模块三变压器原理与应用

,模块三 变压器的原理及应用,课题3.1磁路及铁芯线圈的认识 课题3.2 变压器的工作原理及应用,课题3.1磁路及铁芯线圈的认识,知识与技能要点 磁场的基本物理量； 铁磁物质的磁化； 磁路的基本定律； 交流铁芯线圈电与磁的关系及损耗。,1.磁场的基本物理量,（1） 磁感应强度,磁感应强度B : 表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。,磁感应强度B的大小:,磁感应强度B的方向: 与电流的方向之间符合右手螺旋定则。,磁感应强度B的单位: 特斯拉(T)，1T = 1Wb/m2,均匀磁场: 各点磁感应强度大小相等，方向相同的 磁场，也称匀强磁场。,（2） 磁通,磁通 ：穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数。,说明: 如果不是均匀磁场，则取B的平均值。,在均匀磁场中 = B S 或 B= /S,磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通,故又称磁通密度。,磁通 的单位:韦伯(Wb) 1Wb =1V·s,真空的磁导率为常数，用 0表示，有：,（3） 磁导率,磁导率 ：表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质 的导磁能力。,相对磁导率 r： 任一种物质的磁导率 和真空的磁导率0的比值。,磁导率 的单位：亨/米（H/m）,根据相对磁导率r值的不同，自然界的物质大致可分为两大类：,非磁性物质,如空气、塑料、铜、铝、橡胶等。这些物质的导磁能力很差，磁导率均与真空的磁导率非常接近，它们的相对磁导率均约等于1。非磁性物质的磁导率可认为是常量。,如铁、镍、钴、钢及其合金等。这些物质的导磁能力非常强，其磁导率一般为真空的几百、几千乃至几万、几十万倍。如铸铁，其相对磁导率r200400；铸钢的相对磁导率r5002200；硅钢的r700010000；坡莫合金的r20000200000。显然，铁磁物质的磁导率不是常量，而是一个范围，即随外部条件变化。铁磁性物质的相对磁导率大大于1。,铁磁性物质,（4）磁场强度,磁场强度H ：介质中某点的磁感应强度 B 与介质 磁导率 之比。,磁场强度H的单位 ：安培/米（A/m),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为正、反之为负。,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。,安培环路定律电流正负的规定：,（1）安培环路定律（全电流定律）,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,2.磁路的基本定律,例: 环形线圈如图，其中媒质是均匀的， 试计算 线 圈内部各点的磁场强度。,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：,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，磁通势的单位是安培。,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。,故得：,因半径为x处各点的磁场强度为,故相应点磁感应强度为,由例可见,磁场内某点的磁场强度 H 只与电流大小、线圈匝数、以及该点的几何位置有关，与磁场媒质的磁性() 无关；而磁感应强度 B 与磁场媒质的磁性有关。,（2）磁路的欧姆定律,磁路的概念,在电机、变压器及各种铁磁元件中常用磁性材料做成一定形状的铁心。铁心的磁导率比周围空气或其它物质的磁导率高的多，磁通的绝大部分经过铁心形成闭合通路，磁通的闭合路径称为磁路。,直流电机的磁路,交流接触器的磁路, 磁路的欧姆定律,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,引例,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。,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：,此即磁路的欧姆定律。,3.铁磁物质的磁化性能,(1) 非磁性物质,非磁性物质分子电流的磁场方向杂乱无章，几乎不受外磁场的影响而互相抵消，不具有磁化特性。 非磁性材料的磁导率都是常数，有：,所以磁通 与产生此磁通的电流 I 成正比，呈线性关系。,当磁场媒质是非磁性材料时，有：,即 B与 H 成正比，呈线性关系。,由于, 0 r 1,B = 0 H,( ),( I ),(2) 磁性物质,磁性物质内部形成许多小区域，其分子间存在的一种特殊的作用力使每一区域内的分子磁场排列整齐，显示磁性，称这些小区域为磁畴。,在外磁场作用下，磁畴方向发生变化，使之与外磁场方向趋于一致，物质整体显示出磁性来，称为磁化。即磁性物质能被磁化。,磁 畴,外 磁 场,在没有外磁场作用的普通磁性物质中，各个磁畴排列杂乱无章，磁场互相抵消，整体对外不显磁性。,磁 畴,(3) 磁性材料的磁性能, 高导磁性,磁性材料的磁导率通常都很高，即 r 1 (如坡莫合金，其 r 可达 2105 ) 。 磁性材料能被强烈的磁化，具有很高的导磁性能。,磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。,磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。,磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度。,磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。, 磁饱和性,BJ 磁场内磁性物质的磁化磁场 的磁感应强度曲线；,B0 磁场内不存在磁性物质时的 磁感应强度直线；,B BJ曲线和B0直线的纵坐标相 加即磁场的 B-H 磁化曲线。,BJ,B,a,b,磁化曲线,磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。当外磁场增大到一定程度时，磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值。如图。,B-H 磁化曲线的特征： Oa段：B 与H几乎成正比地增加； ab段： B 的增加缓慢下来； b点以后：B增加很少，达到饱和。,有磁性物质存在时，B 与 H不成 正比，磁性物质的磁导率不是常数，随H而变。,有磁性物质存在时，与 I 不成 正比。,磁性物质的磁化曲线在磁路计算上极为重要，其为非线性曲线，实际中通过实验得出。,磁化曲线,B和与H的关系, 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。,矫顽磁力Hc： 使 B = 0 所需的 H 值。,磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。,几种常见磁性物质的磁化曲线,按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型： 软磁材料 具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金即铁氧体等。 永磁材料 具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。 矩磁材料 具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性良好。在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等。,4.交流铁心线圈的电压、电流与磁通关系,(1) 电磁关系,（磁通势）,主磁通 ：通过铁心闭合的磁通。,漏磁通：经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通。,线圈,铁心, i，,铁心线圈的漏磁电感, 与i不是线性关系。,(2) 电压电流关系,根据KVL:,式中：R是线圈导线的电阻,L 是漏磁电感,当 u 是正弦电压时，其它各电压、电流、电动势可视作正弦量，则电压、电流关系的相量式为：,设主磁通 则,有效值,由于线圈电阻 R 和感抗X（或漏磁通）较小，其电压降也较小，与主磁电动势 E 相比可忽略，故有,式中：Bm是铁心中磁感应强度的最大值，单位T； S 是铁心截面积，单位m2。,(3) 功率损耗,交流铁心线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种。,铜损（Pcu）,在交流铁心线圈中, 线圈电阻R 上的功率损耗称铜损，用Pcu 表示。,Pcu = RI2,式中：R是线圈的电阻；I 是线圈中电流的有效值。, 铁损（PFe）,在交流铁心线圈中，处于交变磁通下的铁心内的功率损耗称铁损，用PFe 表示。,铁损由磁滞和涡流产生。,磁滞损耗（Ph）,由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗（Ph）。,磁滞损耗的大小： 单位体积内的磁滞损耗正比与磁滞回线的面积和磁场交变的频率 f。,磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。,减少磁滞损耗的措施： 选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁心。变压器和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。,设计时应适当选择值以减小铁心饱和程度。,涡流损耗（Pe）,涡流损耗: 由涡流所产生的功率损耗。,涡流：交变磁通在铁心内产生感应电动势和电流，称为涡流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。,涡流损耗转化为热能，引起铁心发热。,减少涡流损耗措施：,提高铁心的电阻率。铁心用彼此绝缘的钢片叠成，把涡流限制在较小的截面内。,铁心线圈交流电路的有功功率为：,例 要绕制一个铁心线圈，已知电源电压 U= 220 V，频率 f=50Hz ，今量得铁心截面为30.2 cm2,铁心由硅钢片叠成，设叠片间隙系数为0.91 (一般取0.90.93)。（1）如取 Bm=1.2T，问线圈匝数应为多少? (2)如磁路平均长度为 60cm,问励磁电流应多大?,铁心的有效面积为,(1)线圈匝数为,(2)查磁化曲线图，B=1.2T时,=700 ，则,解:,课题3.2 变压器的工作原理及应用,知识与技能要点 变压器的基本结构及工作原理：电压、电流、电阻的变换公式； 变压器的应用：电压互感器、电流互感器、钳形电流表的工作原理、作用、接线及测试方法。,1. 变压器的结构与分类,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）,（1）概述：,U I,P = I² Rl,I S,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：,（2）变压器的结构,变压器的磁路,变压器的电路,变压器的结构,（3）变压器的分类,2. 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。, 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。, 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, 一次、二次侧主磁通感应电动势,根据KVL：,变压器一次侧等效电路如图,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, 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