5磁路与变压器.

1第5章磁路与变压器5.1磁路的基本知识5.2交流铁芯线圈5.3变压器的结构与工作原理5.4电磁铁21.磁路：主磁通所经过的闭合路径。5.1磁路的基本知识5.1.1.磁路的基本物理量线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏磁通。：主磁通：漏磁通3表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。磁感应强度B的大小:磁感应强度B的方向:与电流的方向之间符合右手螺旋定则。IlFB磁感应强度B的单位:特斯拉(T)，1T=1Wb/m2均匀磁场:各点磁感应强度大小相等，方向相同的磁场，也称匀强磁场。5.1.1.磁路的基本物理量2、磁感应强度B43.磁通磁通：穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数。说明:如果不是均匀磁场，则取B的平均值。在均匀磁场中=BS或B=/S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·s4.磁场强度磁场强度H：介质中某点的磁感应强度B与介质磁导率之比。磁场强度H的单位：安培/米（A/m)BH55.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6磁性材料的磁性能1、高导磁性指磁性材料的磁导率很高，r1，使其具有被强烈磁化的特性。2、磁饱和性当外磁场（或励磁电流）增大到一定值时，磁性材料的全部磁畴的磁场方向都转向与磁场的方向一致，磁化磁场的磁感应强度BJ达到饱和值。5.1.2磁性材料高导磁性、磁饱和性、磁滞性、非线性7BBB00BJba磁化曲线B和与H的关系B，BHO注当有磁性物质存在时B与H不成比例，与I也不成比例。3、磁滞性当铁心线圈中通有交变电流（大小和方向都变化）时，铁心就受到交变磁化，电流变化时，B随H而变化，当H已减到零值时，但B未回到零，这种磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称磁性物质的磁滞性。8一.安培环路定律（全电流律）：5.1.3磁路基本定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。9HLNI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：称为磁动势。一般用F表示。F=NI10HLNI总磁动势在非均匀磁路（磁路的材料或截面积不同，或磁场强度不等）中，总磁动势等于各段磁压降之和。00lHIHNI例：INl0l11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12磁路和电路的比较（一）磁路电路磁通ΦINR+_EI磁压降HL磁动势INF电动势电流电压降UEIU13基本定律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克氏电压定律克氏电流定律0IUEREISlRSIJ磁路与电路的比较(二)电路R+_EI145.2交流铁芯线圈5.2.1铁芯线圈的电磁关系–+e–+e+–uNiu(Ni)iσddtΦNetΦNeσσdd（磁通势）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。tiLσdd线圈铁心i，铁心线圈的漏磁电感常数iNΦLσσ与i不是线性关系。155.2.2铁心线圈中电压电流关系根据KVL:+––+–+eeuNieeRiuσ式中：R是线圈导线的电阻L是漏磁电感)(ddetiLRiσ当u是正弦电压时，其它各电压、电流、电动势可视作正弦量，则电压、电流关系的相量式为：)()(UEEIR)(IREIjX16设主磁通则t,sinm)sin(ddddmttNtNetNcosm)90t(sin2mπfN)90(sinmtE有效值mmm444222fN.fNEE由于线圈电阻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(V)444444mmSfNB.fN.EU式中：Bm是铁心中磁感应强度的最大值，单位[T]；S是铁心截面积，单位[m2]。mfNjEU44.4175.2.3铁芯线圈中的功率损耗交流铁心线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种。1.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式中：R是线圈的电阻；I是线圈中电流的有效值。2.铁损（PFe）在交流铁心线圈中，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。+–ui18（1）磁滞损耗（Ph）由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗（Ph）。磁滞损耗的大小：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。OHB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。变压器和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。设计时应适当选择值以减小铁心饱和程度。19(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。铁心线圈交流电路的有功功率为：Fe2cosΔPRIUIP205.3变压器的结构与工作原理变压器是一种改变交流电压和交流电流，传递电功率的器件，它常用于电力网、收音机、电视机、收录机、电子仪器、广播通讯等处。主要特点:交流电磁变换变压器功能：电力变送：电力系统信号传输：电流互感器,电子电路阻抗变换：电子电路中的阻抗匹配（如喇叭的输出变压器）21最简单的变压器由两个绕在公共铁心上的线圈组成，线圈是变压器的电路，铁心是变压器的磁路（由铁磁物质构成，能使磁力线集中通过的整体称为磁路厚0.35mm或0.5mm）。与电源相联的线圈称为原线圈（初级线圈），与负载相联的线圈称为副线圈（次级线圈）。+–+–Z5.3.1变压器的结构225.3.2单相变压器的工作原理变压器的基本工作原理，是电磁感应定律和全电流定律的应用，以上图单相变压器为例说明。它是由一个闭合铁心和绕在铁心上的两个线圈所构成，两个线圈是相互绝缘的，没有电的联系，但由于绕在同一个磁路上，故有磁的耦合。设原线圈的串联匝数是N1匝，副线圈的串联匝数是N2匝。如果把原线圈与交流电源接通，副线圈接电灯负载，便会看到电灯发亮的现象，这说明两个线圈之间通过电磁感应实现了能量传递。此时，称为变压器负载运行。如果付线圈开路，则称变压器空载运行。分别介绍。+–+–Z23变压器符号1、空载运行变压器的原线圈接在额定频率、额定电压的交流电源上，副线圈开路，就是空载运行，与铁心线圈接在正弦交流电压下的情况基本相同，只是多了一个开路的副线圈。接上交流电源u1，原边电流i1等于励磁电流i10i10产生交变磁通Φ产生感应电动势，dtdNe22dtdNe11（e、Φ方向符合右手定则）。2410i1u20u2i1e2e10i1u20u2i1e2e10i1u20u2i1e2eN1N1N2211224.444.44mmEfNΦEfNΦ根据交流磁路的分析，可得：i2=0时，u2=u20111222UENKUEN此式是变压器的基本公式之一，说明在空载时，原、副边电压的比值近似等于原、副线圈的匝数的比值，匝数比12NKN是一个常数，称为变比，它是变压器的一个重要参数，只要适当选择变比，就能实现变换电压的目的。25当变压器的副边接上负载后，在感应电动势e2的作用下，副边线圈中有了电流i2，因此就有电能输出。磁动势平衡方程式从能量转换的观点看，副边有能量输出，必然使原线圈从电源多吸取负载所需要的能量，通过全磁通传给副线圈。当电源电压u1保持不变时，要使输入能量增加，原边电流必然增大，即从空载时的i10增加到i1。2、负载运行从电磁关系看，电流i2也会产生磁动势f2=i2N2,它作用在磁路上将使主磁通Φ发生变化主电势E1发生变化，使原方回路的电压达到新的平衡。11111111ZIE)jxR(IEU26∵Z1很小，故与相比总是很小的，∴可以认为负载运行时，U1≈E1=4.44f1N1Φm如U1保持不变，则E1近于不变，产生E1的Φ也近于不变，因而建立主磁通所需要的磁动势也基本上不随负载变化，也近似等于空载磁动势f0。11ZI即：变压器带负载时，作用在磁路中的磁动势为：i1N1+i2N2其结果仍然是近似保持原有的磁动势i10N1不变，i1N1+i2N2=i10N1有两个作用：供给产生主磁通的磁动势i10N1；补偿i2N2的作用3.电流变换作用通常变压器的空载电流很小，仅为额定电流的（2~10）%。1NI11U27所以，原、副线圈的磁动势在相位上近似相反，即副线圈的磁动势对原线圈的磁动势有去磁作用。KNNII11221原、副线圈在满载时的数量关系为这也是变压器的基本公式之一，它表明原、副线圈电流之比近似等于它们的匝数比的倒数，通过改变匝数比可达到变换电流的目的。02211NINI2211NINI284、阻抗变换作用在电路中，通常希望负载能获得最大的输出功率，负载获得最大功率的条件是负载阻抗等于电源内阻，此时称电路实现了阻抗匹配。在电子设备中，如扬声器线圈的阻抗是由制造厂规定的，不能任意改变，将它接入电子线路中，不一定能获得最大的功率输出。为了解决此问题，可以通过变压器来变换负载阻抗的数值以获得最大的功率输出。电路如图。1i1u2u2iLR1N2N1i1u2u2iLR1N2N22222211KRKIUKIKUIURLL从原边等效：结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以变比的平方。29额定电压变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允许的电压值。NNUU21、额定电流变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。NNII21额定容量传送功率的最大能力。NSNNNNNIUIUS2211（理想）1.变压器的额定值（以单相变压器为例）5.3.3变压器的使用30容量SN输出功率P2原边输入功率P1输出功率P2注意：变压器几个功率的关系效率变压器功率因数NNNIUS11容量：21PP原边输入功率：cos222IUP输出功率：312.变压器的外特性副边输出电压和输出电流的关系。即：)(22IfUU2I2U20U20：原边加额定电压、副边开路时，副边的输出电压。一般供电系统希望要硬特性（随I2的变化，U2变化不多）323.变压器的损耗与效率()为防止涡流损失，铁芯一般由一片片导磁材料叠合而成。变压器的损耗包括两部分：铜损(PCU)：绕组导线电阻所致。磁滞损失：磁滞现象引起铁芯发热，造成的损失。涡流损失：交变磁通在铁芯中产生的感应电流（涡流），造成的损失。铁损()：PFE1112PPPPPPFECU33ABCXYZabczyx1.三相变压器高压绕组：A-XB-YC-ZX、Y、Z：尾端A、B、C：首端低压绕组：a-xb-yc-za、b、c：首端x、y、z：尾端2)三相变压器的联结方式Δ/////000YΔYYYYYYY、、、、联结方式：高压绕组接法低压绕组接法:YY0/三相配电变压器:ΔY/动力供电系统（井下照明）:ΔY0/高压、超高压供电系统常用接法:5.3.4其它变压器34（1）三相变压器Y/Y0联结线电压之比：A