電工電子技術(shù)第3章磁路與變壓器課件

1、 第二部分 電 機 與 控 制工程實用技術(shù)變壓器 電動機 繼電接觸器控制工作原理 電磁感應(yīng)定律和電磁力定律組成 電路與磁路第三章 磁路與變壓器磁性材料的磁性質(zhì)磁路的歐姆定律交流鐵心線圈電路變壓器的工作原理自耦變壓器變壓器的使用 額定值主要內(nèi)容主要內(nèi)容3-1 磁性材料的磁性質(zhì)一.磁場的基本物理量磁路 限定在一定空間范圍內(nèi)的磁場磁場存在的一種特殊形式I磁場線 表示磁場的分布情況磁場的方向和強弱的單位 韋伯(Wb)通過與磁場線方向垂直的截面內(nèi)磁場線的總數(shù)磁通磁通磁感應(yīng)強度B表示磁場內(nèi)某點磁場方向和強弱的物理量磁感應(yīng)強度B磁通密度單位 特斯拉 (T)在均勻磁場內(nèi)矢量 方向與B同磁場強度HHI1I3I2

2、dl全電流定律磁場強度矢量沿任意閉合路徑的線積分只與產(chǎn)生它的電流有關(guān),而與磁場中的介質(zhì)無關(guān)磁場強度H的單位 安培每米(Am)磁導(dǎo)率表示介質(zhì)導(dǎo)磁能力的物理量B=H磁導(dǎo)率的單位 亨利每米(Hm)介質(zhì)的越大,導(dǎo)磁能力越強真空的磁導(dǎo)率相對磁導(dǎo)率二.磁性材料的磁性質(zhì)非磁性材料 在外界磁場的作用下,基本上不表現(xiàn)出磁性,不產(chǎn)生附加磁場,磁導(dǎo)率0 ,相對磁導(dǎo)率r 1磁性材料在外界磁場的作用下,被強烈磁化,產(chǎn)生附加磁場,并大大加強外磁場磁感應(yīng)強度B與磁場強度H之間B0HHB0具有線性正比關(guān)系外磁場磁疇常用的磁性材料鐵、鎳、鈷及其合金(一)高導(dǎo)磁性磁導(dǎo)率0 相對磁導(dǎo)率r 1小電流產(chǎn)生強磁場(磁感應(yīng)強度B=H足夠大

3、)磁性材料的磁性質(zhì)（二）磁飽和性非線性關(guān)系磁化曲線B()- H(I)曲線B()H(I)0acbd飽和段cd0a段 起始段ab段 BH有近似線性正比關(guān)系bc段 BH增加上升緩慢- H(I)關(guān)系曲線飽和段急劇減小(三)磁滯性交流電流i勵磁0HCHm-Hm-HCBr-BrBH磁滯回線基本磁化曲線i勵磁線圈環(huán)形鐵心磁滯損耗3-2 磁路和磁路的歐姆定律一.磁路磁場線集中通過的路徑電氣設(shè)備中的導(dǎo)磁路徑小電流產(chǎn)生強磁場磁路舉例 p119圖3-2-1 小段空氣隙也是磁路的組成部分二.磁路的歐姆定律揭示了磁路中磁通與勵磁電流I之間的關(guān)系環(huán)形鐵心磁路 勵磁電流IIr磁場線沿鐵心呈同心圓狀分布磁場強度環(huán)形鐵心內(nèi)某點

4、磁場強度只與勵磁電流I和線圈匝數(shù)N、與該點位置有關(guān)，而與磁介質(zhì)（ ）無關(guān)磁感應(yīng)強度磁通全電流定律環(huán)形磁路平均長度N勵磁線圈匝數(shù)磁通磁通或磁通勢F=NI 產(chǎn)生磁場的激勵取磁阻磁路的歐姆定律3-3 交流鐵心線圈電路i-+ue直流磁路交流磁路磁路直流磁路 直流電流勵磁磁通恒定不變,不在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢線圈內(nèi)電流、電壓關(guān)系與一般直流電路相同交流磁路 交流電流i勵磁，磁通變化，在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e。勵磁線圈與磁路結(jié)合在一起，不可分割交流鐵心線圈電路一.各電磁量之間的關(guān)系 注意正方向交流電壓u勵磁電流i磁通勢Ni主磁通i-+ue感應(yīng)電動勢二.主磁通與感應(yīng)電動勢感應(yīng)電動勢外加電壓u是正弦電壓,主磁通

5、按正弦規(guī)律變化主磁通=m sint感應(yīng)電動勢感應(yīng)電動勢的有效值上式是分析變壓器、交流電動機中電壓、電流有效值U、I和主磁通最大值m關(guān)系的重要依據(jù)i-+ue三.電壓平衡方程略去漏磁通(極小)和導(dǎo)線電阻(極小)的影響KVL u -e相量表示式有效值UE= 4.44fNm恒磁通原理電源電壓有效值U和頻率f保持不變,線圈的匝數(shù)N不變,主磁通的最大值m就基本不變i減小渦流損耗鐵心用薄硅鋼片疊成(二)磁滯損耗磁滯損耗的大小正比于磁滯回線包圍的面積用硅鋼片疊成的鐵心磁滯回線四.渦流損耗和磁滯損耗鐵損 渦流損耗和磁滯損耗銅損(一)渦流損耗i渦流渦流和渦流損耗所包圍的面積小,磁滯損耗小3-4 變壓器的工作原理變

6、壓器的主要功能是能夠把某一電壓數(shù)值的交流電變換為同頻率的另一電壓數(shù)值的交流電-變電壓主要用于輸電、配電系統(tǒng)除此之外，變壓器還具有變電流、變阻抗的作用，用于電工測量和電子技術(shù)領(lǐng)域一.變壓器的基本結(jié)構(gòu) p124鐵心 磁路用硅鋼片交錯疊裝或卷繞而成線圈（繞組） 繞在鐵心上的兩個（或以上）線圈心式變壓器殼式變壓器交流電源負(fù)載凡表示二次繞組各量的字母均標(biāo)注下標(biāo)“2”如二次繞組電壓（有效值）U2二次繞組電流（有效值）I2二次繞組匝數(shù)N2凡表示一次繞組各量的字母均標(biāo)注下標(biāo)“1”如一次繞組電壓（有效值）U1一次繞組電流（有效值）I1一次繞組匝數(shù)N1圖形符號U2U1二次繞組（副方繞組、次級繞組）外接負(fù)載一次繞組

7、（原方繞組、初級繞組）外接交流電源二.變壓器的工作原理以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ),通過磁路(磁場)將兩個(或以上)的繞組耦合起來,進(jìn)行交流電能的傳送與轉(zhuǎn)換-+i0-+-+-+u1e2u20i2=0ZLe1(一)空載運行狀態(tài)-變電壓作用一次繞組外加額定電壓,二次繞組開路,i2 = 0一次繞組-空載電流,用i0表示此時的變壓器就相當(dāng)于是一個交流鐵心線圈升壓變壓器 U1 U2降壓變壓器 U1 U2u1i0N1i0主磁通-+i0-+-+-+u1e2u20i2=0ZLe1電磁量之間的關(guān)系一次繞組 u1 -e1E1=4.44fN1mU1E1=4.44fN1m二次繞組 E2=4.44fN2m一次繞組 U1E1=4

8、.44fN1m二次繞組 E2=4.44fN2m空載狀態(tài)u20 e2U20E2=4.44fN2m變電壓作用-+i0-+-+-+u1e2u20i2=0ZLe1變比 K電源電壓U1固定,改變一、二次繞組的匝數(shù)N1和N2 ，即可得到不同數(shù)值的二次繞組電壓U2，實現(xiàn)變換電壓的目的變壓器銘牌上的額定電壓 用分?jǐn)?shù)表示的一、二次繞組的電壓數(shù)值U1N和U2N 。其中U2N即為一次繞組加入額定電壓U1N后，二次繞組的空載（開路）電壓例如6000400V （K=15）變壓器在負(fù)載狀態(tài)下運行，且達(dá)到滿載時，二次繞組的電壓U2較U2N通常降低（35）%（二）負(fù)載運行狀態(tài)-變電流作用u1ZL-+-+e1i1i2e2-+u

9、2-+ 二次繞組接入負(fù)載,產(chǎn)生二次繞組電流i2,向負(fù)載輸出電功率 空載電流i0的作用只是產(chǎn)生主磁通，又稱勵磁電流，數(shù)值很小，只占額定電流的百分之幾1.變壓器的變電流作用此時，一次繞組電流必定增加，由空載電流i0增加為i1 負(fù)載運行時，主磁通由一、二次繞組的磁通勢N1i1和N2i2共同作用產(chǎn)生 (N1i1+ N2i2 ) u1ZL-+-+e1i1i2e2-+u2-+根據(jù)公式（3-13）U1E1=4.44fN1m當(dāng)U1、 f、 N1固定不變時，m也將固定不變由于空載運行和負(fù)載運行時主磁通基本不變，所以產(chǎn)生它們的激勵N1i0和（ N1i1+ N2i2）應(yīng)該近似相等N1i1+ N2i2 N1i0N1i

10、1+ N2i2 N1i0相量表示式磁通式平衡方程變換可得瞬時值表示式負(fù)載運行時一次繞組電流 由兩部分組成勵磁分量與負(fù)載電流成正比,但相位相反數(shù)值很小,可以近似略去負(fù)載分量有效值表示式或變電流作用 在額定工作狀態(tài)下,一、二次繞組額定電流之比等于其變比K的倒數(shù)2.變壓器的外特性和電壓調(diào)整率外特性U2=f(I2)條件 保持電源電壓U1、負(fù)載的功率因數(shù)2=cos2不變U2I2U20I2N0U2感性負(fù)載的外特性U%表示供電電壓的穩(wěn)定性一般電力變壓器的U%在3% 5%之間電壓調(diào)整率 變壓器從空載（I2=0）到額定工作狀態(tài)（I2N），二次繞組電壓變化量與空載電壓U20之比U2I2U20I2N0U2等效負(fù)載阻

11、抗（三）變壓器的變換阻抗作用ZL-+-+-U1 E1=4.44fN1mU2 E2=4.44fN2m負(fù)載阻抗一次側(cè)等效負(fù)載阻抗變換化簡公式(3-19)ZL-+-+-阻抗匹配 在電子電路中,為了使負(fù)載得到最大功率 輸出,要求負(fù)載的阻抗與信號源的阻抗之間滿足確定的要求以下詳見例題3-3 p130變壓器變換阻抗作用的應(yīng)用 阻抗匹配3-5 變壓器的額定值一.額定電壓U1N和U2N二.額定電流I1N和I2N三.額定容量SNSN =U2NI2N二次繞組的額定視在功率單位 VA或K VA四.額定頻率 fN例題3-1 自學(xué)例題3-2 p129解(1)一次繞組的額定電流二次繞組的額定電流(2)每盞日光燈的電流變壓器滿載時可接入的日光燈數(shù)盞例題3-3信號源RL+-R0(1)揚聲器直接與信號源連接負(fù)載獲得的功率(2)負(fù)載獲得最大功率的條件R0利用變壓器的變換阻抗作用+-信號源RL代入數(shù)據(jù)變壓器一次繞組的電流負(fù)載得到的功率實現(xiàn)阻抗匹配3-8 特殊用途的變壓器一.自耦變壓器特點 輸出電壓可以根據(jù)需要連續(xù)、均