第4章 磁路与变压器.ppt

主编曾令琴 磁路概念 变压器工作原理 磁路与变压器 主要授课内容 第1章 第4章磁路与变压器 4 1铁芯线圈 磁路 4 2变压器的基本结构和工作原理 4 3三相电力变压器 4 4特殊变压器 第1章 4 1铁芯线圈 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 第2页 1 磁路的基本概念 交流铁心线圈示意图 电路部分 磁路部分 电流通过N匝线圈产生的磁动势 f iN f在铁芯中激发按正弦规律变化 沿铁芯闭合的工作磁通 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 1Wb 108Mx 第2页 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 第2页 非磁性物质 r 1的物质 如铜 铝 橡胶 空气 塑料等 铁磁性物质 r 1的物质 如铁 镍 钴 钢 合金钢 坡莫合金等 铁磁性物质彼此之间的相对磁导率差别很大 如铸铁的 r 200 400 铸钢的 r 500 2200 硅钢的 r 7000 10000 坡莫合金的 r 20000 200000 一个磁路中若有气隙存在 则气隙磁阻 铁芯磁阻 物质根据相对磁导率的不同可分为两大类 第2页 磁感应强度B和磁场强度H 1 磁感应强度B是表征磁场中某点强弱和方向的物理量 B的大小与磁场周围介质的磁导率 有关 2 磁场强度H是表征电流的磁场强弱和方向的物理量 H的大小与磁场周围介质的磁导率 无关 磁路欧姆定律 磁路欧姆定律可以用来定性的分析磁路的情况 第2页 铁磁材料内部往往有相邻的几百个分子电流圈流向一致 因此在这些极小的区域内就形成了一个个天然的磁性区域 磁畴 2 铁磁材料的磁性能 铁磁材料内部的磁畴排列杂乱无章 磁性相互抵消 因此对外不显示磁性 铁磁材料之所以具有高导磁性 是因为在它们的内部具有一种特殊的物质结构 磁畴 磁畴是怎么形成的 显然 磁畴是由分子电流产生的 磁畴因受外磁场作用而顺着外磁场的方向发生归顺性重新排列 在内部形成一个很强的附加磁场 a 无外磁场情况 b 有外磁场情况 第2页 磁滞回线中H为零时B并不为零的现象说明铁磁材料具有剩磁性 B c b a 起始磁化曲线 oa段是线性段 ab段是上升段 bc段是磁化曲线的膝部 C点以后是饱和段 起始磁化曲线反映了什么 起始磁化曲线的ab段反映了铁磁材料的高导磁性 c点以后说明铁磁材料具有磁饱和性 磁滞回线中B的变化总是落后于H的变化说明铁磁材料具有磁滞性 铁磁材料反复磁化一周所构成的曲线称为磁滞回线 起始磁化曲线和磁滞回线 第2页 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的过程中 B的变化总是滞后于H的变化 这种现象称为磁滞性 当H减为零时B并不为零 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 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 高导磁性 磁滞性和剩磁性 磁饱和性 铁磁性材料具有高导磁性 磁饱和性 磁滞性和剩磁性 第2页 涡流在铁芯中造成的热量损耗 根据电流的热效应 涡流通过铁芯将使铁芯发热 严重时会造成设备烧损 铁磁材料反复磁化时 内部磁畴的极性取向随着外磁场的交变来回翻转 在翻转的过程中 由于磁畴间相互摩擦而引起的能量损耗称为磁滞损耗 3 铁芯损耗 磁滞损耗 涡流损耗 在交变磁场作用下 整块铁芯中产生的旋涡状感应电流称为涡流 涡流对电气设备有何影响 为减小涡流损耗 常用硅钢片叠压制成电机电器的铁芯 第2页 具有磁导率极高 磁化后只有正 负两个饱和状态特点的铁磁材料 矩磁材料适用于制作各类存储器记忆元件的磁芯 具有磁导率不太高 但一经磁化 能保留很大的剩磁且不易去磁特点的铁磁材料 硬磁材料适用于制作各种人造磁体 具有磁导率很高 易磁化 易去磁特点的铁磁材料 软磁材料适用于制作各种电机电器的铁心 4 铁磁材料的分类和用途 铁磁材料根据工程上用途的不同可分为三大类 软磁材料 硬磁材料 矩磁材料 对交流铁芯而言 当外加电压有效值及电源频率不变时 主磁通的最大值 m也将基本维持不变 5 主磁通原理 第2页 由主磁通原理可知 发生机械故障时电源电压和电源频率并没有发生变化 因此磁路中的主磁通应基本维持不变 一个交流电磁铁 由于机械故障造成通电后不能吸合 结果把线圈烧坏 试分析原因 根据磁路欧姆定律 由式可得 交流电磁铁由于卡住而不能吸合 空气隙增大造成磁路中的磁阻大大增加 而主磁通又要维持不变 因此电流i将大大增加 结果使线圈烧损 铁损包括磁滞损耗和涡流损耗 铁损不仅造成能量损耗 还可造成电机 电器的铁芯发热 若发热严重时将造成设备绝缘的永久性损坏 何谓铁损 铁损对电器有何影响 第2页 第2页 4 2变压器的基本结构和工作原理 由硅钢片叠压制成的变压器铁心磁路 变压器一次侧绕组 原边 变压器二次侧绕组 副边 变压器图形符号 变压器是一种能变换电压 变换电流 变换阻抗的 静止 电气设备 变压器在传递电能的过程中频率不变 1 变压器的基本结构 第2页 2 变压器的工作原理 1 变压器的空载运行与变换电压作用 变压器的一次侧接电源 二次侧开路 这种运行状态称为空载 变压器空载时原边电流i10很小 在铁心磁路中产生按正弦规律变化的磁通 当 穿过两线圈时 分别感应电压 变压器原 副边电压与感应电压的关系为 变压器原 副边电压与感应电压的关系为 其中k称为变压器的变比 显然 变压器通过改变原 副边的匝数即可变换电压 第2页 2 变压器的负载运行与变换电流作用 变压器的一次侧接电源 二次侧与负载接通 这种运行状态称为负载运行 变压器负载运行时由于副边电流存在的去磁作用 因此原边电流由i10增大至i1 原边磁动势增加的数值恰好等于二次侧负载所需要的磁动势 即 变压器在能量传递的过程中损耗甚小 因此 因此 其中1 k称为变压器的变流比 显然 变压器在改变电压的同时也改变了电流 即变压器还可以变换电流 第2页 已知某收音机输出变压器的原边匝数为600 副边匝数为30 原边原接有16 的扬声器 现要改接成4 扬声器 求N2应改为多少 3 变压器的变换阻抗作用 变压器的副边所接负载为 ZL 原边输入阻抗为Z1时 有 把变压比和变流比公式代入可得 变压器的阻抗变换作用常用于电子电路中 例如 第2页 第2页 2 变压器的外特性 变压器的外特性就是描述输出电压u2随负载电流i2变化的关系 即 u2 f i2 两者之间的对应关系可用左图所示曲线进行描述 cos 2 0 8超前 cos 2 1 cos 2 0 8滞后 2 电压调整率 电压调整率反映了变压器运行时输出电压的稳定性 是变压器的主要性能指标之一 4 变压器的损耗和效率 1 损耗 铁损耗包括磁滞损耗和涡流损耗 第2页 4 3三相电力变压器 讯号式温度计 吸湿计 储油柜 安全气道 油表 气体继电器 高压套管 低压套管 分接开关 油箱 铁芯 绕组 放油阀门 变压器主要由铁芯和绕组两大部分构成 铁芯是它的磁路部分 绕组是它的电路部分 第2页 电力变压器的型号 S7 500 10 变压器同极性端判别 变压器的额定值 额定容量 三相变压器的总容量 SN 3I2NU2N 额定电压 原 副边额定值均指线电压数值 额定电流 I1N I2N均指原 副边线电流值 AX是变压器的原边绕组 ax是变压器的副边绕组 Aa是变压器一对同名端 由同一电流感应的电动势 极性始终保持一致的端子为同名端 电流同时由同名端流入 或流出 时 它们所产生的磁场相互增强 反之相互削弱 判别方法 第2页 用实验的方法测试同极性端 S闭合时 毫伏表指示正值 则1和3是同极性端 若指针反偏 则1和4是同极性端 S打开时指针偏转情况相反 先将两线圈的一对端子相联 构成串联连接 U13 U12 U34时 1和3是同极性端 U13 U12 U34时 1和4是同极性端 第2页 三相变压器的联接组别较多 为了制造和使用的方便 国家标准规定 三相双绕组电力变压器的标准联接组别有五种 Y yn0 YN y0 Y y0 Y d11 YN d11 其中大写字母Y表示高压绕组为星形联接方式 后面加N表示带有中线 小写字母y或d 表示低压绕组联接为星形或三角形 星形有中线引出时 后面加字母n 0表示指0点 5 三相电力变压器的连接组别 Y d11连接组别电路图与相量图 第2页 6 三相电力变压器的并联运行 两台变压器并联运行 将两台或两台以上变压器的原 副绕组分别并联到原边和副边的公共母线上 共同向负载供电的方式 称为变压器的并联运行 为了安全可靠地并联运行 变压器组必须满足下列三个条件 1 并联运行的变压器 其连接组别标号必须相同 2 并联运行的变压器 其变比应当相等 3 并联运行的变压器 其短路电压应当相等 其中第1条必须严格遵守 第2页 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 4 4特殊变压器 1 自耦变压器 自耦变压器的工作原理和普通双绕组变压器一样 因此变比相同 自耦变压器也称为自耦调压器 它的最大特点就是可以通过转动手柄来获得原 副边所需要的各种电压 自耦变压器的电路图符号 第2页 2 电焊变压器 电焊变压器 交流弧焊机实质是一种特殊的降压变压器 因此也称为电焊变压器 靠电弧放电的热量来融化焊条和金属以达到焊接金属的目的 交流电焊机示意图 第2页 电焊变压器必须满足下列要求 3 为了适应不同的焊接要求 要求电焊变压器的焊接电流能够在较大的范围内进行调节 而且工作电流要比较稳定 1 具有较高的起弧电压 起弧电压应达到60 70V 额定负载时约为30V 2 起弧以后 要求电压能够迅速下降 同时在短路时 如焊条碰到工件上 副边输出电压为零 次级电流也不要过大 一般不超过额定值的两倍 也就是说 电焊变压器要具有陡降的外特性 第2页 电压互感器 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 电压互感器使用时 二次侧并联阻抗不得太小 否则影响测量精度 电压互感器二次侧表头额定值为标准值100V 3 仪用互感器 第2页 电流互感器 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 电流互感器二次侧所接仪表的阻抗不得大于规定值 电流互感器二次侧表头额定值为标准值5A 或1A 第2页 自耦变压器为什么不能用作安全