电工电子技术基础第五章(课堂)

第5章磁路和变压器第5章磁路和变压器5.1电磁感应基础5.2变压器的用途和结构5.3特殊变压器学习目标：◆复习磁场的基本知识。◆掌握磁路的欧姆定律和磁性物质的磁化情况。◆会分析简单交流铁芯线圈电路。◆掌握变压器的运行原理及其应用。◆理解特殊变压器。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。+－(a)电磁铁的磁路(b)变压器的磁路(c)直流电机的磁路5.1电磁感应基础一、磁路的基本概念s：主磁通：漏磁通1u2uis铁心（导磁性能好的磁性材料）线圈5.1.1磁路的基本物理量电流通过N匝线圈会产生磁通势：F=INF在铁芯中激发按正弦规律变化，沿铁芯闭合的工作磁通φ。磁路的概念磁路：磁通所通过的路径.主磁通：由于铁心的导磁性能比空气要好得多，所以绝大部分磁通将在铁心内通过,这部分磁通称为主磁通。漏磁通：围绕载流线圈、部分铁心和铁心周围的空间，还存在少量分散的磁通，这部分磁通称为漏磁通。主磁路：主磁通所通过的路径。漏磁路：漏磁通所通过的路径。励磁线圈：用以激励磁路中磁通的载流线圈。励磁电流：励磁线圈中的电流直流:直流磁路•例如:直流电机••交流:交流磁路•例如:变压器二、磁感应强度（磁通密度）SB1Tesla=104高斯B的单位：特斯拉（Tesla）磁感应强度B：是表示磁场内某点磁场强弱及方向的物理量。B的大小等于通过垂直于磁场方向单位面积的磁通（磁力线数目），B的方向用右手螺旋定则确定。单位是特斯拉(T)。三、磁通磁通：穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数。磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通,故又称磁通密度。磁通的单位:韦[伯](Wb)1Wb=1V·s四、磁场强度H磁场强度是计算磁场所用的物理量，其大小为磁感应强度和导磁率之比。BH单位：B：特斯拉：亨/米H：安/米五、磁导率：表征各种材料导磁能力的物理量（亨/米）70104真空中的磁导率()为常数0一般材料的磁导率和真空中的磁导率之比，称为这种材料的相对磁导率r0r1r，则称为磁性材料1r，则称为非磁性材料一.安培环路定律（全电流律）：磁场中任何闭合回路磁场强度的线积分,等于通过这个闭合路径内电流的代数和.HI1I2I3IldH电流方向和磁场强度的方向符合右手定则，电流取正；否则取负。5.1.2磁路的基本定律HLNI在无分支的均匀磁路（磁路的材料和截面积相同，各处的磁场强度相等）中，安培环路定律可写成：磁路长度L线圈匝数NIHL：称为磁压降。NI：称为磁通势。一般用F表示。F=NIHLNI总磁通势在非均匀磁路（磁路的材料或截面积不同，或磁场强度不等）中，总磁通势等于各段磁压降之和。00lHIHNI例：INl0l对于均匀磁路LSLBHLNI磁路中的欧姆定律二.磁路的欧姆定律：则：φmRLSNIFINSL注：由于磁性材料是非线性的，磁路欧姆定律多用作定性分析，不做定量计算。slRm令：Rm称为磁阻磁路和电路的比较（一）磁路电路磁通ΦINR+_EI磁压降HL磁通势INF电压降U电动势E电流IU欧姆定律mRF磁阻SlRm磁感应强度SΦB安培环路定律HLNI0磁路IN欧姆定律电阻电流强度回路电压定律结点电流定律0IUEREISlRSIJ磁路与电路的比较(二)电路R+_EI※IUΦ直流磁路的特点:RUI（R为线圈的电阻）直流铁心线圈的功率就是线圈电阻消耗的功率，为：RIUIP2I恒定，φ恒定，e=0，电感相当于短路。5.2.1直流铁心线圈电路5.2铁心线圈励磁电流：在磁路中用来产生磁通的电流励磁电流直流-------直流磁路交流-------交流磁路一、电磁关系–+e–+e+–uNi主磁通：通过铁心闭合的磁通。漏磁通：经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通。线圈铁心u(Ni)iσddtΦNetΦNeσσdd（磁通势）tiLσddi，铁心线圈的漏磁电感常数iNΦLσσ5.2.2交流铁心线圈电路+––+–+eeuNi二、电压电流关系根据KVL:eeRiuσ设主磁通则t,sinm)90(sinmtE有效值mmm444222fN.fNEEddtΦNetNcosm由于线圈电阻R和漏磁通较小，其电压降也较小，与主磁电动势E相比可忽略，故有EUmfN44.4EUmNfU44.4uΦΦLeeimRΦINmΦ一定时磁动势IN随磁阻的变化而变化。mR当外加电压U、频率f与线圈匝数N一定时，便确定下来。根据磁路欧姆定律，当mΦ交流磁路的特点:三、功率损耗+–ui铁心线圈交流电路的有功功率为：Fe2cosPRIUIP铜损耗Pcu铁损耗PFe铁损由磁滞和涡流产生。OHBΔPCu线圈电阻R上的损耗ΔPFe处于交变磁化下的铁心的损耗（1）磁滞损耗（Ph）由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗（Ph）。单位体积内的磁滞损耗正比于磁滞回线的面积和磁场交变的频率f。(2)涡流损耗（Pe）涡流损耗:由涡流所产生的功率损耗。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。减少磁滞损耗的措施：选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁心。变压器和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。硅钢片叠成的铁心铁心线圈的磁路由高导磁硅钢片叠成厚0.35mm或0.5mm铁心减少涡流损耗措施：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。变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛。变电压：电力系统变阻抗：电子线路中的阻抗匹配变电流：电流互感器•变压器的主要功能有：在能量传输过程中，当输送功率P=UIcos及负载功率因数cos一定时：电能损耗小节省金属材料（经济）概述UIISP=I²Rl5.3变压器导线的截面积变压器的分类按用途分电力变压器(输配电用)仪用变压器整流变压器按相数分三相变压器单相变压器按制造方式壳式心式变压器符号电力工业中常采用高压输电低压配电，实现节能并保证用电安全。具体如下：发电厂10.5kV输电线220kV升压仪器36V降压…实验室380/220V降压变电站10kV降压降压变压器应用举例1u2uLZ1i2iΦ单相变压器+–+–一次绕组N1二次绕组N2铁心变压器的基本结构1u1i2u2iLRΦ变压器符号：一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。设变压器空载运行一次侧接交流电源，二次侧开路。1udd11tΦNei0(i0N1)dd011tiLeσσtΦNedd22空载时，铁心中主磁通是由一次绕组磁通势产生的。11N2N0i02i2e+–1σe+–20u+–1σe+–11e+–1u+–m10Ni5.3.1变压器的工作原理1.电压变换结论：改变匝数比，就能改变输出电压。KNNEEUU212121K为变比10i1u20u2i1e2e原、副边电压关系mmΦNfEΦNfE221144.444.4根据交流磁路的分析可得：202uu02i时（变电压）带负载运行情况一次侧接交流电源，二次侧接负载。1N2N1udd11tΦNe1dd111tiLeσσtΦNedd22i1(i1N1)i2(i2N2)2有载时，铁心中主磁通是由一次、二次绕组磁通势共同产生的合成磁通。dd2tiLeσ2σ21u+–1σe+–i1i2+–e2Z1e+–12+–e2+–u2m2211NiNi2.电流变换+–|Z|2i1u2e1iΦ1e1N2N+–+–+–2u1m11444Nf.EU由上式，若U1、f不变，则m基本不变，近于常数。空载磁势：有载磁势：m2211NiNim10Ni=10Ni2211NiNi或：221011NiNiNi1.提供产生m的磁势2.提供用于补偿作用的磁势22Ni磁势平衡式：102211NiNiNi一般情况下：I0(2~3)%I1N很小可忽略。2211NiNi所以或2211NINI2211NINI所以KNNII11221结论：一次、二次侧电流与匝数成反比。1U2U1I2IZ+–+–1U1IZ+–由图可知：22IUZ11IUZZKIUKKIKUIUZ22222211ZKZ2结论：变压器一次侧的等效阻抗模，为二次侧所带负载的阻抗模的K2倍。3.阻抗变换(1)变压器的匝数比应为：108800RRNNK21LL解:例1:如图，交流信号源的电动势E=120V，内阻R0=800，负载为扬声器，其等效电阻为RL=8。要求:（1）求变压器的匝数比和信号源输出的功率；（2）当将负载直接与信号源联接时,信号源输出多大功率？0LRR信号源IER0RL+–IE1N2U2ILR2NR0+–+–信号源的输出功率：W548008008001202L2L0.RRREP电子线路中，常利用阻抗匹配实现最大输出功率。结论：接入变压器以后，输出功率大大提高。0LRR原因：满足了最大功率输出的条件：W1760888001202L2L0.RRREP（2）将负载直接接到信号源上时，输出功率为：变压器的损耗包括两部分：5.3.2变压器的损耗和效率()铜损(PCu)：绕组导线电阻的损耗。磁滞损耗和涡流损耗铁损(PFe)：为减少涡流损耗，铁心一般由导磁钢片叠成。FeCu2212ΔΔPPPPPP变压器的效率为一般95%,负载为额定负载的(50~75)%时，最大。输出功率输入功率5.3.3变压器的外特性当一次侧电压U1和负载功率因数cos2保持不变时，二次侧输出电压U2和输出电流I2的关系，称为变压器的外特性。U20：一次侧加额定电压、二次侧开路时，二次侧的输出电压。一般供电系统希望要硬特性（随I2的变化，U2变化不大），电压变化率约在5%左右。电压变化率：%100%20220UUUU)(22IfUcos2=0.8(感性）U2I2U20I2Ncos2=1O当电流流入(或流出）两个线圈时，若产生的磁通方向相同，则两个流入(或流出）端称为同极性端。••AXax•AXax1.同极性端(同名端)或者说，当铁心中磁通变化时，在两线圈中产生的感应电动势极性相同的两端为同极性端。同极性端用“•”表示。增加+–+++–––同极性端和绕组的绕向有关。5.3.4变压器绕组极性及连接方法•1.自耦变压器KNNIIKNNUU112212121ABP1u2u1i2iLR1N2N使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的输出电压。实验室中用的调压器就是根据此原理制作的。注意：原、副边千万不能对调使用，以防变压器损坏。因为N变小时，磁通增大，电流会迅速增加。5.3.5特殊变压器简介2.电压互感器用低量程的电压表测高电压1.副边不能短路，以防产生过流；2.铁心、低压绕组的一端接地，以防在绝缘损坏时，在副边出现高压。使用注意：VRN1（匝数多）保险丝N2（匝数少）~u（被测电压）电压表被测电压=电压表读数N1/N23.电流互感器用低量程的电流表测大电流（被测电流）N1（匝数少）N2（匝数多）ARi1i2电流表被测电流=电流表读数N2/N11.副边不能开路，以防产生高电压；2.铁心、低压绕组的一端接地，以防在绝缘损坏时，在副边出现过压。使用注意事项：第5章结束