第7章磁路和变压器-电工电子技术基础

跳转到第一页电工技术主编李中发制作李中发2005年1月跳转到第一页第7章磁路和变压器了解磁路的基本概念、基本物理量和基本定律了解磁损耗概念以及磁性材料的磁性能理解交流铁心线圈电路的基本电磁关系以及电压电流关系了解变压器的基本结构、外特性、绕组的同极性端掌握变压器的工作原理以及变压器额定值的意义了解三相变压器的结构、三相电压的变换方法以及特殊变压器的特点学习要点跳转到第一页第7章磁路和变压器7.1磁路7.2交流铁心线圈电路7.3单相变压器7.4三相变压器7.5特殊变压器跳转到第一页7.1磁路+－(a)电磁铁的磁路(b)变压器的磁路(c)直流电机的磁路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。跳转到第一页7.1.1磁路的基本物理量1．磁感应强度B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力线数目，B的方向用右手螺旋定则确定。单位是特斯拉(T)。2．磁通Φ均匀磁场中磁通Φ等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，单位是韦伯(Wb)。BS跳转到第一页3．磁导率μ磁导率μ表示物质的导磁性能，单位是亨/米(H/m)。真空的磁导率H/m10470非铁磁物质的磁导率与真空极为接近，铁磁物质的磁导率远大于真空的磁导率。相对磁导率μr：物质磁导率与真空磁导率的比值。非铁磁物质μr近似为1，铁磁物质的μr远大于1。跳转到第一页4．磁场强度H磁场强度只与产生磁场的电流以及这些电流分布有关，而与磁介质的磁导率无关，单位是安／米（A／m）。是为了简化计算而引入的辅助物理量。BH或HB跳转到第一页7.1.2磁场的基本定律1．安培环路定律lIldH计算电流代数和时，与绕行方向符合右手螺旋定则的电流取正号，反之取负号。若闭合回路上各点的磁场强度相等且其方向与闭合回路的切线方向一致，则：FNIIHlF=NI称为磁动势，单位是安（A）。跳转到第一页2．磁路欧姆定律mRFSlNISlNIHSBSSlRm称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用。因铁磁物质的磁阻Rm不是常数，它会随励磁电流I的改变而改变，因而通常不能用磁路的欧姆定律直接计算，但可以用于定性分析很多磁路问题。跳转到第一页3．电磁感应定律dtdNe式中N为线圈匝数。感应电动势的方向由dtd的符号与感应电动势的参考方向比较而定出。当0dtd，即穿过线圈的磁通增加时，0e，这时感应电动势的方向与参考方向相反，表明感应电流产生的磁场要阻止原磁场的增加；当0dtd，即穿过线圈的磁通减少时，0e，这时感应电动势的方向与参考方向相同，表明感应电流产生的磁场要阻止原磁场的减少。跳转到第一页7.1.3铁磁材料的磁性能高导磁性：磁导率可达102~104，由铁磁材料组成的磁路磁阻很小，在线圈中通入较小的电流即可获得较大的磁通。磁饱和性：B不会随H的增强而无限增强，H增大到一定值时，B不能继续增强。磁滞性：铁心线圈中通过交变电流时，H的大小和方向都会改变，铁心在交变磁场中反复磁化，在反复磁化的过程中，B的变化总是滞后于H的变化。跳转到第一页－HcOabHBHBOBrHc铁磁材料的类型：软磁材料：磁导率高，磁滞特性不明显，矫顽力和剩磁都小，磁滞回线较窄，磁滞损耗小。硬磁材料：剩磁和矫顽力均较大，磁滞性明显，磁滞回线较宽。矩磁材料：只要受较小的外磁场作用就能磁化到饱和，当外磁场去掉，磁性仍保持，磁滞回线几乎成矩形。磁化曲线磁滞回线跳转到第一页设线圈的电阻为R，主磁电动势为e和漏感电动势为eσ，由KVL，有：7.2.1电磁关系+u－ieeΦσΦiReeu设主磁通按正弦规律变化：tmsin，则：)90sin(costEtNdtdNemmmmmfNNEE44.422e的有效值为：7.2交流铁心线圈电路跳转到第一页uuudtdNdtdiLiReeiRuR)()(UUUUIjXIRUR写成相量形式：式中LX为漏磁感抗，简称漏抗。由于线圈的电阻R和漏磁通都很小，R上的电压和漏感电动势e也很小，与主磁电动势比较可以忽略不计。于是：dtdNueu表明在忽略线圈电阻R及漏磁通的条件下，当线圈匝数N及电源频率f为一定时，主磁通的幅值Φm由励磁线圈外的电压有效值U确定，与铁心的材料及尺寸无关。dtdiLe设漏磁电感为Lσ，则：跳转到第一页o22FeCucosRIRIPPUIP铜损RIP2Cu由线圈导线发热引起。铁损FeP=I2R0主要是由磁滞和涡流产生的。式中I是线圈电流，R是线圈电阻，Ro是和铁损相应的等效电阻。等效电路：+U－IRRojXojXσ+U－图中X0是反映线圈能量储放的等效感抗。7.2.2功率损耗跳转到第一页例：有一铁心线圈，接到V220U、Hz50f的交流电源上，测得电流A2I，功率W50P。（1）不计线圈电阻及漏磁通，试求铁心线圈等效电路的Ro及Xo；（2）若线圈电阻1RΩ，试计算该线圈的铜损及铁损。解：（1）由cosUIP，得：5.83222050arccosarccosUIP阻抗：3.1095.125.831105.832220oojIUjXRZΩ5.12oRΩ，3.109oXΩ（2）铜损：W41222CuRIP铁损：W46450CuFePPP或：W46)15.12(22o2FeRIP跳转到第一页7.3单相变压器7.3.1变压器的基本结构铁心绕组铁心绕组变压器通常由一个公共铁心和两个或两个以上的线圈（又称绕组）组成，分为心式变压器和壳式变压器两类。接电源的绕组称为原绕组（又称初级绕组或一次绕组），接负载的绕组称为副绕组（又称次级绕组或二次绕组）。心式变压器壳式变压器跳转到第一页7.3.2变压器的工作原理+u2－i1e1(a)变压器结构示意图(b)变压器的符号Φ+u1－i2e2Z+u1－+u2－1e2eΦσ1Φσ2原绕组匝数为N1，电压u1，电流i1，主磁电动势e1，漏磁电动势eσ1；副绕组匝数为N2，电压u2，电流i2，主磁电动势e2，漏磁电动势eσ2。跳转到第一页1．电压变换mfNEU11144.4mfNEU222044.4kNNEEUU2121201111111EIjXIRU原绕组的电压方程：222222IjXIREU副绕组的电压方程：忽略电阻R1和漏抗Xσ1的电压，则：11EU空载时副绕组电流02I，电压220EUk称为变压器的变比。跳转到第一页在负载状态下，由于副绕组的电阻R2和漏抗1X很小，其上的电压远小于E2，仍有：22EUmfNEU22244.4kNNEEUU212121跳转到第一页2．电流变换102211NiNiNi由U1≈E1=4.44N1fΦm可知，U1和f不变时，E1和Φm也都基本不变。因此，有负载时产生主磁通的原、副绕组的合成磁动势（i1N1+i2N2）和空载时产生主磁通的原绕组的磁动势i0N1基本相等，即：102211NININI空载电流i0很小，可忽略不计。2211NINIkNNII11221跳转到第一页3．阻抗变换设接在变压器副绕组的负载阻抗Z的模为|Z|，则：22||IUZZ反映到原绕组的阻抗模|Z'|为：||||22222211ZkIUkkIkUIUZ跳转到第一页例：设交流信号源电压V100U，内阻800oRΩ，负载8LRΩ。（1）将负载直接接至信号源，负载获得多大功率？（2）经变压器进行阻抗匹配，求负载获得的最大功率是多少？变压器变比是多少？解：（1）负载直接接信号源时，负载获得功率为：W123.08880010022o2LLLRRRURIP（2）最大输出功率时，LR折算到原绕组应等于800oRΩ。负载获得的最大功率为：W125.380080080010022o2maxLLLRRRURIP变压器变比为：108800RLo21RNNk跳转到第一页7.3.3变压器的工作特性1．外特性U2U20I2I2N0202%10020220UUUU电压变化率反映电压U2的变化程度。通常希望U2的变动愈小愈好，一般变压器的电压变化率约在5%左右。2．损耗与效率铁损ΔPFe包括磁滞损耗和涡流损耗。FeCuPPP损耗：222121CuRIRIP铜损：PPPPP2212效率：跳转到第一页1234··1234··(a)正接(b)反接(1)同极性端的标记(2)同极性端的测定1324mA(a)直流法毫安表的指针正偏1和3是同极性端；反偏1和4是同极性端。U13=U12－U34时1和3是同极性端；U13=U12＋U34时1和4是同极性端。(b)交流法1324V～7.3.4变压器线圈极性测定跳转到第一页7.4三相变压器7.4.1三相变压器的结构油位表散热套管高压套管低压套管防爆管储油柜外形铁心绕组跳转到第一页7.4.2变压器的额定值（1）产品型号。表示变压器的结构和规格，如SJL一500/10，其中S表示三相（D表示单相），J表示油浸自冷式，L表示铝线（铜线无文字表示），500表示容量为500kVA，10表示高压侧线电压为10kV。（2）额定电压。指高压绕组接于电网的额定电压，与此相应的是低压绕组的空载线电压，例如10000±5％/400V，其中10000±5％表示高压绕组额定线电压为10000V，并允许在±5％范围内变动，低压绕组输出空载线电压为400V。（3）额定电流。额定电流I1N和I2N是指原绕组加上额定电压U1N，原、副绕组允许长期通过的最大电流。三相变压器的I1N和I2N均为线电流。跳转到第一页（4）额定容量。是在额定工作条件下，变压器输出能力的保证值。单相变压器的额定容量为副绕组额定电压与额定电流的乘积，即：SN=U2NI2N≈U1NI1N三相变压器的额定容量为：（5）连接组标号。连接组标号表明变压器高压、低压绕组的连接方式。星形连接时，高压端用大写字母Y，低压端用小写字母y表示。三角形接法时高压端用大写字母D，低压端用小写字母d表示。有中线时加n。例如，Y，yn0表示该变压器的高压侧为无中线引出的星形连接，低压侧为有中线引出的星形连接，标号的最后一个数字0表示高低压对应绕组的相位差为零。1N1N2N2NN33IUIUS跳转到第一页b(a)Y，yn0接法U131UkU31kUU12ABCabc(b)Y，d接法U131UkUU312ABCac三相变压器的两种接法及电压的变换关系跳转到第一页7.5.1自耦变压器Z+u1－+u2－N1N2特点：副绕组是原绕组的一部分，原、副压绕组不但有磁的联系，也有电的联系。kNNUU2121kNNII112217.5特殊变压器跳转到第一页(1)电流互感器：原绕组线径较粗，匝数很少，与被测电路负载串联；副绕组线径较细，匝数很多，与电流表及功率表、电度表、继电器的电流线圈串联。用于将大电流变换为小电流。使用时副绕组电路不允许开路。kNNII11221u+－A7.5.2仪用互感器跳转到第一页(2)电压互感器：电压互感器的原绕组匝数很多，并联于待测电路两端；副绕组匝数较少，与电压表及电度表、功率表、继电器的电压线圈并联。用于将高电压变换成低电压。使用时副绕组不允许短路。kNNUU2121Vu+－跳转到第一页7.5.3电焊变压器特点：因为在焊接过程中，电焊变压器的负载经常处于从空载（当焊条与工件分离时）到短路（当焊条与工件接触时）或者从短路到空载之间急剧变化的状态