磁路与变压器2磁性材料的磁性能课件.ppt

1、第四章第四章 磁路与变压器磁路与变压器4.1 磁路的基本概念磁路的基本概念（1）磁感应强度4.1.1 磁场的基本物理量磁场的基本物理量 磁感应强度 B 是表达磁场内某点磁场强弱及方向的一个矢量物理量，磁场上任意点的切线方向就是该点的磁感应强度的方向，磁感应方向与电流方向满足右手螺旋定则。磁感应强度 B 的数值可用垂直于磁场的通电导体所受力的大小来衡量，公式为：ii（a）直导线（b）螺线管（c）环形线圈第四章第四章 磁路与变压器磁路与变压器FBlI 式中，l 为磁场中通电导体达到长度，单位米（m）；I 为导体中流过的电流，单位安（A）；F 为导体所受的磁场力的大小，单位牛（N）；B 为磁感应强度

2、，单位特【斯拉】（T）或高斯（Gs）；其中4110TGs（2）磁通=BS 在均匀（磁场个点的磁感应强度大小相等、方向相同）磁感中，磁感应强度 B 与垂直于 B 的某一截面的乘积，称为通过该截面的磁通 ，即 常把磁通称为磁通量，磁感应强度称为磁通密度（磁密）。磁通的单位为韦（Wb）,即伏秒，在电磁单位制中常用麦克斯韦（Mx）,其中8110WbMx第四章第四章 磁路与变压器磁路与变压器（3）磁场强度 磁场强度 H 是表征磁场的另一个矢量物理量，它表示励磁电流 I 在空间产生的磁化力，其单位是安/米（A/m）,H 与 I 满足：HdlI（4）磁导率 磁导率 u 是表示介质导磁能力的物理量，其单位是亨

3、/米（H/m）。u 与 H 的乘积就是磁感应强度 B，即=HB 各种物质都有自己的磁导率，真空的磁导率为 是任一种物质的磁导率 和真空的磁导率 的比值，称为该物质的相对磁导率 ，即：70=410/Hm0r0r第四章第四章 磁路与变压器磁路与变压器4.1.2 磁性材料的磁性能磁性材料的磁性能 当铁心线圈的励磁电流 I 不断变化时，磁性材料被磁化产生磁感应强度 B，也是不断变化的，其中 B 和 H 的变化曲线如下图（b），此曲线称为 B-H 磁化曲线。（1）磁化曲线及其磁饱和性+IRHBOab1H2H1BmB（b）研究磁化的实验装置（b）磁化曲线Oa 段是线性段ab 段是膝部第四章第四章 磁路与变

4、压器磁路与变压器（2）高导磁性（b）有外磁场情况（a）无外磁场情况 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 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 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磁畴是怎么磁畴是怎么形成的？形成的？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第四章第四章 磁路与变压器磁路与变压器（3）磁滞回线及其磁滞性 在铁心反复交变磁化的情况下，表示 B 和 H 变化关系的闭合曲线abcdef 称为磁滞回线，铁心中保留

5、的磁感应强度称为剩磁感应强度，B=0时 H 的值称为矫顽磁力 H。BrBmHmHH剩磁剩磁矫顽力矫顽力cHcHrBabcdefmBmB 磁滞性：当铁心线圈中通入交流电时，随着与电流成正比的磁场强度H 的交变，磁感应强度 B 将沿着图示闭合曲线变化。这种磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁滞性。磁滞回线第四章第四章 磁路与变压器磁路与变压器根据磁性材料的磁滞回线，可以将磁性材料分为以下三种类型：铁磁材料软磁材料硬磁材料矩磁材料易磁化易退磁较小矫顽力磁滞回线窄电机、变压器、继电器、电表的铁心磁滞回线较宽较大矫顽力剩磁很大永久磁铁较小矫顽力较大剩磁磁滞回线矩形稳定性好记忆元件、开关元件、逻辑元件

6、第四章第四章 磁路与变压器磁路与变压器（a）软磁材料的磁滞回线BH0软磁性材料磁滞回线包围的面积很小。BH0硬磁性材料磁滞回线包围的面积很宽大。BH0（b）硬磁材料的磁滞回线（c）矩磁材料的磁滞回线矩磁性材料磁滞回线呈矩形。第四章第四章 磁路与变压器磁路与变压器4.1.3 磁路及其基本定律磁路及其基本定律（1）磁路由磁性材料构成，并能使绝大部分磁感线通过的闭合路径称为磁路。+(a)电磁铁的磁路 (b)变压器的磁路 (c)直流电机的磁路（2）安培环路定律（全电流定律）第四章第四章 磁路与变压器磁路与变压器 在磁路中，沿任一闭合路径，磁场强度的线积分等于该闭合回路径交链的电流的代数和，表示为：Hd

7、lI 如果磁场时均匀的，上式可以写为：HlINI 其中，N 为线圈的匝数，l 为磁路的平均长度（3）磁路欧姆定律 由均匀磁场构成的磁路称为均匀磁路，对于环形线圈，有：=BlNI HllS或=mNISFlR式中，称为磁阻，是反映磁路对磁通阻碍作用的物理量，F=NI 称为磁动势，F 的单位是安匝，磁通就是由 F 产生的。注意的是，不是常数。=/()mRlSmR第四章第四章 磁路与变压器磁路与变压器4.2 变压器变压器（1）变压器的结构原理与工作原理4.2.1 变压器的结构原理与功能变压器的结构原理与功能 变压器：将某一电压值的交流电变换成同一频率的另一电压值的电气设备；其主要作用有：变换电压、变换

8、电流、变换阻抗。按照其种类不同可以分为：电力变压器、整流变压器、调压器、互感器等。变压器闭合铁心（构成磁路）线圈绕组（构成电路）变压器一般有两个绕组，与电源相连的绕组称为一次绕组（元绕组、初级绕组），与负载相连的绕组称为二次绕组（副绕组、次级绕组），匝数分别为12NN、第四章第四章 磁路与变压器磁路与变压器1u 11i1e1eLZ22e2e1N2N2i2u+变压器原理图（2）变压器的变压、变流、变阻抗作用（a）空载运行与电压变换20i变压器一次绕组接电源，二次绕组开路，这种状况称为变压器的空载运行，如下页图（a）、（b），此时二次电流 ，一次电流 （很小），称为空载电流（励磁电流）。10ii第

9、四章第四章 磁路与变压器磁路与变压器1u 1e2e1N2N2u+0i+1e1u2e2u0i（a）原理图（b）等效电路根据 KVL，一次绕组的电压方程为1111 0 ueeri很小很小忽略忽略所以化简为1111=cos mdueNNtdt112sin(90)=sin(90)mmfNtEt第四章第四章 磁路与变压器磁路与变压器同理，对二次绕组，有2222=cosmdueNNtdt222sin(90)=sin(90)mmfNtEt式中 分别是 的最大值，而一次、二次电压有效值 分别为12mmEE、12ee、120UU、11114.442mmEUEfN22224.442mmEUEfN所以一次、二次电压

10、之比111222UENkUEN第四章第四章 磁路与变压器磁路与变压器 上式中，k 称为变压器的变比，亦一次绕组、二次绕组的匝数比。当 k1,称降压变压器，而 k1 称升压变压器。二次绕组的额定电压与额定电流的乘积称为变压器（单项）的容量，即视在功率2211NNNNNSUIUI（b）负载运行与电流变换 当变压器一次绕组加额定电压，二次绕组接负载，变压器就处于负载运行状态。当变压器处于负载状态时，由一次、二次绕组磁动势 共同产生，所以m1 01 12 2N iN iN i1 12 2N iN i 由于空载电流一般很小，在变压器接近满载时，远小于 和 ，常可忽略，因此，有效值关系为 ，即1 0N I

11、1 1N I22N I1 0N I1 122N IN I第四章第四章 磁路与变压器磁路与变压器12211ININk 即，变压器一次、二次电流之比近似等于它们的匝数比的倒数。必须指出，变压器的一次电流 是由二次电流 的大小来决定的。1I2I（c）阻抗变换+1u+2u1i2iLZLZ+1u1i（a）原电路（b）等效电路第四章第四章 磁路与变压器磁路与变压器由上式可知而2122122=/UkUUkIIkI1212=,LLUUZZII所以2 LLZkZ上式如用相量表示，不难证明2 LLZk Z（1）变压器的外特性4.2.2 变压器的外特性与效率变压器的外特性与效率 当电压 和负载功率因数 为常数时，和

12、 的变化关系曲线 称为变压器的外特性曲线。1U2cos2U2I22()Uf I第四章第四章 磁路与变压器磁路与变压器2U2I02NI20Ucos1cos1（电感性负载）从空载到额定负载，二次电压的变化程度用电压变化率表示U，即20220100%UUUU222100%NNUUU（2）变压器的效率PCuPFeP221122=I RI R=hePP总损耗电路中磁路中（可变损耗）（不变损耗）一次绕组一次绕组二次绕组二次绕组磁滞磁滞涡流涡流第四章第四章 磁路与变压器磁路与变压器 变压器的输出功率和输入功率之比称为变压器的效率，通常用百分比表示为2212100%100%FeCuPPPPPP 一般情况下：小

13、型变压器效率在75%80%，大型变压器效率在95%以上。Om ax变压器的效率曲线第四章第四章 磁路与变压器磁路与变压器（1）自耦变压器4.2.3 特殊用途变压器特殊用途变压器一次、二次绕组共用同一个绕组的变压器称为自耦变压器。+1U1I1N2N2I+2U负载1112022UENkUEN12211ININk（2）电压互感器 电压互感器的一次侧并联接在待测的电路上，二次侧接在电压表上，一般所测的二次侧额定电压通常低于100V。第四章第四章 磁路与变压器磁路与变压器1N1uLZV2N2u N1（匝数多）N2（匝数少）电压互感器实物图电压互感器原理图 使用时，电压互感器的二次侧必须接地，且不能短路。被测电压=电压表读数 N1/N2第四章第四章 磁路与变压器磁路与变压器（3）电流互感器电流互感器实物图电流互感器原理图1.使用时，二次绕组不允许开路，防止产生高压（被测大电流）N1（匝数少）N2（匝数多）ARi1i2被测电流=电流表读数 N2/N12.铁心、低压绕组的一端接地，以防绝缘损坏时发生危险