電工學 第六章 鐵心線圈與變壓器

1、學習內容學習內容n 交流、直流鐵心線圈交流、直流鐵心線圈n 變壓器變壓器1第六章第六章 鐵心線圈和變壓器鐵心線圈和變壓器由磁性材料組成的、使磁感線集中通過的路徑稱由磁性材料組成的、使磁感線集中通過的路徑稱為磁路。為磁路。 磁性材料也稱鐵磁物質，以鐵、鈷、鎳為代表，磁性材料也稱鐵磁物質，以鐵、鈷、鎳為代表，或是他們的合金?；蚴撬麄兊暮辖?。 由鐵磁材料制作成一定形狀的鐵心，鐵心的磁由鐵磁材料制作成一定形狀的鐵心，鐵心的磁導率比周圍空氣導率比周圍空氣 或其他物質磁導率高得多，磁感或其他物質磁導率高得多，磁感線大部分匯聚于鐵心中。線大部分匯聚于鐵心中。 26.1 交流、直流鐵心線圈交流、直流鐵心線圈

2、磁性物質的分類：磁性物質的分類： 硬磁物質、軟磁物質、矩磁物質硬磁物質、軟磁物質、矩磁物質。 鐵磁物質的磁化曲線是磁感應強度鐵磁物質的磁化曲線是磁感應強度B與磁場強度與磁場強度H之間的關系曲線。之間的關系曲線。 36.1 交流、直流鐵心線圈交流、直流鐵心線圈 鑄鐵和鑄鐵和硅鋼的磁硅鋼的磁化曲線化曲線 H H 與與 B B 的區(qū)別：的區(qū)別： (1)(1) H H I I，與介質的性質無關。單位：，與介質的性質無關。單位：A / mA / m(2)(2) B B 與電流的大小和介質的性質均有關。與電流的大小和介質的性質均有關。 單位：特斯拉（單位：特斯拉（T T）。）。 磁感應強度磁感應強度B描述

3、描述磁場磁場強弱和方向的強弱和方向的物理量物理量，是，是矢量矢量，常用符，常用符號號B B表示。磁感應強度也被稱為表示。磁感應強度也被稱為磁通量磁通量密度或密度或磁通磁通密度密度。 磁場強度磁場強度H單位正電荷在磁場中所受的力被稱為磁場強度單位正電荷在磁場中所受的力被稱為磁場強度46.1 交流、直流鐵心線圈交流、直流鐵心線圈 非鐵磁材料的磁導率接近此值，而且不變。非鐵磁材料的磁導率接近此值，而且不變。 而鐵磁材料的磁導率則遠大于此值，而且可變。而鐵磁材料的磁導率則遠大于此值，而且可變。 磁導率磁導率 是用來表示媒質導磁能力的物理量。是用來表示媒質導磁能力的物理量。 BH = （H / m） 真

4、空中的磁導率：真空中的磁導率： 0 = 4 107 H / m 56.1 交流、直流鐵心線圈交流、直流鐵心線圈 i 0 ， r 1 常用磁性材料的磁導率常用磁性材料的磁導率 鑄鋼：鑄鋼： 1 000 0 硅鋼片：硅鋼片： (6 000 7 000) 0 坡莫合金：坡莫合金： (20 000 200 000) 0 磁性物質的高導磁性磁性物質的高導磁性 被廣泛應用于變壓器被廣泛應用于變壓器 和電機中。和電機中。u主磁通主磁通 漏磁通漏磁通 鐵心鐵心 勵磁繞組勵磁繞組 主磁通主磁通 漏磁通。漏磁通。 66.1 交流、直流鐵心線圈交流、直流鐵心線圈B HO 初始磁化曲線初始磁化曲線 剩磁剩磁 矯頑矯頑

5、 磁力磁力 HmHm Hc Hc B HOBrBr 磁滯回線磁滯回線BHO 基本磁基本磁 化曲線化曲線 76.1 交流、直流鐵心線圈交流、直流鐵心線圈lH d IlH d86.1 交流、直流鐵心線圈交流、直流鐵心線圈lINH 或或96.1 交流、直流鐵心線圈交流、直流鐵心線圈x xHdlH lNII NIHx l IlH d106.1 交流、直流鐵心線圈交流、直流鐵心線圈xxlNIH 116.1 交流、直流鐵心線圈交流、直流鐵心線圈lSlHlNI B IlH d126.1 交流、直流鐵心線圈交流、直流鐵心線圈mRF SlNI mRF 136.1 交流、直流鐵心線圈交流、直流鐵心線圈SlR mS

6、lNIRF mSlR SlEREI 146.1 交流、直流鐵心線圈交流、直流鐵心線圈156.1 交流、直流鐵心線圈交流、直流鐵心線圈 磁路中的空氣隙磁路中的空氣隙因為磁路中鐵心磁導率因為磁路中鐵心磁導率遠大于空氣磁導率，即：遠大于空氣磁導率，即： 1 1 0 0 ，所以空氣中的所以空氣中的磁阻磁阻 R Rm0m0 鐵心的磁阻鐵心的磁阻R Rm1m1。當當F F 一定時，一定時， 因空氣隙因空氣隙的磁阻的磁阻 R Rm0 m0 的存在，使的存在，使 大大減小。大大減小。 若要保持若要保持 一定，則需一定，則需增大磁通勢增大磁通勢 F F 。166.1 交流、直流鐵心線圈交流、直流鐵心線圈 U S

7、 N N SIF U I N I URI =(1) 電壓與電流的關系電壓與電流的關系 (2) 線圈的功率：線圈的功率： P = R I 2 銜鐵吸合后銜鐵吸合后磁阻磁阻 I 不變不變 B 0mINRR 176.1 交流、直流鐵心線圈交流、直流鐵心線圈 u i Ni e d dt=N d dte =N didt=L (1) 電壓與電流關系電壓與電流關系設設 = m sin t則則 e =N m cos t = N m sin( t90o) Em = N m = 2 f N m u i f e 186.1 交流、直流鐵心線圈交流、直流鐵心線圈E = 4.44 f N m 漏磁通磁路對應的電感漏磁通

8、磁路對應的電感 N iL = 漏感抗（漏電抗）漏感抗（漏電抗） X =L = 2 f L U = URE E =Ej L IRI =E(Rj L ) I =EZ I 漏阻抗漏阻抗 E =j4.44 f Nm u i e 196.1 交流、直流鐵心線圈交流、直流鐵心線圈U =E 忽略漏阻抗，有忽略漏阻抗，有U4.44 f N m= 則則 當當 U 、f 一定時，一定時， m 基本不變?；静蛔?。 (2) 功率功率視在功率視在功率: S = U I無功功率無功功率: Q = S sin 有功功率有功功率: P = S cos = PCuPFe 銅損耗銅損耗 鐵損耗鐵損耗= RI2 +( PhPe

9、)磁滯損耗磁滯損耗 渦流損耗渦流損耗 206.1 交流、直流鐵心線圈交流、直流鐵心線圈 磁滯損耗磁滯損耗 Ph 渦流損耗渦流損耗 Pe 鐵損耗使鐵心發(fā)熱。鐵損耗使鐵心發(fā)熱。 減小鐵損耗的方法減小鐵損耗的方法 使用軟磁材料減小使用軟磁材料減小Ph ； 增大鐵心的電阻率，增大鐵心的電阻率， 減小渦流及其損耗減小渦流及其損耗 ；用很薄的硅鋼片疊成鐵心，用很薄的硅鋼片疊成鐵心， 減小渦流及其損耗減小渦流及其損耗 。(a) (b) 216.1 交流、直流鐵心線圈交流、直流鐵心線圈 變壓器是一種常見的電氣設備，在電力系統(tǒng)和電變壓器是一種常見的電氣設備，在電力系統(tǒng)和電子線路中應用廣泛。子線路中應用廣泛。變電

10、壓：變電壓：電力系統(tǒng)電力系統(tǒng) 變阻抗：變阻抗：電子線路中的阻抗匹配電子線路中的阻抗匹配變電流：變電流：電流互感器電流互感器 ： 在能量傳輸過程中，當輸送功率在能量傳輸過程中，當輸送功率P =UI cos 及及負載功率因數(shù)負載功率因數(shù)cos 一定時：一定時：電能損耗小電能損耗小節(jié)省金屬材料（經濟）節(jié)省金屬材料（經濟）U I P = I RlI S226.2 變壓器變壓器 發(fā)電廠發(fā)電廠10.5kV輸電線輸電線220kV升壓升壓儀器儀器36V降壓降壓實驗室實驗室380 / 220V降壓降壓變電站變電站 10kV降壓降壓降壓降壓236.2 變壓器變壓器 1、變壓器的基本結構、變壓器的基本結構 用硅鋼片

11、疊成。用硅鋼片疊成。 一次繞組和二次繞組同心地套在鐵心上。一次繞組和二次繞組同心地套在鐵心上。 油箱、油、儲油柜、絕緣套管、保護設備等。油箱、油、儲油柜、絕緣套管、保護設備等。 一、變壓器的基本結構與工作原理一、變壓器的基本結構與工作原理246.2 變壓器變壓器變壓器的磁路變壓器的磁路1u2uLZ1i2i單相變壓器單相變壓器+由高導磁硅鋼片疊成由高導磁硅鋼片疊成厚厚0.35mm 或或 0.5mm鐵心鐵心一次一次繞組繞組N1二次二次繞組繞組N2鐵心鐵心256.2 變壓器變壓器 u2 e1 e2 u1ZL i2i1 1 2 電磁關系電磁關系 一次繞組一次繞組 二次繞組二次繞組 用圖形符號表示用圖形

12、符號表示 的變壓器電路的變壓器電路 ZL U1I1 I2 U2 E1 E2 2、變壓器的工作原理、變壓器的工作原理266.2 變壓器變壓器= E1Z1I1U2 = ZLI2 E1 =j4.44 f N1 m U1 =E1(R1jX1 ) I1 2. 二次側電壓方程二次側電壓方程 E2 =j4.44 f N2 m = E2Z2I2 U2 = E2(R2jX2 ) I2 U1E1U2E2276.2 變壓器變壓器 規(guī)定規(guī)定 U1 = U1N 時時， U20 = U2N 。 如銘牌上標注：如銘牌上標注： 10000 / 230 V U1N / U2N= N1 N2E1 E2k = I2 = 0I1 =

13、 I010% I1N U2 = U20 = E2U1E1 = = k U1U2 N1N2變壓器空載時變壓器空載時 ： 一般一般 U2N 比滿載時的比滿載時的 電壓高電壓高 5% 10% 。 286.2 變壓器變壓器U1NE1 = 4.44 f N1m U1N4.44 f N1m N1I1N2I2 = N1I0 磁通勢平衡方程：磁通勢平衡方程： I1 = I2 N2N1N1I1N2I2 = 0 忽略忽略 I0： I1I2N2N1= =1k296.2 變壓器變壓器忽略忽略 Z1、Z2 、I0 ，則，則 = U1U2I2I1 = N1N2= k = kU2I2/ kU2I2= k2|Ze | = U

14、1I1|Ze | = k2 | ZL |U1I1I2U2ZLZeU1I1306.2 變壓器變壓器信號源信號源IER0RL+IE1N2U2ILR2N+如圖，交流信號源的電動勢如圖，交流信號源的電動勢 E= 120V，內阻，內阻 R 0=800 ，負載為揚聲器，其等效電阻為負載為揚聲器，其等效電阻為RL=8 。要求要求:（1）當）當RL折算到原邊的等效電阻折算到原邊的等效電阻 時，時， 求變壓器的匝數(shù)比和信號源輸出的功率；（求變壓器的匝數(shù)比和信號源輸出的功率；（2）當）當將負載直接與信號源聯(lián)接時將負載直接與信號源聯(lián)接時,信號源輸出多大功率？信號源輸出多大功率？0RR L316.2 變壓器變壓器：1

15、08800LL21 RRNNK326.2 變壓器變壓器 W548008008001202L2L0.RRREP 信號源信號源IER0RL+0LRR 20212080.176 8008LLEPRRRW （2，為：為：336.2 變壓器變壓器信號源信號源IER0RL+U2 = E2Z2I2 當當 U1 = U1N，cos 2 不變時：不變時： U2 = f ( I2) U2 I2OU2Ncos 2 =1cos 2 = 0.8 (感性感性)cos 2 = 0.8 (容性容性)U = U2NU2 U2N100% 電力變壓器：電力變壓器： U U 5% 電壓調整率電壓調整率 346.2 變壓器變壓器 U1

16、N ，U2N I1N，I2N SN = U2NI2N = U1NI1N P2 = U2I2cos 2 可變損耗可變損耗 (1) 銅損耗銅損耗 PCu = R1I12 + R2I22(2) 鐵損耗鐵損耗 PFe = PhPe P1P2 =100%不變損耗不變損耗 小型電力變壓器小型電力變壓器 = 80% 90% 大型電力變壓器大型電力變壓器 = 98% 99% P = PFePCu 356.2 變壓器變壓器1.繞組的極性與連接繞組的極性與連接 (a) 繞向相同繞向相同 U1 與與 u1 是同極性端是同極性端 (同名端同名端) U1 與與 u2 是異極性端是異極性端 (異名端異名端) U1 U2

17、u1u2 (b) 繞向相反繞向相反 U1 與與 u2 是同極性端是同極性端 (同名端同名端) U1 與與 u1 是異極性端是異極性端 (異名端異名端) U1 U2 u1u2三、變壓器的使用三、變壓器的使用366.2 變壓器變壓器 (a) 繞向相同繞向相同 (b) 繞向相反繞向相反 繞組極性的標注方法繞組極性的標注方法 U1U2u1u2U1U2u2u1376.2 變壓器變壓器110V110V220V (a) 繞組的串聯(lián)繞組的串聯(lián) (b) 繞組的并聯(lián)繞組的并聯(lián) 繞組的正確接法繞組的正確接法 110V110V110V386.2 變壓器變壓器axAaAXUUU、測量：測量： 若若 說明說明 A 與與

18、x 或或 X 與與 a 是是同極性端同極性端.axAXAaUUU axAXAaUUU VaAXxVAXu+2.極性的測定方法極性的測定方法396.2 變壓器變壓器Xx電流表電流表+_A a+SAXax+_S2e+406.2 變壓器變壓器 三相變壓器、單相變壓器。三相變壓器、單相變壓器。 雙繞組變壓器、三繞組變壓器、自耦變壓器。雙繞組變壓器、三繞組變壓器、自耦變壓器。 心式變壓器、殼式變壓器。心式變壓器、殼式變壓器。 干式干式變壓器變壓器、油浸式、油浸式變壓器變壓器。416.2 變壓器變壓器 心式變壓器心式變壓器 鐵心鐵心 繞組繞組 殼式變壓器殼式變壓器 鐵心鐵心 繞組繞組 426.2 變壓器變

19、壓器 S9 型型 10 kV 三相油浸配電變壓器三相油浸配電變壓器 436.2 變壓器變壓器 樹脂澆注干式變壓器樹脂澆注干式變壓器 446.2 變壓器變壓器三相變壓器三相變壓器 U1 U2u1 u2V1 V2v1 v2W1 W2w1 w2 特點：三相之間只有電的聯(lián)系，沒有磁的聯(lián)系。特點：三相之間只有電的聯(lián)系，沒有磁的聯(lián)系。 45U1U2u1u2V1V2v1v2W1W2w1w2 特點：三相之間既有電的聯(lián)系，又有磁的聯(lián)系。特點：三相之間既有電的聯(lián)系，又有磁的聯(lián)系。 46 連接方式連接方式 高壓繞組高壓繞組 低壓繞組低壓繞組 星形有中性線星形有中性線 YN yn 星形無中性線星形無中性線 Y y 三角形三角形 D dGB: Yyn、Yd、YNd、Yy、YNy最常用的三種最常用的三種 47U1 U2= = ku N1 N2 國產互感器：國產互感器： U2N = 100 V(1) 二次繞組禁止短路。二次繞組禁止短路。(2) 二次繞組與鐵心必須接地。二次繞組與鐵心必須接地。 空載運行的降壓變壓器?？蛰d運行的降壓變壓器。 u1 Vu1u2特殊用途的變壓器特殊用途的變壓器486.2 變壓器變壓器 E2 短路運行的升壓變壓器。短路運行的升壓變壓器。 I1 I2 = = ki N2 N1 國產互感器：國產互感器： I2N = 5 A (1) 二次繞組禁止開路。二次繞組禁止開