磁路与变压器课件.pptx
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1、磁路磁路与变压器与变压器 1 磁路的基本知识磁路的基本知识 2 交流铁心线圈电路交流铁心线圈电路 3 变压器变压器 4 电磁铁电磁铁 思考题与习题思考题与习题 1 磁路的基本知识 1.1 磁路的概念 在电工设备中,常采用导磁性能良好的铁磁材料做成一定形状的铁心,给绕在铁心上的线圈通以较小的励磁电流,就会在铁心中产生很强的磁场。相比之下,周围非磁性材料中的磁场就显得非常弱,可以认为磁场几乎全部集中在铁心所构成的路径内。这种由铁心所限定的磁场称为磁路。常见的几种电气设备的磁路如图6-1所示。磁路中的磁通可以由励磁线圈中的励磁电流产生,如图6-1(a)、(b);也可以由永久磁铁产生,如图6-1(c)
2、。磁路中可以有气隙,如图6-1(b)、(c);也可以没有气隙,如图6-1(a)。图6-1 几种常见电气设备的磁路(a)变压器;(b)电磁铁;(c)磁电式电表(a)(b)(c)1.2 磁路欧姆定律 由铁磁材料制成的一个理想磁路(无漏磁)如图6-2所示,若线圈通过电流I,则在铁心中就会有磁通通过。实验表明,铁心中的磁通与通过线圈的电流I、线圈匝数N以及磁路的截面积S成正比,与磁路的长度l成反比,还与组成磁路的铁磁材料的磁导率成正比,即mRFSlNISlNI(6-1)式(6-1)在形式上与电路的欧姆定律(I=E/R)相似,被称为磁路欧姆定律。磁路中的磁通对应于电路中的电流;磁动势F=NI反映通电线圈
3、励磁能力的大小,对应于电路中的电动势;磁阻 对应于电路中的电阻 ,是表示磁路材料对磁通起阻碍作用的物理量,反映磁路导磁性能的强弱。对于铁磁材料,由于不是常数,故Rm也不是常数。因此,式(6-1)主要被用来定性分析磁路,一般不能直接用于磁路计算。SlRm)(SlR图6-2 铁磁材料的理想磁路lSNI 对于由不同材料或不同截面的几段磁路串联而成的磁路,如有气隙的磁路,磁路的总磁阻为各段磁阻之和。由于铁心的磁导率比空气的磁导率0大许多倍,故即使空气隙的长度l0很小,其磁阻Rm仍会很大,从而使整个磁路的磁阻大大增加。若磁动势F不变,则磁路中空气隙越大,磁通就越小;反之,如线圈的匝数N一定,要保持磁通不
4、变,则空气隙越大,所需的励磁电流I也越大。1.3 铁磁材料 根据导磁性能的不同,自然界的物质可分为两大类:一类称为铁磁材料,如铁、钢、镍、钴及其合金和铁氧体等材料,这类材料的导磁性能好,磁导率很高;另一类为非铁磁材料,如铝、铜、纸、空气等,这类材料的导磁性能差,磁导率很低。任意一种物质导磁性能的好坏常用相对磁导率r来表示,即0r 其中,为任意一种物质的磁导率,0为真空的磁导率,其值为常数 0=410-7 H/m 非铁磁材料的相对磁导率大多接近于1,铁磁材料的相对磁导率可达几百、几千,甚至几万,是制造变压器、电机、电器等各种电工设备的主要材料。铁磁材料的磁性能主要包括高导磁性、磁饱和性和磁滞性。
5、1 高导磁性 在铁磁材料的内部存在许多磁化小区,称为磁畴,每个磁畴就像一块小磁铁。在无外磁场作用时,各个磁畴排列混乱,对外不显示磁性。随着外磁场的增强,磁畴逐渐转向外磁场的方向,呈有规则的排列,显示出很强的磁性,这就是铁磁材料的磁化现象,如图6-3所示。非铁磁材料没有磁畴结构,所以不具有磁化特性。图6-3 铁磁材料的磁化(a)磁化前;(b)磁化后外磁场(a)(b)2磁饱和性 当外磁场(或励磁电流)增大到一定值时,其内部所有的磁畴已基本上均转向与外磁场方向一致的方向上,因而再增大励磁电流其磁性也不能继续增强,这就是铁磁材料的磁饱和性。铁磁材料的磁化特性可用磁化曲线即B=f(H)曲线来表示。铁磁材
6、料的磁化曲线如图6-4中的曲线所示,它不是直线。在Oa段,B随H线性增大;在ab段,B增大缓慢,开始进入饱和;b点以后,B基本不变,为饱和状态。铁磁性材料的不是常数,如图6-4中的曲线所示。非磁性材料的磁化曲线是通过坐标原点的直线,如图6-4中的曲线所示。图6-4 磁化曲线 OBab123B f(H)f(H)B0 f(H)H图6-5 铁磁材料的磁滞回线 BrO HcHcHBr 3磁滞性 实际工作时,如果铁磁材料在交变的磁场中反复磁化,则磁感应强度B的变化总是滞后于磁场强度H的变化,这种现象称为铁磁材料的磁滞现象,磁滞回线如图6-5所示。由图可见,当H减小时,B也随之减小,但当H=0时,B并未回
7、到零值,而是B=Br,Br称为剩磁感应强度,简称剩磁。若要使B=0,则应使铁磁材料反向磁化,即使磁场强度为-Hc。Hc称为矫顽磁力,它表示铁磁材料反抗退磁的能力。铁磁材料按其磁性能又可分为软磁材料、硬磁材料和矩磁材料三种类型。软磁材料的剩磁和矫顽磁力较小,磁滞回线形状较窄,但磁化曲线较陡,即磁导率较高,适用于做变压器、电机和各种电器的铁心。软磁材料包括如纯铁、硅钢片、坡莫合金等。硬磁材料的剩磁和矫顽磁力较大,磁滞回线形状较宽,适用于制作永久磁铁。硬磁材料包括碳钢、钴钢及铁镍铝钴合金等。矩磁材料的磁滞回线近似于矩形,剩磁很大,接近饱和磁感应强度,但矫顽磁力较小,易于迅速翻转,常在计算机和控制系统
8、中用作记忆元件。矩磁材料包括镁锰铁氧体及某些铁镍合金等。2 交流铁心线圈电路 2.1 电磁关系 图6-6是交流铁心线圈电路,线圈的匝数为N,线圈电阻为R。将交流铁心线圈的两端加交流电压u,在线圈中就产生交流励磁电流i,在交变磁动势iN的作用下产生交变的磁通。绝大部分磁通通过铁心,称为主磁通,但还有很小一部分从附近的空气中通过,称为漏磁通。图6-6 交流铁心线圈电路 iuee 这两种交变的磁通都将在线圈中产生感应电动势,即主磁电动势e和漏磁电动势e,它们与磁通的参考方向之间符合右手螺旋法则,如图6-6所示。根据基尔霍夫电压定律可得铁心线圈的电压平衡方程为 u=iR-e-e (6-3)用相量表示,
9、则可写成 E-E-RIU(6-4)由于线圈电阻上的压降iR和漏磁电动势e都很小,与主磁电动势e比较均可忽略不计,故上式又可写为 E-U(6-5)设主磁通=m sint,由电磁感应定律,在规定的参考方向下,有)90sin()90sin(2cos)sin(tEtfNtNdttdNdtdNemmmm 式中,Em=2fNm是主磁通电动势的最大值,其有效值为mmmfNfNEE44.4222(6-6)用相量表示则为mfNjE44.4(6-7)又由式(6-5)可知,有效值 UE=4.44fNm (6-8)式中,U的单位为伏(V),f的单位为赫兹(Hz),m的单位为韦伯(Wb)。上式表明,在忽略线圈电阻及漏磁
10、通的条件下,当线圈匝数N、电源频率f及电源电压U一定时,主磁通的最大值m基本保持不变。这个结论对分析交流电机、电器及变压器的工作原理十分重要。2.2 功率损耗 交流铁心线圈电路中,除了在线圈电阻上有功率损耗外,铁心中也会有功率损耗。线圈上损耗的功率I2R称为铜损,用PCu表示;铁心中损耗的功率称为铁损,用PFe表示。铁损又包括磁滞损耗和涡流损耗两部分。1磁滞损耗 铁磁材料交变磁化,由磁滞现象所产生的铁损称为磁滞损耗,用Ph表示。它是由铁磁材料内部磁畴反复转向,磁畴间相互摩擦引起铁心发热而造成的损耗。可以证明,铁心中的磁滞损耗与该铁心磁滞回线所包围的面积成正比,同时,励磁电流频率f越高,磁滞损耗
11、也越大。当电流频率一定时,磁滞损耗与铁心磁感应强度最大值的平方成正比。为了减小磁滞损耗,应采用磁滞回线窄小的软磁材料。例如变压器和交流电机中的硅钢片,其磁滞损耗就很小。2涡流损耗 铁磁材料不仅有导磁能力,同时也有导电能力,因而在交变磁通的作用下铁心内将产生感应电动势和感应电流,感应电流在垂直于磁通的铁心平面内围绕磁力线呈旋涡状,如图6-7所示,故称为涡流。涡流使铁心发热,其功率损耗称为涡流损耗,用Pe表示。图6-7 铁心中的涡流 ii(a)ii(b)为了减小涡流损耗,当线圈用于一般工频交流电时,可将硅钢片叠成铁心,如图6-7(b)所示,这样将涡流限制在较小的截面内流通。因铁心含硅,电阻率较大,
12、也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0.35 mm和0.5 mm的硅钢片叠成。对高频铁心线圈,常采用铁氧体铁心,其电阻率很高,可大大降低涡流损耗。涡流也有其有利的一面,可利用其热效应来冶炼金属,如中频感应炉就是利用几百赫兹的交流电在被熔炼金属中产生的涡流进行冶炼的。可以证明,涡流损耗与电源频率的平方及铁心磁感应强度最大值的平方成正比。综上所述,交流铁心线圈工作时的功率损耗为 P=PCu+PFe=PCu+Ph+Pe (6-9)3 变 压 器 变压器是根据电磁感应原理制成的一种电气设备,它具有变压、变流和变阻抗的作用,因而在各个工程领域获得广泛应用。在电力系统中进行远距离输
13、电时,线路损耗Pl与电流的平方I2和线路电阻Rl的乘积成正比。当输送的电功率一定时,电压越高,电流就越小,输电线路上的损耗就越小,这样不仅可以减小输电导线截面,节省材料,而且还可以减少功率损耗。因此,电力系统中均采用高电压进行电能的远距离输送,如35 kV、110 kV、220 kV、330 kV和500 kV等。图6-8是输配电系统示意图,图中发电机的电压通常为310.5 kV,用升压变压器将电压升高到35500 kV进行远距离输电。当电能送到用电地区后,再用降压变压器将电压降低到较低的配电电压(一般为10 kV),分配到各工厂、用户。最后再用配电变压器将电压降低到用户所需的电压等级(如38
14、0 V/220 V),供用户使用。图6-8 输配电系统示意图 发电厂工厂6.310.5 kV35500 kV610 kV380 V/220 VG发电机升压变压器输电线降压变压器高压配电线降压变压器低压配电线发电厂区域变电所工厂(用户)在电子线路中,变压器可以使负载获得适当电压等级的电源,还可用来传递信号和实现阻抗匹配。变压器的种类很多,按交流电的相数不同,分为单相变压器和三相变压器;按用途分为输配电用的电力变压器,调节电压用的自耦变压器,测量电路用的仪用互感器以及电子设备中常用的电源变压器、耦合变压器、脉冲变压器等。3.1 变压器的结构 变压器由铁心和绕组两个基本部分组成,另外还有油箱等辅助设
15、备,现分别介绍如下。1 铁心 铁心构成变压器的磁路部分。变压器的铁心大多用0.350.5 mm厚的硅钢片交错叠装而成,叠装之前,硅钢片上还需涂一层绝缘漆。交错叠装即将每层硅钢片的接缝错开,这样可以减小铁心中的磁滞和涡流损耗。图6-9为几种常见铁心的形状。图6-9 变压器的铁心(a)口型;(b)EI型;(c)F型;(d)C型(a)(b)(c)(d)2 绕组 绕组构成变压器的电路部分。绕组通常用绝缘的铜线或铝线绕制,其中与电源相连的绕组称为原绕组(又称原边或初级);与负载相连的绕组称为副绕组(又称副边或次级)。一般小容量变压器的绕组用高强度漆包线绕制而成,大容量变压器可用绝缘扁铜线或铝线绕制。绕组
16、的形状有筒型和盘型两种,如图6-10所示。筒型绕组又称同心式绕组,原、副绕组套在一起,一般低压绕组在里面,高压绕组在外面,这样排列可降低绕组对铁心的绝缘要求。盘型绕组又称交叠式绕组,原、副绕组分层交叠在一起。图6-10 变压器的绕组(a)筒型;(b)盘型低压绕组高压绕组(a)(b)按铁心和绕组的组合结构,通常又把变压器分为心式和壳式两种,如图6-11所示。心式变压器的绕组套在铁心柱上,结构较简单,绕组的装配和绝缘都比较方便,且用铁量少,因此多用于容量较大的变压器,如电力变压器。壳式变压器的铁心把绕组包围在中间,故不要专门的变压器外壳,但它的制造工艺复杂,用铁量较多,常用于小容量的变压器中,如电
17、子线路中的变压器多采用壳式结构。图6-11 变压器的结构形式 (a)心式;(b)壳式铁心绕组(a)(b)除了铁心和绕组外,变压器还有其他一些部件,例如电力变压器的铁心和绕组通常浸在油箱中,变压器油有绝缘和散热作用,为增强散热作用,油箱外还装有散热油管;此外,油箱上还装有为引出高低压绕组而使用的高低压绝缘套管,以及防爆管、油枕、调压开关、温度计等附属部件。3.2 变压器的原理和作用 图6-12是一台单相变压器的空载运行原理图。它有两个绕组,为了分析方便,将原绕组和副绕组分别画在两边,其中原绕组的匝数为N1,副绕组的匝数为N2。图6-12 变压器的空载运行 N1N2u1e1i10i20u20e2
18、1 电压变换原理(变压器空载运行)变压器的原绕组接交流电压u1,副边开路,这种运行状态称为空载运行。这时副绕组中的电流为零,电压为开路电压u20,原绕组通过的电流为空载电流i10,该电流就是励磁电流,如图6-12所示。各量的方向按习惯参考方向选取,e1、e2与符合右手螺旋法则。由于副边开路,这时变压器的原边电路相当于一个交流铁心线圈电路。其磁动势i10N1在铁心中产生主磁通,主磁通通过闭合铁心,在原、副绕组中分别感应出电动势e1、e2。根据电磁感应定律可得 根据2节中对交流铁心线圈的分析,由式(6-7)和(6-8)可知 U1 E1=4.44fN1m U20E2=4.44fN2m dtdNedt
19、dNe2211(6-10)(6-11)式中,f为交流电源的频率,m为主磁通的最大值。由式(6-11)可得KNNfNfNEEUUmm21212120144.444.4(6-12)上式表明,变压器空载运行时,原、副绕组上电压的比值等于两者的匝数比,这个比值K称为变压器的变压比或变比。当原、副绕组匝数不同时,变压器就可以把某一数值的交流电压变换为同频率的另一数值的电压,这就是变压器的电压变换作用。当K1时,变压器为降压变压器;当K1时,为升压变压器。例6-1 某单相变压器接到电压U1=380 V的电源上,已知副边空载电压U20=19 V,副绕组匝数N2=100匝,求变压器变比K及N1。解 匝2000
20、10020201938021201NKNUUK 例6-2 有一台10 000 V/230 V的单相变压器,其铁心截面积S=120 cm2,磁感应强度的最大值Bm=1T,当高压绕组接到f=50 Hz的交流电源上时,求原、副绕组的匝数N1、N2各为多少?解 铁心中磁通的最大值 m=BmS=112010-4=0.012 Wb 原绕组的匝数应为 匝3754012.05044.41000044.411mfUN 副绕组的匝数应为 匝86230/100003754/21112UUNKNN 2 电流变换原理(变压器负载运行)变压器的原绕组接交流电压u1,副绕组接负载|Z|,变压器向负载供电,这种运行状态称为负
21、载运行,如图6-13所示。负载运行后原边电流由i10增大到i1,副边的电流为 i2。u1e1i1i2u2e2N1N2|ZL|图6-13 这时U2稍有下降,这是因为副绕组接上负载后,原、副边电流i1、i2均比空载时增大了,原、副绕组本身的内部压降也要比空载时增大,故副绕组电压U2会比E2低一些。但一般变压器内部压降小于额定电压的10%,因此变压器有无负载对电压比影响不大,可以认为负载运行时变压器原、副绕组的电压比仍基本等于原、副绕组的匝数之比。变压器负载运行时,由于i2形成的磁动势i2N2对磁路也产生影响,故这时铁心中的主磁通是由i1N1和i2N2共同产生的。又由式U1E1=4.44fN1m可知
22、,当电源的电压和频率一定时,铁心中磁通最大值m也保持不变,因而从空载状态到负载状态,磁动势应保持不变,即1102211NININI(6-13)由于变压器的空载电流 很小,一般只有额定电流的百分之几,因此当变压器额定运行时,可忽略不计,于是10I110NI 2211NINI(6-14)可见,变压器负载运行时,原、副绕组的磁动势方向相反,即 对 有去磁作用。也就是说,当副边电流I2增大时,使铁心中的主磁通减小,这时原边电流I1必然增加,以保持主磁通基本不变,所以副边电流变化时,原边电流也会相应变化。只考虑原、副绕组电流有效值,由式(6-14)可得22NI11NIKNNII11221(6-15)上式
23、说明,变压器负载运行时,其原绕组和副绕组电流有效值之比近似等于它们的匝数比的倒数,即变比的倒数,这就是变压器的电流变换作用。例6-3 已知一单相变压器原、副绕组匝数N1=1000,N2=200,原边电流I1=2 A,副边电压U2=50 V,负载为纯电阻,若忽略变压器的漏磁和损耗,求变压器的原边电压U1、副边电流I2和输入功率、输出功率。5200100021NNK 故原边电压为 U1=KU2=550=250 V 副边电流为 I2=KI1=52=10 A 输入功率为 P1=U1I1=2502=500 W 输出功率为 P2=U2I2=5010=500 W 由此可见,当变压器的功率损耗忽略不计时,它的
24、输入功率与输出功率相等,符合能量守恒定律。3 阻抗变换原理 由以上分析可知,虽然变压器的原、副绕组之间只有磁耦合关系,没有电的直接关系,但实际上原绕组的电流I1会随着副绕组上负载阻抗ZL的大小而变化,|Z|减小,则I2=U2/|Z|增大,I1=I2/K也增大。因此,从原边电路来看,我们可以设想它存在一个等效阻抗ZL,ZL 能反映副边负载阻抗ZL的大小发生变化时对原绕组电流I1的作用。图6-14中点划线框内的电路可用另一个阻抗ZL 来等效代替。所谓等效,就是它们从电源吸取的电流和功率相等。当忽略变压器的漏磁和损耗时,等效阻抗可由下式求得:LLZKIUKIKKUIUZ222222111(6-16)
25、式(6-16)说明,接在变压器副边的负载阻抗|Z|反映到变压器原边的等效阻抗是|ZL|=K2|Z|,即扩大K2倍,这就是变压器的阻抗变换作用。图6-14 变压器的阻抗变换 i1u1N1N2i2u2|ZL|i1u1变压器电路等效电路|Z|L 变压器的阻抗变换作用常应用于电子电路中。例如,收音机、扩音机中扬声器的阻抗一般为几欧或几十欧,而其功率输出级要求负载阻抗为几十欧或几百欧才能使负载获得最大输出功率,这叫做阻抗匹配。实现阻抗匹配的方法就是在电子设备功率输出级和负载之间接入一个输出变压器,适当选择变比以获得所需的阻抗。例6-4 某交流信号源的电动势E=100 V,内阻R0=500,负载电阻 RL
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