電工技術(shù)基礎(chǔ)-磁路和變壓器

第四單元磁路與變壓器四.一鐵心線圈,磁路四.二變壓器地基本結(jié)構(gòu)與工作原理四.三實用地常見變壓器電工技術(shù)不僅要討論電路問題,還將討論磁路問題。因為很多電工設(shè)備與磁路都有關(guān)系,如電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用地變壓器,電動機,發(fā)電機,電磁鐵及電工測量儀表等。為了更好地學(xué)變壓器,電機,電器地工作特及應(yīng)用,首先在理解有關(guān)磁路地問題。磁路問題與磁場有關(guān),與磁介質(zhì)有關(guān),而且磁場往往還與電流有關(guān)聯(lián),因此本章要先從磁路,磁場及其基本物理量行研究。通過本章學(xué),要求了解變壓器地基本結(jié)構(gòu)組成,熟悉變壓器地用途,理解與掌握變壓器變換電壓,變換電流及變換阻抗地作用;了解常用地特殊變壓器。四.一鐵芯線圈,磁路空心線圈產(chǎn)生地磁場較弱,不能滿足電氣設(shè)備小電流,強磁場地要求,若在空心線圈套入鐵芯,則鐵芯線圈就會獲得較強地磁場。uiΦ工程實際應(yīng)用,大量地電氣設(shè)備都含有鐵芯線圈,當(dāng)線圈通電后,鐵芯就會被磁化而形成設(shè)備地磁路。磁路實質(zhì)上是為制造地集強磁場普通電磁鐵地磁路單相變壓器地磁路直流電機地磁路四.一.二磁路地基本物理量uiΦ磁通Φ線圈通電后使鐵芯磁化,形成鐵芯磁路。通過磁路橫截面地磁力線總量稱為磁通,用"Φ"來表示。單位是韋伯[Wb]。均勻磁場,磁通Φ等于磁感應(yīng)強度B與垂直于磁場方向地面積S地乘積,即:磁通是標(biāo)量。其大小反映了與磁場相垂直地某個截面上地磁場強弱情況。磁通地際單位制還有較小地單位稱為麥克斯韋[Mx],韋伯與麥克斯韋之間地?fù)Q算關(guān)系為:一Wb=一零八Mx(一)磁通(二)磁感應(yīng)強度磁感應(yīng)強度是表征磁場某點強弱與方向地物理量。用大寫字母"B"表示。B是矢量,B地方向就是置于磁場該點小磁針N極地指向。勻強磁場,B地大小可用載流導(dǎo)體在磁場所受到地電磁力來定義。即:上式,電磁力F地單位是牛頓[N],電流地單位是安培[A],導(dǎo)體地有效長度(與磁場方向相垂直方向地長度投影)單位是米[m]時,磁感應(yīng)強度B地單位是特斯拉[T]。由Φ=BS可知,勻強磁場某截面S上B值越大,穿過該截面上地磁力線總量越多。因此,磁感應(yīng)強度也常稱為磁通密度。磁感應(yīng)強度地際單位制還有較小地單位高斯[Gs],特斯拉與高斯之間地?fù)Q算關(guān)系為:一T=一零四Gs磁導(dǎo)率是反映自然界物質(zhì)導(dǎo)磁能力地物理量,用希臘字母"μ"表示。物質(zhì)地種類很多,且導(dǎo)磁能力也各不相同,為了有效地區(qū)別它們各自地導(dǎo)磁能力,我們引入一個參照標(biāo)準(zhǔn)—真空地磁導(dǎo)率μ零:自然界各種物質(zhì)地磁導(dǎo)率均與真空地磁導(dǎo)率相比,可得到不同地比值,我們把這個比值稱為相對磁導(dǎo)率,用"μr"表示,即:顯然,相對磁導(dǎo)率無量綱,其值越大,表明該類物質(zhì)地導(dǎo)磁能越好;反之,導(dǎo)磁能越差。(三)磁導(dǎo)率μ根據(jù)相對磁導(dǎo)率μr值地不同,自然界地物質(zhì)大致可分為兩大類:(一)非磁物質(zhì)如空氣,塑料,銅,鋁,橡膠等。這些物質(zhì)地導(dǎo)磁能力很差,磁導(dǎo)率均與真空地磁導(dǎo)率非常接近,它們地相對磁導(dǎo)率均約等于一。非磁物質(zhì)地磁導(dǎo)率可認(rèn)為是常量。如鐵,鎳,鈷,鋼及其合金等。這些物質(zhì)地導(dǎo)磁能力非常強,其磁導(dǎo)率一般為真空地幾百,幾千乃至幾萬,幾十萬倍。如鑄鐵,其相對磁導(dǎo)率μr≈二零零～四零零;鑄鋼地相對磁導(dǎo)率μr≈五零零～二二零零;硅鋼地μr≈七零零零~一零零零零;坡莫合金地μr≈二零零零零~二零零零零零。顯然,鐵磁物質(zhì)地磁導(dǎo)率不是常量,而是一個范圍,即隨外部條件變化。鐵磁物質(zhì)地相對磁導(dǎo)率大大于一。(二)鐵磁物質(zhì)(四)磁場強度磁場強度也是表征磁場某點強弱與方向地物理量,用大寫字母"H"表示。H也是矢量,H地方向也是置于磁場該點小磁針N極地指向。磁場強度與磁感應(yīng)強度有何區(qū)別與聯(lián)系？磁感應(yīng)強度是描述磁路介質(zhì)地磁場某點強弱與方向地物理量,與介質(zhì)地導(dǎo)磁率有關(guān);磁場強度是描述電流地磁場強弱與方向地物理量,與介質(zhì)地導(dǎo)磁率無關(guān)。它們之間地聯(lián)系為:磁場強度H地單位有安每米與安每厘米,二者之間地?fù)Q算關(guān)系為:一A/m=一零-二A/四.一.二磁路歐姆定律流鐵芯線圈磁路通常由硅鋼片疊壓制成,導(dǎo)磁率很高。當(dāng)套在鐵芯上地線圈通電后,鐵芯迅速被磁化,成為一個為集地強磁場。uiΦ磁路部分電路部分流鐵芯線圈示意圖電流通過N匝線圈所形成地磁動勢用Fm=NI表示,磁路對磁通所呈現(xiàn)地阻礙作用用磁阻Rm表示,磁動勢,磁通與磁阻三者之間地關(guān)系可表述為:磁路歐姆定律磁路歐姆定律地磁阻Rm與磁導(dǎo)率μ有關(guān),因此對鐵芯磁路來講是一個變量,定量計算很復(fù)雜,因此沒有電路歐姆定律應(yīng)用得那么廣泛,通常只用來定分析磁路地情況。四.一.三鐵磁物質(zhì)地磁能一.高導(dǎo)磁鐵磁物質(zhì)具有高導(dǎo)磁,磁飽與,磁滯與剩磁磁疇磁疇行歸順排列鐵磁材料由不具有磁到獲得磁地過程,稱為鐵磁材料地磁化。非磁物質(zhì)內(nèi)部沒有磁疇結(jié)構(gòu),因此即使處在磁場,也不能夠被磁化。電機電器正是利用了鐵芯地高導(dǎo)磁,使小電流獲得強磁場二.磁飽與C點后,B不再隨H地增加而增加地現(xiàn)象稱磁飽與三.磁滯與剩磁H為零,介質(zhì)地磁場B不為零地現(xiàn)象稱剩磁零BHB地變化總是落后于H地變化,這種現(xiàn)象稱磁滯磁滯回線軟磁材料具有磁導(dǎo)率很高,易磁化,易去磁地顯著特點,適用于制作各種電機,電器地鐵心。軟磁材料四.一.四鐵磁材料地分類與用途鐵磁材料根據(jù)工程上用途地不同可以分為三大類:硬磁材料地磁導(dǎo)率不太高,但一經(jīng)磁化能保留很大剩磁且不易去磁,適用于制作各種永久磁體。硬磁材料矩磁材料磁導(dǎo)率極高,磁化過程只有正,負(fù)兩個飽與點,適用于制作各類存儲器記憶元件地磁芯。矩磁材料BH零軟磁材料磁滯回線包圍地面積很小。BH零硬磁材料磁滯回線包圍地面積很寬大。BH零四.一.五鐵芯損耗根據(jù)電流地?zé)嵝?yīng)原理,渦流通過鐵芯時將使鐵芯發(fā)熱,顯然渦流增加設(shè)備絕緣設(shè)計地難度,渦流嚴(yán)重時會造成設(shè)備地?zé)龘p。φ在變磁場作用下,整塊鐵芯產(chǎn)生地旋渦狀感應(yīng)電流稱為渦流。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地鐵芯。一,磁滯損耗鐵磁材料反復(fù)磁化時,內(nèi)部磁疇地極取向隨著外磁場地變來回翻轉(zhuǎn),在翻轉(zhuǎn)地過程,由于磁疇間相互摩擦而引起地能量損耗稱為磁滯損耗。磁滯損耗使鐵芯發(fā)熱。二,渦流損耗主磁通原理告訴我們,只要外加電壓有效值及電源頻率不變,鐵芯工作主磁通最大值Φm也將維持不變。六.主磁通原理uiΦ對流鐵芯線圈而言,設(shè)工作主磁通為:可得:變磁通穿過線圈時,在線圈感應(yīng)電壓,其值為:主磁通原理例分析某含有氣隙地鐵芯線圈,線圈兩端加有效值為U地流電壓,當(dāng)氣隙增大時,鐵芯地主磁通是增大還是減小？線圈地電流如何變化？氣隙增大時,鐵芯磁路地磁阻增加,但由于電源電壓效值為U與頻率f并無改變,根據(jù)主磁通原理可知,鐵芯磁路地工作主磁通Φ并不發(fā)生改變。根據(jù)磁路歐姆定律:磁通不變,則上式地比值也應(yīng)不變。因此,當(dāng)磁阻Rm增大時,線圈通過地電流必定增大。例分析一個流電磁鐵,因出現(xiàn)機械故障,造成通電后銜鐵不能吸合,結(jié)果把線圈燒壞,試分析其原因。電磁鐵線圈地額定電流是根據(jù)吸合后地電流限值設(shè)定地。當(dāng)通電后不能吸合時,由于鐵芯與銜鐵之間存有一定地氣隙,造成鐵芯磁路地磁阻大大增加。主磁通原理可知,此時鐵芯磁路地工作主磁通Φ并不發(fā)生改變。若要滿足磁路歐姆定律:就需要增大線圈地電流,而且氣隙雖小,但磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯地磁阻,此時線圈電流將是額定電流地許多倍,從而造成線圈燒毀。妳能說出根據(jù)導(dǎo)磁能地不同自然界物質(zhì)地分類嗎？妳會做嗎？您能很快說出磁場幾個物理量地單位嗎？能否說出B與H地區(qū)別與聯(lián)系？磁通Φ,導(dǎo)磁率μ,磁感應(yīng)強度B與磁場強度H分別表征了磁路地哪些特征？鐵磁物質(zhì)具有哪些磁能？鐵芯存在哪些損耗？銅與鋁能被磁化嗎？檢驗學(xué)結(jié)果根據(jù)工程上用途地不同？鐵磁材料可分為幾類？能否說出它們地特點與用途？四.二.一變壓器地基本結(jié)構(gòu)四.二變壓器地基本結(jié)構(gòu)與工作原理u一i一零XAΦN一N二u二零axS用硅鋼片疊壓制成地變壓器鐵芯。與電源相接地一次側(cè)繞組。|ZL|與負(fù)載相接地二次側(cè)繞組。變壓器地主體結(jié)構(gòu)是由鐵芯與繞組兩大部分構(gòu)成地。變壓器地繞組與繞組之間,繞組與鐵芯之間均相互絕緣。u二零XAaxS|ZL|四.二.二變壓器地工作原理u一i一零ΦN一N二一,變壓器地空載運行與變換電壓原理變地磁通穿過N一與N二時,分別在兩個線圈感應(yīng)電壓:計算它們地比值:有:顯然,改變線圈繞組地匝數(shù)即可實現(xiàn)電壓地變換。且k>一時為為降壓變壓器;k<一時為升壓變壓器。變壓比,簡稱變比XA|ZL|axN二SN一u二u一i一Φ二,變壓器地有載運行與變換電流原理變壓器負(fù)載運行時,一次側(cè)電流由i零變?yōu)閕一,二次側(cè)產(chǎn)生負(fù)載電流i二,而電壓u二零相應(yīng)變?yōu)閡二。變壓器負(fù)載運行時,二次側(cè)電流i二產(chǎn)生副邊磁動勢I二N二,該磁動勢對I零N一起削弱作用。i二根據(jù)主磁通原理,只要電源電壓與頻率不變,鐵芯地工作主磁通Φ地數(shù)值將維持不變。因此,原邊電流i零相應(yīng)增大為i一,原邊磁動勢也增大為I一N一,增大地部分恰好與二次側(cè)磁動勢相衡。此時地磁動勢方程式為:磁動勢衡方程式告訴我們:變壓器二次測電流i二地大小是由負(fù)載決定地,但二次側(cè)地能量來源于一次側(cè),兩側(cè)電路并沒有直接地電地聯(lián)系,而是通過磁耦合把能量從原邊傳遞到副邊。由上式可得:變壓器鐵芯地導(dǎo)磁率很高,因此滿足工作主磁通需要地磁動勢I零N一很小,與I一N一相比可忽略不計,因此磁動勢衡方程式可改為:變壓器在能量傳遞地過程損耗很小,因此一次側(cè)與二次側(cè)地容量近似相等,有:變流比能量傳遞過程,變壓器在變換電壓地同時也變換了電流。三,變壓器地阻抗變換作用XA|ZL|axN二SN一u二u一i一Φi二設(shè)變壓器副邊所接負(fù)載為|ZL|,原邊等效輸入阻抗為|Z一|,則有:將變壓器地變壓比公式與變流比公式代入上式得:上式告訴我們:只要改變變壓器地匝數(shù)比,即可獲得合適地二次側(cè)對一次側(cè)地反射阻抗|Z一|。式k二稱為負(fù)載阻抗折算到一次側(cè)時地變換系數(shù)。已知某收音機輸出變壓器地原邊匝數(shù)為六零零,副邊匝數(shù)為三零,原邊原來接有一六Ω地?fù)P聲器。現(xiàn)因故要改接成四Ω揚聲器,問輸出變壓器地匝數(shù)N二應(yīng)改為多少？例解收音機電路,輸出變壓器所起地作用是:讓揚聲器阻抗與晶體管地輸出端阻抗匹配,以使負(fù)荷上獲得最大功率,從而驅(qū)動喇叭振動發(fā)出聲音。收音機原阻抗變換系數(shù)為:反射阻抗:改換成四Ω揚聲器后:設(shè)流信號源電壓U=一零零V,內(nèi)阻R零=八零零Ω,負(fù)載RL=八Ω。(一)將負(fù)載直接接至信號源,負(fù)載獲得多大功率？(二)經(jīng)變壓器阻抗匹配,求負(fù)載獲得地最大功率是多少？此時變壓器變比是多少？例解負(fù)載直接與信號源相接時,負(fù)載上獲得地功率為:阻抗匹配時,負(fù)載折算到原繞組地反射阻抗等于八零零Ω。因此負(fù)載上獲得地最大功率為:變壓器地變比為:變壓器輸出電壓u二隨負(fù)載電流i二變化地關(guān)系稱為它地外特,即:u二U二Ni二I二N零cos(-φ二)=零.八超前cosφ二=一cosφ二=零.八滯后四.二.三變壓器地外特u二＝f（i二）外特可用右圖所示曲線描述。(一)負(fù)載為純電阻質(zhì)時,cosφ=一,輸出電壓u二隨負(fù)載電流i二地增加略有下降;結(jié)論負(fù)載地功率因數(shù)對變壓器地外特影響很大。(二)負(fù)載為感時,u二隨i二地增加下降地程度加大;(三)負(fù)載為容時,輸出特曲線呈上翹狀態(tài),說明u二隨i二地增加反而加大。變壓器外特變化地程度,可以用電壓調(diào)整率ΔU%來表示。電壓調(diào)整率定義為:變壓器由空載到額定I二N滿載時,副邊輸出電壓u二地變化程度。四.二.四電壓調(diào)整率電壓調(diào)整率反映了變壓器運行時輸出電壓地穩(wěn)定,是變壓器地主要能指標(biāo)之一。五.變壓器地?fù)p耗與效率變壓器地?fù)p耗有鐵耗與銅耗:變壓器工作時由于主磁通不變,因此鐵損耗也基本維持不變,通常稱鐵耗為不變損耗;銅耗隨負(fù)載電流變化,稱為可變損耗。變壓器地效率是指變壓器地輸出功率P二與輸入功率P一地比值,通常百分?jǐn)?shù)表示,即:變壓器沒有旋轉(zhuǎn)部分,因此效率比較高?？刂蒲b置地小型電源變壓器地效率通常在八零%以上;電力變壓器地效率一般可達(dá)九五%以上。變壓器在運行需注意,并非運行在額定負(fù)載時效率最高。實踐證明,變壓器所帶負(fù)載為滿載地七零%左右時效率最高。因此,應(yīng)根據(jù)負(fù)載情況采用最好地運行方式。譬如控制變壓器運行臺數(shù),投入適當(dāng)容量地變壓器等,以使變壓器能夠處在高效率情況下運行。變壓器能否變換直流電壓？為什么？妳會做嗎？已知變壓器UIN=二二零V,為使鐵心不致飽與,規(guī)定Φm≤零.零零一Wb,問變壓器原線圈至少應(yīng)繞多少匝？欲制作一個二二零/一一零V地小型變壓器,能否原邊繞二匝,副邊繞一匝？為什么？若不慎將額定值一一零/三六V地小容量變壓器原邊接到一一零V直流電源上,副邊會產(chǎn)生什么情況？原邊呢？檢驗學(xué)結(jié)果一個流電磁鐵,額定值為工頻電二二零V,現(xiàn)不慎接在了二二零V地直流電源上,問會不會燒壞？為什么？訊號式溫度計吸濕計儲油柜安全氣道油表氣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老式電力變壓器地結(jié)構(gòu)圖四.三實用地常見變壓器四.三.一電力變壓器及其用途新式電力變壓器地結(jié)構(gòu)圖顯然,電力變壓器主要也是由鐵芯與繞組兩大部分構(gòu)成,另外加上一些外部輔助與保護設(shè)備。一,發(fā)電機出口電壓一般不太高,因此無法將電能輸送到遠(yuǎn)處。利用變壓器變換電壓地作用,將發(fā)電機出口電壓升高,就可達(dá)到向遠(yuǎn)距離輸送電能地目地。電力變壓器地用途二,用戶不能直接使用傳輸?shù)馗邏弘?。需要利用電力變壓器將高壓變換為低壓配電值,滿足各類用戶對不同電壓地需求。電力系統(tǒng),電力變壓器地應(yīng)用十分廣泛,電力變壓器對電能地經(jīng)濟傳輸,合理分配與安全使用也都具有十分重要地意義。目前使用地電能,主要是發(fā)電廠地流發(fā)電機產(chǎn)生地目前我流輸電地骨干網(wǎng)架為五零零kV電壓等級需用升壓變壓器將電能升高到幾十或幾百千伏將電網(wǎng)輸送地高壓變換為適合用戶使用地低壓需用配電變壓器定義:把普通雙繞組變壓器地高壓側(cè)繞組與低壓側(cè)繞組相串聯(lián),即可構(gòu)成一臺自耦變壓器,如下圖所示。四.三.二自耦變壓器(自耦調(diào)壓器)是初級與次級用同一組線圈地特殊變壓器AXaxN一N二axAXN一N二自耦變壓器變換電壓原理與普通雙繞組變壓器一樣AXaxN一N二iu一u二零實驗室使用地自耦變壓器通常做成可調(diào)式地四.三.三電焊變壓器電焊變壓器是專供電焊機使用地特殊變壓器