电工技术第五章课件.

第5章磁路与变压器5.1磁路5.2交流铁心线圈电路5.3变压器5.4特殊变压器5.1.1磁路的基本物理量1．磁通Ф通过与磁力线方向垂直的某一截面内磁力线的总数称为磁通，用Ф表示。国际单位制中，磁通的单位是伏·秒，通常称为[韦伯]（Wb）。工程上也用过麦克斯韦（Mx）；1Wb=104Mx。5.1磁路2．磁感应强度磁感应强度是描述磁场中某一点磁场强弱和方向物理量，用字母B表示。磁感应强度B的方向用右手螺旋定则确定，B的大小等于垂直于磁场方向单位面积的磁力线数目。国际单位制中，磁感应强度的单位用特斯拉（T）表示，简称特；通常也用高斯（Gs）表示；1T=104Gs。3．磁导率把反映磁场中介质导磁能力的物理量称为磁导率；磁导率用字母μ表示。国际单位制中，单位是亨利每米，简称亨每米，用符号H/m表示。真空磁导率是恒定的，用表示，μ0＝4π×10-7H/m，为一常数。任何一种介质的相对磁导率是该介质的磁导率与真空磁导率的比值，用μr表示。即：0r0r0r0r0r0r0r4．磁场强度H磁场强度H是一个矢量，方向和磁感应强度方向一致，大小是磁感应强度B与磁导率μ的比值，即：国际单位制中，磁场强度的单位是安培每米，简称安每米，符号是A/m表示。BHBHBH5.1.2磁场的基本定律1．安培环路定律磁场强度沿任意闭合路径l上的线积分等于该闭合路径所包围的导体电流的代数和：ldΗ＝ΣI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：HLNIlNIH于是磁场强度为:l式中N为线圈的匝数，I为通过线圈的电流，NI称为磁动势；H为磁路中心处的磁场强度，为磁路长度，H称为磁压降。l2．磁路欧姆定律把磁通集中经过的路径称为磁路，很少一部分磁通经过空气或其它材料闭合，形成漏磁通。环形铁心内的磁感应强度为:lNIHB.磁阻用来描述磁性材料对磁通的阻碍作用，用符号mR表示。磁阻大小与磁路长度成正比，与磁路截面积成反比，与磁性材料的磁导率有很大的关系：SlRmSlRm磁路欧姆定律，可表示为：mRFSlNI磁路欧姆定律表明，磁路中的磁通与磁动势成正比，与磁阻成反比。其中，N为线圈匝数，F为磁动势，l是磁路的平均长度；S为磁路的截面积。3．电磁感应定律线圈中感应电动势的大小与穿过该线圈的磁通变化率成正比，这一规律称为法拉第电磁感应定律。线圈产生感应电动势大小为：dtdNe3．电磁感应定律线圈在变化磁通中，就会产生感应电动势。线圈中感应电动势的大小与穿过该线圈的磁通变化率成正比，这一规律称为法拉第电磁感应定律。线圈产生感应电动势大小为：dtdNedtd式中N为线圈的匝数，dФ为单匝线圈中磁通量的变化量，dt为磁通变化dΦ所用时间，e为产生的感应电动势。线圈中感应电动势的大小，与磁通变化速度有关，与磁通大小无关。感应电动势的方向由电动势的参考方向比较确定。的符号与感应磁性材料在磁场作用下，呈现出特殊的磁性能，主要体现在高磁性、磁饱和性及磁滞性。5.1.3铁磁材料的磁性能1．高导磁性磁性材料的分子间有一种特殊的作用力而使分子在一定区域整齐排列。把这些分子能够整齐排列的区域称为磁畴。没有外磁场时，磁畴分子形成磁场方向混乱，相互抵消，宏观上没有磁性。有外磁场时，磁畴分子会按外磁场方向一致排列，显示出磁性来，这种原来没有磁性的物质具有磁性的过程称为磁化。a-没有外磁场作用的磁畴b-外磁场作用的磁畴外磁场的不断增强，磁畴逐渐转到与外磁场相同的方向上，磁性材料内部磁感应强度显著增加，磁性材料被强烈的磁化了，这种磁性材料能够强烈磁化的特性称为高导磁性。2．磁饱和性磁性材料磁化过程中，当磁畴分子方向与外磁场方向一致时，外磁场再增加，磁畴几乎没有变化，也就是磁化达到饱和状态，称为磁饱和性。下面分析磁性材料的磁化特性，磁感应强度B与外磁场的磁场强度H之间的关系曲线，称为磁性材料的磁化曲线，又称B-H曲线。磁性材料的磁化曲线所表示的磁化过程大致可以分为以下几个阶段：oa段：磁化初始阶段，磁畴要从无序排列到与外磁场方向一致有序排列，需要克服原来磁畴间的相互作用，曲线变化平缓。ab段：线性阶段，外磁场增大，较多磁畴的转向排列整齐，B随H上升很快，曲线很陡。bc段：外磁场继续增大，只使少数零乱的磁畴继续有序排列，这时B增加减慢。c点以后：几乎所有的磁畴与外磁场方向一致，再增大外磁场，B增加很小，表现了磁饱和性质，曲线近于直线。对于铁磁材料来说，磁场强度和磁感应强度之间关系是非线性的，磁导率是磁场强度和磁感应强度的比值，从而证明了铁磁材料磁导率不是一个常数，如磁化曲线图中曲线2所示。3.磁滞性磁化曲线反映磁性材料在磁场强度由零逐渐增加时的磁化特性。在实际中，磁性材料多处于交变的磁场中，通过实验测出磁性材料在H大小和方向作周期变化时B-H曲线，通常称为磁滞回线。当H从零增大，B沿01曲线增大，在1点处达到饱和状态，到饱和状态时磁感应强度，称为饱和磁感应强度。饱和磁感应强度用表示mBrBcH当H减小直到零时，B沿着曲线12减小，当H=0时，B=02，也就是外磁场消失，还存在一定磁感应强度；这就是磁性材料的剩磁现象。为了消除剩磁，加入反向磁场，H=03时，B=0，也就是剩磁消失，通常剩磁用表示。把加入反向的外磁场称为矫顽磁力，用表示。继续增加反向磁场H，B沿曲线34磁化，在4点处达到饱和状态。05同样为剩磁，06为矫顽磁力。磁性材料在反复磁化的过程中，磁感应强度B的变化落后于磁场强度H的变化，称为磁滞现象。4.磁性材料分类及应用不同的铁磁材料磁滞回线面积和形状是不同的，通常将磁性材料分为三类：软磁材料，硬磁材料，矩磁材料。a-软磁材料b-硬磁材料c-矩磁材料软磁材料具有磁导率高、易磁化和易去磁、矫顽力cH和剩磁Br都小、磁滞回线较窄、磁滞损耗小等特点；常用的有电工纯铁和硅钢、铁镍合金、铁铝合金和铁氧体等。硬磁材料具有剩磁Br和矫顽磁力均较大、难磁化、磁化后不易消磁等特点，常见有碳钢、铁镍铝钴合金等；电工仪表、喇叭、受话器、永磁发电机中永久磁铁都是用硬磁性材料制作。cH矩磁材料具有只要受较小的外磁场作用就能磁化到饱和、当外磁场去掉，产生的剩磁Br较大、矫顽磁力较小等特点，磁滞回线几乎成矩形；常见的材料有镁猛铁氧化体等；在计算机存储器中应用。5.2交流铁心线圈电路磁路中的励磁线圈从电路的角度看，可以看成是一个铁芯线圈电路。励磁电流是指在磁路中用来产生磁通的电流。铁芯线圈磁路按照励磁电流的性质不同，可以分为直流铁芯线圈磁路和交流铁芯线圈磁路。直流铁心线圈比较简单，与一般的直流电路相同。下面讨论交流铁心线圈电路。5.2.1电磁关系交流铁心线圈中通过的是交流电流（如交流电机、变压器及各种交流电器的线圈）。在交流磁路中，主磁通Φ是交变的，根据电磁感应定律，这种交变磁通在线圈内产生感应电动势e。1．主磁通与感应电动势当线圈外接正弦交流电压时，铁芯中的主磁通Φ也是按照正弦规律变化的。设主磁通按正弦规律变化：tsinm)tsin(E)tsin(fNtcosNdtdNemmm0090902mEmmmfNfNEE44.4222感应电动势：式中是主磁通感应电动势的幅值，其有效值为式中，f是电源电压的频率，N是线圈匝数，是主磁通的幅值。mee主磁通和漏磁通都要在线圈中产生感应电动势，一个是主磁电动势e，另一个是漏磁电动势。励磁线圈中除了感应电动势e和之外，还有一定的电阻R，电流通过时要产生电阻压降。据交流铁芯线圈中所规定的各电量的正方向，根据基尔霍夫电压定律可得电压平衡方程：)e()e(iRu)E()E(RIU相量表示式为：忽略电阻R的压降和漏磁电动势EUmfN.EU444有效值在忽略线圈电阻R及漏磁通的条件下，在电源电压的有效值U和频率f保持不变时，只要线圈的匝数N保持定值，主磁通的最大值就基本不变，与铁心的材料及尺寸无关。这个性质也被称为恒磁通原理。m5.2.2功率损耗交流铁芯线圈电路的功率损耗分为两种：铜损和铁损。由于在线圈中存在导线电阻造成的功率损耗称为铜损；发生在铁芯中的涡流损耗和磁滞损耗称为铁损。RI21．涡流损耗由于线圈铁芯是磁性材料制成的，它既能导磁，又能导电，当铁芯中有交变磁通穿过时，不只是在线圈中产生感应电动势，而且在铁芯中与磁通方向垂直的平面上也要产生感应电动势，并产生感应电流，称为涡流。涡流不仅造成功率损耗，而且是铁芯发热，温度升高，影响设备的运行和使用。为了减小涡流损耗，交流磁路的铁芯必须采用硅钢片沿磁力线方向叠压制成。硅钢具有良好的导磁性能，同时电阻率高，硅钢片又做得很薄，约0.35mm左右，其表面涂有绝缘漆，片间彼此绝缘。这就限定涡流只能在每片很小的截面内流动，加长了流通路径，再加上铁芯的电阻很大，从而大大减小了涡流和涡流损耗。２．磁滞损耗在交变磁场中，铁心被反复磁化，磁性材料内部的磁畴在反复取向排列，产生功率损耗，并使铁心发热，这种损耗就是磁滞损耗。在交流电流的频率一定时，磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。磁滞损耗要引起铁心发热。为了减小磁滞损耗，应选用磁滞回线狭小的磁性材料制造铁心。硅钢就是变压器和电机中常用的铁心材料，其磁滞损耗较小。5.3变压器变压器是一种静止的电气设备，它通过电磁感应的作用，把一种电压的交流电能变换成频率相同的另一种电压的交流电能，广泛应用于输配电和电子线路中。变压器一般按用途、相数、冷却介质、铁芯形式和绕组数分类。1．按用途不同分：用于输配电的电力变压器、用于整流电路的整流变压器和用于测量技术的仪用互感器。2．按变换电能相数不同分：单相变压器和三相变压器。3．按冷却介质不同分：油浸变压器和干式变压器。4．按铁心形式不同分：芯式变压器和壳式变压器。5．按绕组数不同分：双绕组变压器、自耦变压器、三绕组变压器和多绕组变压器。5.3.1变压器的基本结构变压器由铁芯和绕在线圈上的两个或多个线圈组成。铁芯的作用是构成磁路，为了减小涡流和磁滞损耗，采用导磁性能好、厚度较薄、表面涂绝缘漆的硅钢片叠装而成。根据铁芯结构形式的不同，变压器分为芯式和壳式两种。通常把连接电源的绕组称为一次绕组，又称原方绕组或初级绕组，凡表示一次绕组各量的字母均标注下标“1”；接负载的绕组称为二次绕组，又称次级绕组或副边绕组，凡表示二次绕组各量的字母均标注下标“2”。虽然一次、二次绕组在电路上是分开的，但两者在在铁芯上是处在同一磁路上的。为了防止变压器内部短路，绕组与绕组、绕组与铁芯之间要有良好的绝缘。变压器的工作原理就是电磁感应原理，通过一个共的磁场，将两个或两个以上的绕组耦合在一起，进行交流电能的传递与转换。5.3.2变压器的工作原理1．变压器空载运行变压器的空载运行是指变压器的一次绕组加正弦交流电源、二次绕组开路的工作情况。1u20u2i图中为一次侧电源电压，器在空载状态下，二次绕组电流就相当于是一个交流铁心线圈。为二次侧输出电压。变压＝0，此时的变压器1u0i当一个正弦交流电压加在一次绕组两端时，一次绕组中就有交变电流称为空载电流，空载电流一般都很小，仅为一次绕组额定电流的百分之几。空载电流通过一次绕组在铁芯中产生交变磁通，在交变主磁通的作用下，一次、二次绕组会产生感应电动势分别为e1和e2。11eu11EU1UmfN.E11444一次、二次绕组中产生的感应电动势分别是：则交流电源电压的有效值为=主磁通与二次绕组交链，据电磁感应定律同样可推导出mfN.E22444输出电压有效值mfN.EU2220444一次绕组、二次绕组的电压之比为KNNEEUU2121201式中K是一、二次绕组的匝数比，称为变压器的变比如果N2＞N1，则U2＞U1，变压器使电压升高，这种变压器称为升压变压器；如果N2＜N1，则U2＜U1，变压器使电压降低，这种变压器称为降压变压器。所以改变匝数比，就能改变输出电压。NU2变压器铭牌上所标注的