第6章 磁路与变压器

第6章磁路与变压器6.1.1磁路中的基本物理量6.1.2磁性材料的主要特性6.1.3磁路的基本定律6.1.4磁路的计算6.1.1试比较磁路和电路的相似点和不同点。6.1.2已知线圈电感L=NΦ/I，试用磁路欧姆定律推导出L=μS/l。6.2交流铁心线圈6.2.1磁通与电压、电流的关系6.2.2功率损耗6.2.3交流铁心线圈的等效电路第6章磁路与变压器6.2.1两个匝数相同的铁心线圈，分别接到电压值相等而频率不同的两个交流电源上，试分析两个线圈中的主磁通Φ1m和Φ2m的相对大小(可忽略线圈电阻和漏电感)。6.2.2将额定频率为60Hz的交流铁心线圈接到50Hz的交流电源上，交流铁心线圈能长期正常工作吗？6.2.3如果线圈的铁心由彼此绝缘的钢片在垂直磁场方向叠成，是否可以？6.3变压器6.3.1变压器的结构和工作原理6.3.2变压器的外特性与效率6.3.3变压器的使用6.3.4特殊变压器第6章磁路与变压器6.3.1变压器中主磁通和漏磁通的性质和作用有什么不同？在分析变压器时怎样反映其作用？它们各由什么磁通势产生？6.3.2变压器一、二次绕组之间没有电路的连接，为什么在负载运行时，二次电流加大或者减小的同时，一次电流也跟着加大或者减小？6.3.3变压器额定电压为220V/110V，如不慎将低压侧失误接到220V电源后，将会发生什么现象？6.3.4变压器二次侧开路时，一次侧加额定功率额定电压，并且该侧电阻R很小，为什么电流不会很大？若接于相同电压的直流电源上，又会发生什么现象？6.3.5变压器二次侧接电阻、电感和电容性负载时，从一次侧输入的无功功率有何不同？为什么？第6章磁路与变压器6.3.6某变压器的额定频率是50Hz，用于25Hz的交流电路中，能否正常工作？6.3.7有一台电压为220/110V的变压器，N1=2000,N2=1000有人想省些铜线，将匝数减为N1=800,N2=400，是否可以？6.3.8有一台空载变压器，一次侧加额定电压220V，并测得一次绕组电阻R1=10Ω，试问一次电流是否等于22A？第6章磁路与变压器图6-1变压器和直流电动机磁路的示意图6.1.1磁路中的基本物理量1.磁感应强度2.磁通3.磁场强度4.磁导率1.磁感应强度磁感应强度(MagneticInduction)是描述磁场强弱和方向的物理量，用矢量B来表示，单位是T(特斯拉)。在电机中，气隙处的磁感应强度约为0.4~0.8T，铁心中的磁感应强度约为1~1.8T。为了形象地描述磁场中各点磁感应强度的大小和分布情况，用某处垂直于该处单位面积上的磁力线数来反映磁感应强度的数值，磁力线上任意一点的切线方向来描述该点磁感应强度的方向。磁力线的方向与电流方向之间满足右螺旋定则，磁感应强度与产生它的电流之间的关系用毕奥—萨伐尔定律描述。如果磁场内各点的磁感应强度的大小相等，方向相同，这样的磁场称为均匀磁场。2.磁通穿过某一截面积S的磁感应强度B的通量，称为通过该面积的磁通量，简称磁通Φ(MagneticFlux)，即Φ=∫SBdS(6-1)对于均匀磁场，则有Φ=BS(6-2)磁通的单位是Wb(韦伯)。在磁场中对B任意闭合曲面的积分为零，即有∮SBdS=0(6-3)式(6-3)表明穿进闭合曲面的磁通与穿出该闭合曲面的磁通相等，这就是磁通的连续性原理。3.磁场强度磁场强度(MagneticFieldStrength)是描述磁场的一个基本物理量，用矢量H表示，它和B的方向相同，单位是A/m。其大小由安培环路定律确定，即∮Hdl=∑I(6-4)式(6-4)表示在磁场中，沿任意闭合路径的线积分等于该闭合路径所包围面积电流的代数和。并且规定，当电流方向和闭合路径的环绕方向符合右手螺旋定则时，电流取正号，反之为取负号。4.磁导率磁导率(Permeability)是描述磁场媒质导磁能力的物理量,单位是H/m(亨/米)。物质按照导磁性能的不同，可以分为顺磁性物质，如空气、铝等，它们的磁导率比真空的磁导率稍大，另一类是逆磁性物质，如氢、铜等，它们的磁导率比真空的磁导率稍小，还有一类是铁磁性物质，如铁、钢等，它们的磁导率是真空的磁导率μ0(4π×10-7H/m)的几百倍甚至几千倍。因此工程上常用铁磁物质作为各种磁路的铁心材料。磁场强度H与磁感应强度B以及磁导率μ之间有如下关系：H=Bμ(6-5)6.1.2磁性材料的主要特性1.磁饱和性2.磁滞现象3.铁磁材料的应用1.磁饱和性图6-2磁导率曲线1.磁饱和性图6-3常用铁磁材料的磁化曲线a—铸铁b—铸钢c—硅钢片1.磁饱和性图6-􀰊4磁滞回线2.磁滞现象图6-5磁滞回线簇3.铁磁材料的应用图6-6不同材料的磁滞回线簇3.铁磁材料的应用表6-1常用的磁性材料的最大相对磁导率、剩磁和矫顽磁力6.1.3磁路的基本定律1.磁路的基尔霍夫定律第一定律2.磁路欧姆定律1.磁路的基尔霍夫定律第一定律图6-7有分支的磁路示意图1.磁路的基尔霍夫定律第一定律图6-8简单铁心磁路的示意图2.磁路欧姆定律1)在分析磁路问题时，一般要考虑漏磁通Φσ的影响，这是因为磁路材料的磁导率比周围介质的磁导率大得不是很多。2)磁路欧姆定律与电路欧姆定律只是形式上的形似，不可等同，并且由于μ不是常数，它随激励电流而变化，所以磁路的欧姆定律常用来做定性分析，而不是定量计算。3)在电路中，当E=0时，I=0；在磁路中，由于剩磁的存在，当Fm=0时，Φ≠0。6.1.4磁路的计算磁路计算主要包括给定磁通求磁通势和给定磁通势求磁通等两类问题。在电机和变压器设计中，一般是先给定磁通，然后按照给定的磁通计算所需要的磁通势。下面给出一般的计算步骤：1)分段计算磁感应强度。2)查找各段的磁感应强度。3)计算各段磁路的磁通势Hili。4)计算总的磁通势F=NI=∑Hili。6.2交流铁心线圈铁心线圈按激励电流的不同，可分为直流铁心线圈和交流铁心线圈。其中直流铁心线圈中产生恒定磁通，不会在线圈中产生感应电动势，线圈中的电流由线圈两端的电压和线圈电阻R来确定，功率损耗(铜损)为线圈电阻消耗的功率RI2；而交流铁心线圈在交流电源的激励下产生交变的磁通，会在线圈中产生感应电动势，其电磁关系和功率损耗都比较复杂。下面重点分析交流铁心线圈的工作情况。6.2.1磁通与电压、电流的关系图6-10铁心线圈的交流电路6.2.2功率损耗1.磁滞损耗2.涡流损耗1.磁滞损耗由磁滞现象引起的损耗称为磁滞损耗(HysteresisLoss)。磁性物质交变磁化一个周期在铁心单位体积内产生的磁滞损耗能量与磁滞回线的面积成正比。故为了降低磁滞损耗，通常应选用磁滞回线较窄的软磁性材料来制作铁心。如硅钢和坡莫合金就常用做电机和变压器的铁心材料。2.涡流损耗图6-11铁心中的涡流6.2.3交流铁心线圈的等效电路图6-12交流铁心线圈的等效电路6.3变压器变压器是一种常用于交流电能转换的电气设备。它不仅用于电压、电流的变换，还具有阻抗变换和信号传递的作用，在电力和电子线路中得到广泛应用。变压器种类繁多，按照用途不同，变压器可分为电力变压器、特种变压器、仪用变压器和整流变压器等；按照相数不同，变压器又可分为单相变压器、三相变压器和多相变压器等；按照变压器的绕组数量，可分为双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器和自耦变压器等；还可按照冷却方式的不同，分为用空气冷却的干冷式变压器和用变压器油冷却的油浸式变压器等。下面以单相变压器为例，介绍它的基本结构、工作原理以及使用知识。6.3.1变压器的结构和工作原理1.变压器的基本结构2.变压器的工作原理1.变压器的基本结构变压器主要由铁心和绕组两部分构成。工频和音频变压器的铁心均采用硅钢片叠成，而中高频变压器、开关变压器等由于工作频率高，其铁心须采用非金属的铁氧体材料，常称为磁心。变压器通常有两个绕组，其中与电源相连的绕组称为一次绕组，与负载相连的绕组称为二次绕组。一般来说，变压器的一次侧只有一个绕组，少数有两个绕组，而二次侧可以有多个绕组。变压器从结构上可以分为壳式变压器和心式变压器两种，其结构方式如图6-13所示。壳式变压器的特点是铁心包围着绕组、用铜量少、散热性差，常用在小型变压器中。心式变压器的特点则由绕组包围着铁心，用铜量较多、散热性好，多用于大容量变压器，如电力变压器等。变压器工作时线圈绕组和铁心都会发热，如果该热量不能及时散发，将加速变压器的绝缘材料的老化和损坏。因此，大容量变压器一般都会采取风冷或油浸等散热措施。如电力变压器通常将铁心和绕组浸入油箱中，油箱外壁装有散热片或者散热油管，如图6-14所示。2.变压器的工作原理变压器虽然种类较多，用途各异，不同类型的变压器在容量、结构、外形等方面差别较大，但是其基本构造和工作原理基本都相同。变压器的原理结构和等效电路如图6-15所示。图6-15中，同一个铁心上绕有匝数分别为N1、N2的两个绕组。当变压器的一次侧接上交流电源u1时，一次绕组中将流过交流电流i1，该电流流过一次绕组产生磁通势N1i1，其主要部分沿铁心闭合，同时在一次绕组、二次绕组相交链并产生感应电动势e1和e2。2.变压器的工作原理图6-13变压器的结构方式2.变压器的工作原理图6-14油浸式电力变压器1—铭牌2—信号式温度计3—吸湿器4—储油柜5—油表6—高压套管7—低压套管8—分接开关9—油箱10—铁心11—线圈及绝缘12—放油阀门2.变压器的工作原理图6-15变压器的原理结构和等效电路图6-16变压器等效阻抗变换6.3.2变压器的外特性与效率1.变压器的外特性与电压变化率2.变压器的损耗和效率1.变压器的外特性与电压变化率图6-17变压器外特性曲线2.变压器的损耗和效率变压器工作时的功率损耗包括两部分：一部分为一、二次绕组的铜损耗,另一部分为变压器的铁损，它主要包括磁滞损耗和涡流损耗，其大小与铁心内磁感应强度的最大值有关。变压器的输出功率与输入功率的比值称为变压器的效率.大型变压器的效率可高达96%~98%，小型变压器的效率为60%~90%。6.3.3变压器的使用1.变压器的铭牌型号与额定值2.变压器的绕组极性的判别与连接3.变压器的基本实验1.变压器的铭牌型号与额定值(1)额定电压变压器的额定电压UN是指二次侧空载时，一、二次绕组上的电压。(2)额定电流变压器的额定电流IN是指一次侧接额定电压时，一、二次侧允许长期通过的最大电流。(3)额定容量变压器的额定容量SN是指变压器的视在功率，其值等于额定电压与额定电流的乘积。1.变压器的铭牌型号与额定值6-1.TIF2.变压器的绕组极性的判别与连接(1)极性的判别根据电磁感应原理，当电流从两个绕组的同极性端流入时，产生的磁通方向相同。(2)绕组的连接变压器一次绕组的串联必须是将非同名端相连接，并联则必须是将同名端相连接。2.变压器的绕组极性的判别与连接图6-18绕组同极性端的绕向判别法(1)极性的判别图6-19绕组同极性端的交、直流判别法(2)绕组的连接图6-20变压器绕组的串联和并联3.变压器的基本实验(1)空载实验变压器可以在任何一侧绕组上施加电压进行空载实验。(2)短路实验变压器短路实验时，电源电压施加在高压侧，低压侧直接短路。6.3.4特殊变压器1.自耦变压器2.仪用互感器3.三相变压器1.自耦变压器图6-21自耦变压器2.仪用互感器(1)电流互感器电流互感器是用于电流变换的仪用变压器。(2)电压互感器电压互感器是用于电压变换的仪用变压器,原理示意图如图6-23所示。2.仪用互感器图6-22电流互感器原理示意图图6-23电压互感器原理示意图3.三相变压器图6-24三相变压器原理示意图3.三相变压器图6-25三相变压器的两种连接方式