电工技术及实训 教学课件 ppt 作者 李军 5磁路和变压器

磁路和变压器,变压器工作原理 变压器特点 特殊变压器使用,学习要点,磁路,实际电路中有大量电感元件的线圈中有铁心。线圈通电后铁心就构成磁路，磁路又影响电路。因此电工技术不仅有电路问题，同时也有磁路问题。,磁路的基本物理量,1磁感应强度B,磁感应强度B是表示磁场内某点磁场强弱及方向的物理量。 B的大小等于通过垂直于磁场方向单位面积的磁力线数目，B的方向用右手螺旋定则确定。单位是特斯拉(T)。,2磁通,均匀磁场中磁通等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，单位是韦伯(Wb)。,3磁导率,磁导率表示物质的导磁性能，单位是亨/米(H/m)。,真空的磁导率,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。,相对磁导率r：物质磁导率与真空磁导率的比值。非铁磁物质r近似为1，铁磁物质的r远大于1。,4磁场强度H,磁场强度只与产生磁场的电流以及这些电流分布有关，而与磁介质的磁导率无关，单位是安米（Am）。,是为了简化计算而引入的辅助物理量。,或：,磁场的基本定律,1安培环路定律 (全电流定律),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，安培环路定律可写为：,F=NI 成为磁动（通）势，单位是安（A）,2磁路欧姆定律,称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用。,因铁磁物质的磁阻Rm不是常数，它会随励磁电流I的改变而改变，因而通常不能用磁路的欧姆定律直接计算，但可以用于定性分析很多磁路问题。,3电磁感应定律,铁心线圈：,空心线圈：,为什么空心线圈的电感是常数，而铁心线圈的电感不是常数？,铁磁材料的磁性能,高导磁性：相对磁导率可达102105，由铁磁材料组成的磁路磁阻很小，在线圈中通入较小的电流即可获得较大的磁通。,磁饱和性：B不会随H的增强而无限增强，H增大到一定值时，B不能继续增强。,a：附点；b：膝点；c：饱和点,磁滞性：铁心线圈中通过交变电流时，H的大小和方向都会改变，铁心在交变磁场中反复磁化，在反复磁化的过程中，B的变化总是滞后于H的变化。,磁滞回线,Br：剩磁,Hc：矫顽力,铁磁材料的类型：,软磁材料：磁导率高，磁滞特性不明显，矫顽力和剩磁都小，磁滞回线较窄，磁滞损耗小。 应用：变压器、电机的铁心 硬磁材料：剩磁和矫顽力均较大，磁滞性明显，磁滞回线较宽。 应用：各种磁电系测量仪表 矩磁材料：只要受较小的外磁场作用就能磁化到饱和，当外磁场去掉，磁性仍保持，磁滞回线几乎成矩形。 应用：计算机的存储磁心,功率损耗,铜损由线圈导线发热引起。,铁损主要是由磁滞和涡流产生的。 在一定的频率下，往复磁化一次的磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。 涡流损耗与铁心厚度的平方成正比,在忽略线圈电阻及漏磁通的条件下，当线圈匝数N及电源频率f为一定时，主磁通的幅值m由励磁线圈外的电压有效值U确定，与铁心的材料及尺寸无关。,e 的有效值为：,设主磁通安正弦规律变化：,交流铁心线圈电路,变压器的结构 变压器由铁心和绕组两个基本部分组成， 另外还有油箱等辅助设备。 1 铁心 变压器的磁路部分。 变压器的铁心大多用0.350.5 mm厚的硅钢片交错叠装而成， 叠装之前， 硅钢片上还需涂一层绝缘漆。 交错叠装即将每层硅钢片的接缝错开， 这样可以减小铁心中的磁滞和涡流损耗。,(a) 口型； （b） EI型； (c) F型； （d） C型,2 绕组 变压器的电路部分。 绕组通常用绝缘的铜线或铝线绕制。 小容量变压器的绕组：高强度漆包线 大容量变压器的绕组：绝缘扁铜线或铝线,(a) 心式变压器 (b) 壳式变压器,筒型绕组又称同心式绕组， 一次、 二次绕组套在一起。,盘型绕组又称交叠式绕组， 一次、 二次绕组分层交叠在一起。,一般低压绕组靠近铁芯， 高压绕组在外面， 这样排列可降低绕组对铁心的绝缘要求。,变压器的工作原理,一次绕组匝数为N1，电压u1，电流i1，主磁电动势e1 ，漏磁电动势e1； 二次绕组匝数为N2 ，电压u2 ，电流i2 ，主磁电动势e2 ，漏磁电动势e2 。,1电压变换,二次绕组的电压方程：,忽略电阻R1压降和漏磁感应电动势则：,k称为变压器的变比。,空载时二次绕组电流为0，,2电流变换,由U1E1=4.44N1fm可知，U1和f不变时，E1和m也都基本不变。 因此，有负载时产生主磁通的一次、二次绕组的合成磁动势（i1N1+i2N2）和空载时产生主磁通的一次绕组的磁动势i0N1基本相等，即：,空载电流i0很小，可忽略不计。,3阻抗变换,设接在变压器副绕组的负载阻抗Z的模为|Z|，则：,Z反映到原绕组的阻抗模|Z'|为：,例：设交流信号源电压，内阻 R0 = 800，负载 RL = 8。 （1）将负载直接接至信号源，负载获得多大功率？ （2）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？,解：（1）负载直接接信号源时，负载获得功率为：,（2）最大输出功率时，阻抗折算到一次绕组应等于800。负载获得的最大功率为：,变压器变比为：,变压器的使用,1外特性,电压变化率反映电压U2的变化程度。 通常希望U2的变动愈小愈好，一般变压器的电压变化率约在5%左右。,2损耗与效率,铁损PFe包括磁滞损耗和涡流损耗。,损耗：,铜损：,效率：,3额定值,(1)额定电压UN：指变压器副绕组空载时各绕组的电压。三相变压器是指线电压。 (2)额定电流IN：指允许绕组长时间连续工作的电流。 (3)额定容量SN：在额定工作条件下变压器的视在功率。,三相变压器：,单相变压器：,4小功率电源变压器和绕组的同极性端,小功率电源变压器容量和体积一般都很小，用于给各种仪器设备提供所需的电源电压。 为了满足不同部件不同电压的需要，这种变压器通常有多个副绕组， 可以从副边得到多个不同的电压。,使用小功率电源变压器时，有时需要把副绕组串联起来以提高电压，有时需要把绕组并联起来以增大电流，但连接时必须认清绕组的同极性端，否则不仅达不到预期目的，反而可能会烧坏变压器。,变压器线圈极性的测定,(1)同极性端的标记,同极性端又称为同名端，是指变压器各绕组电位瞬时极性相同的端点。,并联,串联,副绕组的串联 副绕组的并联,正确的串联方法：应把两个绕组的异名端连在一起，即得两个副绕组电压之和；若接错，则输出电压会抵消。 正确的并联方法应把两个电压输出方向相同的绕组的同名端连在一起，可向负载提供更大的电流；如接错，则会造成线圈短路从而烧坏变压器。,例：有一个有三个副绕组的电源变压器，试问能得出多少种输出电压？,直流法,交流法,特殊变压器,1自耦变压器,特点：二次绕组是一次绕组的一部分，一次、二次绕组不但有磁的联系，也有电的联系。,使用自耦调压器时应注意： 1、一、二次绕组不能对调使用，否则可能会烧坏绕组，甚至造成电源短路。 2、接通电源前，先将滑动触头移至零位，接通电源后再逐渐转动手柄，将输出电压调到所需值。用毕，再将手柄转回零位，以备下次安全使用。 3、输出电压无论多低，其电流也不允许大于额定电流。,三相变压器的两种接法及电压的变换关系,动力和照明混合供电的三相四线制 高压侧接成Y接，可以降低每相绕组的绝缘要求 低压一般是400V，高压不超过35kV，最大容量在1800kVA左右。,主要用在变电站做降压或升压用 低压侧接成接，可以减少每相绕组的导线截面 低压一般是10kV，高压不超过60kV,2仪用互感器,(1)电流互感器： 用于将大电流变换为小电流。 使用时副绕组电路不允许开路。,(2)电压互感器： 用于将高电压变换成低电压。 使用时副绕组不允许短路。,钳形电流表 通常，当用电流表测量负载电流时，必须把电流表串联在电路中。 但当在施工现场需要临时检查电气设备的负载情况或线路流过的电流时，如果先把线路断开，然后把电流表串联到电路中，就会很不方便。 措施：应采用钳形电流表测量电流，这样就不必把线路断开，可以直接测量负载电流的大小了。,钳形电流表,钳形电流表,电磁铁,电磁铁的几种结构形式 (a) 马蹄式； (b) 拍合式； (c) 螺管式,电磁吸力,电磁吸力的平均值,交流电磁铁的电磁吸力在零与最大值之间脉动 加短路铜环减少振动,交流电磁铁电磁吸力的平均值在吸合过程中基本不变,直流磁路的分析 直流磁路的特点： I=U/R，电流不变，磁通势F=IN也是恒定的。 但随着衔铁的吸合，空气隙变小，磁路的磁阻变小，磁通增大，电磁吸力增大。,电磁吸力,直流电磁铁与交流电磁铁的比较,思考题 1、变压器的铁心是起什么作用的？不用铁心行不行？ 2、为什么变压器的铁心要用硅钢片叠成？用整块的铁心行不行？ 3、变压器能否用来变换直流电压？如果将变压器接到与它的额定电压相同的直流电源上，会产生什么后果?,4、有一台变压器在修理后，铁心出现气隙，这对于铁心的磁阻、工作件磁通以及励磁电流有何影响？ 5、一台变压器的额定电压为220V/110V，若不慎将低压边接到220V的交流电源上，能否得到440V的电压？ 6、某人从国外带来一台变压器，其额定频率为60Hz，如果在国内使用会有什么问题？,7、一台220V/110V的变压器，原来的匝数是5000/2500，今为节省铜线，把匝数改为1000/500（其他条件不变），这样做的后果怎样？ 8、交流电磁铁通电后，若衔铁长时间被卡住不能吸合，会引起什么后果？为什么？ 9、某铁心变压器接上电源运行正常，有人为减小铁心损耗而抽去铁心，结果一接上电源，线圈就烧毁，为什么?,10、如果把交流电磁铁接到电压相同的直流电源上，会有什么后果？相反地，如果把直流电磁铁接到电压相同的交流电源上，又会有什么后果？,（1）励磁电流大大增加，犹如电路短路，烧坏线圈； （2)励磁电流、磁通、电磁吸力大大减小，电磁铁吸合不上,11、对于自耦调压器，如果把具有滑动触头的二次侧错接到电源上，会有什么后果?,