电工学第3章.ppt

1、3.1 磁路,3.2 变压器,3.3 三相变压器,3.4 几种特殊用途的变压器,3.5 脉冲变压器及在数控设备中的应用,电工电子技术基础(上册 电工),第3章 磁路与变压器,第三章 磁路与变压器,电工电子技术基础(上册 电工),第3章 磁路与变压器,本章学习要点,掌握磁路的基本物理量，铁磁材料特性（高导磁性、磁饱和性、磁滞性），熟悉涡流及磁路欧姆定律； 了解和掌握变压器的构造、原理（变压、变流、变阻抗）、外特性、用途 熟悉三相变压器的结构和原理 了解几种特殊用途变压器（仪用互感器、自藕变压器、电焊变压器等）的结构、原理和应用 了解脉冲变压器及在数控设备中的应用。,第三章 磁路与变压器,电工电子

2、技术基础(上册 电工),铁磁性物质具有很强的导磁能力，电流通过线圈时又会产生磁场，所以给绕在铁心上的线圈通上电流后，会产生很强的磁场。 当需要用较小的励磁电流获得较强的磁场或较多的磁通时的电工设备，如电机、变压器、磁电系仪表中常采用铁心。铁心常做成环路，为磁通的集中通过提供了路径，这个路径就叫作磁路。 图319为几种电器设备的磁路。,第三章 磁路与变压器,3.1 磁路,一、 磁路的基本概念,电工电子技术基础(上册 电工),图a）和图b）是无分支磁路，图c）是有分支磁路。,第三章 磁路与变压器,图319 磁路,电工电子技术基础(上册 电工),在国际单位制中，B的单位是称为T（特斯拉）。在实际工程

3、中也常用C.G.S制的单位高斯，以Gs表示。 在某一区域内，如果各点的磁感应强度大小相等，方向相同，则这部分磁场叫做均匀磁场。,第三章 磁路与变压器,二、 磁路的基本物理量,磁感应强度B是表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量。它是 一个矢量，其定义如下：磁场内某一点的磁感应强度可用该点磁场作用于1m长，通有1A电流的导体上的力F来衡量，该导体与磁场方向垂直。,1磁感应强度（磁通密度）B,电工电子技术基础(上册 电工),第三章 磁路与变压器,磁通的连续性原理：磁感应线是连续的闭合的，无头无尾的，所以磁场中，如有磁感应线穿入某一闭合曲面必定还要穿出该曲面而形成闭合曲线 。,2磁通,磁感应强度B也

4、可以用与磁场垂直的单位面积的磁通来表示，即,对于均匀磁场，若面积S与磁场方向B垂直，则,=BS,国际单位中，磁通的单位是韦伯，简称韦，以符号Wb表示 工程上曾用麦克斯韦作为磁通的单位，记作Mx.,电工电子技术基础(上册 电工),磁导率是表示磁场中介质导磁性能的物理量。越大，物质的导磁性能越好，越小，物质的导磁性能越差。,第三章 磁路与变压器,真空的磁导率,在国际单位制中，磁导率的单位为H/m(享利每米)。,相对磁导率r：任意一种磁介质的磁导率与真空磁导率0的比值,3磁导率 ,电工电子技术基础(上册 电工),4磁场强度H,第三章 磁路与变压器,磁场强度H:,即磁场中的某一点的磁感应强度与磁导率的

5、比值,电工电子技术基础(上册 电工),铁磁性材料的磁导率很高，具有被强烈磁化、显示磁性的特性。,第三章 磁路与变压器,因为在铁磁性物质中存在有大量的分子电流，而每一个分子电流又形成了具有磁性的磁畴。,三、铁磁性材料的特性,1铁磁性材料的高导磁性,电工电子技术基础(上册 电工),第三章 磁路与变压器,在没有外磁场作用时，这些磁畴的排列杂乱无章对外不显磁性，如图3-9 a）所示； 在外磁场作用下，磁畴顺着外磁场的方向做定向排列，产生出与外磁场方向相同的附加磁场，附加磁场与外磁场叠加起来，就使通电线圈的磁场大大增强，这种现象称为磁化，如图b）和c）所示。 磁畴的排列与外磁场方向相同，附加磁场也增大到

6、最大值，铁磁性物质达到饱和， B不会随H的增强而无限增强。,图3-9 磁畴取向示意图,电工电子技术基础(上册 电工),铁磁性物质的磁感应强度B随磁场强度H而变化的曲线称为磁化曲线，又称B-H曲线。图310为初始磁化曲线。,第三章 磁路与变压器,图310磁化曲线,对于铁心线圈磁路，由于磁饱和，磁导率随磁路的饱和而减少，磁路为非线性；对于空心线圈，由于磁路不饱和，磁通（B）随磁场强度H成正比增长，为线性磁路。,2铁磁性材料的磁化曲线,图313磁滞回线,电工电子技术基础(上册 电工),3铁磁性材料的磁滞性,第三章 磁路与变压器,电工电子技术基础(上册 电工),这样铁磁性物质在交变的磁场中，不断地磁化

7、、去磁、反向磁化、反向去磁，BH的关系将沿着磁滞回线周而复始地变化。,第三章 磁路与变压器,由图可见，铁磁物质在反复磁化时包括以下两个过程:,一、磁化过程：12段曲线是起始磁化曲线， 72段曲线 是正向磁化过程， 45段曲线是反向磁化过程 。,二、去磁过程：当B达到饱和值后，将H从最大值Hm逐渐 减小，B则沿着曲线23下降，当H减到零时，B值仍保留 某一量值Br，称为剩磁，如图中的4和7点。如果要使铁心 中的剩磁消失，需要给铁心加一个反向增加的磁场强度H， B沿着曲线34变化，当H反向增大到一定值时，B值下降 为0，这时的磁场强度称为矫顽磁力，记作HC，如图中的4 和7点。 34段曲线是正向去

8、磁过程，67段曲线是反向去 磁过程。,电工电子技术基础(上册 电工),第三章 磁路与变压器,工程上应用的铁磁材料按磁滞回线的不同可分为三大类：,图315 软磁性材料的磁滞回线,1）软磁性材料 特点：磁滞回线狭长，剩磁和矫顽磁力很小，磁滞损耗小，常用于电机、变压器、电磁铁中。常见的软磁材料有纯铁、铸钢、坡莫合金及软磁铁氧体等。,电工电子技术基础(上册 电工),第三章 磁路与变压器,2）硬磁性材料,图（b） 硬磁性材料磁滞回线,电工电子技术基础(上册 电工),第三章 磁路与变压器,磁滞回线几乎呈矩形，当去掉外磁场后，仍能保持磁饱和状态，目前使用较多的是锰镁铁氧体、锂锰铁氧体。在计算机中制成记忆元件

9、、开关元件和逻辑元件，是存储器中的重要元件。,特点,3）矩磁材料,图（c）为矩磁性材料磁滞回线,电工电子技术基础(上册 电工),涡流损耗 根据电磁感应定律，当交变电流产生的交变磁通穿过铁心时，会产生感应电动势，从而引起旋涡形电流，称为涡流，如图3-18 （a）所示。,第三章 磁路与变压器,四、铁心损耗,铁心损耗包括磁滞损耗和涡流耗 。,磁滞损耗 铁磁性物质在反复磁化中产生的损耗称为磁滞损耗。为了减少磁滞损耗，变压器和电动机常用磁滞回线较小的磁性材料如硅钢制造铁心。,第三章 磁路与变压器,图3-18涡流,铁芯通常采用0.350.5mm厚、且片间绝缘的硅钢片叠成，其涡流损失与磁滞损失都比较小。,电

10、工电子技术基础(上册 电工),电工电子技术基础(上册 电工),不是常数，所以铁磁材料构成的磁路的磁阻也不 是常数。,第三章 磁路与变压器,如果磁路中有一小段长为l 0的空气隙，其横截面积也 是S，如图所示，那么这段空气隙的磁阻为:,五、磁路欧姆定律,在无分支磁路中，磁路的欧姆定律为：,对于均匀铁磁材料构成的磁路，假设平均长度为l、 横截面积为S，磁导率为，则该磁路的磁阻为：,电工电子技术基础(上册 电工),此时磁路的欧姆定律形式为：,第三章 磁路与变压器,320 有空气隙的无分支磁路,图320中无分支磁路的总磁阻为：,电工电子技术基础(上册 电工),第三章 磁路与变压器,六、交流铁心线圈电路,

11、电工电子技术基础(上册 电工),表明在忽略线圈电阻及漏磁通的条件下，当线圈匝数N及电源频率f为一定时，主磁通的幅值m由励磁线圈外的电压有效值U确定，与铁心的材料及尺寸无关。,第三章 磁路与变压器,由于线圈电阻和漏磁通都很小，忽略电阻电压和漏感电动势,则：,电工电子技术基础(上册 电工),第三章 磁路与变压器,铜损由线圈导线发热引起。铁损主要是由磁滞和涡流产生的。,电工电子技术基础(上册 电工),第三章 磁路与变压器,电工电子技术基础(上册 电工),铁心是变压器的磁路部分，为了减少铁心损耗，铁心通常用磁滞损耗和涡流损耗都很小的硅钢片（厚度为0.35-0.5mm）叠装而成,片间相互绝缘。,第三章

12、磁路与变压器,3.2 变压器,一、变压器的基本构造,变压器主要由铁心和线圈组成。简单的变压器模型如图3-23所示，它是在闭合的铁心上绕制两组或两组以上的线圈，利用互感原理，将电源的电能传输到负载，电源和负载之间没有电的直接联系。,图3-23 变压器模型,电工电子技术基础(上册 电工),第三章 磁路与变压器,图3-24 心式变压器,电工电子技术基础(上册 电工),变压器运行时，由于铜损和铁心损耗要发热，因此必须进行冷却散热。变压器冷却方式有自冷式（也称干式）和油冷式两种。小型变压器多采用自冷式，容量较大的变压器多采用油冷式，如图3-26所示。,第三章 磁路与变压器,图3-26 三相油冷式变压器的

13、外形,冷却方式,电工电子技术基础(上册 电工),图327 是变压器的原理示意图。一次绕组（又称原边绕组）匝数为N1 ，电压为u1 ，电流为i1，主磁通产生的电动势为e1，漏磁通产生的电动势为e1 ；二次绕组（又称副边绕组）匝数为N2，电压为u2 ，电流为i2 ，主磁通产生的电动势为e2 ，漏磁通产生的电动势为e2 。,第三章 磁路与变压器,二、变压器的基本原理,电工电子技术基础(上册 电工),第三章 磁路与变压器,原绕组的电压方程：,U1E1= 4.44fN1m,负载状态下副绕组的电阻和漏抗很小，忽略其电压有：,1、变压器的变压作用,电工电子技术基础(上册 电工),第三章 磁路与变压器,根据U

14、1E1=4.44N1fm，当U1和f不变时，m基本不变,铁心磁路中的磁动势也应基本不变 。,2、变压器的变流作用,电工电子技术基础(上册 电工),第三章 磁路与变压器,3、变压器的阻抗变换作用,电工电子技术基础(上册 电工),第三章 磁路与变压器,电工电子技术基础(上册 电工),第三章 磁路与变压器,三、变压器的外特性,电压变化率,用电压变化率来反映电压波动程度，电力变压器从空载到满载，约为额定电压的46%。,电工电子技术基础(上册 电工),第三章 磁路与变压器,由于变压器没有机械摩擦损耗，损耗较小，因此它的效率很高，大容量变压器最高效率可达9899%。,电工电子技术基础(上册 电工),第三章

15、 磁路与变压器,四、变压器线圈极性的测定,同极性端的标记,同名端的判别,电工电子技术基础(上册 电工),第三章 磁路与变压器,同极性端的测定,电工电子技术基础(上册 电工),铁心是变压器的磁路部分，为了减少铁心损耗，铁心通常用磁滞损耗和涡流损耗都很小的硅钢片（厚度为0.35-0.5mm）叠装而成,片间相互绝缘。,第三章 磁路与变压器,3.2 变压器,一、变压器的基本构造,电工电子技术基础(上册 电工),第三章 磁路与变压器,3.3 三相变压器,变压器常用的接法有YY0、Y、Y0，符号Y0表示有中线的星形接法，分子表示高压绕组的接法，分母表示低压绕组的接法，分别用Y，yn、Y,d、YN,d来表示

16、 。,三相变压器的外形图,电工电子技术基础(上册 电工),第三章 磁路与变压器,图3-37 三相变压器的两种接法及电压的变换关系,电工电子技术基础(上册 电工),第三章 磁路与变压器,额定电压UN：指变压器副绕组空载时各绕组的电压。三相变压器是指线电压。 额定电流IN：指允许绕组长时间连续工作的线电流。 额定容量SN：在额定工作条件下变压器的视在功率。,电工电子技术基础(上册 电工),3.4 特殊变压器,第三章 磁路与变压器,一、仪用互感器,图3-39 接有互感器的电路,电工电子技术基础(上册 电工),第三章 磁路与变压器,测量电流时，只需将其闭合铁心张开，将待测的载流导线钳入，这根导线就成为

17、互感器的原绕组，铁心上已绕好的副绕组已直接与测量仪表连接，可马上从电流表直接读出待测电流值。使用这种测量方法，测电流时不需断开待测电路，非常方便，得到广泛的应用。,图3-40 钳形电流表,电工电子技术基础(上册 电工),第三章 磁路与变压器,自耦变压器,图3-42 单相自耦变压器,自耦变压器原、副绕组共用一个绕组，除了有磁的耦合外，又有电的直接联系，这是很不安全的。,图3-41 自耦变压器,电工电子技术基础(上册 电工),第三章 磁路与变压器,电焊变压器,图3-45 电焊变压器的原理图,电焊变压器的二次绕组与一个可变的铁心电抗器串联，电抗器的铁心有较大的空气隙，调节螺栓是用来调节空气隙的距离，改变电抗器空气隙长度就可改变它的电抗，从而控制焊接电流的大小。如空气隙增大，电抗器的感抗随之减小，电流就随之增大。,为了调节引弧电压，原绕组配备分接出头，并用一分接开关来调节副边的空载电压。有载时副边电压迅速下