第四章磁路与变压器

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1、第四章 磁路与变压器,第一节 铁磁物质及磁路,第二节 交流铁心线圈,第三节 变压器的基本结构及工作原理,第四节 变压器的效率和外特性,#,第五节 变压器的同名端,第六节 三相电力变压器,第七节 特殊变压器,第四章 磁路与变压器,本章介绍的基本物理量、基本定律以及磁性材料的磁性能。在此基础上重点讨论铁心线圈电路和变压器。,第一节 铁磁物质及磁路,电动机、继电器、电磁铁及变压器等电器都是基于电磁耦合的原理工作的，我们已经学过了电路，现在再来研究磁路。,一、铁磁物质,#,4-1,根据物质的导磁性将其分为铁磁物质和非铁磁物质。,铁磁物质的磁化过程详见电工学第71页。,二、磁场的基本物理量,垂直穿过某一

2、面积S 的磁力线的总根数。韦伯wb,穿过单位面积的磁力线根数。特斯拉T wb/m2,磁场中某点的B 与该点的磁导率的比值。,1.磁通,2.磁感应强度B,3.磁场强度H,4.导磁系数,描述导磁能力大小的物理量。通常使用相对导磁系数,无量纲,真空导磁系数,安/米，A/m, A/cm,#,8-1,磁导率,：表征各种材料导磁能力的物理量,H（I）,a,b,c,B,铁磁材料 B-H，-H 曲线,从曲线上能明显看出，不是常数,导磁性,工程上利用它来使,磁通尽量地约束在有限的范围内，提高电磁设备的利用率，一般使用B-H 曲线的ab 段。,磁滞,B的变化滞后于H 的变化 如曲线的oa 段,o,磁饱和,当H 达

3、到一定程度，B 不再随H 而增加，此为磁饱和。如曲线的cs 段。,s,若对铁心线圈而言，磁饱和意为,当电流I 增加到一定程度，不再随之增加。,关于磁滞,祥看请点击,#,三、磁性材料的磁性能,4-1,磁路：主磁通所经过的闭合路径。,磁路的基本概念,线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏磁通。,磁动势,四、磁路的基本定律,安培环路定律,磁路欧姆定律,与电路类似，磁路也有各种定律,安培环路定律,安培环路定律,安培环路定律,安培环路定律,安培环路定律,沿任一闭合路径，H 的线积分等于包围在这闭合路径内各电流的代数和,若磁场均匀则有,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,

4、磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,磁路欧姆定律,无分支磁路,平均长 l,线圈N 匝,I,N,磁通,导磁系 数,截面积S,根据,磁路欧姆定律,磁阻Rm,基尔霍夫定律,#,4-1,了解,四、磁路的基本定律,安培环路定律,磁路欧姆定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律,有分支磁路,I1,N1,I2,N2,1. 磁路的基尔霍夫磁通定律,在节点A 处,A, 1+2 -3=0,2. 磁路的基尔霍夫磁压降定律,任一闭合回路中均有：,或,磁压降的代数和等于

5、磁动势的代数和,#,4-1,安培环路定律（全电流律）：,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.,电流方向和磁场强度的方向符合右手定则，电流取正；否则取负。,在无分支的均匀磁路（磁路的材料和截面积相同，各处的磁场强度相等）中，安培环路定律可写成：,磁路长度L,线圈匝数N,HL：称为磁压降。,总磁动势,在非均匀磁路（磁路的材料或截面积不同，或磁场强度不等）中，总磁动势等于各段磁压降之和。,例：,对于均匀磁路,磁路的欧姆定律：,4-1,几点说明：,磁阻Rm 的大小取决于磁路的尺寸和材料的磁导率。,很大，但不是常数，因此 也不是常数。所以磁 路欧姆定律不能用来进行定量

6、计算，只用做定性分析。 通常磁路计算应用磁路基尔霍夫定律。,磁路和电路有相似之处，但却有本质的区别。,#,磁路和电路的比较（一）,磁路,电路,磁通,I,N,R,+,_,E,I,磁压降,磁动势,U,#,基本定律,磁阻,磁感应强度,安培环路定律,磁 路,I,N,欧姆定律,电阻,电流强度,克氏电压定律,克氏电流定律,磁路与电路的比较 (二),电 路,R,+,_,E,I,#,关于磁滞,当外电场H 值作正负变化使铁磁材料反复磁化过程中， 的变化总是落后于i 的变化。铁磁材料反复磁化后，得到近似对称原点的闭合曲线，叫磁滞回线。,不同的磁性材料，其磁滞回线形状不同,i,软磁材料,硬磁材料,#,第二节 交流铁

7、芯线圈,4-2,第二节 交流铁芯线圈,4-2,一、交流铁心线圈的损耗,P = PCU + Ph + Pe,总损耗,铜损,涡流损耗,铁损,磁滞损耗,铜损PCU,线圈电阻上的损耗,PCU =I 2R,磁滞损耗,其大小与铁心材料反复磁化后的磁滞回线面积成正比,涡流损耗,交变磁通穿过铁心时，铁心既导磁又导电 ，因铁心在交变磁通作用下产生感应电动势， 从而在垂直于磁通方向的铁心平面内产生旋涡状的感应电流，叫涡流。涡流在铁心内电阻上产生的损耗称涡流损耗。,减小涡流损耗的办法,增大涡流通路的电阻即用薄的材料叠成铁心,减小磁滞损耗的办法,铁心尽量采用软磁材料,#,4-2,二、电压平衡方程式,交流铁心线圈,大部

8、分经铁心闭合,产生e,e,主磁通,少部分经空气闭合,产生eL,漏磁通,eL,u,线圈电阻上压降为 iR,根据KVL得：,或,电压平衡方程式,#,#,4-2,二、电压平衡方程式,有效值,或,重要结论,外加电压不变时，交流铁心线圈的铁心内主磁通最大值几乎是不变的。这是分析变压器和交流电动机时的重要概念。,注意,一、变压器的用途、构造和分类,变压器是基于电磁感应原理而制成的静止的电器设备,用途,变电压，变电流，变阻抗,构造,心式和壳式两种,心式变压器,壳式变压器,分类,单相，三相，多相；,升压，降压；,仪用电压、电流互感器；,焊接变压器，自藕变压器。,#,有两个绕组,也有两个绕组,第三节 变压器的基

9、本结构和工作原理,4-3,二、变压器的工作原理,原边绕组N1,名词介绍,幅边绕组N2,一次绕组N1,二次绕组N2,一次侧,二次侧,均指电源侧,均指负载侧,什么是变压器任载运行？,什么是变压器空载运行？,一次侧接电源二次侧负载开路,一次侧接电源 二次侧接负载,4-3,二、变压器的工作原理,变压器空载运行,I0,U1,U20,此时的变压器相当 于交流铁心线圈,变比,空载运行的结论：,原幅边之比等于原幅边匝数之比，等于常数 k,这就是变压器的变电压作用,变压器任载运行,U1,I1,U2,I2,两边绕组中通过的磁通是相同的,4-3,只要U1不变，主磁通就不应该变，所以有：,磁动势平衡方程式,有载时原边

10、磁动势 分为两部分,1. 产生主磁通 （励磁分量）I0,2. 用来补偿I2N2（负载分量I2）, 又称去磁,一般 I0 很小，小型变压器只有2 3%，大的不过10%，,当略去I0N1 后有：,变电流作用,任载运行结论：,变电流作用,任载后，电压比是否还等于变比 k ?,变电压作用,还有一个作用是变阻抗,幅边 Z2,原边Z1,变阻抗作用,或,4-3,二、变压器的工作原理,空载运行结论：,任载运行结论：,变电流作用,变电压作用,变阻抗作用,或,总结,三. 额定值,一般变压器的额定值在其名牌上给出。,额定电压,额定电流,额定容量,额定频率,一次额定电压U1N,正常时一次绕组所加电压的有效值。,二次额

11、定电压U2N,一次电压为U1N时，变压器空载时对应二次侧的空载电压有效值，即U20= U2N,一次额定电流I1N,一次绕组加额定电压，正常工作时一次绕组允许长期通过的最大电流有效值。,二次额定电流I2N,一次绕组加额定电压，正常工作时二次绕组允许长期通过的最大电流有效值。,指二次侧的输出额定视在功率,即：,额定频率50HZ,4-3,注意：变压器几个功率的关系,一、变压器的损耗和效率,4-4,变压器损耗 p 分铁损 pFe 和铜损 pCu,1. 铁损,是交变的主磁通在铁心中产生磁滞损耗ph和涡流损耗pe之和,又称为固定损耗,2. 铜损,又称为可变损耗,变压器一次侧、二次侧均有电阻，当有电流通过时

12、，产生损耗,3. 效率,一次侧输入功率p1 ，二次侧输出功率p2 ，效率为,p = pFe +pCu,小型变压器的效率为7085%，大型变压器效率可达98%,第四节 变压器的效率和特性,2. 外特性,电压保持不变，变压器任载后，由于一、二次侧均有电流通过，必然在一次侧、二次侧内阻抗上产生电压降，从而使二次电压随负载电流增加变小。称,曲线,为变压器的外特性。,变压器外特性,电压调整率,满载时电压,空载电压,一般在5%以内,4-4,第四节 变压器的效率和特性,当电流流入两个线圈(或流出）时，若产生的磁通方向相同，则两个流入端称为同极性端（同名端）。或者说，当铁芯中磁通变化（增大或减小）时，在两线圈

13、中产生的感应电动势极性相同的两端为同极性端。,同极性端(同名端),第五节 变压器的同名端,电器使用时两种电压（220V/110V）的切换：,220V： 联结 2 3,110V： 联结 1 3，2 4,线圈的接法,220V：联结 2 3,励磁,两种接法下线圈工作情况的分析,110V：联结 1 3，2 4,220V：联结 2 3,问题1：在110V 情况下，如果只用一个绕组（N），行不行？,答：不行（两绕组必须并绕）,原边有两个相同绕组的电源变压器（220 / 110），使用中应注意的问题：,问题2：如果两绕组的极性端接错，结果如何？,结论：在极性不明确时，一定要先测定极性再通电。,答：有可能烧毁

14、变压器,方法一：交流法,同极性端的测定方法,若 说明 A 与 a 或 X 与 x 为同 极性端。,测量：,方法二：直流法,内容详见电工学P80-82,第六节 三相电力变压器,7.1 自耦变压器,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：原、副边千万不能对调使用，以防变压器损坏。因为N变小时，磁通增大，电流会迅速增加。,第七节 特殊变压器,7.2 电压互感器 用低量程的电压表测高电压,被测电压=电压表读数 N1/N2,7.3 电流互感器 用低量程的电流表测大电流,被测电流=电流表读数 N2/N1,1. 副边不能开路，以 防产生高电压；2. 铁

15、心、低压绕组的 一端 接地，以防在 绝缘损坏时，在副 边出现过压。,使用注意事项：,右手螺旋定则、左手定则、右手定则,右手螺旋定则判断磁场方向 1、右手四指握导线，当大拇指方向与导线电流方向一致时，其余四指所指的方向，就是导线周围磁场的方向。 2、右手四指握线圈，弯曲的四指指向线圈电流方向，则大拇指指的方向，即为线圈的磁场方向。左手定则判断电磁力的方向 平伸左手，拇指与其余四指在同一平面内相互垂直，手心对磁场北极，四指指向电流方向时，则拇指所指的方向，就是磁场对通电导体作用力（电磁力）的方向。右手定则判定感应电动势的方向 平伸右手，让拇指与其余四指在同一平面内相互垂直，手心对磁场北极，拇指指向导体运动方向，则其余四指的指向就是感应电动势（即感应电流）的方向。,