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文档简介
,第八章铁心线圈与变压器,作者:,GSQ,第八章铁心线圈与变压器,第一节磁路的基本概念和定律,第二节直流铁心线圈与直流电磁铁,第三节交流铁心线圈与交流电磁铁,第四节单相变压器,#,第八章铁心线圈与变压器,本章介绍的基本物理量、基本定律以及磁性材料的磁性能。在此基础上重点讨论铁心线圈电路和变压器。,第一节磁路的基本概念和定律,电动机、继电器、电磁铁及变压器等电器都是基于电磁耦合的原理工作的,我们已经学过了电路,现在再来研究磁路。,一、磁场的基本物理量,1.磁通,2.磁感应强度B,3.磁场强度H,4.导磁系数,#,8-1,一、磁场的基本物理量,垂直穿过某一面积S的磁力线的总根数。韦伯wb,穿过单位面积的磁力线根数。特斯拉Twb/m2,磁场中某点的B与该点的磁导率的比值。,1.磁通,2.磁感应强度B,3.磁场强度H,4.导磁系数,描述导磁能力大小的物理量。通常使用相对导磁系数,无量纲,真空导磁系数,第一节磁路的基本概念和定律,安/米,A/m,A/cm,#,8-1,磁动势,第一节磁路的基本概念和定律,二、磁路的基本定律,安培环路定律,磁路欧姆定律,与电路类似,磁路也有各种定律,安培环路定律,安培环路定律,安培环路定律,安培环路定律,安培环路定律,沿任一闭合路径,H的线积分等于包围在这闭合路径内各电流的代数和,若磁场均匀则有,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,无分支磁路,平均长l,线圈N匝,I,N,磁通,导磁系数,截面积S,根据,磁路欧姆定律,磁阻Rm,基尔霍夫定律,#,8-1,二、磁路的基本定律,安培环路定律,磁路欧姆定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,有分支磁路,I1,N1,I2,N2,1.磁路的基尔霍夫磁通定律,在节点A处,A,1+2-3=0,2.磁路的基尔霍夫磁压降定律,任一闭合回路中均有:,或,磁压降的代数和等于磁动势的代数和,#,8-1,H(I),a,b,c,B,铁磁材料B-H,-H曲线,从曲线上能明显看出,不是常数,导磁性,工程上利用它来使,磁通尽量地约束在有限的范围内,提高电磁设备的利用率,一般使用B-H曲线的ab段。,磁滞,B的变化滞后于H的变化如曲线的oa段,o,磁饱和,当H达到一定程度,B不再随H而增加,此为磁饱和。如曲线的cs段。,s,若对铁心线圈而言,磁饱和意为,当电流I增加到一定程度,不再随之增加。,关于磁滞,祥看请点击,#,三、磁性材料的磁性能,8-1,8-1,几点说明:,磁阻Rm的大小取决于磁路的尺寸和材料的磁导率。,很大,但不是常数,因此也不是常数。所以磁路欧姆定律不能用来进行定量计算,只用做定性分析。通常磁路计算应用磁路基尔霍夫定律。,磁路和电路有相似之处,但却有本质的区别。祥见教材P149,#,第二节,第二节直流铁心线圈与直流电磁铁,一、直流铁心线圈(磁路计算略),二、直流电磁铁,1.构成,铁心,铁心,线圈,线圈,衔铁,衔铁,8-2,2.工作原理,通电的铁心线圈对衔铁会产生吸力,请看通电演示,3.吸力,#,电磁铁应用?,直流电磁铁的特点,8-2,励磁电流是由励磁线圈的外加电压U和线圈电阻R决定的,2.无磁滞和涡流损耗,铁心可以使用整块的铸钢、软铁。,电流是恒定的,无感应电动势产生。,3.吸合后电磁力比吸合前大得多,但励磁电流不变。,(因磁动势NI不变,磁阻RmB,所以吸力F),电流恒定,无感应电动势产生。无磁滞和涡流损耗,可使用整块铁心3.吸合后,励磁电流不变,F,#,第三节交流铁心线圈与交流电磁铁,8-3,一、交流铁心线圈的损耗,P=PCU+Ph+Pe,总损耗,铜损,涡流损耗,铁损,磁滞损耗,铜损PCU,线圈电阻上的损耗,PCU=I2R,磁滞损耗,其大小与铁心材料反复磁化后的磁滞回线面积成正比,涡流损耗,交变磁通穿过铁心时,铁心既导磁又导电,因铁心在交变磁通作用下产生感应电动势,从而在垂直于磁通方向的铁心平面内产生旋涡状的感应电流,叫涡流。涡流在铁心内电阻上产生的损耗称涡流损耗。,减小涡流损耗的办法,增大涡流通路的电阻即用薄的材料叠成铁心,减小磁滞损耗的办法,铁心尽量采用软磁材料,#,8-3,二、电压平衡方程式,交流铁心线圈,大部分经铁心闭合,产生e,e,主磁通,少部分经空气闭合,产生eL,漏磁通,eL,u,线圈电阻上压降为iR,根据KVL得:,或,电压平衡方程式,#,#,8-3,二、电压平衡方程式,有效值,或,重要结论,外加电压不变时,交流铁心线圈的铁心内主磁通最大值几乎是不变的。这是分析变压器和交流电动机时的重要概念。,注意,8-3,三、交流电磁铁,交流电磁铁也是一种电磁器件,结构形式与直流电磁铁类似。在工业部门应用极为广泛。如冶金工业中用于提放钢材的电磁吊车;夹持工件的电磁工作台;传递动力的电磁离合器;液压传动中的电磁阀;交流接触器及接触器等。,铁心中的磁通是交变的,空气隙处的磁感应强度为:,吸力,#,8-3,三、交流电磁铁,瞬时值,有效值,显然f是交变的,存在过零值。会出现吸合不牢的现象。,通常在尾端留一切口,套上铜环(或称磁环),铜环产生的感应电流阻碍的变化,致使穿过铜环的与其它存在一相位差,结果产生两个相位不同的电磁吸力,平均后,不再有过零点。,见教材P156,1.吸力是交变的,铁心需加分磁环。,2.励磁电流吸合前大,吸合后减小。前后吸力不变,3.铁心和衔铁均由硅钢片叠成,为减小铁损。,#,交、直流电磁铁的特点,8-3,电流恒定,无感应电动势产生。无磁滞和涡流损耗,可使用整块铁心3.吸合后,励磁电流不变,F,#,1.吸力是交变的,铁心需加分磁环。,2.励磁电流吸合前大,吸合后减小。前后吸力不变,3.铁心和衔铁均由硅钢片叠成,为减小铁损。,8-4,一、变压器的用途、构造和分类,变压器是基于电磁感应原理而制成的静止的电器设备,用途,变电压,变电流,变阻抗,构造,心式和壳式两种,心式变压器,壳式变压器,分类,单相,三相,多相;,升压,降压;,仪用电压、电流互感器;,焊接变压器,自藕变压器。,#,有两个绕组,也有两个绕组,第四节单相变压器,8-4,二、变压器的工作原理,原边绕组N1,名词介绍,幅边绕组N2,一次绕组N1,二次绕组N2,一次侧,二次侧,均指电源侧,均指负载侧,什么是变压器任载运行?,什么是变压器空载运行?,一次侧接电源二次侧负载开路,一次侧接电源二次侧接负载,8-4,二、变压器的工作原理,变压器空载运行,I0,U1,U20,此时的变压器相当于交流铁心线圈,变比,空载运行的结论:,原幅边之比等于原幅边匝数之比,等于常数k,这就是变压器的变电压作用,变压器任载运行,U1,I1,U2,I2,两边绕组中通过的磁通是相同的,8-4,只要U1不变,主磁通就不应该变,所以有:,磁动势平衡方程式,有载时原边磁动势分为两部分,1.产生主磁通(励磁分量)I0,2.用来补偿I2N2(负载分量I2),又称去磁,一般I0很小,小型变压器只有23%,大的不过10%,,当略去I0N1后有:,变电流作用,任载运行结论:,变电流作用,任载后,电压比是否还等于变比k?,变电压作用,还有一个作用是变阻抗,幅边Z2,原边Z1,变阻抗作用,或,8-4,二、变压器的工作原理,空载运行结论:,任载运行结论:,变电流作用,变电压作用,变阻抗作用,或,总结,变压器的外特性和额定值,2.额定值,一般变压器的额定值在其名牌上给出。,额定电压,额定电流,额定容量,额定频率,一次额定电压U1N,正常时一次绕组所加电压的有效值。,二次额定电压U2N,一次电压为U1N时,变压器空载时对应二次侧的空载电压有效值,即U20=U2N,一次额定电流I1N,一次绕组加额定电压,正常工作时一次绕组允许长期通过的最大电流有效值。,二次额定电流I2N,一次绕组加额定电压,正常工作时二次绕组允许长期通过的最大电流有效值。,指二次侧的输出额定视在功率,即:,额定频率50HZ,8-4,三、变压器的外特性和额定值,1.外特性,电压保持不变,变压器任载后,由于一、二次侧均有电流通过,必然在一次侧、二次侧内阻抗上产生电压降,从而使二次电压随负载电流增加变小。称,曲线,为变压器的外特性。,变压器外特性,电压调整率,满载时电压,空载电压,一般在5%以内,8-4,四、变压器的损耗和效率,8-4,变压器损耗p分铁损pFe和铜损pCu,1.铁损,是交变的主磁通在铁心中产生磁滞损耗ph和涡流损耗pe之和,又称为固定损耗,2.铜损,又称为可变损耗,变压器一次侧、二次侧均有电阻,当有电流通过时,产生损耗,3.效率,一次侧输入功率p1,二次侧输出功率p2,效率为,p=pFe+pCu,小型变压器的效率为7085%,大型变压器效率可达98%,第八章结束,课
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