第3章磁路与变压器课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电工电子应用技术,(电工学II),第3章 磁路与变压器,第3,章 磁路与变压器,目录,磁路的基本概念与基本定律,第一节,直流铁心线圈,第二节,交流铁心线圈,第三节,电磁铁,第四节,变压器,第五节,本章目录,一、磁路的基本物理量,磁通,磁感应强度,B,磁场强度,H,磁导率,磁 路,基本物理量,3.1,磁路的基本概念与基本定律,第3,章 磁路与变压器,磁路的基本概念与基本定律,磁 通,垂直穿过某一面积,S,的磁感线的总根数,单位：韦伯,Wb,磁感应强度,B,磁感应强度是表征磁场中某一点磁场强弱和方向的一个物理量，用矢量,B,表示。,通常用垂直于该处单位面积上的磁力线的疏密来反映磁感应强度的大小。,特斯拉,(,T),第3,章 磁路与变压器,磁路的基本概念与基本定律,磁场强度,H,磁场强度用矢量,H,表示，方向与磁感应强度,B,相同。,H,代表电流本身在真空中所产生的磁场的强弱，其大小只与产生该磁场的电流大小成正比，与介质的性质无关。,安/米(Am),第3,章 磁路与变压器,磁路的基本概念与基本定律,磁导率,磁导率,是衡量物质导磁能力的物理量,物质,导磁性能,真空磁导率：,非磁性物质,磁性物质,单位：亨利,/米(,H/m),第3,章 磁路与变压器,磁路的基本概念与基本定律,二、铁磁物质的磁性能,(1),高导磁性,(2),磁饱和性,磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。,通常，磁性材料的磁导率 ，其比值可高达数百、数千甚至数万，这是由它们的内部结构决定的。,磁性物质的磁化曲线,(,即：,B-H,曲线,),由实验方法测得，如图所示。,第3,章 磁路与变压器,磁路的基本概念与基本定律,磁化曲线反映了铁磁物质的磁导率不是常数。磁饱和现象的存在使得,磁路分析问题成为非线性问题,，因此，磁路分析要比电路分析复杂得多。,H,B,O,a,b,c,d,图 初始磁化曲线,(,B-H,曲线,),B-H,磁化曲线的特征：,Oa,段:,B,随,H,的增加比较缓慢；,ab,段:,B,与,H,几乎成正比地增加；,bc,段:,B,的增加缓慢下来；,cd,段:,B,随,H,增加很少，达到,磁饱和,。,第3,章 磁路与变压器,磁路的基本概念与基本定律,(3),磁滞性,剩磁,矫顽力,磁滞现象,：当铁心线圈中通入交流电时，随着与电流成正比的磁场强度,H,的交变，磁感应强度,B,将沿着图示闭合曲线变化。这种磁感应强度的变化滞后于磁场强度的变化的现象称为磁滞现象。,磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。,注,：图中箭头表示反复磁化的过程,磁滞回线,第3,章 磁路与变压器,磁路的基本概念与基本定律,三、磁路的基本定律,(1),安培环路定律,(,全电流定律,),基本内容：磁场中，磁场强度,H,沿任意闭合路径的线积分等于该闭合路径所包围电流的代数和，即,规定：,当电流的方向与闭合路径绕向之间符合右螺旋定则时，电流取正号，反之取负号。,若：沿积分路径可将磁路分成,n,段，且每段中磁场强度,H,的大小不变，则定律表示为,（定量）,第3,章 磁路与变压器,磁路的基本概念与基本定律,I,N,匝,S,r,H,若：某环形线圈如图，,故：,磁动势,磁压降,此式可理解为：,沿磁路一周，各段磁路磁压降的代数和等于与中心环路交链的磁动势的代数和。,其中媒质是均匀的,则根据,安培环路定律,第3,章 磁路与变压器,磁路的基本概念与基本定律,(2),磁路的欧姆,定律,磁 阻,磁动势,磁路的欧姆定律,：,（,定性,）,由励磁电流在磁路中产生的磁通量，与磁动势,F,成正比，与磁路的磁阻成反比。,不是常数,第3,章 磁路与变压器,磁路的基本概念与基本定律,磁化曲线：就是磁感应强度,B,与磁场强度,H,的关系曲线，是进行磁路计算不可缺乏的资料，它由实验方法获得。,几种常见磁性物质的磁化曲线,a,铸铁,b,铸钢,c,硅钢,片,O,0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9,H,/(A/m),B,/T,1.8,1.6,1.4,1.2,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,b,a,c,下面给出三种常用铁磁材料的,B-H,曲线,第3,章 磁路与变压器,磁路的基本概念与基本定律,表 磁路和电路的比较,磁路,电路,典型结构,对应的物理量,磁动势,电动势,磁压降,电 压,磁 通,电 流,磁 阻,电 阻,磁导率,电导率,I,N,R,+,_,E,I,U,(,待续,),第3,章 磁路与变压器,磁路的基本概念与基本定律,(,续上页,),磁路,电路,对,应,的,关,系,式,磁阻,电阻,磁路的欧姆定律,电路的欧姆定律,磁路的基尔霍夫定律,电路的基尔霍夫定律,表 磁路和电路的比较,第3,章 磁路与变压器,磁路的基本概念与基本定律,3.2,直流铁心线圈,直流铁心线圈的特点,:,（,R,为线圈的电阻）,衔铁吸合前、后的两个稳定运行状态,(,不考虑衔铁吸合过程,),，励磁电流不会发生变化，即,磁路的改变对直流铁心线圈的励磁电流没有影响,。,注意,第3,章 磁路与变压器,直流铁心线圈,一、,电磁关系,3.3,交流铁心线圈,（主磁通）,线圈,铁心,i,（漏磁通）,第3,章 磁路与变压器,交流铁心线圈,二、,伏安关系,根据基尔霍夫电压定律，得铁心线圈电路的电压方程为：,线圈内阻,R,很小,很小,则由电磁关系有：,设：,第3,章 磁路与变压器,交流铁心线圈,这是一个重要常用公式，它表明当线圈匝数,N,及电源频率,f,一定时，主磁通的大小正比于外加电压的有效值,U,。,根据上式,有：,注意,第3,章 磁路与变压器,交流铁心线圈,三、功率损耗,总损耗,铜耗,（铁耗）,磁滞损耗,涡流损耗,（1,）,铜耗,励磁线圈的,铜线电阻,上的功率损耗,第3,章 磁路与变压器,交流铁心线圈,（2,）,铁耗,交变的磁通在,铁心中,产生的功率损耗称为铁耗，包括,磁滞损耗和涡流损耗,。, 磁滞损耗,磁滞损耗是由磁滞现象引起。,（,S,为磁滞回线包围的面积）,为减小磁滞损耗对铁心发热的影响，常选用,磁滞回线狭小的软磁性材料,硅钢制造变压器和交流电机中的铁心。,第3,章 磁路与变压器,交流铁心线圈, 涡流损耗,涡流损耗会引起铁心发热，为减小涡流损耗，常用的方法有两种：,a.,铁心采用彼此绝缘的硅钢片叠成,，如图所示。,b.,采用电阻率高的铁心,，例如硅钢、铁氧体等。,第3,章 磁路与变压器,交流铁心线圈,思考,1.,如果交流铁心线圈的铁心由彼此绝缘的硅钢片在垂直于磁场方向叠成，这样做是否可以，为什么？,2.,铁心线圈中通过直流电，是否有铁损，为什么？,第3,章 磁路与变压器,交流铁心线圈,3.4,电磁铁,电磁铁是利用通电流的线圈产生电磁吸力使衔铁运动来工作的，是自动控制系统中广泛应用的一种执行元件。,按,励磁电流,的不同分为直流电磁铁和交流电磁铁两种。,铁心,衔铁,F,F,线圈,F,线圈,衔铁,铁心,衔铁,F,线圈,铁心,电磁铁的几种类型,第3,章 磁路与变压器,电磁铁,一、直流电磁铁,电磁吸力的大小,直流电磁铁线圈的励磁电流仅与所加,电压,和,线圈电阻,有关，与衔铁的运动过程无关，,电磁吸力随气隙的减小而增大。,因为气隙减小，磁路的磁阻减小，由于磁通势不变，所以，磁通增大，磁感应强度亦增大，故电磁力随之增大。,第3,章 磁路与变压器,电磁铁,二、交流电磁铁,设磁感应强度,则,第3,章 磁路与变压器,电磁铁,由电磁吸力的波形可见，吸力在,0与,F,m,之间脉动。衔铁以两倍电源的频率在进行机械振动，发出噪声，同时触点容易损坏。,阻尼环,为了防止振动，可在铁心的部分端面上安装,阻尼环,。,阻尼环一般采用导电性能良好的紫铜材料，受交变磁通的感应，环中产生滞后磁通的感应电流。因此，阻尼环的磁通 与环外铁心部分中的磁通 存在一相位差，使两部分的磁通和吸力不同时为零，使总的吸力总是不为零，从而消除震动和噪声。,第3,章 磁路与变压器,电磁铁,实例,图示为应用电磁铁实现制动机床或起重机电动机的基本结构，其中电动机和制动轮同轴。原理如下：,M,3 ,抱闸,制动轮,弹,簧,电,磁,铁,启动过程：,通,电,电磁铁,动作,拉开,弹簧,抱闸,提起,松开,制动轮,电机,转动,断,电,电磁铁,释放,弹簧,收缩,抱闸,抱紧,抱紧,制动轮,电机,制动,制动过程：,第3,章 磁路与变压器,电磁铁,3.5,变压器,变压器是利用,电磁感应作用,传递交流电能和交流信号，广泛应用于电力系统和电子电路中，具有,变换电压,、,变换电流,和,变换阻抗,三大功能。,变压器分类,按用途,按相数,单相变压器,三相变压器,按制造方式,壳式变压器,心式变压器,电力变压器,(,输配电用,),仪用变压器,整流变压器,第3,章 磁路与变压器,变压器,三相变压器,单相变压器,第3,章 磁路与变压器,变压器,三相自耦变压器,环形变压器,第3,章 磁路与变压器,变压器,三相干式变压器,油浸式变压器,第3,章 磁路与变压器,变压器,一、变压器的构造及图形符号,变压器的符号,变压器的构造,一次,绕组,二次,绕组,铁心,N,1,N,2,电源侧,负载侧,第3,章 磁路与变压器,变压器,二、变压器的工作原理,（1,）变压器的空载运行,根据,KVL,有：,原边：,副边：,很小,很小,第3,章 磁路与变压器,变压器,设铁心内的主磁通为：,，则,根据上面的,KVL,方程，,一次侧电压与二次侧电压之比为,变比,K,1,降压,K,1,升压,第3,章 磁路与变压器,变压器,（2,）变压器的有载运行,根据,KVL,有：,原边：,副边：,很小,忽略,其中：,漏感电动势,漏感抗,第3,章 磁路与变压器,变压器,同样，设铁心内的主磁通为：,，则,根据上面的,KVL,方程，,一次侧电压与二次侧电压之比为,思考,变压器在空载运行和负载运行两种情况下，铁心中的磁通分别由什么产生？,第3,章 磁路与变压器,变压器,三、变压器的三大功能,1.,电压变换,2.,电流变换,磁动势平衡方程,根据变压器的工作原理，有,（负载运行时）,（空载运行时）,根据变压器的工作原理，有,变(压),比,变流比,第3,章 磁路与变压器,变压器,3.,阻抗变换,可见，变压器具有阻抗变换作用。,第3,章 磁路与变压器,变压器,例题,设交流信号源电压,内阻,负载,(1),将负载直接接至信号源，负载获得多大功率？,(2),经变压器进行阻抗匹配，求负载获得的最大功率是多少？,变压器,变比是多少？,+,-,选择变压器合适的匝数比，可把负载阻抗变换为合适的数值，以使其得到最大的功率。这种做法称为,阻抗匹配,。,第3,章 磁路与变压器,变压器,变压器变比为：,2,1,=,N,N,K,(1),负载直接接信号源时，负载获得功率为,解,：,8,2,=,L,R,+,L,R,o,R,U,2,=,=,L,R,I,P,2,=,800+8,100,0.123(W),(2),根据最大功率传输定律，,要负载获得最大功率，,必须使,外接等效负载电阻等于信号源的内阻,，即 负载上获得的最大功率为,3.125(W),800,800,800,100,2,=,+,=,=,=,L,R,2,L,R,I,max,P,2,o,+,L,R,R,U,第3,章 磁路与变压器,变压器,额定,电压,额定电流,额定容量,一次额定电压,U,1N,正常时一次绕组所加电压的有效值。,二次额定电压,U,2N,一次电压为,U,1N,时，变压器空载时对应二次侧的空载电压有效值，即,U,20,=,U,2N,一次额定电流,I,1N,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,I,2N,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：,四、（,1,）变压器的额定值,变压器的额定容量只反映了该变压器的额定输出能力。实际运行时，变压器输出功率的大小与,负载电流,及负载的,功率因数,有关。,注意,第3,章 磁路与变压器,变压器,（2,）变压器的外特性,外特性,：实际变压器由于漏磁通和绕组电阻的存在，,U,2,要随,I,2,的变化而变化，它们的变化关系称为,。,电压变化率,电压变化率反映电压,U,2,的变化程度。 通常希望,U,2,的变动,愈小愈好,，一般变压器的电压变化率约在,5%,左右。,第3,章 磁路与变压器,变压器,五、（,1,）变压器的损耗,（2,）变压器的效率,一次绕组,磁滞损耗,涡流损耗,（,电路中,）,（总损耗）,（,磁路中,）,二次绕组,（可变损耗）,（不变损耗）,变压器的效率为输出功率,P,2,与输入功率,P,1,之比，即：,第3,章 磁路与变压器,变压器,六、变压器绕组的极性与正确连接,三绕组变压器,现有一个负载的的额定电压分别为,15,V，,副边绕组应如何连接才能满足要求？,为了正确联接两个绕组，必须事先判明两个绕组的,同极性端（同名端）,。,某三绕组变压器如图所示。,第3,章 磁路与变压器,变压器,绕组中产生的感应电动势是交变的，当一个绕组的某一端瞬时电位为正时，另一绕组中瞬时电位为正的对应端称为,同极性端（同名端）,。,判断同名极性端，可分为两种情况,（1,）已知绕向的绕组的极性判断,同极性端（同名端）,：,（,a）,相同绕向,（,b）,相反绕向,若某负载额定电压为,3,V，,问上面两种情况下副边绕组,分别应如何连接？,思考,第3,章 磁路与变压器,变压器,将开关,S,闭合，如果,S,闭合瞬间电流表的指针正向偏转，则,1和3,是同极性端；如果电流表指针反向偏转，则,1和3,是异极性端。,（2,）未知绕向绕组的极性判断,若变压器外引出线上没有注明极性，就要用实验的方法测定绕组的极性。下面介绍常用的,直流测定法,。,测定方法：,第3,章 磁路与变压器,变压器,对于多绕组的单相变压器，如果需要将两个或两个以上绕组串联或并联使用时，必须注意它们的极性，以及各绕组的额定电流（串联）或额定电压（并联）。,注意,第3,章 磁路与变压器,变压器,六、其他变压器,(1).,三相变压器,油浸式三相变压器外形结构,三相变压器原理图,第3,章 磁路与变压器,变压器,下面是三相变压器绕组的三种连接方式,(,a) Y,0,连接,(,b) YY,0,连接,其中：,分子表示高压绕组的连接方式，分母表示低压绕组的连接方式。,(,c) Y,连接,第3,章 磁路与变压器,变压器,(2).,自耦变压器,三相自耦变压器外形图,（自耦）调压器外形图,（一种可调式自耦变压器）,第3,章 磁路与变压器,变压器,自耦变压器原理图,自耦变压器一次、二次绕组间不仅有磁的耦合，而且有电的连接。,一次、二次绕组的电压和电流关系：,第3,章 磁路与变压器,变压器,(3).,电压互感器,电压互感器实物图,电压互感器原理图,使用时，电压互感器的二次侧必须接地，且不能短路。,注意,第3,章 磁路与变压器,变压器,(4).,电流互感器,电流互感器实物图,电流互感器原理图,在使用电流互感器时，二次绕组不允许开路，这与普通变压器不同。,注意,第3,章 磁路与变压器,变压器,钳行表,它是一个与电流表配装在一起的、磁路可以开合的电流互感器。,适用于流动作业以及要求不断开被测电路而进行电流测量的场所。,第3,章 磁路与变压器,变压器,