第3章电工基础.ppt

1、“十二五”规划教材 电工技术电子教案（PPT） 主编：曹建林 2014年8月,1,第3章 磁路与变压器,前面已经讨论了电路的基本定律和分析计算各种电路的基本方法。在很多电工设备（如变压器、电工仪表、电机等）及各种铁磁元件中，不仅有电路的问题，同时还有磁路的问题。只有同时掌握了电路和磁路的基本理论，才能对各种电工设备作全面的分析。,3.1 磁路与铁磁性材料 3.1.1 电路及其组成磁路及磁路欧姆定律,1磁路,线圈中通以电流就会在其周围的整个空间产生磁场。工程上常常需要获得较强的磁场，并把磁通集中在某一特定的路径中，磁通集中通过的闭合路径称为磁路。 由于铁磁性物质的导磁性能强，可将其按照电器结构要

2、求做成所需形状的铁心，将线圈绕在铁心上，从而使铁心中的磁通大大增强。磁通主要沿铁心而闭合，只有很少部分经过空气或其他材料。通过铁心的磁通称为主磁通，铁心外的磁通称为漏磁通，一般情况下漏磁通很少，常略去不计。,2,图3.1所示分别为单相变压器和四极直流电机的磁路。和电路类似，磁路也分为无分支磁路和有分支磁路。 图（a）是无分支磁路，图（b）是有分支磁路。,3,2磁路欧姆定律,4,磁路中也有类似电路欧姆定律的基本关系式,式中为磁通，单位为韦伯（Wb），是流过磁路截面磁感线的多少，表征磁路中磁场的强弱；Um为磁压，单位为安（A），是磁路上的磁位差，其大小与产生该磁场线圈中的电流及线圈的匝数成正比；R

3、m为磁阻，单位为亨-1（H-1），表征磁路对磁通的阻碍作用；H为磁场强度，表征该磁路中去除铁心介质影响后每点磁场的强弱。,（3.1）,5,磁阻也有类似计算电阻的公式,（3.2）,式中l为磁路长度，S为磁路截面积，为形成磁路的铁磁性物质的磁导率，表征物质导磁能力的大小。非铁磁性材料的磁导率410-7H/m，铁磁性材料的很大（如硅钢片的磁导率高达310-3H/m），是非铁磁性材料磁导率的几百甚至几万倍，并且不是常数。,6,由上面两式可见，磁路中的磁通与该段磁路的磁压Um成正比，与该段磁路的磁阻Rm成反比。所以当磁压一定（同一线圈中通以同样大小的电流）的情况下，要提高磁路中的磁通，就必须设法减小磁路

4、的磁阻Rm；而要减小Rm，可以采取增加磁路的截面积S，减小磁路的长度l，用导磁性能好的材料（大）制作磁路，这就是电机、变压器、电器的磁路均采用铁磁性材料的原因所在。,由于铁磁性材料的磁导率是空气磁导率的几百甚至几万倍，故空气中的磁阻比铁磁性材料中的磁阻要大得多，因而电机、变压器等磁路中存在的空气隙虽然很小，但对磁路性能的影响却很大，应尽量减小空气隙，以达到减小磁路的磁阻，增加磁通的目的。,7,磁路与电路有许多相似之处，可用表3.1加以比较。,表3.1 电路与磁路的基本物理量及基本定律对照表,8,3.1.2 铁磁性材料的基本性能及其应用,铁磁性材料主要指铁、钴、镍及其合金，它具有高导磁性、磁饱和

5、性以及磁滞性。,1高导磁性,由磁路欧姆定律可见，在产生同样大小磁通的前提下，具有铁心的线圈（大，Rm小）中所需通入的励磁电流I比相同的线圈但没有铁心时要小得多。这就解决了电机、变压器及各种电工仪表中既要磁通大，又要励磁电流小的矛盾。用铁磁性材料做成铁心，可以用较小的电流得到很强的磁场，这对减小电工设备的重量和体积是十分有用的。随着优质磁性材料的不断开发和广泛应用，电工设备的性能在不断改善。,9,2磁饱和性,磁路中，用磁感应强度B具体表示有介质空间某点的磁场强弱和方向，用磁场强度H表示撇开磁场中介质的影响，即无介质时该点的磁场强弱和方向。而B与H的比值称为磁导率，即=B/H，反映介质对磁场的影响

6、。各种材料的磁化曲线（B与H 之间的关系曲线）可通过实验测得。非铁磁性材料的=B/H为常数，即B-H曲线为一条直线；磁性材料的B-H曲线如图3.2所示。,10,（1）磁性材料的B-H关系为非线性，所以其磁导率不是常数，随H而变，如图3.2中-H曲线所示。,（3）在ab段铁磁性材料的导磁能力已很强。一般希望工作在b点附近，这样既不至于将铁心磁化到饱和状态，又提高了材料的利用率。,（2）磁性材料的磁化曲线可分为四段：oa段B与H几乎成正比地增加；ab段随着外磁场H的增加，铁磁性材料中的磁感应强度B急剧增大；bc段外磁场H继续增加，铁磁性材料中B的增长率反而变小；c点之后，B随H的增长率很小，几乎与

7、空气中的情况相近，这种现象称为磁饱和。,11,3. 磁滞性,当铁心线圈中通有交变电流时，铁心就受到交变磁化。图3.3所示为电流变化一周时，磁感应强度B随磁场强度H而变化的关系曲线。由图可见，当H值已减到零（励磁电流I为0）时，B尚未回到零，即磁感应强度滞后于磁场强度，这一性质称为磁性物质的磁滞性，这时铁心中所剩余的磁感应强度称为剩磁，记作Br。录音磁带就是利用剩磁来记录被录制的信息，永久磁铁的磁性也是由剩磁产生的,12,有时需要去掉剩磁，例如，当工件在平面磨床上加工完毕后，由于电磁吸盘有剩磁，会将工件吸住，为此应增加反方向的外磁场，即通入反向去磁电流，从而去掉剩磁，将工件取下。使B=0所需的H

8、值，称为矫顽磁力HC，如图所示。在铁心反复交变磁化的情况下，表示B与H变化关系的闭合曲线称为磁滞回线。 实验测得，不同的铁磁性材料，具有不同的磁滞回线，其形状大体上可分为三类，如图3.4所示。按磁滞回线的不同，可将铁磁性材料分成三类：,13,（1）软磁材料 如纯铁、铸铁、硅钢、坡莫合金、铁氧体等，这类材料的磁滞回线狭窄，剩磁和矫顽磁力均较小，容易磁化也容易去磁，磁滞损失小，磁导率大。它们适用于工作在交变磁场中，常被用作为变压器、电机以及电感元件的铁心。 （2）硬磁材料 如碳钢、钨钢、钴钢及铁镍铝合金等，这类材料的磁滞回线较宽，剩磁和矫顽磁力均较大，必须有较强的外加磁场才能使之磁化。磁化后撤除外

9、磁场磁性也不消失，具有很强的剩磁，适宜做永久磁铁。 （3）矩磁材料 如镁锰铁氧体、1J51型铁镍合金等，这类材料的磁滞回线接近矩形，在很小的外加磁场作用下就能被磁化，并达到饱和，而去掉外磁场后，磁性仍与饱和时一样。在计算机和控制系统中可用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。,14,近年来，随着纳米技术的发展，出现了纳米微粒，它具有超顺磁性和高矫顽磁力。用纳米微粒做成的磁性液体，在磁场的作用下被磁化而运动，同时又具有液体的流动性，可用于无声快速的磁印刷、磁性液体发电机、医疗中的照影剂等。纳米微粒做成的磁记录材料，可以大大提高信息的记录密度，提高信噪比，改善图像质量。,3.2 单相变压器,变压器具有变

10、换电压、电流和阻抗的作用，因而在电力系统的输电、配电方面以及在电子技术、测量技术等方面都具有广泛的应用。,3.2.1 基本结构及其工作原理,变压器的种类很多，结构也各有特点，但它们的基本结构和工作原理是类似的。,15,1.基本结构,变压器主要由闭合铁心和线圈（也叫绕组）两部分组成，如图3.5所示。铁心由磁导率较高并且相互绝缘的硅钢片叠装而成，其形式有心式和壳式两种。心式的线圈包着铁心，壳式的铁心包着线圈。绕组多用绝缘良好的漆包线绕成，与电源相连的绕组称为一次绕组（又称初级或一次绕组），与负载相连的绕组称为二次绕组（又称次级或二次绕组）。,16,2.工作原理,变压器是按电磁感应原理工作 的，图3

11、.6所示是变压器的原理图。 为了便于分析，将一次、二次绕组 分别画在两边，其匝数分别为N1和 N2。当一次绕组接上交流电压u1时， 在一次线圈中就有励磁电流i1流过， 并在铁心中产生交变磁通，该交变磁通在二次线圈中产生了感应电压u2。可以证明，变 压器一次、二次线圈的端电压有效值U1、U2之比约等于一、二次线圈的线匝比，简称变比K。即,（3.3）,17,由上式可见，当一、二次绕组匝数不同时，变压器就可以把某一数值的交流电压变换为同频率的另一数值的交流电压，匝数多的一边电压高，匝数少的一边电压低，这就是变压器的电压变换作用。N1N2即K1的变压器称降压变压器，而N1N2即K1的变压器称为升压变压

12、器。,变压器只能传递电能而不能产生电能。根据能量守恒定律，若忽略变压器本身的能量损耗， 可以近似地认为变压器的输入功率等于其输出功率，即 P1= P2 (3.4),(3.5),上式表明变压器一次、二次绕组的电流之比与变比成反比，称为变压器的电流变换作用。,又因为P1 =U1 I1，P2 =U2 I2，则得,18,例3.1 已知变压器N1=1000匝，N2=200匝，U1=220V，I2=10A，纯电阻负载，求变压器的二次绕组电压U2、一次绕组电流I1和输入功率P1、输出功率P2。（忽略变压器漏磁和损耗）,解：,由于高压线圈匝数多而通过的电流小，可用较细的导线绕制；低压线圈匝数少而通过的电流大，

13、应当用较粗的导线绕制。,19,变压器除了变换电压和电流外，还可进行阻抗变换，如图3.7所示。图中，负载阻抗Z接在变压器的二次绕组，对电源来说虚框内部可用另一阻抗Z来等效代替，两者的关系为,即：,（3.6）,上式表明，选择适当的匝数比，可将负载阻抗变换为电源所需要的数值，负载性质不变，通常称之为阻抗变换。,20,例3.2 在扩音机中总是希望获得最大功率，而负载获得最大功率的条件是负载阻抗等于信号源内阻，即阻抗匹配。现有一信号源的电压为1.5V，内阻抗为300，作为负载的扬声器阻抗仅有75。欲使负载获得最大功率，必须在信号源和负载之间接一阻抗匹配变压器，使变压器的输入阻抗等于信号源的内阻抗，如图3

14、.8所示。问变压器的变比，一次、二次绕组的电流各为多少？图中电流、电压均为有效值。,21,解：,3.2.2 同极性端及其判断,1.变压器绕组的极性,在图3.9中，当电流从两个线圈的1、3端流入时，所产生的磁通方向相同，则称1、3端为一对同极性端（又叫同名端）。通常在同极性端标有相同符号“”或“*”，如图3.9中的1、3端， 2、4端也是一对同极性端。而1、4端或2、3端则叫异极性端（又叫异名端）。可见，根据线圈绕向可判定其同名端。,22,在使用变压器和有电磁耦合的线圈时，应注意线圈的极性及其正确接法。例如图3.9（a）所示为一台变压器的两个参数相同的绕组，额定电压均为110V，当接到220V的

15、电源上时，两绕组应串联使用，如图3.9（b）所示；而接到110V的电源上时，则应并联使用，如图3.9（c）所示。若连接错误，例如串联时将2和4两端连在一起，将1和3两端接电源，则两绕组所产生的磁通相互抵消，绕组中就没有感应电动势，从而流过很大的电流，把变压器烧毁，因此同名端的判定是相当重要的。,23,2.变压器绕组极性的测定,线圈的同名端取决于其绕向，知道了绕向，就可判定同名端。但是已经制成的变压器或电机、电器，经过了浸漆或其他工艺处理，从外观已无法辨认两线圈的具体绕向，这就要通过实验的方法来测定同极性端。通常采用下面两种实验方法：,（1）交流法,如图3.10（a）所示，将两个绕组1-2和3-

16、4的任意两端（如2和4）连接在一起，在其中一个绕组两端（如1-2）加一个比较低的便于测量的交流电压。用交流电压表分别测量1、3两端的电压U13和两绕组的电压U12及 U34。若U13=|U12-U34|，则1、3为同极性端；若U13=U12+ U34，则1、4为同极性端。,24,（2）直流法,如图3.10（b）所示，在开关S闭合瞬间，若毫安表的指针正偏，则1、3为同极性端；若指针反偏，则1、4为同极性端。,25,3.2.3 外特性及电压调整率,实际工作时发现，一台10000V/400V的变压器，当接上负载后，二次绕组的输出电压U2将小于额定电压400V。其原因是一次、二次绕组本身都存在一定的阻

17、抗，从而引起一定的压降，使得二次绕组输出电压有所下降。,变压器的外特性是指其输出电 压U2与负载电流I2之间的变化关系 ，可用图3.11所示的外特性曲线来 描述。它是一条沿水平方向略下倾 的直线，可见随着负载电流的增大 ，绕组阻抗分压增大， 二次绕组输出 电压随之下降。,26,变压器二次绕组输出电压随负载的变动情况除用外特性说明外，通常还可用电压调整率U %来表示,（3.7）,式中U2N为变压器空载时的二次绕组电压（称为额定电压），U2则是二次绕组输出额定电流时的电压。电压调整率反映了变压器二次从空载到满载，其输出电压的稳定性，是变压器的一个重要性能指标。显然一般希望电压调整率越小越好，其值越

18、小，输出电压越稳定。常用的电力变压器从空载到满载，电压调整率约为3%5%。,27,例3.3 某台供电电力变压器将U1N=10000V的高压降压后对负载供电，要求该变压器在额定负载下的输出电压为U2=380V，该变压器的电压调整率U %=5%，求该变压器二次绕组的额定电压U2N及变比K。,解：由式（3.7）得,可见给额定电压为380V的负载供电时，所选用变压器的二次绕组的额定电压不是380V，而是400V。,28,3.3 三相变压器,电力系统中都采用三相制供电。为了节约输电导线的材料并减小输电线路的功率损耗，从发电厂发出的电需经升压变压器升压为高压电能再进行输送；输送到用电区后，为了保证用电安全

19、并合乎用电设备的电压等级要求，还要通过多级降压变压器降压后再给用户供电。变换三相电压所采用的变压器称为三相变压器。,3.3.1 基本结构,三相变压器由于容量较大，通常除了铁心和绕组外，还具有冷却系统、保护装置以及绝缘套管等，其结构示意图如图3.12所示。,29,三相变压器的基本结构实际上就是三个相同的单相变压器的组合，如图3.13所示。每个铁心柱上绕着同一相的一次、二次绕组（高压、低压绕组），其工作情况与单相变压器相同。各相高压绕组的始端和末端分别用U1、V1、W1和U2、V2、W2表示，低压绕组则用u1、v1、w1和u2、v2、w2表示，并可根据需要分别接成星形（Y）或三角形（）。,三相变压

20、器的接线方式用连 接组代号表示，其标注方法是： 对于高压侧和低压侧，星形联结 分别用Y及y标注，三角形联结分 别用D及d标注，有中性线时分别 用N及n标注。例如照明负载和动 力负载混合接线时，所常用的 “Y，y n0”接线方式，其中“Y”表示高压绕组采用无中性线三相 三线制星形联结，“y n”表示低压绕组采用三相四线制星形联结，末尾的数字“0”表示高、低压绕组的对应线电压之间相位差为0，即同相，中小工厂使用的中小型变压器就是采用这种连接方式。,30,又如三相三线制电路中常采用“Y，d11”接线方式（其中 “11”表示低压线电压比高压线电压滞后1130=330），也可采用“D，d0”方式。,3.

21、3.2 铭牌数据,每台电力变压器都有一块铭牌，如表3.2所示，标志其型号和主要参数，作为使用时的依据。,表3.2 电力变压器铭牌,31,1.型号,2.额定电压U1N和U2N,一次绕组（高压侧）额定电压U1N是指根据绝缘强度和允许发热所规定的应加在一次绕组上的正常工作电压有效值。高压侧设有分接开关，可以根据其供电电压的实际情况，在额定值5%的范围内加以选择。供电电压偏高（如距变电站较近）时，可调至10500V；供电电压偏低则可调至9500V。 二次绕组（低压侧）额定电压U2N是指一次绕组加额定电压而二次绕组空载时的输出电压有效值。 三相变压器中，U1N和U2N均指线电压。,32,3.额定电流I1

22、N和I2N,一次、二次绕组额定电流I1N和I2N是指根据变压器容许发热的条件而规定的满载线电流有效值。三相变压器中，I1N和I2N均指线电流。,4.额定容量SN,额定容量SN是指变压器二次绕组额定电压和额定电流的乘积，即二次绕组的额定视在功率，其单位为伏安（VA）或千伏安（kVA）。,额定容量实际上是变压器长期运行时，允许输出的最大有功功率，反映了变压器传送电功率的能力。注意，变压器使用时的实际输出功率是由负载的阻抗和功率因数决定的。,单相变压器中,在三相变压器中,33,5.额定频率fN,额定频率fN是指变压器应接入的电源频率。我国规定标准工业频率为50Hz。 使用变压器时一般不能超过其额定值，除此之外，还必须注意：,工作温度不能过高； 一次、二次绕组必须分清； 防止变压器绕组短路，以免烧毁变压器。,3 . 4 自耦变压器,3. 4.1 工作原理,图3.1