2 U20 一次侧加额定电压 二次侧开路时 二次侧的输出电压 一般供电系统希望要硬特性 随I2的变化 U2变化不大 电压变化率约在4 左右 电压变化率 40 变压器的外特性 2变压器 2 变压器的效率 为减少涡流损耗 铁芯一般由导磁钢片叠成 变压器的损耗包括两部分 铜损 PCu 绕组导线电阻的损耗 涡流损耗 交变磁通在铁芯中产生的感应电流 涡流 造成的损耗 铁损 PFe 变压器的效率为 一般 94 负载为额定负载的40 74 时 最大 输出功率 输入功率 41 变压器的外特性 2变压器 当电流流入 或流出 两个线圈时 若产生的磁通方向相同 则两个流入 或流出 端称为同极性端 1 同极性端 同名端 或者说 当铁芯中磁通变化时 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 同极性端用 表示 增加 同极性端和绕组的绕向有关 42 变压器的外特性 2变压器 变压器原一次侧有两个额定电压为110V的绕组 2 线圈的接法 43 变压器的外特性 2变压器 方法一 交流法 把两个线圈的任意两端 X x 连接 然后在AX上加一低电压uAX 测量 若说明A与x或X与a是同极性端 3 同极性端的测定方法 44 变压器的外特性 2变压器 方法二 直流法 如果当S闭合时 电流表正偏 则A a为同极性端 结论 如果当S闭合时 电流表反偏 则A x为同极性端 45 知识扩展 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 一次 二次侧千万不能对调使用 以防变压器损坏 因为N变小时 磁通增大 电流会迅速增加 1 自耦变压器 特殊变压器 46 知识扩展 二次侧不能短路 以防产生过流 2 铁芯 低压绕组的一端接地 以防在绝缘损坏时 在二次侧出现高压 使用注意事项 被测电压 电压表读数 N1 N2 2 电压互感器 实现用低量程的电压表测量高电压 47 知识扩展 被测电流 电流表读数 N2 N1 二次侧不能开路 以防产生高电压 2 铁芯 低压绕组的一端搭铁 以防在绝缘损坏时 在二次侧出现过压 使用注意事项 3 电流互感器 实现用低量程的电流表测量大电流 R 48 实例分析 汽车点火系统的点火线圈与电路1 汽车用点火线圈汽车点火线圈按磁路和结构的不同 可分为开磁路和闭磁路点火线圈 开磁路点火线圈多用于传统点火系及普通电子点火系 闭磁路点火线圈多用于高能电子点火系及电控点火系 49 实例分析 1 开磁路点火线圈开磁路点火线圈的结构如图所示 铁芯用互相绝缘的硅钢片叠制而成 以减少涡流损耗 外面套有绝缘的纸板套管 套管上分层绕有次极绕组 约11000 26000匝 其导线为直径0 06 0 10mm的漆包线 2 闭磁路点火线圈闭磁路点火线圈结构如图所示 它的结构与开磁路点火线圈不同 在 日 字形铁心内绕有一次绕组 在一次绕组外面绕有二次绕组 其磁路如图所示 50 实例分析 2 点火系的基本组成与电路 1 组成点火系组成示意图如图4 21所示 主要由一组蓄电池 点火开关 点火线圈 分电器 包括配电器和断电器 火花塞等组成 电源电源为蓄电池和发电机 供给点火系所需电能 一般电压为12V 点火开关作用是接通或断开点火系一次电路 点火线圈它实际上是一个变压器 将12V低压电转变为15000 20000V的高压电 它有两个绕组 一次绕组和二次绕组 分电器它包括配电器和断电器 断电器作用是接通和切断低压电路 根据电磁感应原理 使点火线圈次级产生高压电 配电器作用是按发动机点火顺序向各气缸火花塞分配高压电 电容器它与断电器触点并联 当断电器触点断开时 用来吸收一次绕组的自感电动势 减小断电器触点火花 延长触点的使用寿命 并可提高点火线圈的次级电压 51 实例分析 2 电路点火系的电路分高 低压电路 低压电路为 电流从蓄电地正极电流表点火开关附加电阻点火线圈一次绕组断电器触点蓄电池负极形成回路 在图中用实线表示触点闭合时的低压电路 52 实例分析 高压电路 高压电由点火线圈二次绕组产生 从二次绕组一端出来附加电阻点火开关电流表蓄电池火花塞旁电极中心电极配电器旁电极分火头点火线圈二次绕组另一端 3 点火系的工作原理点火系是基于电磁感应原理进行工作的 它把蓄电池或发电机的12V低压电转变为15000 20000V的高压电 同时按一定规律送入各缸火花塞 经过火花塞电极间火花放电点燃可燃混合气 53 实例分析