第六章铁芯线圈和变压器第一节第二节)案例.ppt

第六章铁芯线圈与变压器 第一节磁路第二节铁心线圈第三节变压器 第一节磁路 一磁路的基本概念二磁性材料的磁性能三磁路的基本定律 返回 返回 一磁路的基本概念 1 磁路 磁感应强度 B 磁感应强度表示磁场中某点磁场强弱方向的物理量 如果磁场内各点的磁感应强度大小相等 方向相同 这样的磁场称为均匀磁场 2 磁路的基本物理量 磁路就是磁力线或磁通集中通过的路径 磁路是个闭合路径 2磁通 磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积 成为通过该面积的磁通 磁通的单位是韦伯 wb BS 返回 磁场强度 H 表示磁场中与磁铁材料无关的磁场大小和方向的物理量 磁场强度的单位是安 米 A m H B 磁感应强度的单位是特斯拉 T 磁导率 是用来衡量物质导磁能力的物理量 单位是亨 米 H m 真空磁导率 0 4 10 7 H m 相对导磁系数 r 0若 r 1说明是非磁性材料 若 r 1说明是磁铁材料 返回 二磁性材料的磁性能 1高导磁性磁性材料之所以具有高导磁性是因为内部具有磁畴结构 磁畴 由于磁性材料的分子之间有一种特殊的作用而使每一区域内的分子磁铁都排列整齐 显示磁性 这些区域称为磁畴 返回 磁畴 返回 在无外磁场时磁畴任意排列 处于无序状态 对外不显磁性 返回 在有外磁场作用时 磁场就顺外磁场方向转向 形成一个很强的与外磁场方向一致的磁化磁场 磁铁材料被磁化 2磁饱和性 磁化磁场不会随着外磁场的增加而无限地增加当外磁场增加到一定值时 全部磁畴的方向都已与外磁场的方向一致 这时磁化磁场不在增强 B达到最大值 这一特性称为磁饱和性 返回 当磁铁材料在交变磁场作用下 将受到交变磁化 曲线如图 磁滞曲线 返回 3磁滞性 可见 当H为零时 滞后一些时间才能到零值 这段为磁铁材料的磁滞性 当H到零时 铁磁材料在磁化时所获得的磁性不能完全消失 还要保留一定的磁性 这种磁性称为剩磁Br 使B 0的H值 即HC称为矫顽磁力 软磁材料 具有较小的Br和HC磁滞回线较窄 它的导率很高 一般用来制作电极 变压器等的磁心 硬磁材料 具有较大的Br和HC磁滞回线较宽 它们被磁化后 剩磁不易消失 一般用来制造永久磁铁 返回 磁铁材料按磁滞回线形状不同分为两类 在磁路中 磁场强度H沿任何一闭合路径的线积分 等于包围在闭合回路内各电流的代数和 返回 其中 凡是电流的方向与总积分路程的方向符合右手定则的取正 反之取负 1 全电流定律 三 磁路的基本定律 若材料单一 结构均匀 HL IN 若材料 结构分段均匀 返回 2 磁路欧姆定律 电动势E 磁动势F I N 电流I 磁通 电压U E 磁压HL F 电阻R l Sr 磁阻Rm L S 电路欧姆定律I U R 磁路欧姆定律 F Rm 返回 Rm L S称为磁阻单位 1 H磁通 与磁动势F成正比 与磁阻成反比 这就是磁路欧姆定律 注意 由于磁铁材料的磁导率 不是常数 所以Rm不是常数 所以磁路欧姆定律一般用于定性分析磁路 而不是直接通用于计算磁路 返回 例 在铁心线圈中通直流电 N 1000匝 磁路平均长度L 30cm 截面积S 10cm2 工作点上相对磁导率 r 1137 与在铁心中建立磁通 0 001WB 电流I S L 解 由HL IN 返回 第二节交流铁心线圈 返回 一各物理量之间的关系二铁心线圈电路的能量损失三交直流磁路的比较 返回 当铁心线圈的励磁电流为直流时成为直流铁心线圈 当励磁电流为交流时 就是交流铁心线圈 交流铁心线圈的电磁关系是分析交流电机 变压器等电器的基础 一 各物理量之间的关系 电磁关系如下 u i in e Nd dt e Nd dt iR 漏磁通 经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通 返回 列铁心线圈的KVL方程 u e e iR一般线圈的电压降e 和漏感电动势都很小 所以上式近似写为 u e Nd dt设主磁通 msin t 则 e Nd dt N mcos t 2 fN msin t 90 Emsin t 90 返回 这是一个常用公式 它表明当线圈匝数N及电源频率f一定时 主磁通 m的大小只取决于外加电压的有效值U Em 2 fN mE Em 4 44fN m 返回 返回 例 已知日光灯镇流器的铁心由硅钢片叠成 平均磁路长度L 20cm 截面积S 7cm2 N 1000匝 接在工频f 50Hz交流电路中 测得线圈的电压有效值为192V 试求 1 主磁通 m2 磁感应强度Bm3 励磁电流I 解 把镇流器相当一个铁心线圈 则 U 4 44fN m m U 4 44fN 192 4 44 50 1000 8 65 10 4WbBm m S 8 65 10 4 7 10 4 1 24T查硅钢磁化曲线得 Hm 0 6 103A m 二 铁心线圈电路的能量损失 1铁心线圈电路的铜损无铁心的线圈加交流电时线圈电阻上的功率损耗称为铜损 Pcu I2R 返回 铁心线圈的功率损耗主要有两部分 2铁心线圈电路的铁损 有铁心的线圈加上交流电时 它产生的交变磁场在铁心中产生能量损耗而使之发热 这种能量损耗称为铁损 返回 PFe Ph Pe 磁滞损耗Ph 铁心在交变磁场内反复磁化的过程要消耗磁场能量 使磁铁发热 可以证明 铁心反复磁化所消耗的能量与磁滞回线的面积成正比 所以一般为了减小磁滞损耗 常选用磁滞回线狭小的软磁材料制造铁心 通常采用硅钢 返回 涡流损耗Pe 磁铁材料既导磁又导电 在交变磁通通过铁心时 在线圈和铁心中都有感应电动势产生 在磁铁中会出现旋涡式的电流称为涡流 涡流在铁心中产生的能量损耗称为涡流损耗 ic 返回 为了减小涡流损耗 一方面采用电阻率较高的铁磁材料 如硅钢 可以减小涡流 另一方面可以把整块铁心改成顺着磁场方向彼此绝缘的硅钢片叠成 这样就可以限制涡流在较小的截面内流过 交流铁心线圈的铁心都选用0 5或0 35mm厚的彼此绝缘的硅钢片叠成 返回 三 交直流磁路的比较 在直流磁路中 磁动势 磁通 磁感应强度及磁场强度都是恒定不变的 而在交流磁路中 这些量应随时间不断地变化 返回 直流励磁电流的大小取决于线端电压和线圈电阻的大小 而与磁路的性质 材料种类 几何尺寸 有无气隙及气隙大小等 无关 而交流励磁电流的大小则主要由磁路的性质决定 交流磁路的磁通基本上由线圈电压决定 与磁路的性质无关 而在直流磁路中 在线圈端电压一定时 磁通的大小与磁路的磁阻有关 返回 交流磁路中 在交变磁通的作用下 铁心中有磁滞损耗和涡流损耗 铁损 而在直流磁路中 由于磁通是恒定不变的 所以无铁损 第三节变压器 返回 一变压器的基本结构二变压器的工作原理三变压器的外特性与额定值四变压器的极性五自耦变压器 返回 变压器是用来改变电压大小的一种重要的电器设备 它在电力和供电系统中占有很重要的地位 在电子技术也得到广泛的应用 变压器用途 1 升压送电2 降压送电3 在电子线路中 用作电源变换 传递信号 阻抗变换等 一 变压器的基本结构 变压器主要有硅钢片叠成的闭合铁心和高压 低压线组组成 按铁心和绕组的放置方式不同分为心式和壳式两种 绕组包围铁心成为心式 铁心包围绕组成为壳式 返回 返回 壳式 心式 二 变压器的工作原理 u2 u1 i2 i1 电磁关系如下 u1 i1 i1N1 e1 N1d dte2 N2d dt 1 e 1 L 1di1 dt 返回 N1 N2 1 2 e2e 2 1 空载运行和变换电压 副边无负载 i2 0 此时原边绕组中的电流成为空载电流i0 原边当忽略漏感和线圈电阻时有U1 E1 4 44fN1 mU2 E2 4 44fN2 m u2 u1 i2 i1 N1 N2 1 e1 e2 返回 返回 所以有 U1 U2 E1 E2 N1 N2 2 有载运行和电流变换 变压器有载时与无载时一样U1 U2 N1 N2 Ku 当有负载时 i2 0 这时原边电流用i1表示 由U1 4 44fN1 m知 当U1和f不变时 m基本不变当变压器接上负载后 原边磁动势i1N1和副边磁动势i2N2共同产生磁通与变压器空载时产生的磁通基本相等 所以这两种情况下磁动势相等 即 返回 i1N1 i2N2 i0N1 由于i0很小 忽略不计 1N1 2N2I1N1 I2N2 所以有 返回 3 阻抗变换 i1 z U2 U1z U1 I1 KU2 I2 K0 K2U2 I2 z K2z 改变K 即可改变z实现阻抗变换 返回 返回 z K2z 升压 K 1 z z 三 变压器的外特性与额定值 1外特性外特性指当电源电压U1和负载的功率因数cos 2 不变时 U2与I2之间的关系曲线 U2 f I2 外特性曲线 U2 U20为空载电压 U U20 U2 U20 100 一般为5 左右 返回 2 额定值 原边额定电压和电流 U1N I1N副边额定电压和电流 U2N I2N变压器的额定容量SN U2N I2N 返回 四 变压器的极性 返回 同极性端又称同名端 是指铁心中的磁磁通变化时 在该端产生的感应电动势的极性相同 或电流从两个线圈的同极性端流入时 产生的磁通方向相同 用 或 表示 在使用变压器时 必须知道同名端以便正确联接 例如 在图示电路中 每个原边线圈的额定电压为110 副边线圈的额定电压分别为3V 9 1234 返回 5678 1 当接到220 的电源时 应将 相联 与电源两个线圈串联 当接110 电源时 应将 相联 相联 两线圈并联接到110 电源上 2 若要得到12 的输出时 应将6 8相联 从5 7两个端子输出 若要得到6 的输出时 应将6 7相联 从5 8两个端子输出 五 自耦变压器 变压器除了有传输能量用的电力变压外 还有一些专用变压器 如电压互感器 电流互感器 自耦变压器等 自耦变压器只有一个绕组 副绕组是原绕组的一部分 它同样有变换电压 电流和阻抗的作用 电路如图 返回 N1 N2 返回 返回 例 某变压器额定SN 100VA 额定UN 220V 25V Bm 1T S 9cm2 求 原 副边的绕组匝数N1 N2及额定电流I1N I2N各是多少 解 U1 4 44fN1BmSN1 U1N 4 44fBmS 220 4 44 50 9 10 4 1100匝N2 U2N N1 U1N 25 1100 220 125