电工学第六章铁心线圈与变压器

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1、学习内容,交流、直流铁心线圈 变压器,1,第六章 铁心线圈和变压器,一、磁路的概念及磁路基本定律,1. 磁路 由磁性材料组成的、使磁感线集中通过的路径称为磁路。,磁性材料也称铁磁物质，以铁、钴、镍为代表， 或是他们的合金。 由铁磁材料制作成一定形状的铁心，铁心的磁导率比周围空气 或其他物质磁导率高得多，磁感线大部分汇聚于铁心中。,2,6.1 交流、直流铁心线圈,磁性物质的分类： 硬磁物质、软磁物质、矩磁物质。,2. 铁磁物质的磁化曲线 铁磁物质的磁化曲线是磁感应强度B与磁场强度H 之间的关系曲线。,3,6.1 交流、直流铁心线圈,铸铁和硅钢的磁化曲线,H 与 B 的区别： (1) H I，与介

2、质的性质无关。单位：A / m (2) B 与电流的大小和介质的性质均有关。 单位：特斯拉（T）。,磁感应强度B 描述磁场强弱和方向的物理量，是矢量，常用符号B表示。磁感应强度也被称为磁通量密度或磁通密度。,磁场强度H 单位正电荷在磁场中所受的力被称为磁场强度,4,6.1 交流、直流铁心线圈,非铁磁材料的磁导率接近此值，而且不变。,而铁磁材料的磁导率则远大于此值，而且可变。,磁导率 是用来表示媒质导磁能力的物理量。,真空中的磁导率： 0 = 4107 H / m,5,6.1 交流、直流铁心线圈,a. 高导磁性, 0 ，r 1 常用磁性材料的磁导率 铸钢： 1 000 0 硅钢片：(6 000

3、7 000) 0 坡莫合金： (20 000 200 000) 0,磁性物质的高导磁性 被广泛应用于变压器 和电机中。, u ,主磁通,漏磁通,铁心,励磁绕组, 主磁通 漏磁通。,6,6.1 交流、直流铁心线圈,b. 磁饱和性,初始磁化曲线,c. 磁滞性,剩磁,矫顽 磁力,磁滞回线,基本磁 化曲线,7,6.1 交流、直流铁心线圈,式中： 是磁场强度矢量沿任意闭合 线(常取磁通作为闭合回线)的线积分；,I 是穿过闭合回线所围面积的电流的代数和。,3、安培环路定律（全电流定律）,8,6.1 交流、直流铁心线圈,任意选定一个闭合回线的围绕方向，凡是电流方向与闭合回线围绕方向之间符合右螺旋定则的电流作

4、为正，反之为负。,安培环路定律电流正负的规定：,安培环路定律将电流与磁场强度联系起来。,在均匀磁场中 Hl = IN,若磁路中分段为匀强磁场 HKlKIN,9,6.1 交流、直流铁心线圈,例: 环形线圈如图，其中媒质是均匀的， 试计算 线 圈内部中线各点的磁场强度。,解: 取磁通作为闭合回线，以 其 方向作为回线的围绕方向，则有：,10,6.1 交流、直流铁心线圈,线圈匝数与电流的乘积NI ，称为磁通势，用字母 F 表示，则有 F = NI 磁通由磁通势产生，磁通势的单位是安匝。,式中：N 线圈匝数； lx=2x是半径为x的圆周长； Hx 半径x处的磁场强度； NI 为线圈匝数与电流的乘积。,

5、故得：,11,6.1 交流、直流铁心线圈,磁路的欧姆定律是分析磁路的基本定律,环形线圈如图，其中媒质是均 匀的，磁导率 为， 试计算线圈内部 的磁通 。,解：根据安培环路定律，有,设磁路的平均长度为 l，则有,1） 引例,4、磁路欧姆定律,12,6.1 交流、直流铁心线圈,式中：F=NI 为磁通势，由其产生磁通； Rm 称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用； l 为磁路的平均长度； S 为磁路的截面积。,2） 磁路的欧姆定律,若某磁路的磁通为，磁通势为F ，磁阻为Rm，则,即有：,13,6.1 交流、直流铁心线圈,3） 磁路与电路的比较,14,6.1 交流、直流铁心线圈,4） 磁路分析的特点,(

6、1)在处理电路时不涉及电场问题，在处理磁路时离不开磁场的概念；,(2)在处理电路时一般可以不考虑漏电流，在处理磁路时一般都要考虑漏磁通；,(3)磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似。由于 不是常数，其随励磁电流而变，磁路欧姆定律不能直接用来计算，只能用于定性分析；,(4)在电路中，当 E=0时，I=0；但在磁路中，由于有剩磁，当 F=0 时， 不为零；,15,6.1 交流、直流铁心线圈,磁路中的空气隙 因为磁路中铁心磁导率远大于空气磁导率，即：1 0 ，所以空气中的磁阻 Rm0 铁心的磁阻Rm1。 当F 一定时， 因空气隙的磁阻 Rm0 的存在，使 大大减小。 若要保持 一定，则需增大磁

7、通势 F 。,16,6.1 交流、直流铁心线圈,二、直流铁心线圈,U I N I ,(1) 电压与电流的关系,(2) 线圈的功率： P = R I 2 2. 电磁吸力 衔铁吸合后磁阻,1. 直流铁心线圈电路,I 不变, B,线圈中无感应电动势产生,17,6.1 交流、直流铁心线圈,三、交流铁芯线圈,1. 交流铁心线圈电路,u i Ni e,(1) 电压与电流关系 设 = m sin t 则 e =N m cos t = N m sin(t90o) Em = N m = 2 f N m,18,6.1 交流、直流铁心线圈,E = 4.44 f N m,漏磁通磁路对应的电感,漏感抗（漏电抗） X =

8、L,= 2 f L,漏阻抗,19,6.1 交流、直流铁心线圈,忽略漏阻抗，有,则,当 U 、f 一定时， m 基本不变。 (2) 功率 视在功率: S = U I 无功功率: Q = S sin 有功功率: P = S cos = PCuPFe,铜损耗,铁损耗,= RI2 +( PhPe ),磁滞损耗,涡流损耗,20,6.1 交流、直流铁心线圈,磁滞损耗 Ph,涡流损耗 Pe,铁损耗使铁心发热。 减小铁损耗的方法 使用软磁材料减小Ph ； 增大铁心的电阻率， 减小涡流及其损耗 ； 用很薄的硅钢片叠成铁心， 减小涡流及其损耗 。,21,6.1 交流、直流铁心线圈,变压器是一种常见的电气设备，在电

9、力系统和电子线路中应用广泛。,变压器的主要功能有：,在能量传输过程中，当输送功率P =UI cos 及负载功率因数cos 一定时：,电能损耗小,节省金属材料（经济）,U I,P = I Rl,I S,22,6.2 变压器,电力工业中常采用高压输电低压配电，实现节能并保证用电安全。具体如下：,23,6.2 变压器,1、变压器的基本结构,a. 铁心 用硅钢片叠成。 b. 绕组（线圈） 一次绕组和二次绕组同心地套在铁心上。 c. 其他 油箱、油、储油柜、绝缘套管、保护设备等。,一、变压器的基本结构与工作原理,24,6.2 变压器,变压器的磁路,变压器的电路,25,6.2 变压器,电磁关系,一次绕组,

10、二次绕组,用图形符号表示 的变压器电路,2、变压器的工作原理,26,6.2 变压器,电压变换,1. 一次侧电压方程,2. 二次侧电压方程,U1E1,U2E2,27,6.2 变压器,规定 U1 = U1N 时， U20 = U2N 。 如铭牌上标注： 10000 / 230 V U1N / U2N,I2 = 0 I1 = I010% I1N U2 = U20 = E2 U1E1,3. 电压比,变压器空载时 ：, 一般 U2N 比满载时的 电压高 5% 10% 。,28,6.2 变压器,电流变换,U1NE1 = 4.44 f N1m,磁通势平衡方程：,忽略 I0：,29,6.2 变压器,阻抗变换,

11、忽略 Z1、Z2 、I0 ，则,= k,|Ze | = k2 | ZL |,30,6.2 变压器,例： 如图，交流信号源的电动势 E= 120V，内阻 R 0=800，负载为扬声器，其等效电阻为RL=8。要求:（1）当RL折算到原边的等效电阻 时， 求变压器的匝数比和信号源输出的功率；（2）当将负载直接与信号源联接时,信号源输出多大功率？,31,6.2 变压器,(1) 变压器的匝数比应为：,解:,32,6.2 变压器,信号源的输出功率：,电子线路中，常利用阻抗匹配实现最大输出功率。,结论：接入变压器以后，输出功率大大提高。,原因：满足了最大功率输出的条件：,（2）将负载直接接到信号源上时，输出

12、功率为：,33,6.2 变压器,当 U1 = U1N，cos2 不变时： U2 = f ( I2), 电力变压器： U 5%,二、 变压器的外特性和效率,电压调整率,（一）外特性,34,6.2 变压器,（二）额定值,1. 额定电压 U1N ，U2N 2. 额定电流 I1N，I2N 3. 额定容量 SN = U2NI2N = U1NI1N 4. 输出功率 P2 = U2I2cos2,可变损耗,(1) 铜损耗 PCu = R1I12 + R2I22 (2) 铁损耗 PFe = PhPe 2. 效率,不变损耗, 小型电力变压器 = 80% 90% 大型电力变压器 = 98% 99%,（三）损耗与效率

13、,1. 变压器的损耗 P = PFePCu,35,6.2 变压器,1.绕组的极性与连接,(a) 绕向相同,U1 与 u1 是同极性端 (同名端) U1 与 u2 是异极性端 (异名端),(b) 绕向相反,U1 与 u2 是同极性端 (同名端) U1 与 u1 是异极性端 (异名端),三、变压器的使用,36,6.2 变压器,(a) 绕向相同,(b) 绕向相反,绕组极性的标注方法,37,6.2 变压器,(a) 绕组的串联,(b) 绕组的并联,绕组的正确接法,38,6.2 变压器,方法一：交流法,把两个线圈的任意两端 (X - x)连接, 然后在 AX 上加一低电压 uAX 。,测量：,若 说明 A

14、 与 x 或 X 与 a 是同极性端.,2.极性的测定方法,39,6.2 变压器,方法二：直流法,如果当 S 闭合时，电流表正偏，则 A-a 为同极性端;如果当 S 闭合时，电流表反偏，则 A-x 为同极性端。,结论：,40,6.2 变压器,1. 按相数分类 三相变压器、单相变压器。 2. 按每相绕组的个数分类 双绕组变压器、三绕组变压器、自耦变压器。 3. 按结构分类 心式变压器、壳式变压器。 3. 按冷却方式分类 干式变压器、油浸式变压器。,四、各种用途的变压器,41,6.2 变压器,心式变压器,壳式变压器,42,6.2 变压器,S9 型 10 kV 三相油浸配电变压器,43,6.2 变压

15、器,树脂浇注干式变压器,44,6.2 变压器,三相变压器,一、三相变压器的种类 1. 三相组式变压器,特点：三相之间只有电的联系，没有磁的联系。,45,三相心式变压器,特点：三相之间既有电的联系，又有磁的联系。,46,连接方式 高压绕组 低压绕组 星形有中性线 YN yn 星形无中性线 Y y 三角形 D d GB: Yyn、Yd、YNd、Yy、YNy,三相绕组的连接方式,最常用的三种,47,一、电压互感器,国产互感器： U2N = 100 V 2. 使用注意 (1) 二次绕组禁止短路。 (2) 二次绕组与铁心必须接地。,1. 工作原理 空载运行的降压变压器。,特殊用途的变压器,48,6.2 变压器, E2,二、电流互感器,1. 工作原理 短路运行的升压变压器。,国产互感器： I2N = 5 A 2. 使用注意 (1) 二次绕组禁止开路。 开路时：I2 = 0，I1 不变, ,(2) 一次绕组工作电压较高时， 二次绕组与铁心必须接地。,1 2 匝,49,6.2 变压器,使用时，改变滑动端的位置，可得到不同的输出电压。实验室中用的调压器就是