电工技术-5章-磁路与变压器

《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室第5章磁路与变压器5.2交流铁芯线圈电路5.1磁路5.3变压器5.4电磁铁《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室5.1磁路1.磁感应强度B5.1.1磁场的基本物理量2.磁通3.磁场强度H4.磁导率相对磁导率r：任一种物质的磁导率和真空的磁导率0的比值。《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室物质的磁性（非磁性物质，磁性物质）1.非磁性物质：不具有磁化特性。0，r12.磁性物质磁性物质内有许多显磁性的小区域，称为磁畴。在无外磁场作用时，各磁畴无序排列，磁场互相抵消，整体对外不显磁性。磁畴外磁场在外磁场作用下，磁畴极性方向趋向外磁场，物质整体显出磁性。这一现象称为磁性物质被磁化。《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室5.1.2磁性物质的磁性能1.高导磁性磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件线圈内的铁心。在具有高导磁铁心的线圈中，通入不太大的励磁电流，便可产生较大的磁通和磁感应强度。《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室2.磁饱和性BJ磁场内，磁性物质磁化的磁感应强度曲线；B0磁场内不存在磁性物质时的磁感应强度直线；BBJ曲线和B0直线叠加后的磁化曲线。OHBB0BJB•a•b磁化曲线当外磁场增大到一定程度时，磁性物质内全部磁畴的磁场方向都转向与外磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度趋向某一定值，称为磁饱和。（用图形来表示某种铁磁材料在磁化过程中磁感强度B与H磁场强度之间关系的一种曲线，又叫磁化曲线，B-H曲线）《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室3.磁滞性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。即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。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。磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室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。(2)永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。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。(3)矩磁材料具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，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。《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室5.1.3磁路基本定律1.磁路的概念磁通的闭合路径称为磁路。+–NIfNSS直流电机的磁路交流接触器的磁路铁芯励磁线圈在电机、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。《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室2.磁路的欧姆定律它是分析磁路的基本定律。（1）磁路中的磁通SxHxIN匝式中：F=NI为磁通势，由其产生磁通；Rm称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用；l为磁路的平均长度；S为磁路的截面积。有：SlNIΦmRFSlNISlNISHBSΦ)()(注：《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室mRF（2）磁路的欧姆定律磁通为，磁通势为F，磁阻为Rm。《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室3.磁路与电路的比较磁路磁通势F磁通磁阻电路电动势E电流密度J电阻磁感应强度B电流ISlRmSlNIRFmSlRSlEREINI+_EIR《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室4.磁路分析的特点(1)处理磁路时离不开磁场的概念；(2)在处理磁路时一般还要考虑漏磁通；(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；但在磁路中，由于有剩磁，当F=0时，不为零；《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室5.2交流铁心线圈电路5.2.1电磁关系–+e–+e+–uNiu(Ni)iσddΦeNtddσσΦeNt（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。《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室5.2.2电压电流关系根据KVL:eeRiu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：)()(σEEIRU)()j(σEIXIR漏感抗：Xσ=ωLσ)(EU因线圈电阻R和漏抗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《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室设主磁通则t,sinmtNeddtNcosm)90(sinmtE有效值2mEE)sin(ddmttN22mNfmNf.444)90sin(2tNfmU则：当：U、f一定时，Φm基本不变。NfUm44.4《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室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）：线圈电阻R的功率损耗。Pcu=RI2式中：I是线圈电流的有效值。2.铁损（PFe）：交变磁通下的铁心内功率损耗。铁损包括：磁滞损耗和涡流损耗。5.2.3功率损耗《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室（1）磁滞损耗（Ph）：由磁滞现象所产生的能量损耗。磁滞损耗的大小正比与磁滞回线面积和磁场交变频率f。OHB后果：磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。1、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。2、设计时，适当选择值,以减小铁心饱和程度。减少磁滞损耗的措施：《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室(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。电工技术中减少涡流损耗措施：1.提高铁心的电阻率。选用硅钢。2.铁心用彼此绝缘的硅钢片叠成，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《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室先将实际铁心线圈的线圈电阻R、漏磁感抗X分离出，剩下就得到用理想铁心线圈电路；用一个不含铁心的交流电路来等效替代实际铁心线圈交流电路。5.2.4等效电路2Fe0IQX电阻R0是铁损相应的等效电阻，感抗X0是和铁心能量储放相应的等效感抗。2Fe0ΔIPRIUIUXRZ20200《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室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《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室5.3变压器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）5.3.1概述UIP=I²RlIS《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室变压器的磁路绕组：一次绕组二次绕组1u2uLZ1i2iΦ单相变压器+–+–由高导磁硅钢片叠成厚0.35mm或0.5mm铁心变压器的电路一次绕组N1二次绕组N2铁心变压器的结构《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室变压器的分类电压互感器电流互感器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《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室5.2.2变压器的工作原理1u2uLZ1i2iΦ单相变压器+–+–一次绕组N1二次绕组N2铁心一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室(1)空载运行情况1.电磁关系一次侧接交流电源，二次侧开路。0i02i1u+–20u+–2e+–1σe+–1e+–11N2N1udd11tΦNei0(i0N1)1dd011tiLeσσtΦNedd22空载时，铁心中主磁通是由一次绕组磁通势产生的。《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室(2)带负载运行情况1.电磁关系一次侧接交流电源，二次侧接负载。1u+–1σe+–1e+–11N2N1udd11tΦNe1dd111tiLeσσtΦNedd22i1(i1N1)i1i2(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。2i2+–e2+–e2+–u2Z2dd2tiLeσ2σ2《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室2.变压器的三个变比关系1）电压变比2）电流变比3）阻抗变比《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室2.电压变换（设加正弦交流电压）KNNUU21201（匝比）K为变比2020211UKUNNU结论：改变匝数比K，就能改变输出电压。U20为副边开路电压《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室3.电流变换(一次、二次侧电流关系)有载运行KNNII11221结论：一次、二次侧电流与匝数成反比。《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室4.阻抗变换由图可知：22IUZ11IUZ11IUZ2KZZ结论：折算到变压器一次侧的等效阻抗模，为二次侧所带负载阻抗模的K2倍。222IUKKIKU22ZK2(折算到变压器原边的阻抗)则《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室2221KNNZZ222121KNNZZ或《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室变压器应用的三变比关系:KNNUU21201KNNII11221电流变比阻抗变换2212NNKZZ电压变比《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室(1)负载直接接在信号源上，信号源输出电流解:交流信号源的电动势E=80V，内阻R0=400，负载电阻RL=4。（1）负载直接接在信号源上，计算信号源的输出功率；（2）按图示方法接入负载时，欲使折算到一次侧绕组的等效电阻求变压器电压比和信号源输出功率。例5-5400LRLIRRE0440080A2.0信号源输出功率LRIP242.02W16.0《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室(2)负载RL经过变压器连接到信号源LLRRNNK21由阻抗变换2221KNNRRLL此时信号源输出电流为：LIRRE040040080A1.0信号源输出功率为LRIP24001.02W4变压器匝数比为：104400则《电工技术》第5章磁路与变压器武汉理工大学电工电子教研室电子线路中，常利