王敏《电工学》第6章变压器2014.ppt
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1、第六章变压器,2,主要内容,6.1 磁 路,6.2 铁心线圈电路,6.3 变压器分类与结构,6.4 变压器的工作原理,6.6 三相变压器与自耦变压器,6.5 变压器的外特性及技术参数,6.7 互感器,3,6.1 磁 路,一、磁场的基本物理量,1)磁通量 :磁场中穿过某一截面积 A 的磁感线数。 单位:韦伯(Wb)。,磁场是由电流产生的,磁场用磁感线描述。,4,在数值上就是与磁场方向垂直的单位面积上通过的磁通,磁感应强度的大小不仅决定于电流的大小及导体的几何形状,而且还与导体周围的物质的磁导率有关。,3) 磁场强度 H H 是进行磁场计算引进的辅助物理量。 H 是一个矢量,其方向 B 与相同。
2、单位:安/米(A / m),5,磁场强度的大小只与电流的大小和导体的几何形状以及位置有关,而与导体周围物质的磁导率无关,H 与 B 的区别: (1) H I,与介质的性质无关。 (2) B 与电流的大小和介质的性质均有关。,H与B之间是什么关系?,激励与响应的关系,4)磁导率 是用来表示媒质导磁能力的物理量。,真空中的磁导率: 0 = 4107 H / m,自然界的物质按磁导率分类: 非磁性物质、磁性物质。,后面具体分析其性质,7,(1) 顺磁物质 例如变压器油和空气: 略大于 0 。 (2) 反磁物质 例如铜和铋: 略小于 0 。,非磁性物质: 0( 为常数),8,顺磁性物质会趋向于朝着磁场
3、较强的区域移动,即被磁场吸引;反磁性物质则会趋向于朝着磁场较弱的区域移动,即被磁场排斥;,9,磁性物质有哪些? magnetic substance,铁、钴、镍三种铁磁性元素是构成磁性材料的基本组元,在中国,磁性最早出现于一本公元前4世纪编写的书鬼谷子:“其察言也,不失若磁石之取针,舌之取燔骨”。察析这人的言词话语,就好像用磁石吸取铁针,又好像用舌尖探取炙肉中的骨头,绝对不能有所差失。,课外:钕铁硼磁铁有什么特点,11,二、物质的磁性能(自学),磁性物质的磁性能主要有以下三点。,1)高导磁性: 0,2)磁饱和性,3)磁滞性,1)高导磁性: 0,常用磁性材料的磁导率 铸钢: 1 000 0 硅钢
4、片:(6 000 7 000) 0 坡莫合金: (20 000 200 000) 0,磁性物质的高导磁性被广泛 应用于变压器和电机中。, u ,主磁通,漏磁通,铁心,励磁绕组,研究电流与它所产生的磁场的问题就可以简化为磁路的分析和计算了,12,2)磁饱和性,磁 畴,磁性物质内部形成许多小区域,其分子间存在的一种特殊的作用力使每一区域内的分子磁场排列整齐,显示磁性,称这些小区域为磁畴。,在没有外磁场作用的普通磁性物质中,各个磁畴排列杂乱无章,磁场互相抵消,整体对外不显磁性。,13,外 磁 场,初始磁化曲线,在外磁场作用下,磁畴方向发生变化,使之与外磁场方向趋于一致,物质整体显示出磁性来,称为磁化
5、。即磁性物质能被磁化。,磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。当外磁场增大到一定程度时,磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致,磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值。,14,B-H 磁化曲线的特征: Oa段:磁感应强度B 与H几乎成正比地增加; ab段:磁感应强度B 的增加缓慢下来; b点以后:磁感应强度B增加很少,达到饱和。,磁化曲线,磁性物质的磁化曲线在磁路计算上极为重要,为非线性曲线,实际中通过实验得出。,15,曲线上的a点、b点分别称为膝点、饱和点,B和与H的关系,有磁性物质存在时,B 与H不成正比,磁性物质的磁导率不是常数,随H而变。,16,工
6、程应用注意事项: 利用铁磁材料设计电感、变压器、电机时注意磁饱和性,通常要求铁磁性物质工作在a点以下,保证留有充分的裕量,如果工作时进入磁饱和区,设备发热加剧,影响设备正常运行,甚至烧毁。,3)磁滞性,磁滞回线,磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于外磁场变化的性质。,磁性材料在交变磁场中反复磁化,其B-H关系曲线是一条回形闭合曲线,称为磁滞回线,18,剩磁感应强度Br (剩磁) :当线圈中电流减小到零(H=0)时,铁心中的磁感应强度。,矫顽磁力Hc:使 B = 0 所需的 H 值。,剩磁,矫顽 磁力,磁滞回线,19,20,基本磁化曲线,选取不同值的一系列Hm 多次交变磁化,可得到一系列磁滞回
7、线。由这些磁滞回线的正顶点与原点连成的曲线称为基本磁化曲线或标准磁化曲线。,按磁性物质的磁性能,磁性材料分为三种类型: (1)软磁材料 具有较小的矫顽磁力,磁滞回线较窄。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金即铁氧体等。,21,软磁材料的应用甚广,主要用于磁性天线、电感器、变压器、磁头、耳机、继电器、振动子、电视偏转轭、电缆、延迟线、传感器、微波吸收材料、电磁铁、加速器高频加速腔、磁场探头、磁性基片、磁场屏蔽、高频淬火聚能、电磁吸盘、磁敏元件(如磁热材料作开关)等。,(2)永磁材料(硬磁材料) 具有较大的矫顽磁力,磁滞回线较宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及
8、铁镍铝钴合金等。,23,永磁材料有多种用途。 基于电磁力作用原理的应用主要有:扬声器、话筒、电表、按键、电机、继电器、传感器、开关等。 基于磁电作用原理的应用主要有:磁控管和行波管等微波电子管、显像管、钛泵、微波铁氧体器件、磁阻器件、霍尔器件等。 基于磁力作用原理的应用主要有:磁轴承、选矿机、磁力分离器、磁性吸盘、磁密封、磁黑板、玩具、标牌、密码锁、复印机、控温计等。其他方面的应用还有:磁疗、磁化水、磁麻醉等。,(3)矩磁材料 磁滞回线接近矩形,稳定性良好。在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等。,25,旋磁材料 具有独特的微波磁性,如导磁率的张量特性、法拉
9、第旋转、共振吸收、场移、相移、双折射和自旋波等效应。据此设计的器件主要用作微波能量的传输和转换,常用的有隔离器、环行器、滤波器(固定式或电调式)、衰减器、相移器、调制器、开关、限幅器及延迟线等,还有尚在发展中的磁表面波和静磁波器件(见微波铁氧体器件)。常用的材料已形成系列,有Ni系、Mg系、Li系、YlG系和BiCaV系等铁氧体材料;并可按器件的需要制成单晶、多晶、非晶或薄膜等不同的结构和形态。,补充:,压磁材料 这类材料的特点是在外加磁场作用下会发生机械形变,故又称磁致伸缩材料,它的功能是作磁声或磁力能量的转换。常用于超声波发生器的振动头、通信机的机械滤波器和电脉冲信号延迟线等,与微波技术结
10、合则可制作微声(或旋声)器件。由于合金材料的机械强度高,抗振而不炸裂,故振动头多用Ni系和NiCo系合金;在小信号下使用则多用Ni系和NiCo系铁氧体。非晶态合金中新出现的有较强压磁性的品种,适宜于制作延迟线。压磁材料的生产和应用远不及前面四种材料。,补充:,在电机、变压器及各种铁磁元件中常用磁性材料做成一定形状的铁心。铁心的磁导率比周围空气或其它物质的磁导率高的多,磁通的绝大部分经过铁心形成闭合通路,磁通的闭合路径称为磁路。,三、磁路欧姆定律,直流电机的磁路,交流接触器的磁路,28,式中: 是磁场强度矢量沿任意闭合路径 (常取磁通作为闭合回线)的线积分;,I 是穿过闭合回线所围面积的电流的代
11、数和。,补充:安培环路定律(全电流定律),29,Ampere circuital theorem,任意选定一个闭合回线的围绕方向,凡是电流方向与闭合回线围绕方向之间符合右螺旋定则的电流作为正、反之为负。,安培环路定律电流正负的规定:,安培环路定律将电流与磁场强度联系起来。,在均匀磁场中 Hl = IN,30,线圈匝数与电流的乘积NI ,称为磁通势(F): F = NI 磁通由磁通势产生,磁通势的单位是安培。,课外例: 环形线圈如图,其中媒质是均匀的, 试计算 线 圈内部各点的磁场强度。,解: 取磁通作为闭合回线,以 其 方向作为回线的围绕方向,则有:,31,式中:N 线圈匝数; lx=2x是半
12、径为x的圆周长; Hx 半径x处的磁场强度; NI 为线圈匝数与电流的乘积。,故得:,32,例:环形线圈如图,其中媒质是均匀的,磁导率为,试计算线圈内部各点的磁感应强度。,解:半径为x处各点的磁场强度为,故相应点磁感应强度为,由上例可见,磁场内某点的磁场强度 H 只与电流大小、线圈匝数、以及该点的几何位置有关,与磁场媒质的磁性() 无关;而磁感应强度 B 与磁场媒质的磁性有关。,33,34,铁心中:,气隙中:,根据全电流定律:,= (RmcRm0) = Rm 其中Rm = RmcRm0,Rmc、Rm0、Rm 铁心、空气隙、磁路的磁阻。,35,右边 = I = N I 或 I = F (磁通势)
13、,磁路欧姆定律:,Rm = F,或,左边 = Hc lcH0 l0 =Rm ,36,37,磁路中的气隙的影响 因为 c 0 ,所以 Rm0 Rmc,当F 一定时, 因 Rm0 的存在,使 大大减小。 若要保持 一定,则需增大磁通势 F 。,磁路与电路的比较,38,磁路分析的特点,(1)在处理电路时不涉及电场问题,在处理磁路时离不开磁场的概念;,(2)在处理电路时一般可以不考虑漏电流,在处理磁路时一般都要考虑漏磁通;,(3)磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似。由于 不是常数,其随励磁电流而变,磁路欧姆定律不能直接用来计算,只能用于定性分析;,(4)在电路中,当 E=0时,I=0;但在磁路
14、中,由于有剩磁,当 F=0 时, 不为零;,39,基本步骤(自学): (由磁通 求磁通势F=NI ),(1) 求各段磁感应强度 Bi 各段磁路截面积不同,通过同一磁通 ,故有:,(2) 求各段磁场强度 Hi 根据各段磁路材料的磁化曲线 Bi=f ( Hi) ,求B1, B2 ,相对应的 H1, H2 ,。,(3) 计算各段磁路的磁压降 (Hi li ),(4) 根据下式求出磁通势( NI ),40,课外例:一个具有闭合的均匀的铁心线圈,其匝数为300,铁心中的磁感应强度为 0.9T,磁路的平均长度为45cm,试求: (1)铁心材料为铸铁时线圈中的电流; (2)铁心材料为硅钢片时线圈中的电流。,
15、解:,(1)查铸铁材料的磁化曲线, 当 B=0.9 T 时,,(2)查硅钢片材料的磁化曲线, 当 B=0.9 T 时,,磁场强度 H=9000 A/m,则,磁场强度 H=260 A/m,则,结论:如果要得到相等的磁感应强度,采用磁导率高的铁心材料,可以降低线圈电流,减少用铜量。,41,如线圈中通有同样大小的电流0.39A,则铁心中的磁场强度是相等的,都是260 A/m。,查磁化曲线可得,,在上例(1),(2)两种情况下,如线圈中通有同样大小的电流0.39A,要得到相同的磁通 ,铸铁材料铁心的截面积和硅钢片材料铁心的截面积,哪一个比较小?,【分析】,B硅钢是B铸铁的17倍。因 =BS,如要得到相
16、同的磁通 ,则铸铁铁心的截面积必须是硅钢片铁心的截面积的17倍。,B铸铁 = 0.05T、 B硅钢 =0.9T,结论:如果线圈中通有同样大小的励磁电流,要得到相等的磁通,采用磁导率高的铁心材料,可使铁心的用铁量大为降低。,42,查铸钢的磁化曲线, B=0.9 T 时,磁场强度 H1=500 A/m,课外例: 有一环形铁心线圈,其内径为10cm,外径为15cm,铁心材料为铸钢。磁路中含有一空气隙,其长度等于0.2cm。 设线圈中通有 1A 的电流,如要得到 0.9T 的磁感应强度,试求线圈匝数。,解:,空气隙的磁场强度,铸钢铁心的磁场强度,,铁心的平均长度,磁路的平均总长度为,43,对各段有,总
17、磁通势为,线圈匝数为,磁路中含有空气隙时,由于其磁阻 较大,磁通势几乎都降在空气隙上面。,结论:当磁路中含有空气隙时,由于其磁阻较大,要得到相等的磁感应强度,必须增大励磁电流(设线圈匝数一定)。,44,45,5.2 铁心线圈电路,电磁铁:电磁铁是线圈通电后对铁磁物质产生吸 力,引起铁磁物质机械运动,把电能转换为机械 能的一种电磁元件。,图:电磁铁的结构,电磁铁的种类:直流电磁铁、交流电磁铁。 如果按照用途来划分电磁铁,主要可分成以下五种: (1)牵引电磁铁主要用来牵引机械装置、开启或 关闭各种阀门,以执行自动控制任务。 (2)起重电磁铁用作起重装置来吊运钢锭、钢材 、铁砂等铁磁性材料。 (3)
18、制动电磁铁主要用于对电动机进行制动以达 到准确停车的目的。 (4)自动电器的电磁系统如电磁继电器和接触器 的电磁系统、自动开关的电磁脱扣器及操作电磁铁等。 (5)其他用途的电磁铁如磨床的电磁吸盘以及电 磁振动器等。,46,一、直流电磁铁,U I N I ,(1) 电压与电流的关系,(2) 线圈的功率: P = R I 2,1)直流铁心线圈电路,47,直流电磁铁一般使用24V直流电压,因此需要专用直流电源。其优点是不会因铁芯卡住而烧坏(其圆筒形外壳上没有散热筋),体积小,工作可靠,允许切换频率为120次min,换向冲击小,使用寿命较长。但启动力比交流电磁铁小。,2)电磁吸力 衔铁吸合后磁阻,I
19、不变, 电磁吸力 ,48,直流电磁铁工作原理图,49,直流电磁铁的应用,一方面是它作为独立电磁元件广泛应用于各种自动装置和系统中,多是用它“牵引”其它机构完成预定的动作。 另一方面它也是许多电磁元件的主要组成部分。用电磁铁作为主要组成部分的电磁元件有各种电磁继电器、接触器、电磁阀和电磁离合器等,51,二、交流电磁铁,1)交流铁心线圈电路,u i Ni e,磁导率不是常数, 与i不是线性关系。,经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通,则X =L,= 2 f L,铁心线圈的漏磁电抗,设 = m sin t 则 e =N m cos t = N m sin(t90o),52,即Em = N m = 2N
20、 f m,实际铁心线圈电路,线圈内电阻,漏磁感抗,等效电路,当不考虑铁芯中的功率损耗时:,53,即,54,由于电阻 R 和感抗X(或漏磁通)较小,其电压降也较小,与主磁电动势 E 相比可忽略,故有:,当外施电压及其频率不变时,且线圈匝数N一定时,则主磁通的最大值几乎是不变的(恒磁通原理),思考:线圈的电抗与对应磁路的磁阻有什么关系,电感与线圈匝数的平方成正比,与磁场介质的 磁导成正比。,交流线圈的电抗 电抗 X 随着频率 f 、匝数 N 、磁阻 的变化而变化。 随着铁心磁路饱和的增加,铁心磁导率减小,相应的电抗也要减小。,磁链与磁通的一般关系_张永照,磁链的探讨_刘美希,2)功率损耗,交流铁心
21、线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种。,铜损(Pcu),在交流铁心线圈中, 线圈电阻R上的功率损耗称铜损,用Pcu 表示。,Pcu = RI2,铁损(PFe),处于交变磁通下的铁心内的功率损耗称铁损,用PFe 表示。,铁损由磁滞和涡流产生。,56,(1)磁滞损耗(Ph),单位体积内的磁滞损耗正比与磁滞回线的面积和磁场交变的频率 f。,磁滞损耗转化为热能,引起铁心发热。,减少磁滞损耗的措施: 选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁心。,57,(2)涡流损耗(Pe),涡流:交变磁通在铁心内产生感应电动势和电流,称为涡流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。,涡流损耗转化为热能,引起铁心发热。,减少涡流损耗措施:
22、,提高铁心的电阻率。铁心用彼此绝缘的钢片叠成,把涡流限制在较小的截面内。,58,59,即有功功率损耗: P = PCuPFe,铜耗,铁损耗,= RI2 +( PhPe ),磁滞损耗 :磁性材料被交 变磁化时消耗的能量,涡流在铁芯内所产生的功率损耗,因此大容量的变压器需要采取各种相应的冷却措施。,例1: 有一交流铁心线圈,电源电压 U= 220 V电路中电流 I=4 A,功率表读数P=100W,频率f=50Hz,漏磁通和线圈电阻上的电压降可忽略不计,试求:(1)铁心线圈的功率因数;(2)铁心线圈的等效电阻和感抗。,解:,(1),(2) 铁心线圈的等效阻抗模为,等效电阻为,等效感抗为,60,课外例
23、1: 要绕制一个铁心线圈,已知电源电压 U= 220 V,频率 f=50Hz ,今量得铁心截面为30.2 cm2,铁心由硅钢片叠成,设叠片间隙系数为0.91 (一般取0.90.93)。(1)如取 Bm=1.2T,问线圈匝数应为多少? (2)如磁路平均长度为 60cm,问励磁电流应多大?,铁心的有效面积为,(1)线圈匝数为,(2)查磁化曲线图,B=1.2T时,=700 ,则,解:,61,62,(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。,3)电
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