電工學課件第7章_磁路與變壓器

電工技術（電工學 I） 第七章 磁路與變壓器 江蘇大學 電氣信息工程學院 School of electric and information， UJS 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 7.1 磁路中的基本物理量 7.2 鐵磁材料 7.3 磁路的基本定律 7.4 鐵心線圈 7.5 變壓器 *7.6 電磁鐵 內(nèi) 容 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 交流鐵心線圈的電磁關系 磁路的基本定律 變壓器的工作原理和 功能 變壓器的額定值及損耗和效率 繞組的極性 重 點 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 7.1 磁路中的基本物理量 磁通 磁感應強度 B 磁場強度 H 導磁系數(shù) 磁 路 基本物理量 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 磁 通 垂直穿過某一面積 S 的磁感線的總根數(shù) 單位：韋伯 Wb 磁感應強度 B 磁感應強度是表征磁場中某一點磁場強弱和方向的一個物理量，用矢量 B表示。 通常用垂直于該處單位面積上的磁力線的疏密來反映磁感應強度的大小。 BS 特斯拉 (T) S 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 磁場強度 H 磁場強度用矢量 H表示，方向與磁感應強度 B相同。 H代表電流本身在真空中所產(chǎn)生的磁場的強弱，其大小只與產(chǎn)生該磁場的電流大小成正比，與介質(zhì)的性質(zhì)無關。 BH = 安 /米 (A m) 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 導磁系數(shù) 磁導率 是衡量物質(zhì)導磁能力的物理量 物質(zhì) 導磁性能 70 4 1 0 H / m真空磁導率： 非磁性物質(zhì) 0 磁性物質(zhì) 0 單位：亨利 /米 (H/m) 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 7.2 鐵 磁 材 料 (1) 高導磁性 (2) 磁飽和性 磁性材料主要指鐵、鎳、鈷及其合金等。 通常，磁性材料的磁導率 ，其比值可高達數(shù)百、數(shù)千甚至數(shù)萬，這是由它們的內(nèi)部結構決定的。 0 磁性物質(zhì)的磁化曲線 (即： B-H曲線 )由實驗方法測得，如圖所示。 一、鐵磁材料的特性 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 磁化曲線反映了鐵磁物質(zhì)的磁導率不是常數(shù)。磁飽和現(xiàn)象的存在使得 磁路分析問題成為非線性問題 ，因此，磁路分析要比電路分析復雜得多。 H B O a b c d 圖 初始磁化曲線 (B-H曲線 ) B-H 磁化曲線的特征： Oa段 :B隨 H的增加比較緩慢； ab段 :B與 H幾乎成正比地增加； bc段 :B的增加緩慢下來； cd段 :B隨 H增加很少，達到 磁飽和 。 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 磁化曲線：就是磁感應強度 B與磁場強度 H的關系曲線，是進行磁路計算不可缺乏的資料，它由實驗方法獲得。 幾種常見磁性物質(zhì)的磁化曲線 a 鑄鐵 b 鑄鋼 c 硅鋼 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 下面給出三種常用鐵磁材料的 B-H曲線 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 (3) 磁滯性 B0 cHrBcHrBmHmH H剩磁 矯頑力 磁滯現(xiàn)象 ：當鐵心線圈中通入交流電時，隨著與電流成正比的磁場強度 H的交變，磁感應強度 B將沿著圖示閉合曲線變化。這種磁感應強度的變化滯后于磁場強度的變化的現(xiàn)象稱為 。 磁性物質(zhì)不同，其磁滯回線和磁化曲線也不同。 注 ：圖中箭頭表示反復磁化的過程 磁滯回線 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 二、鐵磁材料的分類 鐵磁材料 軟磁材料 硬磁材料 矩磁材料 特點 易磁化易退磁 較小矯頑力 磁滯回線窄 電機、變壓器、繼電器、電表的鐵心 磁滯回線較寬 較大矯頑力 剩磁很大 永久磁鐵 較小矯頑力 較大剩磁 磁滯回線矩形 穩(wěn)定性好 記憶元件、開關元件 邏輯元件 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 7.3 磁路的基本定律 一、磁路 定義：繞在鐵心上的線圈通以較小的電流（勵磁電流）， 便能得到較強的磁場，磁通的絕大部分通過鐵心構成回路， 這種磁通的路徑稱為 磁路 。 S r H I N匝 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 二、磁路的安培環(huán)路定律 (全電流定律 ) 基本內(nèi)容：磁場中，磁場強度 H沿任意閉合路徑的線積分等于該閉合路徑所包圍電流的代數(shù)和，即 lH d l I 規(guī)定： 當電流的方向與閉合路徑繞向之間符合右螺旋定則時，電流取正號，反之取負號。 （定量） HI1 I2 I3 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 I N匝 S r H 若：某環(huán)形線圈如圖， lH d l 1lH d l 2HrHl NI2)lr( 其中：H l N I故： 1nkkkH l I 磁動勢 磁壓降 此式可理解為： 沿磁路一周，各段磁路磁壓降的代數(shù)和等于與中心環(huán)路交鏈的磁動勢的代數(shù)和。 其中媒質(zhì)是均勻的 , 則根據(jù) 安培環(huán)路定律 若：沿積分路徑可將磁路分成 n段，且每段中磁場強度 H的大小不變，則定律表示為 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 三、磁路的歐姆 定律 N I H l BlSl lS lSNIlSmFR 磁 阻 磁動勢 磁路的歐姆定律 ： （定性） 由勵磁電流在磁路中產(chǎn)生的磁通量，與磁動勢F成正比，與磁路的磁阻成反比。 不是常數(shù) 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 表 磁路和電路的比較 磁路 電路 典型結構 對應的物理量 磁動勢 電動勢 磁壓降 電 壓 磁 通 電 流 磁 阻 電 阻 磁導率 電導率 I N R + _ E I U FHlEU ImR R (待續(xù) ) 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 (續(xù)上頁 ) 磁路 電路 對 應 的 關 系 式 磁阻 電阻 磁路的歐姆定律 電路的歐姆定律 磁路的基爾霍夫定律 電路的基爾霍夫定律 SlRmlRSmFR REI 0 IHl 0I EIR表 磁路和電路的比較 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 磁路計算舉例 一般已知磁通量，求磁動勢，分析步驟如下： 1.計算各段磁路的磁感應強度，磁通是閉合的。 2.計算各段磁場強度，空氣隙根據(jù)公式計算，鐵磁性 物質(zhì)查磁化曲線。 3.計算總磁壓降，即磁動勢。 4.根據(jù) F=IN計算出勵磁電流。 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 例 ： 如圖所示線圈為直流鐵心線圈，其鐵心由鑄鋼制成。 鐵心尺寸為： S1=20cm2， l1=45cm， S2=25cm2， l2=15cm， l3=2cm，空氣隙厚度 =0.1cm。 現(xiàn)要產(chǎn)生 =2.8 10-3Wb的磁通量，若用直流勵磁， 求所需要的磁動勢 F。 解： 第一步：由磁通量求出各段磁路中的磁感應強度 。 31 4212 . 8 1 0 1 . 42 0 1 0WbBTSm 32 4222 . 8 1 0 1 . 1 22 5 1 0WbBTSm 第二步：根據(jù) B1、 B2值，查鑄鋼的磁化曲線，找出對應的磁場強度 H1、 H2，得 H1=2.1 103A/m H2=1.1 103A/m 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 500 701 . 4 1 1 . 1 4 1 0 /4 1 0 /B TH A mHm 空氣隙的磁場強度 H0可計算為 第三步：計算各段的磁壓降 H1l1=2.1 103A/m 0.45m=0.945 103A H2l2=1.1 103A/m 0.15m=0.165 103A 2H2l3=2 1.1 103A/m 0.02m=0.044 103A 2H0=2 11.14 105A/m 0.001m=2.228 103A 第四步：求出總的磁動勢 F=NI=Hl=H1l1+H2l2+2H2l3+2H0 =（ 0.945+0.165+0.044+2.228） 103 =3.382 103A 從上述結果可以看出， 空氣隙盡管很小，但由于空氣的 導磁率很低，磁阻很大，所以這段的磁壓降很大。 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 7.4 鐵 心 線 圈 一、直流鐵心線圈 IUUIR直流鐵心線圈的特點 : （ R 為線圈的電阻） 銜鐵吸合前、后的兩個穩(wěn)定運行狀態(tài) (不考慮銜鐵吸合過程 )，勵磁電流不會發(fā)生變化，即 磁路的改變對直流鐵心線圈的勵磁電流沒有影響 。 注意 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 二、交流鐵心線圈 N()u i N ie dNdtRi1、電磁關系 uee（主磁通） 線圈 鐵心 i （漏磁通） e dNdt dLdt 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 2、伏安關系 根據(jù)基爾霍夫電壓定律，得鐵心線圈電路的電壓方程為： u e e R i 線圈內(nèi)阻 R很小 很小 e則由電磁關系有： 設： s i nm t deNdt c o smNt 2 s i n ( 9 0 )mf N t s i n ( 9 0 )mEt 2 s i n ( 9 0 )Et 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 2mEUE 這是一個重要常用公式，它表明當線圈匝數(shù) N及電源頻率 f一定時，主磁通的大小正比于外加電壓的有效值 U。 根據(jù)上式 ue有： 注意 4 . 4 4 mU f N 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 3、功率損耗 總損耗 銅耗 （鐵耗） 磁滯損耗 渦流損耗 uC h eP P P P eFP（ 1） 銅耗 2RI勵磁線圈的 銅線電阻 上的功率損耗 R 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 （ 2） 鐵耗 交變的磁通在 鐵心中 產(chǎn)生的功率損耗稱為鐵耗，包括 磁滯損耗和渦流損耗 。 磁滯損耗 磁滯損耗是由磁滯現(xiàn)象引起。 hPS（ S為磁滯回線包圍的面積） 為減小磁滯損耗對鐵心發(fā)熱的影響，常選用 磁滯回線狹小的軟磁性材料 硅鋼制造變壓器和交流電機中的鐵心。 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 渦流損耗 i交變 渦流損耗會引起鐵心發(fā)熱，為減小渦流損耗，常用的方法有兩種： a.鐵心采用彼此絕緣的硅鋼片疊成 ，如圖所示。 b.采用電阻率高的鐵心 ，例如硅鋼、鐵氧體等。 Bi交變 e感應 i 感應 （旋渦狀） 渦損BiBi 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 思考 1.如果交流鐵心線圈的鐵心由彼此絕緣的硅鋼片在垂直于磁場方向疊成，這樣做是否可以，為什么？ 2.鐵心線圈中通過直流電，是否有鐵損，為什么？ 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 7.5 變 壓 器 變壓器是利用 電磁感應作用 傳遞交流電能和交流信號，廣泛應用于電力系統(tǒng)和電子電路中，具有 變換電壓 、 變換電流 和 變換阻抗 三大功能。 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 一、變壓器的構造及分類 變壓器的符號 變壓器的構造 一次 繞組 二次 繞組 ()原邊繞組 ()副邊繞組鐵心 (硅鋼片)N1 N2 電源側 負載側 1.變壓器的構造 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 變壓器分類 按用途 按相數(shù) 單相變壓器 三相變壓器 按制造方式 殼式變壓器 心式變壓器 電力變壓器 (輸配電用 ) 儀用變壓器 整流變壓器 2.變壓器的分類 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 三相變壓器 單相變壓器 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 三相自耦變壓器 環(huán)形變壓器 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 三相干式變壓器 油浸式變壓器 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 發(fā)電廠 1.05萬伏 輸電線 22萬伏 升壓 變電站 1萬伏 降壓 變壓器應用舉例 降壓 實驗室 380 / 220伏 降壓 儀器 36伏 降壓 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 二、變壓器的工作原理 （ 1）變壓器的空載運行 11u1e1e2e1N 2N20u0i根據(jù) KVL有： 原邊： 副邊： 11 1 1 0u e e R i 2 0 2ue很小 很小 1e11UE22UE 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 s i nm t 11deNdt設鐵心內(nèi)的主磁通為： ，則 1 c o smNt 114 . 4 4 mE f N 22deNdt2 c o smNt 224 . 4 4 mE f N 根據(jù)上面的 KVL方程， 一次側電壓與二次側電壓之比為 120UU12EE12NN K K1 降壓 K1 升壓 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 （ 2）變壓器的有載運行 1u 11i1e1eLZ22e 2e1N 2N2i2u根據(jù) KVL有： 原邊： 副邊： 1 11 11U E E R I 2 22 22U E E R I 很小 忽略 1E2E11UE22UE其中： ,E j X I XL漏感電動勢 漏感抗 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 s i nm t 11deNdt同樣，設鐵心內(nèi)的主磁通為： ，則 1 c o smNt 114 . 4 4 mE f N 22deNdt2 c o smNt 224 . 4 4 mE f N 根據(jù)上面的 KVL方程， 一次側電壓與二次側電壓之比為 12UU12EE 12NN K思考 變壓器在空載運行和負載運行兩種情況下，鐵心中的磁通分別由什么產(chǎn)生？ 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 三、變壓器的三大功能 1.電壓變換 2.電流變換 磁動勢平衡方程 1 1 2 2N I N I根據(jù)變壓器的工作原理，有 （負載運行時） （空載運行時） 01 1 2 2N I N I2112II NNKI 根據(jù)變壓器的工作原理，有 12UU 120UU10NI12NN K 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 3.阻抗變換 LZ 11UI 22KUIK 2 22UKI 2 LKZ 可見，變壓器具有阻抗變換作用。 1u 1iLZ1N 2N2i2uLZ 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 例題 設交流信號源電壓 內(nèi)阻 負載 1 0 0 ,SUV0 8 0 0 ,R 8LR 。(1) 將負載直接接至信號源，負載獲得多大功率？ (2) 經(jīng)變壓器進行阻抗匹配，求負載獲得的最大功率是多少？ 變壓器 變比是多少？ + - SU1N0RLR2N 選擇變壓器合適的匝數(shù)比，可把負載阻抗變換為合適的數(shù)值，以使其得到最大的功率。這種做法稱為 阻抗匹配 。 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 變壓器變比為： 2 1 N N K LLRR 0LRR 800810(1) 負載直接接信號源時，負載獲得功率為 解 ： 8 2 L R L R o R U 2 L R I P 2 800+8 100 0.123(W) (2)根據(jù)最大功率傳輸定律， 要負載獲得最大功率， 必須使 外接等效負載電阻等于信號源的內(nèi)阻 ，即 負載上獲得的最大功率為 0 ,LRR 3.125(W) 800 800 800 100 2 + L R 2 L R I max P 2 o L R R U 完畢 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 額定 電壓 額定電流 額定容量 一次額定電壓 U1N 正常時一次繞組所加電壓的有效值。 二次額定電壓 U2N 一次電壓為 U1N時，變壓器空載時對應二次側的空載電壓有效值，即 U20= U2N 一次額定電流 I1N 一次繞組加額定電壓，正常工作時一次繞組允許長期通過的最大電流有效值。 二次額定電流 I2N 一次繞組加額定電壓，正常工作時二次繞組允許長期通過的最大電流有效值。 指二次側的輸出額定視在功率， 即： 22 ()N N NS U I V A四、（ 1）變壓器的額定值 變壓器的額定容量只反映了該變壓器的額定輸出能力。實際運行時，變壓器輸出功率的大小與 負載電流 及負載的 功率因數(shù) 有關。 cos注意 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 （ 2）變壓器的外特性 外特性 ：實際變壓器由于漏磁通和繞組電阻的存在， U2要隨 I2的變化而變化，它們的變化關系稱為 。 22U f I2U2I02NI20Uc o s 1 c o s 1 （電感性負載）%10 020220 UUUU 電壓變化率 電壓變化率反映電壓 U2的變化程度 。 通常希望 U2的變動 愈小愈好 ， 一般變壓器的電壓變化率約在 5%左右 。 江蘇大學電工電子教研室 磁路與變壓器 （ 1）變壓器的損耗 （ 2）變壓器的效率 一次繞組 磁滯損耗 渦流損耗 eFP（ 電路中 ） uCP 221 1 2 2I R I R