电工技术-第6章讲稿.ppt

1 第6章磁路与铁心线圈电路 本章要求 1 了解磁路的概念 物理量 2 了解磁性材料的磁性能 3 掌握变压器的工作原理及简单计算 电工技术 2 电工技术 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 关于磁路 3 6 1磁场的基本物理量 电工技术 6 1 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 6 1 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 4 电工技术 6 1 3 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 A m 是为了简化计算而引入的辅助物理量 5 电工技术 6 1 4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 6 6 2磁性材料的磁性能 电工技术 6 2 1高导磁性 磁导率可达102 104 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 铁心 磁畴 磁畴 铁心自身存在的自然磁性小区域 注意 在没有外磁场作用时 磁畴的方向杂乱无章 宏观不显磁性 铁心 由铁磁材料制成 7 磁化 在一定强度外磁场的作用下 磁畴将沿外磁场方向趋向规则排列 产生附加磁场 使通电线圈的磁场显著增强 铁心 通电线圈 磁化过程 直线1表示空心线圈的情况 曲线2表示线圈放入铁心的情况 电工技术 8 磁化过程说明 直线1 曲线2 磁化曲线 I与 成正比且增加率较小 OA段 AB段 B点以后 大部分磁畴的磁场沿外磁场方向排列 与I成正比且增加率较大 所有磁畴的磁场最终都沿外磁场方向排列 铁心磁场从未饱和状态过渡到饱和状态 称饱和状态 铁心的增磁作用已达到极限 6 2 2磁饱和性 电工技术 9 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 6 2 3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 由于磁畴本身存在 惯性 B的变化总是滞后于H的变化 磁化曲线 磁滞回线 电工技术 10 电工技术 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 永磁材料 剩磁和矫顽力均较大 磁滞性明显 磁滞回线较宽 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 外磁场不断克服磁畴的 惯性 消耗的能量 为磁滞损耗 磁滞损耗是铁心发热的原因之一 11 硬磁材料 B 矩磁材料 铁磁材料的磁性能 1 高导磁性2 磁饱和性3 磁滞性 B 软磁材料 电工技术 12 6 3磁路及其基本定律 电工技术 1 安培环路定律 计算电流代数和时 与绕行方向符合右手螺旋定则的电流取正号 反之取负号 若闭合回路上各点的磁场强度相等且其方向与闭合回路的切线方向一致 则 13 2 磁路欧姆定律 电工技术 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 14 磁路和电路的比较 磁路 电路 磁通 I N R E I 磁压降 磁动势 U 电工技术 15 6 4交流铁心线圈电路 电工技术 7 4 1电磁关系 主磁通或工作磁通 漏磁通 e 主磁电动势 e 漏磁电动势 e N d dt e N d dt L di dt L 漏磁电感 16 6 4 2电压电流关系 电工技术 设线圈的电阻为R 主磁电动势为e和漏感电动势为e 由KVL 有 写成相量形式 17 电工技术 e的有效值为 如果忽略线圈的电阻R和感抗X 或漏磁通 于是 U E 18 有一个铁心线圈接在交流220V 50Hz的交流电源上 铁心中磁通的最大值为0 001Wb 问铁心上的线圈至少应绕多少匝 解 U 4 44fN m 有 若铁心中的线圈只绕了100匝 线圈通电后会产生什么后果 结果是线圈通电后会烧坏 由于磁通最大值远远超过了规定的最大值 对应线圈中的电流远远超过正常值 例 电工技术 19 6 4 3功率损耗 电工技术 铁心线圈交流电路的有功功率为 20 涡流 交变的磁通穿过铁心导体时 在其内部产生的旋涡状的电流 涡流会使铁心发热并消耗能量 为了减小涡流损耗 铁心常采用涂有绝缘材料的硅钢片叠成 由硅钢片叠成的铁心 铁磁材料的铁心 线圈 电工技术 21 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 6 5变压器 电工技术 22 变压器应用举例 电工技术 23 单相变压器 变压器的基本结构 电工技术 24 铁心 线圈 又称绕组 变压器的组成 铁心变压器铁心用具有绝缘层的0 35 0 5mm厚的硅钢片叠成 线圈小容量变压器多用高强度漆包线绕制 大容量变压器可用绝缘铜或铝线绕制 电工技术 25 变压器的主要结构 心式结构 壳式结构 心式结构 变压器的铁心被绕组包围 多用于电力变压器 壳式结构 变压器的铁心包围绕组 常用于小容量变压器 电工技术 26 工作过程 电工技术 27 6 5 1变压器的工作原理 电工技术 原绕组匝数为N1 电压u1 电流i1 主磁电动势e1 漏磁电动势e 1 副绕组匝数为N2 电压u2 电流i2 主磁电动势e2 漏磁电动势e 2 28 1 电压变换 电工技术 原绕组的电压方程 忽略电阻R1和漏抗X 1的电压 则 副绕组的电压方程 K称为变压器的变比 29 电工技术 结论 改变匝数比 就能改变输出电压 30 三相变压器的两种接法及电压的变换关系 电工技术 31 2 电流变换 电工技术 由U1 E1 4 44N1f m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原 副绕组的合成磁动势 i1N1 i2N2 和空载时产生主磁通的原绕组的磁动势i0N1基本相等 即 空载电流i0很小 可忽略不计 结论 原 副边电流与匝数成反比 32 3 阻抗变换 电工技术 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 结论 变压器原边的等效负载 为副边所带负载乘以变比的平方 33 有一台降压变压器 原绕组电压为220V 副绕组电压为110V 原绕组为2200匝 若副绕组接入阻抗值为10 的阻抗 问变压器的变比 副绕组匝数 原绕组中电流各为多少 解 变压器变比 副绕组匝数 副绕组电流 原绕组电流 例 电工技术 34 扬声器上如何得到最大输出功率 设 信号源电压的有效值 Us 120V 信号源内阻 R0 800 负载为扬声器 其等效电阻 RL 8 1 将负载与信号源直接相连 得到的输出功率为 例 电工技术 35 2 将负载通过变压器接到信号源上 变压器把负载RL变换为等效电阻 若要信号源输出给负载的功率达到最大 用变压器进行阻抗变换 通过变压器把负载RL变换为等效电阻 变压器变比 电工技术 36 输出功率为 结论 由此例可见经变压器 匹配 后 输出功率增大了许多 原因是满足了电路中获得最大功率输出的条件 信号源内 外阻抗相等 信号源 37 电工技术 38 变压器的额定值 电工技术 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线电流 3 额定容量SN 在额定工作条件下变压器的视在功率 单相变压器 三相变压器 39 容量SN输出功率P2 变压器的容量 变压器输出功率 负载的功率因数 变压器的输出功率不仅与变压器的容量有关 还与所带负载的功率因数有关 原边输入功率 原边输入功率 输出功率 变压器损耗 注意 电工技术 40 6 5 2变压器的外特性 电工技术 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 U20 原边加额定电压 副边开路时 副边的输出电压 变压器的外特性 在电源电压和负载功率因数不变的条件下 副边输出电压和输出电流的关系 电压变化率是一个重要技术指标 直接影响到供电质量 电压变化率越小 变压器性能越好 41 变压器的损耗 铜损 PCu 绕组导线电阻所致 铜损 可变损耗 铁损 固定损耗 6 5 3变压器的损耗与效率 电工技术 42 电工技术 损耗 铜损 铁损 PFe包括磁滞损耗和涡流损耗 效率 P2为输出功率 P1为输入功率 一般变压器的效率在95 大型变压器的效率可达99 以上 43 6 5 4特殊变压器 电工技术 1 自耦变压器 特点 副绕组是原绕组的一部分 原 副压绕组不但有磁的联系 也有电的联系 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 44 2 电流互感器 电工技术 原绕组线径较粗 匝数很少 与被测电路负载串联 副绕组线径较细 匝数很多 与电流表及功率表 电度表 继电器的电流线圈串联 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 45 3 电压互感器 电工技术 电压互感器的原绕组匝数很多 并联于待测电路两端 副绕组匝数较少 与电压表及电度表 功率表 继电器的电压线圈并联 用于将高电压变换成低电压 使用时副绕组不允许短路 46 当电流分别流入两个线圈 或流出 时 若两线圈产生的磁通方向相同 则这两个线圈流入端称为同极性端 同名端 也是各绕组电位瞬时极性相同的端点 同极性端 同名端 a 图A a为同名端 b 图A x为同名端 6 5 5变压器绕组的极性 电工技术 47 小功率电源变压器在使用中有时需要把绕组串连起来以提高电压 或把绕组并联起来以增大电流 在连接时必须认清绕组的极性 否则不仅达不到预期的目的 反而可能烧坏变压器 正确的串联接法 应把两个绕组的一对异名端联在一起 正确的并联接法 应把两个绕组的两对同名端分别联结在一起 还需注意并联绕组的电压必须相等 电工技术 48 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 电工技术 串联 并联 49 220V 联结2 3 励磁 两种接法下线圈工作情况的分析 电工技术 50 110V 联结1 3 2 4 220V 联结2 3 说明 两种接法下 m不变 所以铁芯磁路的设计相同 51 问题1 在110V情况下 如果只用一个绕组