磁路与变压器资料.ppt

1,第5章磁路与变压器,5.1磁路的基本知识5.2交流铁心线圈5.3变压器的结构与工作原理5.4电磁铁,2,1.磁路：主磁通所经过的闭合路径。,5.1磁路的基本知识,5.1.1.磁路的基本物理量,线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏磁通。,3,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。,5.1.1.磁路的基本物理量,4,3.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=1Vs,4.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),5,5.磁导率,：表征各种材料导磁能力的物理量,6,磁性材料的磁性能,1、高导磁性指磁性材料的磁导率很高，r1，使其具有被强烈磁化的特性。,2、磁饱和性当外磁场（或励磁电流）增大到一定值时，磁性材料的全部磁畴的磁场方向都转向与磁场的方向一致，磁化磁场的磁感应强度BJ达到饱和值。,5.1.2磁性材料,高导磁性、磁饱和性、磁滞性、非线性,7,磁化曲线,B和与H的关系,注,当有磁性物质存在时B与H不成比例，与I也不成比例。,3、磁滞性当铁心线圈中通有交变电流（大小和方向都变化）时，铁心就受到交变磁化，电流变化时，B随H而变化，当H已减到零值时，但B未回到零，这种磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称磁性物质的磁滞性。,8,一.安培环路定律（全电流律）：,5.1.3磁路基本定律,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.,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。,9,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,HL：称为磁压降。,10,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：,11,对于均匀磁路,二.磁路的欧姆定律：,12,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,U,13,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,14,5.2交流铁心线圈,5.2.1铁心线圈的电磁关系,（磁通势）,主磁通：通过铁心闭合的磁通。,漏磁通：经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通。,线圈,铁心,i，,铁心线圈的漏磁电感,与i不是线性关系。,15,5.2.2铁心线圈中电压电流关系,根据KVL:,式中：R是线圈导线的电阻,L是漏磁电感,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：,16,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是铁心中磁感应强度的最大值，单位T；S是铁心截面积，单位m2。,17,5.2.3铁心线圈的功率损耗,交流铁心线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种。,1.铜损（Pcu）,在交流铁心线圈中,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）,在交流铁心线圈中，处于交变磁通下的铁心内的功率损耗称铁损，用PFe表示。,铁损由磁滞和涡流产生。,18,（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，引起铁心发热。,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心。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心饱和程度。,19,(2)涡流损耗（Pe）,涡流损耗:由涡流所产生的功率损耗。,涡流：交变磁通在铁心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，引起铁心发热。,减少涡流损耗措施：,提高铁心的电阻率。铁心用彼此绝缘的钢片叠成，把涡流限制在较小的截面内。,铁心线圈交流电路的有功功率为：,20,5.3变压器的结构与工作原理,变压器是一种改变交流电压和交流电流，传递电功率的器件，它常用于电力网、收音机、电视机、收录机、电子仪器、广播通讯等处。主要特点:交流电磁变换,变压器功能：电力变送：电力系统信号传输：电流互感器,电子电路阻抗变换：电子电路中的阻抗匹配（如喇叭的输出变压器）,21,最简单的变压器由两个绕在公共铁心上的线圈组成，线圈是变压器的电路，铁心是变压器的磁路（由铁磁物质构成，能使磁力线集中通过的整体称为磁路厚0.35mm或0.5mm）。与电源相联的线圈称为原线圈（初级线圈），与负载相联的线圈称为副线圈（次级线圈）。,5.3.1变压器的结构,22,5.3.2单相变压器的工作原理,变压器的基本工作原理，是电磁感应定律和全电流定律的应用，以上图单相变压器为例说明。它是由一个闭合铁心和绕在铁心上的两个线圈所构成，两个线圈是相互绝缘的，没有电的联系，但由于绕在同一个磁路上，故有磁的耦合。设原线圈的串联匝数是N1匝，副线圈的串联匝数是N2匝。如果把原线圈与交流电源接通，副线圈接电灯负载，便会看到电灯发亮的现象，这说明两个线圈之间通过电磁感应实现了能量传递。此时，称为变压器负载运行。如果付线圈开路，则称变压器空载运行。分别介绍。,23,变压器符号,1、空载运行变压器的原线圈接在额定频率、额定电压的交流电源上，副线圈开路，就是空载运行，与铁心线圈接在正弦交流电压下的情况基本相同，只是多了一个开路的副线圈。,接上交流电源u1，原边电流i1等于励磁电流i10i10产生交变磁通产生感应电动势,，,（e、方向符合右手定则）。,24,根据交流磁路的分析，可得：,i2=0时，u2=u20,此式是变压器的基本公式之一，说明在空载时，原、副边电压的比值近似等于原、副线圈的匝数的比值，匝数比,是一个常数，称为变比，它是变压器的一个重要参数，只要适当选择变比，就能实现变换电压的目的。,25,2、变压器负载运行,当变压器的副边接上负载后，在感应电动势e2的作用下，副边线圈中有了电流i2，因此就有电能输出。磁动势平衡方程式从能量转换的观点看，副边有能量输出，必然使原线圈从电源多吸取负载所需要的能量，通过全磁通传给副线圈。当电源电压u1保持不变时，要使输入能量增加，原边电流必然增大，即从空载时的i10增加到i1。,2、有载运行,从电磁关系看，电流i2也会产生磁动势f2=i2N2,它作用在磁路上将使主磁通发生变化主电势E1发生变化，使原方回路的电压达到新的平衡。,26,Z1很小，故相比总是很小的，可以认为负载运行时，U1E1=4.44f1N1m如U1保持不变，则E1近于不变，产生E1的也近于不变，因而建立主磁通所需要的磁动势也基本上不随负载变化，也近似等于空载磁动势f0。,即：变压器带负载时，作用在磁路中的磁动势为：i1N1+i2N2其结果仍然是近似保持原有的磁动势i10N1不变，i1N1+i2N2=i10N1,有两个作用：供给产生主磁通的磁动势i10N1；补偿i2N2的作用通常变压器的空载电流很小，仅为额定电流的（2-10）%。,27,所以，原、副线圈的磁动势在相位上近似相反，即副线圈的磁动势对原线圈的磁动势有去磁作用。,原、副线圈在满载时的数量关系为这也是变压器的基本公式之一，它表明原、副线圈电流之比近似等于它们的匝数比的倒数，通过改变匝数比可达到变换电流的目的。,28,4、阻抗变换作用在电路中，通常希望负载能获得最大的输出功率，负载获得最大功率的条件是负载阻抗等于电源内阻，此时称电路实现了阻抗匹配。在电子设备中，如扬声器线圈的阻抗是由制造厂规定的，不能任意改变，将它接入电子线路中，不一定能获得最大的功率输出。为了解决此问题，可以通过变压器来变换负载阻抗的数值以获得最大的功率输出。电路如图。,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。,29,30,31,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。,1.变压器的额定值（以单相变压器为例）,5.3.3变压器的使用,32,注意：变压器几个功率的关系,33,2.变压器的外特性,副边输出电压和输出电流的关系。即：,U20：原边加额定电压、副边开路时，副边的输出电压。,34,35,3.变压器的损耗与效率(),为防止涡流损失，铁芯一般由一片片导磁材料叠合而成。,36,1.三相变压器,高压绕组：A-XB-YC-Z,X、Y、Z：尾端,A、B、C：首端,低压绕组：a-xb-yc-z,a、b、c：首端,x、y、z：尾端,2)三相变压器的联结方式,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:,5.3.4其它变压器,37,（1）三相变压器Y/Y0联结,线电压之比：,38,（2）三相变压器Y0/联结,线电压之比：,39,2.自耦变压器,结构特点：只有一个线圈，副线圈为原线圈的一部分。高压线圈的匝数为N1，低压线圈的匝数为N2。原边和副边不仅有磁路上的联系，还有电路上的联系。自耦变压器的原理和普通单相双绕组变压器是一样的，在原、副线圈电压之间同样存在如下的关系。,40,1）电压互感器：用低量程的电压表测高电压,被测电压=电压表读数N1/N2,3.电压互感器与电流互感器,41,2）电流互感器：用低量程的电流表测大电流,被测电流=电流表读数N2/N1,1.副边不能开路，以防产生高电压；2.铁心、低压绕组的一端接地，以防在绝缘损坏时，在副边出现过压。,使用注意事项：,3.电压互感器与电流互感器,42,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),5.3.5变压器绕组的极性及其测定,43,电器使用时两种电压（220V/110V）的切换：,220V：联结23,110V：联结13，24,线圈的接法,44,220V：联结23,励磁,两种接法下线圈工作情况的分析,45,110V：联结13，24,220V：联结23,46,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：,47,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,48,方法一：交流法,同极性端的测定方法,若说明A与a或X与x为同极性端。,测量：,49,方法二：直流法,50,5.4电磁铁,电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保持某种机械零件、工件于固定位置的一种电器。当电源断开时电磁铁的磁性消失，衔铁或其它零件即被释放。电磁铁衔铁的动作可使其它机械装置发生联动。,根据使用电源类型分为：,直流电磁铁：用直流电源励磁；,交流电磁铁：用交流电源励磁。,51,基本结构,电磁铁由线圈、铁心及衔铁三部分组成，常见的结构如图所示。,有时是机械零件、工件充当衔铁,1为线圈，2为铁心，3为衔铁,52,电磁铁吸力的计算,电磁铁吸力的大小与气隙的截面积S0及气隙中的磁感应强度B0的平方成正比。基本公式如下：,式中：B0的单位是特斯拉；S0的单位是平方米；F的单位是牛顿（N）。,直流电磁铁的吸力,直流电磁铁的吸力依据上述基本公式直接求取。,53,交流电磁铁的吸力,交流电磁铁中磁场是交变的，设,则吸力瞬时值为:,式中：,为吸力的最大值。,吸力的波形:,吸力平均值为:,O,54,(1)交流电磁铁的吸力在零与最大值之间脉动。衔铁以两倍电源频率在颤动，引起噪音，同时触点容易损坏。为了消除这种现象，在磁极的部分端面上套一个分磁环（或称短路环），工作时，在分磁环中产生感应电流，其阻碍磁通的变化，在磁极端面两部分中的磁通1和2之间产生相位差，相应该两部分的吸力不同时为零，实现消除振动和噪音，如图所示；而直流电磁铁吸力恒定不变；,综合