電工電子技術(shù) 電子課件教案- 磁路和變壓器

1、2004年8月主編 磁路概念、變壓器工作原理磁路與變壓器主要授課內(nèi)容第1章第4章 磁路與變壓器4.1 鐵芯線圈、磁路4.2 變壓器的根本結(jié)構(gòu)和工作原理4.3 三相電力變壓器4.4 特殊變壓器第1章4.1 鐵芯線圈、磁路 實際電路中有大量電感元件的線圈中有鐵心。線圈通電后鐵心就構(gòu)成磁路，磁路又影響電路。因此電工技術(shù)不僅有電路問題，同時也有磁路問題。第2頁1. 磁路的根本概念iu交流鐵心線圈示意圖電路局部磁路局部電流通過N匝線圈產(chǎn)生的磁動勢：f = i N f 在鐵芯中激發(fā)按正弦規(guī)律變化，沿鐵芯閉合的工作磁通。 均勻磁場中磁通 等于磁感應(yīng)強度B與垂直于磁場方向的面積S的乘積，單位是韋伯(Wb)。1

2、Wb=108Mx第2頁磁導率 磁導率表示物質(zhì)的導磁性能，單位是亨/米(H/m)。真空的磁導率： 非鐵磁物質(zhì)的磁導率與真空極為接近，鐵磁物質(zhì)的磁導率遠大于真空的磁導率。相對磁導率r ： 物質(zhì)磁導率與真空磁導率的比值。第2頁非磁性物質(zhì)：r1的物質(zhì)，如銅、鋁、橡膠、空 氣、塑料等。鐵磁性物質(zhì)：r1的物質(zhì)，如鐵、鎳、鈷、鋼、 合金鋼、坡莫合金等。鐵磁性物質(zhì)彼此之間的相對磁導率差異很大。如鑄鐵的r200400；鑄鋼的r5002200；硅鋼的r700010000；坡莫合金的r20000200000。 一個磁路中假設(shè)有氣隙存在，那么氣隙磁阻鐵芯磁阻。 物質(zhì)根據(jù)相對磁導率的不同可分為兩大類第2頁磁感應(yīng)強度B和

3、磁場強度H 1. 磁感應(yīng)強度B是表征磁場中某點強弱和方向的物理量。B的大小與磁場周圍介質(zhì)的磁導率有關(guān)； 2. 磁場強度H是表征電流的磁場強弱和方向的物理量。H的大小與磁場周圍介質(zhì)的磁導率無關(guān)。磁路歐姆定律：磁路歐姆定律可以用來定性的分析磁路的情況。第2頁 鐵磁材料內(nèi)部往往有相鄰的幾百個分子電流圈流向一致，因此在這些極小的區(qū)域內(nèi)就形成了一個個天然的磁性區(qū)域磁疇。2. 鐵磁材料的磁性能 鐵磁材料內(nèi)部的磁疇排列雜亂無章，磁性相互抵消，因此對外不顯示磁性。 鐵磁材料之所以具有高導磁性，是因為在它們的內(nèi)部具有一種特殊的物質(zhì)結(jié)構(gòu)磁疇。磁疇是怎么形成的？顯然，磁疇是由分子電流產(chǎn)生的。 磁疇因受外磁場作用而順

4、著外磁場的方向發(fā)生歸順性重新排列，在內(nèi)部形成一個很強的附加磁場。a無外磁場情況b有外磁場情況第2頁磁滯回線中H為零時B并不為零 的現(xiàn)象說明鐵磁材料具有剩磁性。BH0cba起始磁化曲線oa段是線性段ab段是上升段bc段是磁化曲線的膝部C點以后是飽和段起始磁化曲線反映了什么？起始磁化曲線的ab段反映了鐵磁材料的高導磁性；c點以后說明鐵磁材料具有磁飽和性。磁滯回線中B的變化總是落后于H的變化說明鐵磁材料具有磁滯性；鐵磁材料反復磁化一周所構(gòu)成的曲線稱為磁滯回線。起始磁化曲線和磁滯回線第2頁 鐵心線圈中通過交變電流時，H的大小和方向都會改變，鐵心在交變磁場中反復磁化的過程中，B的變化總是滯后于H的變化，

5、這種現(xiàn)象稱為磁滯性；當H減為零時B并不為零。 磁導率可達102104，由鐵磁材料組成的磁路磁阻很小，在線圈中通入較小的電流即可獲得較大的磁通。 B不會隨H的增強而無限增強，H增大到一定值時，B不能繼續(xù)增強。高導磁性磁滯性和剩磁性磁飽和性：鐵磁性材料具有高導磁性、磁飽和性、磁滯性和剩磁性。第2頁 渦流在鐵芯中造成的熱量損耗。 根據(jù)電流的熱效應(yīng)，渦流通過鐵芯將使鐵芯發(fā)熱，嚴重時會造成設(shè)備燒損。 鐵磁材料反復磁化時，內(nèi)部磁疇的極性取向隨著外磁場的交變來回翻轉(zhuǎn)，在翻轉(zhuǎn)的過程中，由于磁疇間相互摩擦而引起的能量損耗稱為磁滯損耗。3. 鐵芯損耗磁滯損耗渦流損耗在交變磁場作用下，整塊鐵芯中產(chǎn)生的旋渦狀感應(yīng)電流

6、稱為渦流。渦流對電氣設(shè)備有何影響？為減小渦流損耗，常用硅鋼片疊壓制成電機電器的鐵芯。第2頁 具有 磁導率極高、磁化后只有正、負兩個飽和狀態(tài)特點的鐵磁材料。矩磁材料適用于制作各類存儲器記憶元件的磁芯。 具有 磁導率不太高、但一經(jīng)磁化、能保存很大的剩磁且不易去磁 特點的鐵磁材料。硬磁材料適用于制作各種人造磁體。 具有 磁導率很高、易磁化、易去磁 特點的鐵磁材料。軟磁材料適用于制作各種電機電器的鐵心。4. 鐵磁材料的分類和用途 鐵磁材料根據(jù)工程上用途的不同可分為三大類軟磁材料硬磁材料矩磁材料 對交流鐵芯而言，當外加電壓有效值及電源頻率不變時，主磁通的最大值m也將根本維持不變。5. 主磁通原理第2頁

7、由主磁通原理可知，發(fā)生機械故障時電源電壓和電源頻率并沒有發(fā)生變化，因此磁路中的主磁通應(yīng)根本維持不變。例： 一個交流電磁鐵，由于機械故障造成通電后不能吸合，結(jié)果把線圈燒壞，試分析原因。分析 根據(jù)磁路歐姆定律： 由式可得：交流電磁鐵由于卡住而不能吸合，空氣隙增大造成磁路中的磁阻大大增加，而主磁通又要維持不變，因此電流 i 將大大增加，結(jié)果使線圈燒損。 鐵損包括磁滯損耗和渦流損耗。鐵損不僅造成能量損耗，還可造成電機、電器的鐵芯發(fā)熱，假設(shè)發(fā)熱嚴重時將造成設(shè)備絕緣的永久性損壞。何謂鐵損？鐵損對電器有何影響？第2頁第2頁4.2 變壓器的根本結(jié)構(gòu)和工作原理TrN1i10u1AXN2|ZL|u20Saxx由硅

8、鋼片疊壓制成的變壓器鐵心磁路。變壓器一次側(cè)繞組原邊變壓器二次側(cè)繞組副邊變壓器圖形符號 變壓器是一種能變換電壓、變換電流、變換阻抗的“靜止電氣設(shè)備。變壓器在傳遞電能的過程中頻率不變。1. 變壓器的根本結(jié)構(gòu)第2頁2變壓器的工作原理1變壓器的空載運行與變換電壓作用N1i10u1AXN2|ZL|u20Saxx 變壓器的一次側(cè)接電源，二次側(cè)開路，這種運行狀態(tài)稱為空載。變壓器空載時原邊電流 i10很小，在鐵心磁路中產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的磁通，當穿過兩線圈時，分別感應(yīng)電壓： 變壓器原、副邊電壓與感應(yīng)電壓的關(guān)系為： 變壓器原、副邊電壓與感應(yīng)電壓的關(guān)系為： 其中k 稱為變壓器的變比。顯然：變壓器通過改變原、副邊的

9、匝數(shù)即可變換電壓。第2頁2變壓器的負載運行與變換電流作用 變壓器的一次側(cè)接電源，二次側(cè)與負載接通，這種運行狀態(tài)稱為負載運行。 變壓器負載運行時由于副邊電流存在的去磁作用，因此原邊電流由 i10增大至i1。原邊磁動勢增加的數(shù)值恰好等于二次側(cè)負載所需要的磁動勢。即： 變壓器在能量傳遞的過程中損耗甚小，因此：因此： 其中1/k 稱為變壓器的變流比。顯然：變壓器在改變電壓的同時也改變了電流，即變壓器還可以變換電流。N1i1u1AXN2|ZL|u2Saxi2第2頁 某收音機輸出變壓器的原邊匝數(shù)為600,副邊匝數(shù)為30,原邊原接有16的揚聲器，現(xiàn)要改接成4 揚聲器，求N2應(yīng)改為多少？3變壓器的變換阻抗作用

10、 變壓器的副邊所接負載為|ZL|，原邊輸入阻抗為Z1時，有：把變壓比和變流比公式代入可得： 變壓器的阻抗變換作用常用于電子電路中。例如：N1i1u1AXN2|ZL|u2Saxi2第2頁第2頁2變壓器的外特性變壓器的外特性就是描述輸出電壓u2隨負載電流 i2變化的關(guān)系，即： u2fi2兩者之間的對應(yīng)關(guān)系可用左圖所示曲線進行描述。u2U2Ni2I2N0cos(-2超前cos2=1cos2滯后2電壓調(diào)整率電壓調(diào)整率反映了變壓器運行時輸出電壓的穩(wěn)定性，是變壓器的主要性能指標之一。 4變壓器的損耗和效率1損耗鐵損耗包括磁滯損耗和渦流損耗。第2頁4.3 三相電力變壓器訊號式溫度計吸濕計儲油柜平安氣道油表氣

11、體繼電器高壓套管低壓套管分接開關(guān)油箱鐵芯繞組放油閥門 變壓器主要由鐵芯和繞組兩大局部構(gòu)成。鐵芯是它的磁路局部，繞組是它的電路局部。第2頁電力變壓器的型號S7-500/10低損耗系列產(chǎn)品額定容量（KVA）高壓繞組額定電壓（KV）變壓器同極性端判別變壓器的額定值額定容量：三相變壓器的總?cè)萘浚篠N=3I2NU2N額定電壓：原、副邊額定值均指線電壓數(shù)值。額定電流：I1N、I2N均指原、副邊線電流值。axAXAX是變壓器的原邊繞組ax是變壓器的副邊繞組Aa是變壓器一對同名端由同一電流感應(yīng)的電動勢，極性始終保持一致的端子為同名端。電流同時由同名端流入或流出時，它們所產(chǎn)生的磁場相互增強，反之相互削弱。判別方

12、法：第2頁用實驗的方法測試同極性端S閉合時：毫伏表指示正值，那么1和3是同極性端，假設(shè)指針反偏，那么1和4是同極性端。S翻開時指針偏轉(zhuǎn)情況相反。先將兩線圈的一對端子相聯(lián)，構(gòu)成串聯(lián)連接。U13=U12U34時，1和3是同極性端； U13=U12U34時，1和4是同極性端。34V12S US34VuS12V第2頁 三相變壓器的聯(lián)接組別較多，為了制造和使用的方便，國家標準規(guī)定，三相雙繞組電力變壓器的標準聯(lián)接組別有五種：Y，yn0；YN，y0；Y，y0；Y，d11；YN，d11。其中大寫字母Y表示高壓繞組為星形聯(lián)接方式，后面加N表示帶有中線；小寫字母y或d，表示低壓繞組聯(lián)接為星形或三角形，星形有中線引

13、出時，后面加字母n0表示指0點。 5. 三相電力變壓器的連接組別副邊繞組abcxyzabcABCXYZCAB原邊繞組Y,d11連接組別電路圖與相量圖第2頁6. 三相電力變壓器的并聯(lián)運行ACBacbNACBacbNACBacbN兩臺變壓器并聯(lián)運行將兩臺或兩臺以上變壓器的原、副繞組分別并聯(lián)到原邊和副邊的公共母線上，共同向負載供電的方式，稱為變壓器的并聯(lián)運行。為了平安可靠地并聯(lián)運行，變壓器組必須滿足以下三個條件：1.并聯(lián)運行的變壓器，其連接組別標號必須相同；2.并聯(lián)運行的變壓器，其變比應(yīng)當相等；3.并聯(lián)運行的變壓器，其短路電壓應(yīng)當相等。其中第1條必須嚴格遵守！第2頁特點：副繞組是原繞組的一局部，原、

14、副壓繞組不但有磁的聯(lián)系，也有電的聯(lián)系。4.4 特殊變壓器1自耦變壓器u1u2自耦變壓器的工作原理和普通雙繞組變壓器一樣，因此變比相同自耦變壓器也稱為自耦調(diào)壓器，它的最大特點就是可以通過轉(zhuǎn)動手柄來獲得原、副邊所需要的各種電壓。u1u2自耦變壓器的電路圖符號第2頁2電焊變壓器電焊變壓器：交流弧焊機實質(zhì)是一種特殊的降壓變壓器，因此也稱為電焊變壓器?？侩娀》烹姷臒崃縼砣诨笚l和金屬以到達焊接金屬的目的。交流電焊機示意圖u1u26080Vi2手柄電抗器變壓器可動鐵心焊鉗2530V工件第2頁電焊變壓器必須滿足以下要求： 3. 為了適應(yīng)不同的焊接要求，要求電焊變壓器的焊接電流能夠在較大的范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，而且

15、工作電流要比較穩(wěn)定。 1. 具有較高的起弧電壓。起弧電壓應(yīng)到達6070V，額定負載時約為30V； 2. 起弧以后，要求電壓能夠迅速下降，同時在短路時如焊條碰到工件上，副邊輸出電壓為零次級電流也不要過大，一般不超過額定值的兩倍。也就是說，電焊變壓器要具有陡降的外特性。第2頁電壓互感器：電壓互感器的原繞組匝數(shù)很多，并聯(lián)于待測電路兩端；副繞組匝數(shù)較少，與電壓表及電度表、功率表、繼電器的電壓線圈并聯(lián)。用于將高電壓變換成低電壓。使用時副繞組不允許短路。L1L2N1N2V 電壓互感器使用時，二次側(cè)并聯(lián)阻抗不得太小，否那么影響測量精度。 電壓互感器二次側(cè)表頭額定值為標準值100V。3儀用互感器第2頁電流互感器：原繞組線徑較粗，匝數(shù)很少，與被測電路負載串聯(lián)；副繞組線徑較細，匝數(shù)很多，與電流表及功率表、電度表、繼電器的電流線圈串聯(lián)。用于將大電流變換為小電流。使用時副繞組電路不允許開路。AN2N1 電流互感器二次側(cè)所接儀表的阻抗不得大于規(guī)定值！ 電流互感器二次側(cè)表頭額定值為標準值5A或1A。第2頁自耦變壓器為什