第10章磁路与变压器.ppt

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1、 第第第第1010章章章章 磁路和变压器磁路和变压器磁路和变压器磁路和变压器10.1 磁路磁路10.3 三相变压器三相变压器10.2 单相变压器单相变压器1010 磁路与变压器磁路与变压器磁路与变压器磁路与变压器 本章介绍的基本物理量、基本定律以及磁性材料的磁性能。本章介绍的基本物理量、基本定律以及磁性材料的磁性能。在此基础上重点讨论铁心线圈电路和变压器。在此基础上重点讨论铁心线圈电路和变压器。10.1 磁路磁路 电动机、继电器、电磁铁及变压器等电器都是基于电磁耦合电动机、继电器、电磁铁及变压器等电器都是基于电磁耦合的原理工作的，我们已经学过了电路，现在再来研究磁路。的原理工作的，我们已经学过

2、了电路，现在再来研究磁路。一、磁场的基本物理量一、磁场的基本物理量1.磁通磁通2.磁感应磁感应强度强度B3.磁场磁场强度强度H4.导磁导磁系数系数10-1一、磁场的基本物理量一、磁场的基本物理量垂直穿过某一面积垂直穿过某一面积S 的磁力线的总根数。的磁力线的总根数。韦伯韦伯wb穿过单位面积的磁力线根数。穿过单位面积的磁力线根数。特斯拉特斯拉T wb/m2磁场中某点的磁场中某点的B 与该点的磁导率与该点的磁导率的比值。的比值。1.磁通磁通2.磁感应磁感应强度强度B3.磁场磁场强度强度H4.导磁导磁系数系数描述导磁能力大小的物理量。通常使用相对导磁系数描述导磁能力大小的物理量。通常使用相对导磁系数

3、无无量纲量纲真空导磁系数真空导磁系数10.1 磁路的基本概念和定律磁路的基本概念和定律安安/米，米，A/m,A/cm10-1磁动势磁动势10.1 磁路的基本概念和定律磁路的基本概念和定律二、磁路的基本定律二、磁路的基本定律安培环路定律安培环路定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律与与电路类似，磁路也有各种定律电路类似，磁路也有各种定律安培环路定律安培环路定律安培环路定律安培环路定律安培环路定律安培环路定律安培环路定律安培环路定律安培环路定律安培环路定律沿任一沿任一闭合路径，闭合路径，H 的线积分等于包的线积分等于包围在这闭合路径内各电流的代数和围在这闭合路径内各电流的代数和若若磁场均匀则有磁场均匀则有磁

4、路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律无分支磁路无分支磁路平均长平均长 l线圈线圈N 匝匝IN磁通磁通导磁系导磁系 数数截面积截面积S根根据据得得磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁阻磁阻Rm基尔霍夫基尔霍夫定律定律#二、磁路的基本定律二、磁路的基本定律安培环路定律安培环路定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律基尔霍夫基尔霍夫定律定律基尔霍夫基尔

5、霍夫定律定律基尔霍夫基尔霍夫定律定律基尔霍夫基尔霍夫定律定律基尔霍夫基尔霍夫定律定律基尔霍夫基尔霍夫定律定律基尔霍夫基尔霍夫定律定律基尔霍夫基尔霍夫定律定律基尔霍夫基尔霍夫定律定律有有分支磁路分支磁路I1N1I2N21231.磁路的基尔霍夫磁通定律磁路的基尔霍夫磁通定律在在节点节点A 处处A 1+2-3=02.磁路的基尔霍夫磁压降定律磁路的基尔霍夫磁压降定律任一任一闭合回路中均有：闭合回路中均有：或或磁压降的磁压降的代数和等于磁动势的代数和代数和等于磁动势的代数和INH（I）B（）abcB铁磁材料铁磁材料 B-H，-H 曲线曲线从从曲线上能明显看出，曲线上能明显看出，不是常数不是常数导磁性导磁

6、性工程上利用它来使工程上利用它来使磁通尽量地约束在有限的范围磁通尽量地约束在有限的范围内，提高电磁设备的利用率，内，提高电磁设备的利用率，一般使用一般使用B-H 曲线的曲线的ab 段。段。磁滞磁滞B的变化滞后于的变化滞后于H 的变化的变化 如曲线的如曲线的oa 段段o磁饱和磁饱和当当H 达到一定程度，达到一定程度，B 不再随不再随H 而增加，此为磁饱和。而增加，此为磁饱和。如曲线的如曲线的cs 段。段。s若对若对铁心线圈而言，磁饱和意为铁心线圈而言，磁饱和意为当当电流电流I 增加到一定程度，增加到一定程度，不再随之增加。不再随之增加。关于磁滞关于磁滞祥看请点击祥看请点击三、磁性材料的磁性能三、

7、磁性材料的磁性能几点说明：几点说明：1.磁阻磁阻Rm 的的大小取决于磁路的尺寸和材料的磁导率。大小取决于磁路的尺寸和材料的磁导率。2.很大，但不是常数，因此很大，但不是常数，因此 也不是常数。所以磁也不是常数。所以磁3.路欧姆定律不能用来进行定量计算，只用做定性分析。路欧姆定律不能用来进行定量计算，只用做定性分析。4.通常磁路计算应用磁路基尔霍夫定律。通常磁路计算应用磁路基尔霍夫定律。3.磁路和电路有相似之处，但却有本质的区别。磁路和电路有相似之处，但却有本质的区别。4.祥见教材祥见教材P149第二节第二节直流铁心线圈与直流电磁铁直流铁心线圈与直流电磁铁一、直流铁心线圈一、直流铁心线圈（磁路计

8、算略）（磁路计算略）二、直流电磁铁二、直流电磁铁1.构成构成铁心铁心铁心铁心线圈线圈线圈线圈衔铁衔铁衔铁衔铁2.工作原理工作原理通电的铁心线圈对衔铁会产生吸力通电的铁心线圈对衔铁会产生吸力请看通电演示请看通电演示3.吸力吸力磁动势主磁动势主要降在空要降在空气隙上气隙上磁动势磁动势电磁铁应用？电磁铁应用？直流电磁铁的特点直流电磁铁的特点1.励磁电流是由励磁线圈的外加电压励磁电流是由励磁线圈的外加电压U 和线圈电阻和线圈电阻R 决定的决定的2.无磁滞和涡流损耗，铁心可以使用整块的铸钢、软铁。无磁滞和涡流损耗，铁心可以使用整块的铸钢、软铁。电流是恒定的，无感应电动势产生。电流是恒定的，无感应电动势产

9、生。3.吸合后电磁力比吸合前大得多，但励磁电流不变。吸合后电磁力比吸合前大得多，但励磁电流不变。（因磁动势（因磁动势 NI 不变，磁阻不变，磁阻Rm B ，所以吸力所以吸力F）1.电流恒定，无感应电动势产生。电流恒定，无感应电动势产生。2.无磁滞和涡流损耗，可使用整块铁心无磁滞和涡流损耗，可使用整块铁心3.3.吸合后，励磁电流不变，吸合后，励磁电流不变，F交流铁心线圈与交流电磁铁交流铁心线圈与交流电磁铁一、交流铁心线圈的损耗一、交流铁心线圈的损耗P=PCU+Ph +Pe总总损耗损耗铜损铜损涡流损耗涡流损耗铁损铁损磁滞损耗磁滞损耗铜损铜损PCU 线圈电阻上的损耗线圈电阻上的损耗 PCU=I 2R

10、磁滞损耗磁滞损耗其大小与铁心材料反复磁化后的磁滞回线面积成正比其大小与铁心材料反复磁化后的磁滞回线面积成正比涡流损耗涡流损耗交变磁通穿过铁心时，铁心既导磁又导电交变磁通穿过铁心时，铁心既导磁又导电，因铁心在，因铁心在交变磁通作用下产生感应电动势，交变磁通作用下产生感应电动势，从而在垂直于磁从而在垂直于磁通方向的铁心平面内产生旋涡状的感应电流，叫涡流。通方向的铁心平面内产生旋涡状的感应电流，叫涡流。涡流在铁心内电阻上产生的损耗称涡流在铁心内电阻上产生的损耗称涡流损耗涡流损耗。减小涡流损耗的办法减小涡流损耗的办法增大涡流通路的电阻即用薄的材料叠成铁心增大涡流通路的电阻即用薄的材料叠成铁心减小磁滞损

11、耗的办法减小磁滞损耗的办法铁心尽量采用软磁材料铁心尽量采用软磁材料二、电压平衡方程式二、电压平衡方程式iNL交流铁心线圈交流铁心线圈大部分经铁心闭合大部分经铁心闭合线圈中线圈中磁通磁通产生产生ee主主磁通磁通少少部分经空气闭合部分经空气闭合 产生产生eL漏漏磁通磁通eLu线圈电阻上压降为线圈电阻上压降为 iR根据根据KVL得：得：或或电压平衡方程式电压平衡方程式#二、电压平衡方程式二、电压平衡方程式有效值有效值忽略了漏磁感应电动势忽略了漏磁感应电动势 和线圈内阻压降和线圈内阻压降 后，方程变为：后，方程变为：或或重要结论重要结论外加电压不变时，交流铁心线圈的铁心内主磁通最大值几外加电压不变时，

12、交流铁心线圈的铁心内主磁通最大值几乎是不变的。这是分析变压器和交流电动机时的重要概念。乎是不变的。这是分析变压器和交流电动机时的重要概念。三、交流电磁铁三、交流电磁铁铁心铁心线圈线圈衔铁衔铁交流电磁铁也是一种电磁器件，结交流电磁铁也是一种电磁器件，结构形式与直流电磁铁类似。在工业构形式与直流电磁铁类似。在工业部门应用极为广泛。如冶金工业中部门应用极为广泛。如冶金工业中用于提放钢材的电磁吊车；夹持工用于提放钢材的电磁吊车；夹持工件的电磁工作台；传递动力的电磁件的电磁工作台；传递动力的电磁离合器；液压传动中的电磁阀；交离合器；液压传动中的电磁阀；交流接触器及接触器等。流接触器及接触器等。铁心中的磁

13、通是交变的，空气隙处的磁感应强度为：铁心中的磁通是交变的，空气隙处的磁感应强度为：吸力吸力平均值平均值三、交流电磁铁三、交流电磁铁瞬时值瞬时值有效值有效值显然显然 f 是交变的，存在过零值。会出现吸合不牢的现象。是交变的，存在过零值。会出现吸合不牢的现象。通常在尾端留一切口，套上铜环（或称磁环），铜环产通常在尾端留一切口，套上铜环（或称磁环），铜环产生的感应电流阻碍生的感应电流阻碍的的变化，致使穿过铜环的变化，致使穿过铜环的与其它与其它存在一存在一相位差，结果产生两个相位不同的电磁吸力，平均后，不再相位差，结果产生两个相位不同的电磁吸力，平均后，不再有过零点。有过零点。见见教材教材P156交流

14、电磁交流电磁 铁特点铁特点1.吸力是交变的，铁心需加分磁环。吸力是交变的，铁心需加分磁环。2.励磁电流吸合前大，吸合后减小。前后吸力不变励磁电流吸合前大，吸合后减小。前后吸力不变3.铁心和衔铁均由硅钢片叠成，为减小铁损。铁心和衔铁均由硅钢片叠成，为减小铁损。交、直流电磁铁的特点交、直流电磁铁的特点1.电流恒定，无感应电动势产生。电流恒定，无感应电动势产生。2.无磁滞和涡流损耗，可使用整块铁心无磁滞和涡流损耗，可使用整块铁心3.3.吸合后，励磁电流不变，吸合后，励磁电流不变，F交流电磁交流电磁 铁特点铁特点1.吸力是交变的，铁心需加分磁环。吸力是交变的，铁心需加分磁环。2.励磁电流吸合前大，吸合

15、后减小。前后吸力不变励磁电流吸合前大，吸合后减小。前后吸力不变3.铁心和衔铁均由硅钢片叠成，为减小铁损。铁心和衔铁均由硅钢片叠成，为减小铁损。直流电磁直流电磁 铁特点铁特点一、变压器的用途、构造和分类一、变压器的用途、构造和分类变压器是基于电磁感应原理而制成的静止的电器设备变压器是基于电磁感应原理而制成的静止的电器设备用途用途变变电压，变电流，变阻抗电压，变电流，变阻抗构造构造心式和壳式心式和壳式两种两种心式变压器心式变压器壳式变压器壳式变压器分类分类单相，三相，多相；单相，三相，多相；升压，降压；升压，降压；仪用电压、电流互感器；仪用电压、电流互感器；焊接变压器，自藕变压器。焊接变压器，自藕

16、变压器。有两个绕组有两个绕组也有两个绕组也有两个绕组 10.2 变压器变压器二、变压器的工作原理二、变压器的工作原理原边绕组原边绕组N1名词介绍名词介绍幅边绕组幅边绕组N2一次绕组一次绕组N1二次绕组二次绕组N2一次侧一次侧二次侧二次侧均指均指电源侧电源侧 均指均指负载侧负载侧什么是什么是变压器任载运行？变压器任载运行？什么是什么是变压器空载运行？变压器空载运行？uuZ2Z2s 一次侧接电源一次侧接电源二次侧负载开路二次侧负载开路 一次侧接电源一次侧接电源 二次侧接负载二次侧接负载二、变压器的工作原理二、变压器的工作原理变压器空载运行变压器空载运行uZ2sI0空载电流空载电流U1U20此时的变

17、压器相当此时的变压器相当 于交流铁心线圈于交流铁心线圈变比变比二次侧额定电压二次侧额定电压空载运行的结论：空载运行的结论：原幅边原幅边之比等于原幅边匝数之比，等于常数之比等于原幅边匝数之比，等于常数 k k这这就就是是变变压压器器的的变变电电压压作作用用uZ2变压器任载运行变压器任载运行U1I1U2I2两边绕组中通过的磁通是相同的两边绕组中通过的磁通是相同的只要只要U1不变，主磁通就不应该变，所以有：不变，主磁通就不应该变，所以有：磁动势平衡方程式磁动势平衡方程式有载时有载时原边磁动势原边磁动势 分为两部分分为两部分1.产生主磁通产生主磁通 （励磁分量）（励磁分量）I02.用来补偿用来补偿I2

18、N2（负载分量负载分量I2）,又称又称去磁去磁一般一般 I0 很小，小型变压器只有很小，小型变压器只有2 3%，大的不过，大的不过10%，当当略去略去I0N1 后有：后有：变变电流作用电流作用任载运行结论：任载运行结论：变变电流作用电流作用任载后，电压比是否还等于变比任载后，电压比是否还等于变比 k?变变电压作用电压作用还有一个作用是变阻抗还有一个作用是变阻抗幅边幅边 Z2原边原边Z1变变阻抗作用阻抗作用或或二、变压器的工作原理二、变压器的工作原理空载运行结论：空载运行结论：任载运行结论：任载运行结论：变变电流作用电流作用变变电压作用电压作用变变阻抗作用阻抗作用或或总结总结变压器的外特性和额定

19、值变压器的外特性和额定值2.额定值额定值一般变压器的额定值在其名牌上给出。一般变压器的额定值在其名牌上给出。额定额定电压电压额定额定电流电流额定额定容量容量额定额定频率频率一次额定电压一次额定电压U1N正常时一次绕组所加电压的有效值。正常时一次绕组所加电压的有效值。二次额定电压二次额定电压U2N一次电压为一次电压为U1N时，变压器空载时对应二次时，变压器空载时对应二次侧的空载电压有效值，即侧的空载电压有效值，即U20=U2N一次额定电流一次额定电流I1N一次绕组加额定电压，正常工作时一次绕组一次绕组加额定电压，正常工作时一次绕组允许长期通过的最大电流有效值。允许长期通过的最大电流有效值。二次额

20、定电流二次额定电流I2N一次绕组加额定电压，正常工作时二次绕组一次绕组加额定电压，正常工作时二次绕组允许长期通过的最大电流有效值。允许长期通过的最大电流有效值。指二次侧的指二次侧的输出额定视在功率输出额定视在功率 即：即：额定频率额定频率50HZ三、变压器的外特性和额定值三、变压器的外特性和额定值1.外特性外特性电压保持不变，变压器任载后，由电压保持不变，变压器任载后，由于一、二次侧均有电流通过，必然于一、二次侧均有电流通过，必然在一次侧、二次侧内阻抗上产生电在一次侧、二次侧内阻抗上产生电压降，从而使二次电压随负载电流压降，从而使二次电压随负载电流增加变小。称增加变小。称曲线曲线为变压器的为变

21、压器的外外特性。特性。变压器外特性变压器外特性电压调整率电压调整率满载时电压满载时电压空载电压空载电压一般在一般在5%以内以内四、变压器的损耗和效率四、变压器的损耗和效率变压器损耗变压器损耗 p 分铁损分铁损 pFe 和和铜损铜损 pCu 1.铁损铁损是交变的主磁通在铁心中产生磁滞损耗是交变的主磁通在铁心中产生磁滞损耗ph和涡流损耗和涡流损耗pe之和之和又又称为固定损耗称为固定损耗2.铜损铜损又又称为可变损耗称为可变损耗变压器一次侧、二次侧均有电阻，当有电流通过时，产生损耗变压器一次侧、二次侧均有电阻，当有电流通过时，产生损耗3.效率效率一次侧输入功率一次侧输入功率p1，二次侧，二次侧输出功率

22、输出功率p2，效率为效率为p=pFe+pCu小型变压器的效率为小型变压器的效率为7085%，大型变压器效率可达，大型变压器效率可达98%3.33.33.33.3三相电压器三相电压器三相电压器三相电压器1)1)三相变压器的结构三相变压器的结构三相变压器的结构三相变压器的结构三相心式变压器的结构三相心式变压器的结构三相心式变压器的结构三相心式变压器的结构ABC3.33.33.33.3三相电压器三相电压器三相电压器三相电压器ABCXYZabczyx1)1)三相变压器的结构三相变压器的结构三相变压器的结构三相变压器的结构高压绕组：高压绕组：A-X B-Y C-ZX、Y、Z：尾端尾端A、B、C：首端首端

23、低压绕组：低压绕组：a-x b-y c-za、b、c：首端首端x、y、z：尾端尾端2)2)三相变压器的联结方式三相变压器的联结方式三相变压器的联结方式三相变压器的联结方式联结方式联结方式联结方式联结方式：高压绕组接法高压绕组接法低压绕组接法低压绕组接法三相配电变压器三相配电变压器动力供电系统（井下照明）动力供电系统（井下照明）高压、超高压供电系统高压、超高压供电系统高压、超高压供电系统高压、超高压供电系统常用接法常用接法常用接法常用接法:（1 1）三相变压器）三相变压器）三相变压器）三相变压器Y/YY/Y0 0联结联结联结联结线电压之比：线电压之比：线电压之比：线电压之比：ACBbca+（2

24、2）三相变压器）三相变压器）三相变压器）三相变压器Y Y0 0/联结联结联结联结线电压之比：线电压之比：线电压之比：线电压之比：ACBabc+第第10章结束章结束课后练习课后练习 第第1010章习题解答章习题解答铁心铁心线圈线圈衔铁衔铁直流电磁铁通电演示直流电磁铁通电演示衔铁的吸合应是瞬间完成衔铁的吸合应是瞬间完成通电演示通电演示铁心铁心线圈线圈衔铁衔铁关于磁滞关于磁滞 当当外外电场电场H 值作正负变化使铁磁材料反复磁化过程中，值作正负变化使铁磁材料反复磁化过程中，B 的变化总是落后于的变化总是落后于H 的变化。铁磁材料反复磁化后，得到近的变化。铁磁材料反复磁化后，得到近似对称原点的闭合曲线，叫似对称原点的闭合曲线，叫磁滞回线磁滞回线。不同的磁性材料，其磁滞回线形状不同不同的磁性材料，其磁滞回线形状不同HBHB软磁软磁材料材料HB硬磁硬磁材料材料箱式变压器箱式变压器-简称：箱简称：箱变变