电子技术电子课件教案- 磁路与变压器

1、第8章 磁路与变压器 第 8 章 磁路与变压器 课堂讨论 8.8 特殊变压器 8.7 三相变压器 8.5 变压器的根本结构与额定值 8.1 磁场的根本物理量 8.3 磁路及其根本定律 8.2 物质的磁性能 8.4 铁心线圈电路与电磁铁 8.6 变压器的工作原理 下一章 上一章 返回主页LFChun 制作一、磁感应强度 磁感应强度 B 是一个矢量。磁感应强度 B 的大小2. 磁感应强度 B 的方向 与产生磁场的电流的方向符合右手螺旋定那么。3. 均匀磁场 磁场中各点 B 的大小相等、方向相同的磁场。 8.1 磁场的根本物理量第8章 磁路与变压器F l I B = （T） F 电磁力。 l 载流导

2、体的长度。 I 通过导体的电流。 LFChun 制作二、磁通 磁场是用磁感线来描述的。 磁通 是通过某给定曲面总磁感线的条数。 8.1 磁场的根本物理量 磁通密度 SB = 关于单位 韦伯 (Wb) 。 B 特斯拉 (T)，1 T = 1 Wb/m2 。 LFChun 制作三、磁场强度 磁场强度 H 是一个矢量。 1. 安培环路定律 8.1 磁场的根本物理量 电流的方向与积分路径的绕行方向符合右螺旋 定那么的电流取正，反之取负。 H 的单位：安/米A / m。2. H 与 B 的区别 H I，与介质的性质无关。 B 与电流的大小和介质的性质均有关。H dl = I LFChun 制作四、磁导率

3、 磁导率 是用来表示媒质磁性的物理量。 8.1 磁场的根本物理量 BH = （H / m） 真空中的磁导率 0 = 4107 H / m 相对磁导率 0 r = B B0 = LFChun 制作8.2 物质的磁性能 物质按磁导率分类：非磁性物质、磁性物质。 一、非磁性物质 0 为常数 r11. 顺磁物质 例如空气： 略大于 0 。2. 反磁物质 例如铜： 略小于 0 。第8章 磁路与变压器B HO 磁化曲线 LFChun 制作二、磁性物质铁磁物质 1. 高导磁性 0 ，r 1 常用磁性材料的磁导率 铸钢： 1 000 0 硅钢片：(6 000 7 000) 0 玻莫合金： (20 000 20

4、0 000) 0 磁性物质具有被强烈磁化的特点8.2 物质的磁性能 磁畴磁化前 磁畴磁化后 外磁场磁畴杂乱无章地排 列，对外不呈磁性 磁化磁场与 外磁场同方向 内部 B 很强 LFChun 制作u i主磁通 漏磁通 8.2 物质的磁性能 磁性物质的高导磁性被广泛应用于变压器 和电机中。铁心 励磁绕组 由于铁心的高导磁性， 通过铁心中的主磁通 远远大于漏磁通。 LFChun 制作2. 磁饱和性 不是常数。B HO 初始磁化曲线 8.2 物质的磁性能 H O 与 H 关系 LFChun 制作3. 磁滞性 剩磁 HmHm 矫顽 磁力 Hc Hc B HOBrBr 磁滞回线BHO 根本磁化曲线 8.2

5、 物质的磁性能 常用磁性材料的剩磁和矫顽磁力 铸钢： Br = 0.475 0.5 T，Hc = 880 1040 A/m 硅钢片： Br = 0.8 1.2 T， Hc = 32 64 A/m 玻莫合金：Br = 1.1 1.4 T ， Hc = 4 14 A/m LFChun 制作4. 磁性物质的分类 8.2 物质的磁性能 (1) 硬磁物质 BH 曲线宽，Br 大、Hc 大。 用于制造永磁铁。(2) 软磁物质 BH 曲线窄， Br 小、Hc 小。 用于制造变压器、电机等电器的铁心。(3) 矩磁物质 BH 曲线形状接近矩形， Br 大、Hc 小。 用于计算机中，作记忆单元。LFChun 制作

6、8.3 磁路及其根本定律第8章 磁路与变压器一、磁路欧姆定律1 S1 l10S0l0UI 根据 B1 =S1H1 = B111 S1=B0 =S0H0 = B000 S0=铁心中：气隙中：H dl = I LFChun 制作 用于定性分析磁路， 不能用于定量计算。 左边 = H1 l1H0 l0 l00 S0 l11 S1=8.3 磁路及其根本定律 = ( ) l00 S0l11 S1 = (Rm1Rm0) = Rm 磁阻: Rm = Rm1Rm0l00 S0l11 S1=右边 = I = N I 或 I = F 因此磁路欧姆定律 Rm = F 磁动势 = FRm不是常数 LFChun 制作8

7、.3 磁路及其根本定律 磁路中的气隙的影响 1 0 Rm0 Rm1 当F 一定时， 因 Rm0 的存在，使 大大减小。 假设要保持 一定，那么需增大磁动势 F 。I1I21 2 3 二、磁路基尔霍夫定律 闭合面 1. 第一定律 312 = 0 任一闭合面： = 0LFChun 制作8.3 磁路及其根本定律 2. 第二定律根据 得出 H l = N I H l 称为磁压降。 对于以下图所示的磁路，取外围回路有 H l = H1l1H2 l2 = F1F2 取左回路有 F1 = H1l1H3 l3取右回路有 F2 = H1l1H3 l3I1I21 2 3 l1 l3 l2 H dl = N I 1

8、 2 = N1I1 N2I2 LFChun 制作8.3 磁路及其根本定律 磁路和电路的比较 磁 通 电 流 I 磁动势 F = N I 电动势 E磁导率 电导率 磁 阻 Rm = l / ( S) 电 阻 R = l / ( S) 磁压降 H l = Rm 电压降 U = R I 磁路欧姆定律 F = Rm 欧姆定律 E = RI 基尔霍夫第一定律 = 0 基尔霍夫第一定律 I = 0 基尔霍夫第二定律 H l = F 基尔霍夫第二定律 RI = E 磁 路 电 路 LFChun 制作8.4 铁心线圈电路与电磁铁 第8章 磁路与变压器一、直流电磁铁 U S N N SIF励磁 U I N I

9、URI = 电压与电流的关系 根据 I 磁化曲线 线圈的功率： P = R I 21. 直流铁心线圈电路 LFChun 制作2. 电磁吸力 F 衔铁吸合后磁阻 I 不变 F 8.4 磁路及其根本定律 电磁铁的常见结构型式 U 静铁心 衔铁 线圈 静铁心 衔铁 线圈 静铁心 衔铁 线圈 牵引杆 LFChun 制作二、交流电磁铁 u i 1. 交流铁心线圈电路Fe 励磁 u i N i ee ddt=N d dt=N didt=L (1) 电压与电流关系设 = m sin t那么 e =N m cos t = N m sin(t90o) Em = N m = 2 f N m8.4 磁路及其根本定律

10、 LFChun 制作E = 4.44 f N m 漏磁通磁路对应的电感 N iL = 漏感抗漏电抗 X =L = 2 f L U = URE E =Ej LIRI =E(Rj L ) I =EZ I 漏阻抗 E =j4.44 f Nm u i e 8.4 磁路及其根本定律 LFChun 制作U =E 忽略漏阻抗，有U4.44 f Nm= 那么 当 U 、f 一定时， m 根本不变。 (2) 功率视在功率: S = U I无功功率: Q = S sin 有功功率: P = S cos = PCuPFe 铜损 铁损 = RI2 +( PhPe )磁滞损耗 涡流损耗 8.4 磁路及其根本定律 LFC

11、hun 制作 磁滞损耗 Ph 涡流损耗 Pe 铜损耗使线圈发热， 铁损耗使铁心发热。 减小铁损耗的方法 使用软磁材料减小Ph ； 增大铁心的电阻率， 减小涡流及其损耗 ；用很薄的硅钢片叠成铁心， 减小涡流及其损耗 。(a) (b) 0.35 mm0.30 mm0.27 mm0.22 mm8.4 磁路及其根本定律 LFChun 制作铁心 (1) 变化 f 变化 电磁吸力用平均值衡量。 m 不变 Fm 不变。(2) 衔铁吸合后磁阻 起动电流 工作电流。3. 结构特点(1) 铁心和衔铁用硅钢片叠成。 (2) 加短路环消除衔铁的振动。 2. 电磁吸力 f 和励磁电流 I 的变化 m 不变 磁动势 励磁

12、电流 Of t F Fm 平均吸力 8.4 磁路及其根本定律 短路环 1 2 LFChun 制作8.5 变压器的根本结构与额定值 一、变压器的用途 变压器是一种利用电磁感应作用来改变交流电能的电压和电流等级的电气设备。 在电力系统中110、220kV 330、500kV 电能 负荷 10 kV 升压变压器远距离输电 降压变压器10kV 6kV 380V 220V 在电子线路和自动控制系统中，变压器起着信号传递、阻抗变换以及信号隔离等作用。第8章 磁路与变压器LFChun 制作二、变压器的根本结构 1. 铁心 用硅钢片叠成 分铁心柱和铁轭两局部 2. 绕组线圈 一次绕组和二次绕组 高压绕组和低压

13、绕组 11112222铁心 柱 铁 轭 铁 轭 单相芯式变压器结构图 8.5 变压器的根本结构与额定值 铁心 柱 低压绕组 高压绕组 LFChun 制作二、变压器的根本结构 1. 铁心2. 绕组线圈3. 其他 油箱、油、油枕、 保护设备等。 1122 单相壳式变压器结构图 8.5 变压器的根本结构与额定值 铁心 柱 铁 轭 铁 轭 LFChun 制作1. 按用途分类 电力变压器、配电变压器、整流变压器、 电焊变压器、船用变压器、电源变压器 2. 按相数分类 三相变压器、单相变压器。3. 按每相绕阻的个数分类 双绕阻变压器、三绕阻变压器、自耦变压器。4. 按冷却方式分类 干式变压器、油浸式变压器

14、。5. 按结构分类 芯式变压器、壳式变压器。三、变压器的分类 图例8.5 变压器的根本结构与额定值 LFChun 制作1. 额定容量 SNVA 或 kVA 即变压器的额定视在功率。2. 额定电压 U1N 和 U2N V 或 kV 各绕组在空载额定分接下端子间电压的保证值。 3. 额定电流 I1N 和 I2N A 或 kA 单相变压器： SN = U1N I1N = U2N I2N 三相变压器：4. 额定频率 fN Hz GB： fN = 50 Hz 5. 额定效率 N6. 额定温升 N四、变压器的额定值 8.5 变压器的根本结构与额定值 SN = 3 U1N I1N = 3 U2N I2N L

15、FChun 制作 u2 e1 8.6 变压器的工作原理 一、电磁关系e2e 2u1ZL 1 2 施加：u1 i1 N1 i1 1 e 1e1 e2 u2 i2 N2 i2 2 e 2 L 1 L 2 第8章 磁路与变压器i2i1e 1 LFChun 制作 变压器的等效电路 二、等效电路 8.6 变压器的工作原理 u2 e1 e2e 2u1ZL 1 2 i2i1e 1 ZLU1I1R1 jX1E1 E2 jX2 R2I2 U2 一次侧电阻和漏电抗 二次侧电阻和漏电抗 LFChun 制作三、电压变换 U1 = Z1I1E1 E1 =N1 N2E1 E2k =U2 = E2Z2I2 E2 I2 =

16、0I1 = I010% I1N U2 = U20 = E2U1E1 = = k U1U2 N1N21. 电压比 E1 = 4.44 f N1 m E2 = 4.44 f N2 m 变压器空载时 8.6 变压器的工作原理 Z1 = R1j L 1 Z2 = R2j L 2U2 = ZLI2 LFChun 制作 U1N U2N 压之比，即 k1。 规定 当 U1 = U1N 时，U20 = U2N 。 如铭牌上标注 电压 10 000 / 230 V 一般取高压绕组的电压与低压绕组的电 8.6 变压器的工作原理 一般 U2N 比满载时的电压高 5% 10% 。 LFChun 制作U2 = E2Z2

17、I2 当 U1 = U1N，cos2 不变时： U2 = f ( I2) U2 I2OU2Ncos2 =1cos2 = 0.8 (感性)cos2 = 0.8 (容性)U = U2NU2 U2N100%U = 2% 3% 2. 变压器的外特性 电压调整率 8.6 变压器的工作原理 I2N U2 LFChun 制作四、电流变换U1NE1 = 4.44 f N1m U1N4.44 f N1m N1i1 N2i2 N1i0 N1I1N2I2 = N1I0 磁动势平衡方程： I1 = I2 N2N1N1I1N2I2 = 0 8.6 变压器的工作原理 u2 e1 e2e 2u1ZL 1 2 i2i1e 1

18、 LFChun 制作(1) i1 与 i2 反相位 i10 时，i2 0，即 i2 是去磁的。 (2) i1 与 i2 的大小关系I1I2N2N1= =1k8.6 变压器的工作原理 u2 e1 e2e 2u1ZL 1 2 i2i1e 1 I1 = I2 N2N1LFChun 制作五、阻抗变换作用忽略 Z1、Z2 、I0 ，那么 U1 = U1U2I2I1 = N1N2= k| ZL | =U1I1 = kU2I2/ kU2I2= k2= k2 | ZL |8.6 变压器的工作原理 U1 = Z1I1E1 E1 U2 = E2Z2I2 E2 N1I1N2I2 = N1I0 I1I2U2|ZL |

19、ZL |U1等效LFChun 制作解：(1) 例8.1 有一台音频变压器，一次侧所接信号源的参 数为 E = 10 V，R0 = 72 ，二次侧接阻值为 8 的扬声 器 (RL)。试求 (1) 扬声器获得最大功率时, 该变压器的电压比和最大功率值；(2) 扬声器假设直接与信号源连接所获 得的功率；(3) 比较上述结果，说明变压器在信号传输中 的作用。 8.6 变压器的工作原理 E I1U2 I2RLRSN2N1U1 E I1k2RLRSU1 等效 E RSk2RL PL = k2RLI1 = k2RL( ) 2 2 LFChun 制作阻抗匹配 在什么条件下 PL 到达最大值? 通过求导，可知当

20、 k2RL = RS 时，PL = PLmax 。 8.6 变压器的工作原理 即 k = RS RL = = 3 72 8 E RSk2RL PLmax = k2RL( ) 2 = 0.694 W E2 2k2RL = (2) E RSRL PL = RL( ) 2 = 0.125 W (3) 变压器的阻抗变换起到了阻抗匹配的作用， 从而能够实现信号的最大功率传输。 LFChun 制作六、变压器的功率关系1. 一次绕组的视在功率 S1 = U1I12. 二次绕组的视在功率 S2 = U2I23. 输入功率 P1 = U1I1cos1 4. 输出功率 P2 = U2I2cos25. 变压器的损耗

21、(1) 铜损耗 可变损耗 8.6 变压器的工作原理 PCu = R1I12 + R2I22(2) 铁损耗 PFe = PhPe6. 效率 P1P2 =100%不变损耗LFChun 制作 电力变压器 当 I2 = ( 60% 80% ) I2N 时， = max 小型电力变压器 = 80% 90% 大型电力变压器 = 98% 99% 额定输出功率P2N = U2NI2Ncos2 = SN cos2 P2N = U2I2Ncos2 忽略 U 时!8.6 变压器的工作原理 LFChun 制作七、绕组的极性 U1 U2 a) 绕向相同 U1 与 u1 是同极性端 (同名端) U1 与 u2 是异极性端

22、 (异名端) u1u2U1 U2 b) 绕向相反 U1 与 u2 是同极性端 (同名端) U1 与 u1 是异极性端 (异名端) u1u28.6 变压器的工作原理 LFChun 制作a) 绕向相同 b) 绕向相反 1. 绕组极性的标注方法 8.6 变压器的工作原理 U1U2u1u2U1U2u1u2LFChun 制作110V110V220Va) 绕组的串联 110Vb) 绕组的并联 绕组的正确接法 8.6 变压器的工作原理 110V110VLFChun 制作1234(1)交流法 U13U12U34 如果 U13 = U12U34 ，如果 U13 = U12U34 ，那么 1 端与 3 端是同名端

23、。 那么 1 端与 3 端是异名端。 1 端与 4 端是同名端。2. 绕组极性的判断方法 8.6 变压器的工作原理 结论 LFChun 制作1234 U mA(2) 直流法 结论 如果毫安表正向偏转，那么 1 端与 3 端是同名端。 如果毫安表正向偏转，那么 1 端与 3 端是异名端。 8.6 变压器的工作原理 LFChun 制作8.7 三相变压器 一、三相变压器的种类 1. 三相组式变压器U1 U2u1 u2V1 V2v1 v2W1 W2w1 w2特点：三相之间只有电的联系，没有磁的联系。 第8章 磁路与变压器LFChun 制作2. 三相心式变压器 特点：三相之间既有电的联系，又有磁的联系。

24、U1U2u1u28.7 三相变压器 V1V2v1v2W1W2w1w2LFChun 制作 联结方式 高压绕组 低压绕组 星形有中性线 YN yn 星形无中性线 Y y 三角形 D dGB: Yyn、Yd、YNd、Yy、YNy二、三相绕组的联结方式最常用的三种 8.7 三相变压器 LFChun 制作a) Yyn b) Yd c) YNd 常用联结方式8.7 三相变压器 U1 V1 W1 U2 V2 W2u1 v1 w1 nu2 v2 w2v1 w1 u1 v2 w2 u2U1 V1 W1 N u2 v2 w2U1 V1 W1 U2 V2 W2v1 w1 u1 v2 w2 u2LFChun 制作8.

25、8 特殊变压器 第8章 磁路与变压器一、自耦变压器1. 结构 只有一个绕组。手柄 接线柱 可调式自耦变压器调压器 LFChun 制作2. 工作原理 I+U2I1E1E2U1 I2 I 降压自耦变压器 升压自耦变压器 N1N2忽略漏阻抗，那么= U1 U2E1 E2=N1 N2= k +U1I1E1E2 U2I28.8 特殊变压器 LFChun 制作二、三绕组变压器 1. 结构 有三个绕组和三个电压等级。低压 中压 高压 中压 低压 高压 降压变压器 升压变压器 8.8 特殊变压器 LFChun 制作2. 工作原理 = k12 U1 U2= N1 N2= k13 U1 U3= N1 N3= k2

26、3 U2 U3= N2 N3N1N3N2I1I2U1I3U2U3 三绕组变压器 (1) 各绕组间的电压关系 8.8 特殊变压器 LFChun 制作(2) 各绕组间的电流关系 在满载或接近满载时，I0 可忽略不计，那么 N1I1 + N2I2 + N3I3 = N1I0 N1I1 + N2I2 + N3I3 = 0 3. 容量 SN = U1NI1N 工作时应当保证各个绕组的视在功率不超过 其绕组容量。8.8 特殊变压器 LFChun 制作三、仪用互感器 8.8 特殊变压器 1. 电压互感器 u1 Vu1u2U1 U2=N1 N2= ku 国产互感器： U2N = 100 V(2) 使用注意 二

27、次绕组禁止短路。 二次绕组与铁心必须接地。(1) 工作原理 空载运行的降压变压器。 电压互感器 LFChun 制作 E2 2. 电流互感器 (1) 工作原理 短路运行的升压变压器。 I1 I2 =N2 N1 = ki 国产互感器： I2N = 5 A(2) 使用注意 二次绕组禁止开路。 开路时：I2 = 0，I1 不变 一次绕组工作电压较高时， 二次绕组与铁心必须接地。 Ai2i1 钳形电流表 8.8 特殊变压器 N1 N2 1 2 匝LFChun 制作第8章 磁路与变压器 壳式变压器 LFChun 制作第8章 磁路与变压器 芯式变压器 LFChun 制作第8章 磁路与变压器 S9 型 10

28、kV 三相油浸配电变压器 LFChun 制作第8章 磁路与变压器 S11 型 10 kV 卷铁心配电变压器 LFChun 制作第8章 磁路与变压器 SZ9 型 35 kV 三相油浸电力变压器 LFChun 制作第8章 磁路与变压器 SZ40000/110 型变压器 LFChun 制作第8章 磁路与变压器 SFSZ180000/220 型变压器 三绕组变压器 LFChun 制作第8章 磁路与变压器 大型变压器的内部 LFChun 制作第8章 磁路与变压器 ZQSC 型整流变压器 LFChun 制作 树脂浇注干式变压器 第8章 磁路与变压器LFChun 制作 整流变压器 第8章 磁路与变压器LFC

29、hun 制作 8.1 磁路的结构一定时，以下关于磁路磁阻的说法哪种正确？ 答： 。a. 对于结构一定的磁路，其磁阻一定是常数 b. 磁路的磁阻与工作点有关系，为非线性的c. 直流磁路的磁阻为线性的， 交流磁路的磁阻为非线性的 8.2 恒定直流电流通过电路时会在电阻中产生功率损耗，恒定磁通通过磁路时 产生功率损耗 。a. 也会 b. 不会 c. 不一定 8.3 额定电压为 UN 的交流铁心线圈能否施加大小相同的直流电压？ 答： 。a. 不能 b. 能 c. 不一定课 堂 讨 论b b a 第8章 磁路与变压器LFChun 制作 8.4 交流铁心线圈，电压的有效值不变，而将铁心的平均长度增加一倍，那么铁心中主磁通的最大值 m 怎样变化可忽略