电工与电子技术课件第5章(上).ppt

第五章 磁路与变压器 第五章 磁路与铁芯线圈电路 5-1 磁路基础与磁路的基本定律 5-2 铁心线圈 5-3 变压器 磁路：主磁通所经过的闭合路径。 i 5.1 磁路基础与磁路的基本定律 5.1.1 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。 ：主磁通 ：漏磁通 铁心 （导磁性能好 的磁性材料） 线圈 5.1.2 磁场的基本物理量 电流 磁场用磁力线描述 通过磁场中某一面积的磁力线的总数。 单位：Wb。 B：矢量。其数值表示磁场的强弱， 其方向表示磁场的方向。 一、磁通（） 二、磁感应强度 （磁通密度） 单位：韦伯 1 Tesla = 104 高斯 B 的单位：特斯拉（Tesla） H ：矢量。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。 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。 三、磁场强度 H 单位：A/m。 四、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 5.1.3 磁性材料的磁性能 磁性材料主要是指由元素铁、钴、镍及其合金 等材料。它们主要的磁性能如下。 一、高导磁性 磁性材料的磁导率很大，r1，可达102105量级。 分子电流和磁畴理论： 分子中电子的绕核运动和自转将形成分子电流，分子 电流将产生磁场，每个分子都相当于一个小磁铁。 由于磁性物质分子的相互作用，使分子电流在局部形 成有序排列而显示出磁性，这些小区域称为磁畴。 磁性物质的磁化示意图 (a)无外场，磁畴排列 杂乱无章。 (b)在外场作用下，磁畴 排列逐渐进入有序化。 非磁性材料没有磁畴的结构，所以不具有磁化特性。 磁性物质因磁化产生的磁场是不会无限制增加的，当 外磁场(或激励磁场的电流)增大到一定程度时，全部 磁畴都会转向与外场方向一致。这时的磁感应强度将 达到饱和值。 B0 B H B O 磁化曲线 B0 是真空情况下的磁 感应强度； B 是介质中的磁感应 强度。 磁性物质的不是常数，与H也不存在正比关系。 二、磁饱和性 在铁心线圈通有交变电流时，铁心将受到交变磁化 。但当H减少为零时，B 并未回到零值，出现剩磁Br 。 B H O 1 2 3 4 5 磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁滞 性。如图为磁性物质的滞回曲线。 要使剩磁消失，通常需 进行反向磁化。将 B=0时 的 H 值称为 矫顽磁力矫顽磁力 Hc， （见图中3和6所对应的点 。） 6 三、磁滞性 根据磁滞回线的不同，大致分成三类： (1)软磁材料 其矫顽磁力较 小，磁滞回线 较窄。(铁心) (2)永磁材料 其矫顽磁力较 大，磁滞回线 较宽。(磁铁) (3)矩磁材料 其剩磁大而矫 顽磁力小，磁 滞回线为矩形 。(记忆元件) H B H B H B 磁性材料的分类： 一. 安培环路定律（全电流定律）： 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. I1 I2 I3 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。 5.1.4 磁路基本定律 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，安培环路定律可写成： 磁路 长度L 线圈 匝数N I HL：称为磁压降。 NI：称为磁动势。一般 用 F 表示。 F=NI 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： I N 例 一均匀闭合铁心线圈，匝数为 300，铁心中磁感应强度 为0.9T，磁路的平均长度为45cm, I l S 试求： (1)铁心材料为铸铁时线圈中的电流； (2)铁心材料为硅钢片时线圈中的电流。 解：先从磁化曲线中查出磁场强度的 H值，然后再计算电流。 (1) H1=9000A/m， (2) H2=260A/m， 可见由于所用铁心材料不同，要得到相同的磁感应强度，则 所需要的磁动势或励磁电流是不同的。因此，采用高磁导率 的铁心材料可使线圈的用铜量大为降低。 对于均匀磁路 磁路中的 欧姆定律 二. 磁路的欧姆定律： 则： I N S l 令： Rm 称为磁阻 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 电动势电流电压降 U 欧姆定律 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 磁路与电路的比较 (二) 电 路 R + _ E I 励磁电流：在磁路中用来产生磁通的电流 励磁电流 直流 - 直流磁路 交流 - 交流磁路 磁路分析 直流磁路 交流磁路 5.2 铁心线圈电路 I U 一、 直流铁心线圈电路 直流磁路的特点: 一定一定 磁动势 F=IN一定 磁通和磁阻成反比 （R 为线圈的电阻） 电路方程： 一般情况下 很小 交流激励 线圈中产生感应电势 二. 交流磁路的分析 ：主磁通 ：漏磁通 u i 的感应电势 和 产生 假设 则 最大值 有效值 u i u i 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 确定下来。根据磁路欧姆 定律 ，当 交流磁路的特点: 2铁损 1铜损： 磁滞损耗 由磁滞所产生的铁损称为磁滞损耗。可以证明，交 变磁化一周在铁心的单位体积内所产生的磁滞损耗能 量与磁滞回线所包围的面积成正比。 磁滞损耗要引起铁心发热。为了减小磁滞损耗，应 选用磁滞回线狭小的磁性材料制造铁心。硅钢就是变 压器和电机中常用的铁心材料，其磁滞损耗较小。 磁滞损耗 涡流损耗 交流铁心的损耗: PCU=I2R PFe= Ph+ Pe 由涡流所产生的铁损称为涡流损耗Pe 涡流：当线圈中通有交流电时，在 铁心内要产生感应电动势和感应电 流。这种感应电流称为涡流，它在 垂直于磁通方向的平面内环流着。 涡流损耗 为了减小涡流损耗，可采用由彼此 绝缘且顺着磁场方向的硅钢片叠成铁 心，这样将涡流限制在较小的截面内 流通；使涡流及其损耗大为减小。一 般电机和变压器的铁心常采用厚度为 0.35mm或0.5mm的硅钢片叠成 。 变压器功能： 变电压：电力系统 变阻抗：电子电路中的阻抗匹配 （如喇叭的输出变压器） 变电流：电流互感器 5.3 变压器 单相变压器 5.3.1 变压器的基本结构和工作原理 铁芯 原边 绕组 副边 绕组 一. 结构： 变压器符号：工作过程： 空载运行 ：原边接入电源，副边开路。 接上交流电源 原边电流 i1等 于励 磁电流 i10 产生感应电动势 二. 工作原理 i10 产生磁通 （交变） （ 方向符合右手定则） 结论：改变匝数比，就能改变输出电压。 K为变比 原、副边电压关系 根据交流磁路的分析 可得： 时 （变电压） 负载运行 Z 副边带负载后对磁路的 影响：在副边感应电势的 作用下，副边线圈中有了 电流 i2 。此电流在磁路中 也会产生磁通，从而影响原边电流 i1。但当外加电压、 频率不变时，铁芯中主磁通的最大值在变压器空载或有 负载时基本不变 。 带负载后磁动势的平衡关系为： 结论：原、副边电流与匝数成反比 由于变压器铁芯材料的导磁率高、空载励磁电流 很小，可忽略 。即： 原、副边电流关系 （变电流） （变阻抗） 原、副边阻抗关系 由图可知：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。 + + + 阻抗变换举例：扬声器上如何得到最大输出功率 Rs RL 信号源 设：信号电压的有效值: U1= 50V; 信号内阻： Rs=100 ; 负载为扬声器，其等 效电阻：RL=8。 求：负载上得到的功率 解：（1）将负载直接接到信号源上 Rs （2）将负载通过变压器接到信号源上。 输出功率为： 设变比 则： 结论：由此例可见加入变压器以后，输出功率提高了 很多。原因是满足了电路中获得最大输出的条 件（信号源内、外阻抗差不多相等）。 5.3.2 变压器的外特性 副边输出电压和输出电流的关系。即： U2 I2 U20 U20：原边加额定电压、 副边开路时，副边的输 出电压。 一般供电系统希望要硬特性（随I2的变化，U2 变化不多） 5.3.3 变压器的效率() 为减小涡流损失，铁芯一 般由一片片导磁材料叠合 而成。 变压器的损耗包括两部分： 铜损 (PCU) ：绕组导线电阻所致。 磁滞损失：磁滞现象引起铁芯发热， 造成的损失。 涡流损失：交变磁通在铁芯中产生 的感应电流（涡流）， 造成的损失。 铁损( )：PFE 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) A X a x * * 5.3.4 变压器绕组极性及连接方法 A X a x * * 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 1 3 2 4 * * 220V：联结 2 3 励磁 两种接法下线圈工作情况的分析 * * 1 3 2 4 110V：联结 1 3，2 4 1,3 2,4 220V：联结 2 3 1 3 2 4 * * 说明：两种接法下 不变， 所以铁芯磁路的设计相同 励磁 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： * * 1 3 2 4 1,3 2,4 N 若两种接法铁芯中的磁通相等，则： 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：有可能烧毁变压器 两个线圈中的磁通抵消 烧毁 感应电势 电流 很大 原因： * * 1 3 2 4 方法一：交流法 A X a x 同极性端的测定方法 若 说明 A 与 a 或 X 与 x 为同 极性端。 把两个线圈的任意两端 (X - x)连 接,然后在 AX 上加一小电压 u 。 测量： 若 说明 A 与 x 或 X 与 a 是同 极性端； 结论： 方法二：直流法 mA表 + _ A X a x K + - 如果当 K 闭合时，mA 表正偏，则 Aa 为同极性端; 如果当 K 闭合时，mA 表反偏，则 Ax 为同极性端 结论： 5.3.5 三相变压器 三相变压器有三个原绕组和三个副绕组，其铁心有三个心柱，每 相的原副绕组同心装在一个心柱上。其工作原理与单相变压器工 作原理相同。三相绕组常用的联接方式有Y/Y0和Y/两种。 变压器的铭牌数据 额定电压 变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允 许的电压值。 额定电流 变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。 A BC XYZ a bc zy x 额定容量 传送功率的最大能力。 单相：单相： 三相：三相： 一.自耦变压器 A B P 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。 5.3.6 特殊变压器 二. 电流互感器：用低量程的电流表测大电流 （被测电流） N