电子电工变压器

1、第5章 变压器 了解磁路及电磁铁； 熟悉变压器的基本结构、工作原理； 掌握电压、电流和阻抗变换； 了解常用变压器及绕组极性。 在很多电工设备（像变压器、电机、电磁铁电工测量 仪器等）中，不仅有电路的问题，同时还有磁路的问题。 只有同时掌握了电路和磁路的基本理论，才能对电工设备 进行全面分析。 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。 5.1 磁 路 (一) 磁场的基本物理量 电流 磁场 用磁场线描述 磁通: 与磁场线垂直 的某面积（m2 ) A B = 通过磁场中某一面积的磁场线的总数。 单位：韦伯Wb。 (1) 磁感应强度B(磁通密度) 描述磁场强弱和方向的量，表示与磁场方向相垂直的 单位面积上通过的磁通（磁力线）。 在均匀磁场中： 单位：特斯拉T。 上一页下一页 i (2) 磁场强度H 计算磁场所用的物理量，其大小为磁感应强度和导磁 率之比，方向与B 的方向相同。 H 的大小：只与产生该磁场的电流大小成正比，与介质 的性质无关。它反映电流的励磁能力

2、。 B 的大小：不仅与产生该磁场的电流大小有关，还与介 质的性质有关。它反映总磁场的强弱。 上一页下一页 单位： B ：特斯拉 ：亨/米 ：安/米 （）磁导率表征各种材料导磁能力的物理量 （亨/米） 真空中的磁导率( )为常数 一般材料的磁导率 和真空中的磁导率之比， 称为这种材料的相对磁导率 ，则称为磁性材料 ，则称为非磁性材料 磁性物质具有高导磁性，0 两者相差数万倍 铸钢： 10000 硅钢片： (6000 7000)0 上一页下一页 ()高导磁性 磁性物质的高导磁性被广泛应用于变压器，电机等设 备。他们的磁场大多是通过线圈（绕在磁性材料铁心上） 的电流来产生的。 采用铁心后，在同样电流下，铁心中的磁通将大大增 强，而且使磁通绝大部分集中在铁心中。 (二) 磁性物质的磁性能 B H 0 图5.1.2 初始磁化曲线 (2) 磁饱和性 当H增加到一定值后， H继续增加而B的增加很少。 (3) 磁滞性 磁性物质具有磁性的倾向， B的变化滞后H的变化。 B H 0Hm Br 剩磁 HC 矫顽 磁力 Hm Br HC 图5.1.3 磁滞回线 B H 0 图5.1.4 基本磁化曲线 上一页下

3、一页 不是常数，B-H磁化 曲线用实验方法绘制。 1. 非线性 大 小 B H (I) 2. 磁饱和性 H B B H 3. 磁滞性 根据磁性能，磁性材料又可分为三种： 软磁材料（磁滞回线窄长。常用做磁头、磁心等）； 永磁材料（磁滞回线宽。常用做永久磁铁）； 矩磁材料（滞回 线接近矩形。可用做记忆元件）。 磁性能 ： i 线圈通入电流后，产生磁通 ，分主磁通（通过铁心而闭 合）和漏磁通（通过空气等 非磁性物质而闭合）。 ：主磁通 ：漏磁通 铁心 （导磁性能好 的磁性材料） 线圈 (三) 磁路的基本概念 磁路：通常为简化分析忽略漏磁通，把主磁通通 过的路径称磁路。 用于定性分析磁路。 BC = AC B0 = A0 HC = BC C C AC = H0 = B0 0 0 A0 = 上一页下一页 设铁心导磁率C，截面 积AC，中心线长lc。 空气导磁率0，空气隙 截面积A0，长l0。 磁场在铁心和 空气两部分的 磁感应强度： 磁场在铁心和 空气两部分的 磁场强度： (四) 磁路欧姆定律 全电流定律: H dl = I 左边=H dl = HC lC + H 0 l0 lC C AC =(

4、 + l 0 0 A0 ) Rm = Rmc + Rm0 令： Rmc = lC C AC l 0 0 A0 Rm0 = = + lC C AC l 0 0 A0 铁心的磁阻 空气隙的磁阻 磁路的磁阻： 上一页下一页 磁场强度沿任一闭合路径的线积分 =穿过闭合路径的电流代数和。 A = 右边 = I = N I =F 磁路的磁通势 因此： = F Rm Rm = F 磁路欧姆定律 C 0 Rm0 Rmc N I一定时，因Rm0的存在，使大大减小。 上一页下一页 H dl = I 磁路和电路的比较 磁 路 电 路 磁通 I N R + _ E I 磁压降磁通势 电动势电流电压降 U 5.2 电磁铁 电磁铁：利用电磁力实现机械动作的电磁元件， 都是由线圈、铁心和衔铁组成。 电磁铁的工作原理：线圈通电产生磁场后，衔铁 被铁心吸住（铁心通常固定不动，衔铁是活动的） ， 带动机构动作。 励磁线圈：通电后产生磁场的线圈。 励磁电流：通入线圈以产生磁场的电流。 电磁铁按励磁电流的不同可分为直流电磁铁和 交流电磁铁。 线圈电阻消耗的功率：P = U I = R I 2 上一页 下一页 (一) 直流电磁

5、铁 一定一定 磁通势 F=IN一定 磁通和磁阻成反比 （线圈中没有反电动势） （R 为线圈的电阻） 1.直流铁心线圈电路 工作时励磁线圈加上直 流电压,产生恒定磁通, 不会产生感应电动势。 2. 电磁吸力 线圈通电后铁心和衔铁被磁化，两端形成N和S极 ，产生电磁吸力，磁通越大电磁吸力越大。 衔铁吸合前后的电磁吸力有什么不同？ 分析： 衔铁吸合前后的电流不变，磁路的磁通势不变。 衔铁吸合前磁阻大于吸合后磁阻, 因而吸合前的磁通小于吸合后的磁通， 故吸合前的电磁吸力也小于吸合后的电磁吸力。 思考： 3. 结构特点 直流电磁铁的铁心一般用整块的钢铁制成，为加工 方便常做成圆柱形。 励磁：u i N i e e d d t =N d d t =N (1) 电压与电流关系 设 =m sint ，则: e =Nm cost =2fNmsin(t90o) 最大值：Em= 2fNm 上一页下一页 (二)交流电磁铁 u i 有效值：E = 4.44 f Nm 1.交流铁心线圈电路 漏磁通对应的电感称为线圈的漏电感： N i L = 漏电抗：X = L = 2f L i e e + u 上一页下一页 电流

6、通过线圈除了产生主磁通外，还产生少量 的漏磁通。 E =jLI 设线圈电阻为R，有： UR RI U = UREE =E + jLI + RI =E + (R + jL) I =E + Z I 线圈的漏阻抗 由KVL有： i e e + u U E 一般情况下忽略漏阻抗，有： 最大值 有效值 根据磁路欧姆定律 ，当 一定时， 磁动势IN 随磁阻 的变化而变化。 当外加电压U、频率 f 与线圈匝数N 一定时， 便基本不变。 交流磁路的特点: 交流磁路和电路中的恒流源类似 交流磁路中 ： 固定 F随 变化 直流电路中： IS固定 U 随 R 变化 u i (U不变，I不变） ( I 随 Rm 变化） （ U不变时， 基本不变） 直流磁路 交流磁路 磁路对照 （随Rm变化） (2) 功率: 视在功率: S = U I 无功功率: Q = S sin 有功功率: P = S cos = PCu + PFe 铜损：线圈电阻 消耗的功率损耗。 使线圈发热 铁损：交变磁通在铁心 中产生的功率损耗。使 铁心发热 = RI2 +( Ph + Pe ) 磁滞损耗 涡流损耗 上一页下一页 铁损包括两部分：

7、1）磁滞损耗Ph ：由磁滞现象引 起的损耗。 磁性物质磁化一周消耗的能量与 磁滞回线的面积成正比。 2） 涡流损耗Pe ：涡流在铁心 中产生的损耗。 在交变磁场中铁心平面内产生 涡流状的感应电流。 上一页下一页 B H 减小铁损耗的方法： 使用软磁材料， 减小磁滞损耗Ph ； 增大铁心电阻率 或用薄硅钢片叠成铁心 ， 减小涡流及其损耗 ； B H 电磁铁吸合过程的分析： 若外加电压不变, 则 基本不变 。 i u 电磁铁吸合前(气隙大） 大 起动电流大 电磁铁吸合后(气隙小） 小 电流小 如果气隙中有异物卡住，电磁铁长时间吸不上，线 圈中的电流一直很大，将会导致过热，把线圈烧坏。 注意： 2. 电磁吸力 交流电磁铁的电磁吸力 通常用平均吸力来衡量 。 在衔铁频繁开合时，励磁线圈中的 冲击电流很大，容易过热损坏。 3. 结构特点 0.35mm 0.30mm 0.27mm 0.22mm 交流电磁铁的铁心和衔铁都是用硅 钢片叠成，以减小涡流损耗。 电磁吸力随时间变化会引起衔铁振 动，降低使用寿命，可在铁心端部 装闭合铜环（称短路环）来消除。 分析： 当一部分磁通穿过短路环时，环内产生感应电流

8、（阻 止磁通变化），使穿过短路环的磁通与没有穿过短路 环的磁通之间出现相位差，这样这两部分磁通产生的 吸力就不会同时为0，消除了衔铁振动。 例 一个铁心线圈，加上12V直流电压时电流为 1A；加上110V交流时电流为2A，消耗的功率为 88W。求后一种情况线圈的铜损耗、铁损耗和功率 因数。 解：(1) 线圈施加直流电压时，线圈电阻为： U I R = 12 1 =12 (2) 线圈施加交流电压时：P PCu PFe PCu = RI2=1222 W =48 W PFe = PPCu=(8848) W =48W P U I cos = 88 1102 = 0.4 上一页下一页 5.3 变压器的基本结构 (一) 变压器的用途 变压器是利用电 磁感应原理制成的， 能变换电压、变换电 流、变换阻抗的电气 设备。 变电压：电力系统 变阻抗：电子线路中的阻抗匹配 变电流：电流互感器 输电距离、输电功率与输电电压的关系: 输电电压 输电功率 输电距离 110kV 5104 kW 50 150km 220kV (20 30)104 kW 200 400km 500kV 100104 kW 500km 上一页下一页 110kV、220kV 330kV、500kV 电能负荷 升 压 变 压 器 远 距 离 输 电 降 压 变 压 器 10kV 10kV 6kV 380V 220V 1）在电力系统中： 当输送的功率和负载功率因素一定时，根据 ， 若电压越高，则线路电流越小，这不仅可减小输电导线 的截面积，节省材料，还可以减小线路的功率损耗。 2）在电子线路中，变压器除了用作电源变压器外 ，还可以变换阻抗，用来耦合电路，传递信号，实 现阻抗匹配。 3）在测试技术中，为了测量交流高电压、大电 流，需要使用电压互感器和电流互感器，即仪用 变压器。 4）此外利用变压器原理还可以制成一些专用变 压器，例如电压可调的自耦变压器，焊接用的电 焊变压器，加热用的电路变压器等。 电压互感器电压互感器 电流互感器电流互感器 按用途分 电力变压器电力变压器 ( (输配电用输配电用) ) 仪用变压器仪用变压器 整流变压器整流变压器 按相数分 三相变压器三相变压器 单相变压器单相变压器 按制造方式 壳式壳式 心式心式 变压器符

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