磁路与变压器课件

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1、4.1 磁路的基本概念和物理量,第4章 磁路和变压器,4.2 变压器,4.3 特种变压器,学习要点,要求理解磁场的基本物理量、磁性材料的磁性能、交流铁心线圈电路；熟悉变压器的结构组成及其绕组极性测定的方法。掌握变压器的工作原理(包括变压、变流和阻抗变换作用)；了解磁路及其基本定律、电磁铁、特殊变压器等。,4.1 磁路的基本概念和物理量,当绕在铁芯上的线圈通电后，铁芯就会被磁化而形成铁芯磁路，磁路又会影响线圈的电路。因此，电工技术不仅有电路问题，同时也有磁路问题。,磁通,线圈通电后使铁芯磁化，形成铁芯磁路。,通过磁路横截面的磁力线总量称为磁通，用“”来表示。单位是韦伯Wb。,1、磁通,4.1.1

2、 磁路的基本物理量,磁通是标量。其大小反映了某个截面上磁场的强弱，相当于电路中的电流I。,表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。,大小:等于通过垂直于磁场方向单位面积的磁力线数目,方向: 与电流的方向之间符合右手螺旋定则。,单位: 特斯拉(T)，1T = 1Wb/m2,、磁感应强度 B,1T=104Gs,磁导率表示物质的导磁性能，单位是亨/米(H/m)。,3、磁导率,非铁磁物质的磁导率与真空极为接近，铁磁物质的磁导率远大于真空的磁导率。,真空的磁导率,相对磁导率：r=/0。非铁磁物质r近似为1，铁磁物质的 r 远大于1。,、磁场强度,磁场强度也是表征磁场中某点强弱和方向的物理量，用大写字母“H

3、”表示。,磁场强度H的单位 ：安培/米（A/m),磁场强度只与产生磁场的电流有关，而与磁介质的磁导率无关。,1、安培环路定律（全电流定律）,计算电流代数和时，与绕行方向符合右手螺旋定则的电流取正号，反之取负号。,二、 磁场的基本定律,磁场中任何闭合回路磁场强度的线积分,等于通过这个闭合路径内电流的代数和.,安培环路定律将电流与磁场强度联系起来。,若闭合回路上各点的磁场强度相等且其方向与闭合回路的切线方向一致，则安培环路定律可写成：,单位是安（A）。,F=NI 称为磁通势，,磁路 长度L,线圈 匝数N,2、磁路欧姆定律,称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用。,式中：F=NI 为磁通势，由其产生磁通

4、； l 为磁路的平均长度； S 为磁路的截面积。,磁路的欧姆定律。,3、电磁感应定律,. 磁路与电路的比较,通常情况，铁磁材料内部的磁畴排列杂乱无章，其磁性相互抵消，因此对外不显示磁性。,磁畴,1、高导磁性,磁畴在外界磁场的作用下，均发生转向，使得铁磁材料内部形成一个很强的附加磁场。称为磁化,三、 铁磁物质的磁性能,外 磁 场,B,c,b,a,oa段是线性段,ab段是上升段,bc段是磁化曲线的膝部,C点以后是饱和段,起始磁化曲线的ab段反映了铁磁材料的高导磁性；c点以后B不能继续增强。铁磁材料具有磁饱和性。,2、铁磁材料的磁饱和性,、磁滞性,磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B-H关系曲线是一条

5、回形闭合曲线，称为磁滞回线。,磁滞性：磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于 外磁场变化的性质。,磁滞回线,Br,Hc,剩磁感应强度Br (剩磁) ： 当线圈中电流减小到零(H=0)时，铁心中的磁感应强度。,磁导率很高、易磁化、易去磁的显著特点，适用于制作各种电机、电器的铁心。,软磁材料,、铁磁材料的分类和用途,磁导率不太高、但一经磁化能保留很大剩磁且不易去磁，适用于制作各种永久磁体,硬磁材料,磁导率极高、磁化过程中只有正、负两个饱和点，适用于制作各类存储器中记忆元件的磁芯。,矩磁材料,变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛。,变电压：电力系统,变阻抗：电子线路中的阻抗匹配

6、,变电流：电流互感器,变压器的主要功能有：,4.2 变压器,变压器的分类,一、变压器的结构,变压器的磁路,变压器的电路,二、 变压器的工作原理,一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。,(1) 空载运行情况,1. 电磁关系,一次侧接交流电源，二次侧开路。,空载时，铁心中主磁通是由一次绕组磁通势产生的。,(2) 带负载运行情况,1. 电磁关系,一次侧接交流电源，二次侧接负载。,有载时，铁心中主磁通是由一次、二次绕组磁通势共同产生的合成磁通。,2. 电压变换（设加正弦交流电压）,有效值:,同 理：,主磁通按正弦规律变化，设为 则,(1) 一次、二次侧主磁通感应电动势,根据KVL：,变压器一次侧

7、等效电路如图,由于电阻 R1 和感抗 X1 (或漏磁通)较小,其两端的电压也较小,与主磁电动势 E1比较可忽略不计，则,(2) 一次、二次侧电压,式中 R1 为一次侧绕组的电阻; X1=L1 为一次侧绕组的感抗(漏磁感抗，由漏磁产生)。,对二次侧，根据KVL：,结论：改变匝数比，就能改变输出电压。,式中 R2 为二次绕组的电阻; X2=L2 为二次绕组的感抗； 为二次绕组的端电压。,变压器空载时:,式中U20为变压器空载电压。,故有,3、三相电压的变换,1) 三相变压器的结构,高压绕组： A-X B-Y C-Z,X、Y 、Z ：尾端,A、B、C ：首端,低压绕组： a-x b-y c-z,a、

8、b、c：首端,x、y、z：尾端,2) 三相变压器的联结方式,联结方式：,高压绕组接法,低压绕组接法,三相配电变压器,动力供电系统（井下照明）,高压、超高压供电系统,常用接法:,（1）三相变压器Y/Y0联结,线电压之比：,（2）三相变压器Y0/联结,线电压之比：,4、 电流变换,(一次、二次侧电流关系),可见，铁心中主磁通的最大值m在变压器空载和有载时近似保持不变。即有,不论变压器空载还是有载，一次绕组上的阻抗压降均可忽略，故有,由上式，若U1、 f 不变，则 m 基本不变，近于常数。,空载：,有载：,或,结论：一次、二次侧电流与匝数成反比。,磁通势平衡：,空载磁势,有载磁势,空载电流i0很小，

9、可忽略不计。,5、 阻抗变换,由图可知：,结论： 变压器一次侧的等效阻抗模，为二次侧所带负载的阻抗模的K 2 倍。,变压器的阻抗变换常应用于电子电路中。 如, 收音机中扬声器的阻抗一般为几欧或几十欧， 而其功率输出要求负载阻抗为几十欧或几百欧才能使负载获得最大输出功率， 这叫做阻抗匹配。 在功率输出级和负载之间接入一个变压器， 适当选择变比以获得所需的阻抗。,例1: 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: （）当将负载直接与信号源联接时,信号源输出多大功率？ ）经变压器进行阻抗匹配，求负载获得的最大功率是多少？变压器变比是多少

10、？,（）当RL折算到原边的等效电阻：,（）将负载直接接到信号源上时，输出功率为：,变压器的匝数比应为：,负载获得的最大功率输出：,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：,负载获得的最大功率输出：,1. 变压器的外特性,当一次侧电压 U1和负载功率因数 cos2保持不变时，二次侧输出电压 U2和输出电流 I2的关系，U2 = f (I2)。,U20：一次侧加额定电压、二次侧开路时，二次侧的输出电压。,一般供电系统希望要硬特性（随I2的变化，U2 变化不大），电压变化率约在5%左右。,电压变化率：,三、变压器的使用：

11、,2、 变压器的损耗和效率,变压器的损耗：,变压器工作时由于主磁通不变，因此铁损耗也基本维持不变，通常称铁耗为不变损耗；,铜损：,由线圈电阻发热引起，随负载电流变化，称为可变损耗。,铁损PFe包括磁滞损耗和涡流损耗。,3、 变压器的效率(),为减少涡流损耗，铁心一般由导磁钢片叠成。,铜损 (PCu) ：绕组导线电阻的损耗。,涡流损耗：交变磁通在铁心中产生的感 应电流(涡流)造成的损耗。,铁损(PFe )：,变压器的效率为,一般 95% ,负载为额定负载的(5075)%时，最大。,输出功率,输入功率,1） 变压器的型号,4、变压器的铭牌和技术数据,2） 额定值, 额定电压 U1N、U2N 变压器

12、二次侧开路（空载）时，一次、二次侧绕组允许的电压值, 额定电流 I1N、I2N 变压器满载运行时，一次、二次侧绕组允许的电流值。, 额定容量 SN 传送功率的最大能力。,容量 SN 输出功率 P2,一次侧输入功率 P1 输出功率 P2,注意：变压器几个功率的关系（单相）,效率,变压器运行时的功率取决于负载的性质,2) 额定值,自耦变压器,一、 自耦变压器,自耦变压器只用一个绕组，副绕组是原绕组的一部分。原、副绕组之间不仅有磁的耦合，而且还有电的直接联系。,4.3 特种变压器,使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的输出电压。实验室中用的调压器就是根据此原理制作的。注意：一次、二次侧千万不能对调

13、使用，以防变压器损坏。,一、自耦变压器,单相调压器结构原理图,实验室中单相和三相调压器的实物图,优点：变压器的体种小、造价低，而且铜耗和铁耗都小，因而效率较高。,缺点：由于原、副边共用一个绕组，因此当高压侧遭受过电压时，会波及低压侧。,自耦调压器不能当作安全变压器来使用。,1. 与小量程的标准化电表配合测量高电压、大电流；,2. 使测量回路与被测回路隔离，以保障人员和设备的安全；,3.为各类继电保护和控制系统提供控制信号。,二、 仪用互感器,使用仪用互感器的目的,电压互感器产品图,电流互感器产品图,原绕组匝数很多，并联于待测电路两端；副绕组匝数较少，与电压表及电度表、功率表、继电器的电压线圈并

14、联。,1、 电压互感器,实现用低量程的电压表测量高电压,被测电压=电压表读数 N1/N2,二次侧不能短路， 以防产生过流；在高压侧应接入熔断器进行保护 2. 铁心、低压绕组的 一端接地，以防在 绝缘损坏时，在二次侧出现高压。,使用注意事项：,、电压互感器,2、 电流互感器,电流互感器示意图,电流互感器的原绕组匝数少与待测电路串联；副绕组匝数多，与电流表及电度表、功率表、继电器的电流线圈串联。,实现用低量程的电流表测量大电流,被测电流=电流表读数 N2/N1,二次侧不能开路， 以防产生高电压； 2. 铁心、低压绕组的 一端接地，以防在 绝缘损坏时，在二次侧出现过压。,使用注意事项：,、电流互感器

15、,（被测电流）,N1 （匝数少）,N2 （匝数多）,A,R,i1,i2,3、钳 表,钳表的使用(1),钳表的使用(2),钳表的使用(3),例 有一台10000 V/230 V的单相变压器， 其铁心截面积S=120 cm2， 磁感应强度的最大值Bm=1T， 当高压绕组接到f=50 Hz的交流电源上时， 求原、 副绕组的匝数N1、 N2各为多少?,解 铁心中磁通的最大值 m =BmS=112010-4=0.012 Wb 原绕组的匝数应为,副绕组的匝数应为,已知某收音机输出变压器的原边匝数为600，副边匝数为30，原来接有16的扬声器。现因故要改接成4扬声器，问输出变压器的匝数N2应改为多少？,例,解,收音机原阻抗变换系数为：,反射阻抗：,改换成4扬声器后：,