(精品)電工學課件(王懷平)第7章磁路與鐵心線圈電路

下一頁,總目錄,章目錄,返回,上一頁,第,7,章 磁路與鐵心線圈電路,7.2,磁性材料的磁性能,7.5,變壓器,7.6,電磁鐵,7.1,磁場的基本物理量,7.3,磁路及其基本定律,7.4,交流鐵心線圈電路,2. 了解變壓器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、運行特性和繞組的同極性端，理解變壓器額定值的意義；,3.,掌握變壓器電壓、電流和阻抗變換作用；,4,.了解三相電壓的變換方法；,本章要求：,第,7,章 磁路與鐵心線圈電路,5.,了解電磁鐵的基本工作原理及其應(yīng)用知識。,1. 理解磁場的基本物理量的意義，了解磁性材料的基本知識及磁路的基本定律，會分析計算交流鐵心線圈電路；,7.1,磁場的基本物理量,7.1.1,磁感應(yīng)強度,磁感應(yīng)強度,B,:,表示磁場內(nèi)某點磁場強弱和方向的物理量。,磁感應(yīng)強度,B,的大小:,磁感應(yīng)強度,B,的方向:,與電流的方向之間符合右手螺旋定則。,磁感應(yīng)強度,B,的單位:,特斯拉(,T,)，1,T = 1Wb/m,2,均勻磁場:,各點磁感應(yīng)強度大小相等，方向相同的 磁場，也稱,勻強磁場,。,7.1.2,磁通,磁通,：,穿過垂直于,B,方向的面積,S,中的磁力線總數(shù)。,說明:,如果不是均勻,磁場，則取,B,的平均值。,在,均勻磁場中, =,B S,或,B= ,/,S,磁感應(yīng)強度,B,在數(shù)值上可以看成為與磁場方向垂直的單位面積所通過的磁通,故又稱,磁通密度,。,磁通,的單位:,韋伯(,Wb,),1Wb =1V,·s,7.1.3,磁場強度,磁場強度,H,：,介質(zhì)中某點的磁感應(yīng)強度,B,與介質(zhì),磁導率,之比。,磁場強度,H,的單位 ：,安培,/,米（,A/m,),任意選定一個閉合回線的圍繞方向，凡是電流方向與閉合回線圍繞方向之間符合右螺旋定則的電流作為正、反之為負。,式中： 是磁場強度矢量沿任意閉合,線(常取磁通作為閉合回線)的線積分；,I,是穿過閉合回線所圍面積的電流的代數(shù)和。,安培環(huán)路定律,電流正負的規(guī)定,：,安培環(huán)路定律（全電流定律）,I,1,H,I,2,安培環(huán)路定律將,電流與磁場強度聯(lián)系起來。,在,均勻磁場中,Hl = IN,例:,環(huán)形線圈如圖，其中媒質(zhì)是均勻的， 試計算,線 圈內(nèi)部各點的磁場強度。,解:,取磁通作為閉合回線，以 其,方向作為回線的圍繞方向，則有：,S,x,H,x,I,N,匝,線圈匝數(shù)與電流的乘積,NI,，,稱為,磁通勢,，用字母,F,表示，則有,F = NI,磁通由磁通勢產(chǎn)生，磁通勢的單位是安培。,式中：,N,線圈匝數(shù)；,l,x,=,2,x,是,半徑為,x,的圓周長；,H,x,半徑,x,處的磁場強度；,NI,為線圈匝數(shù)與電流的乘積。,故得：,S,x,H,x,I,N,匝,真空的磁導率為常數(shù)，用,0,表示，有：,7.1.4,磁導率,磁導率,：,表示磁場媒質(zhì)磁性的物理量，衡量物質(zhì),的導磁能力,。,相對磁導率,r,：,任一種物質(zhì)的磁導率,和真空的磁導率,0,的比值,。,磁導率,的單位：,亨/米（,H/m）,例：,環(huán)形線圈如圖，其中媒質(zhì)是均勻的，磁導率為,，,試計算線圈內(nèi)部各點的磁感應(yīng)強度。,解：,半徑為,x,處各點的磁場強度為,故相應(yīng)點磁感應(yīng)強度為,S,x,H,x,I,N,匝,由上例可見,磁場內(nèi)某點的磁場強度,H,只與電流大小、線圈匝數(shù)、以及該點的幾何位置有關(guān)，與磁場媒質(zhì)的磁性(,),無關(guān)；,而磁感應(yīng)強度,B,與磁場媒質(zhì)的磁性有關(guān)。,7.1.5,物質(zhì)的磁性,1.,非磁性物質(zhì),非磁性物質(zhì)分子電流的磁場方向雜亂無章，幾乎不受外磁場的影響而互相抵消，不具有磁化特性。,非磁性材料的磁導率都是常數(shù)，有：,所以磁通,與產(chǎn)生此磁通的電流,I,成正比，呈線性關(guān)系。,當磁場媒質(zhì)是非磁性材料時，有：,即,B,與,H,成正比，呈線性關(guān)系。,由于,O,H,B,0,r,1,B,=,0,H,(,),(,I,),2.,磁性物質(zhì),磁性物質(zhì)內(nèi)部形成許多小區(qū)域，其分子間存在的一種特殊的作用力使每一區(qū)域內(nèi)的分子磁場排列整齊，顯示磁性，稱這些小區(qū)域為磁疇。,在外磁場作用下，磁疇方向發(fā)生變化，使之與外磁場方向趨于一致，物質(zhì)整體顯示出磁性來，稱為磁化。即,磁性物質(zhì)能被磁化。,磁,疇,外,磁,場,在沒有外磁場作用的普通磁性物質(zhì)中，各個磁疇排列雜亂無章，磁場互相抵消，整體對外不顯磁性。,磁,疇,7.2,磁性材料的磁性能,7.2.1,高導磁性,磁性材料的磁導率通常都很高，即,r,1,(,如坡莫合金，其,r,可達 2,10,5,),。,磁性材料,能被強烈的磁化，,具有很高的導磁性能。,磁性材料主要指鐵、鎳、鈷及其合金等。,磁性物質(zhì)的高導磁性被廣泛地應(yīng)用于電工設(shè)備中，如電機、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放有鐵心。,磁性物質(zhì)的高導磁性被廣泛地應(yīng)用于電工設(shè)備中，如電機、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放有鐵心。在這種,具有鐵心的線圈中通入不太大的勵磁電流，便可以產(chǎn)生較大的磁通和磁感應(yīng)強度。,磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場不會隨著外磁場的增強而無限的增強。,7.2.2,磁飽和性,B,J,磁場內(nèi)磁性物質(zhì)的磁化磁場,的磁感應(yīng)強度曲線；,B,0,磁場內(nèi)不存在磁性物質(zhì)時的,磁感應(yīng)強度直線；,B,B,J,曲線和,B,0,直線的縱坐標相,加即磁場的,B,-,H,磁化曲線。,O,H,B,B,0,B,J,B,a,b,磁化曲線,磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場不會隨著外磁場的增強而無限的增強。當外磁場增大到一定程度時，磁性物質(zhì)的全部磁疇的磁場方向都轉(zhuǎn)向與外部磁場方向一致，磁化磁場的磁感應(yīng)強度將趨向某一定值。如圖。,B,-,H,磁化曲線的特征：,O,a,段：,B,與,H,幾乎成正比地增加；,ab,段：,B,的增加緩慢下來；,b,點以后：,B,增加很少，達到飽和。,O,H,B,B,0,B,J,B,a,b,有磁性物質(zhì)存在時，,B,與,H,不成,正比，磁性物質(zhì)的磁導率,不是常數(shù)，隨,H,而變。,有磁性物質(zhì)存在時，,與,I,不成,正比。,磁性物質(zhì)的磁化曲線在磁路計算上極為重要，其為非線性曲線，實際中通過實驗得出,。,O,H,B,B,磁化曲線,B,和,與,H,的關(guān)系,7.2.3,磁滯性,磁性材料在交變磁場中反復磁化，其,B,-,H,關(guān)系曲線是一條回形閉合曲線，稱為,磁滯回線,。,磁滯性：,磁性材料中,磁感應(yīng)強度,B,的變化總是滯后于,外磁場變化的性質(zhì)。,磁滯回線,O,H,B,B,r,H,c,剩磁感應(yīng)強度,B,r,(,剩磁) ：,當線圈中電流減小到零(,H,=0),時，鐵心中的磁感應(yīng)強度。,矯頑磁力,H,c,：,使,B,= 0,所需的,H,值。,磁性物質(zhì)不同，其磁滯回線和磁化曲線也不同。,幾種常見磁性物質(zhì)的磁化曲線,a,鑄鐵,b,鑄鋼,c,硅鋼,片,O,0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0,10,3,H,/(A/m),H,/(A/m),1 2 3 4 5 6 7 8 9 10,10,3,B,/T,1.8,1.6,1.4,1.2,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,a,b,a,b,c,c,按磁性物質(zhì)的磁性能，磁性材料分為三種類型：,(1)軟磁材料,具有較小的矯頑磁力，磁滯回線較窄。,一般用來制造電機、電器及變壓器等的鐵心。常用的有鑄鐵、硅鋼、坡莫合金即鐵氧體等。,(2)永磁材料,具有較大的矯頑磁力，磁滯回線較寬。,一般用來制造永久磁鐵。常用的有碳鋼及鐵鎳鋁鈷合金等。,(3)矩磁材料,具有較小的矯頑磁力和較大的剩磁，磁滯回線接近矩形，穩(wěn)定性良好。,在計算機和控制系統(tǒng)中用作記憶元件、開關(guān)元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體等。,7.3,磁路及其基本定律,7.3.1 磁路的概念,在電機、變壓器及各種鐵磁元件中常用磁性材料做成一定形狀的鐵心。鐵心的磁導率比周圍空氣或其它物質(zhì)的磁導率高的多，,磁通的絕大部分經(jīng)過鐵心形成閉合通路，磁通的閉合路徑稱為磁路。,+,N,I,f,N,S,S,直流電機的磁路,交流接觸器的磁路,7.3.2 磁路的歐姆定律,磁路的歐姆定律是分析磁路的基本定律,環(huán)形線圈如圖，其中媒質(zhì)是均 勻的，磁導率,為,，,試計算線圈內(nèi)部 的磁通,。,解：,根據(jù)安培環(huán)路定律，有,設(shè)磁路的平均長度為,l,，,則有,1. 引例,S,x,H,x,I,N,匝,式中：,F=NI,為磁通勢，由其產(chǎn)生磁通；,R,m,稱為磁阻，表示磁路對磁通的阻礙作用；,l,為磁路的平均長度；,S,為磁路的截面積。,2. 磁路的歐姆定律,若某磁路的磁通為,，,磁通勢為,F,，,磁阻為,R,m,，,則,即有：,此即,磁路的歐姆定律。,3. 磁路與電路的比較,磁路,磁通勢,F,磁通,磁阻,電路,電動勢,E,電流密度,J,電阻,磁感應(yīng)強度,B,電流,I,N,I,+,_,E,I,R,4. 磁路分析的特點,(1)在處理電路時不涉及電場問題，在處理磁路時離不開磁場的概念；,(2)在處理電路時一般可以不考慮漏電流，在處理磁路時一般都要考慮漏磁通；,(3)磁路歐姆定律和電路歐姆定律只是在形式上相似。由于,不是常數(shù)，其隨勵磁電流而變，磁路歐姆定律不能直接用來計算，只能用于定性分析；,(4)在電路中，當,E,=0,時，,I,=0；,但在磁路中，由于有剩磁，當,F,=0,時，,不為零,；,7.3.3 磁路的分析計算,主要任務(wù):,預先選定磁性材料中的磁通,(或磁感應(yīng)強度,)，,按照所定的磁通、磁路各段的尺寸和材料,求產(chǎn)生預定的磁通所需要的磁通勢,F=NI,，,確定線圈匝數(shù)和勵磁電流。,基本公式:,設(shè)磁路由不同材料或不同長度和截面積的,n,段組成，則基本公式為：,即,基本步驟:,（由磁通,求磁通勢,F=NI,）,(1) 求各段磁感應(yīng)強度,B,i,各段磁路截面積不同，通過同一磁通,，故有：,(2) 求各段磁場強度,H,i,根據(jù)各段磁路材料的磁化曲線,B,i,=f,(,H,i,) ,求,B,1,，,B,2,，,相對應(yīng)的,H,1,，,H,2,，。,(3) 計算各段磁路的磁壓降 （,H,i,l,i,）,(4) 根據(jù)下式求出磁通勢（,NI,）,例1:,一個具有閉合的均勻的鐵心線圈，其匝數(shù)為300，,鐵心中的磁感應(yīng)強度為 0.9,T，,磁路的平均長度為,45,cm，,試求： (1)鐵心材料為鑄鐵時線圈中的電,流; (2)鐵心材料為硅鋼片時線圈中的電流。,解：,（1）查鑄鐵材料的磁化曲線，,當,B,=0.9 T,時，,(2)查硅鋼片材料的磁化曲線，,當,B,=0.9 T,時，,磁場強度,H,=9000 A/m，,則,磁場強度,H,=260 A/m，,則,結(jié)論：,如果要得到相等的磁感應(yīng)強度，采用磁導率高的鐵心材料，可以降低線圈電流，減少用銅量。,如線圈中通有同樣大小的電流0.39,A，,則鐵心中的磁場強度是相等的，都是260,A/m。,查磁化曲線可得，,在例1(1)，(2)兩種情況下，如線圈中通有同樣大小的電流0.39,A，,要得到相同的磁通,，鑄鐵材料鐵心的截面積和,硅鋼片材料鐵心,的截面積，哪一個比較??？,【,分析】,B,硅鋼,是,B,鑄鐵,的17倍。,因,=,BS,，,如要得到相同的磁通,，則鑄鐵鐵心的截面積必須是硅鋼片鐵心的截面積的17倍。,B,鑄鐵,= 0.05,T、,B,硅鋼,=0.9,T,結(jié)論：,如果線圈中通有同樣大小的勵磁電流，要得到相等的磁通，采用磁導率高的鐵心材料，可使鐵心的用鐵量大為降低。,查鑄鋼的磁化曲線，,B,=0.9 T,時，磁場強度,H,1,=500 A/m,例2:,有一環(huán)形鐵心線圈，其內(nèi)徑為10,cm，,外徑為,5,cm，,鐵心材料為鑄鋼。磁路中含有一空氣隙，,其長度等于 0.2,cm。,設(shè)線圈中通有 1,A,的電流，,如要得到 0.9,T,的磁感應(yīng)強度，試求線圈匝數(shù)。,解:,空氣隙的磁場強度,鑄鋼鐵心的磁場強度，,鐵心的平均長度,磁路的平均總長度為,對各段有,總磁通勢為,線圈匝數(shù)為,磁路中含有空氣隙時，由于其磁阻較大，磁通勢幾乎都降在空氣隙上面。,結(jié)論：,當磁路中含有空氣隙時，由于其磁阻較大，要得到相等的磁感應(yīng)強度，必須增大勵磁電流（設(shè)線圈匝數(shù)一定）。,7.4,交流鐵心線圈電路,7.4 .1 電磁關(guān)系,+,e,+,e,+,u,N,i,（磁通勢）,主磁通,：,通過鐵心閉合的磁通。,漏磁通,：,經(jīng)過空氣或其它非導磁媒質(zhì)閉合的磁通。,線圈,鐵心,i,，,鐵心線圈的漏磁電感,與,i,不是線性關(guān)系。,7.4 .2 電壓電流關(guān)系,根據(jù),KVL:,+,+,+,e,e,u,N,i,式中：,R,是線圈導線的電阻,L,是漏磁電感,當,u,是正弦電壓時,，其它各電壓、電流、電動勢可視作正弦量，則電壓、電流關(guān)系的相量式為：,設(shè)主磁通 則,有效值,由于線圈電阻,R,和感抗,X,（,或漏磁通,）較小，其電壓降也較小，與主磁電動勢,E,相比可忽略，故有,式中：,B,m,是,鐵心中磁感應(yīng)強度的最大值，單位,T；,S,是鐵心截面積，單位,m,2,。,7.4 .3 功率損耗,交流鐵心線圈的功率損耗主要有銅損和鐵損兩種。,1. 銅損（,P,cu,）,在交流鐵心線圈中, 線圈電阻,R,上的功率損耗稱銅損，用,P,cu,表示。,P,cu,=,RI,2,式中：,R,是線圈的電阻；,I,是線圈中電流的有效值。,2. 鐵損（,P,Fe,）,在交流鐵心線圈中，處于交變磁通下的鐵心內(nèi)的功率損耗稱鐵損，用,P,Fe,表示。,鐵損由磁滯和渦流產(chǎn)生。,+,u,i,（1）磁滯損耗（,P,h,）,由磁滯所產(chǎn)生的能量損耗稱為,磁滯損耗（,P,h,）。,磁滯損耗的大?。?單位體積內(nèi)的磁滯損耗正比與磁滯回線的面積和磁場交變的頻率,f,。,O,H,B,磁滯損耗轉(zhuǎn)化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。,減少磁滯損耗的措施：,選用磁滯回線狹小的磁性材料制作鐵心。變壓器和電機中使用的硅鋼等材料的磁滯損耗較低。,設(shè)計時應(yīng)適當選擇值以減小鐵心飽和程度,。,(2)渦流損耗（,P,e,）,渦流損耗:,由渦流所產(chǎn)生的功率損耗。,渦流,：,交變磁通在鐵心內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電流，稱為渦流。渦流在垂直于磁通的平面內(nèi)環(huán)流。,渦流,損耗轉(zhuǎn)化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。,減少渦流損耗措施：,提高鐵心的電阻率。鐵心用彼此絕緣的鋼片疊成，把渦流限制在較小的截面內(nèi)。,鐵心線圈交流電路的有功功率為：,先將實際鐵心線圈的線圈電阻,R,、,漏磁感抗,X,分出，得到用理想鐵心線圈表示的電路；,+,+,u,i,R,X,+,+,u,R,u,實際鐵心線圈電路,理想鐵心線圈電路,線圈電阻,漏磁感抗,+,+,+,e,e,u,i,7.4 .4 等效電路,用一個不含鐵心的交流電路來等效替代鐵心線圈交流電路。,等效條件：,在同樣電壓作用下，功率、電流及各量之間的相位關(guān)系保持不變。,理想鐵心線圈的等效電路,理想鐵心線圈有能量的損耗和儲放，可用具有電阻,R,0,和感抗,X,0,串聯(lián)的電路等效。,+,+,u,i,R,X,+,+,u,R,u,X,0,R,0,式中：,P,Fe,為鐵損，,Q,Fe,為鐵心儲放能量的無功功率,。,故有：,+,+,+,e,e,u,理想鐵心線圈的等效電路,理想鐵心線圈有能量的損耗和儲放，可用具有電阻,R,0,和感抗,X,0,串聯(lián)的電路等效。其中：電阻,R,0,是和鐵心能量損耗(鐵損)相應(yīng)的等效電阻，感抗,X,0,是和鐵心能量儲放相應(yīng)的等效感抗。其參數(shù)為：,等效電路,例1:,有一交流鐵心線圈，電源電壓,U,= 220 V,電路中電流,I,=4 A，,功率表讀數(shù),P,=100W，,頻率,f,=50Hz，,漏磁通和線圈電阻上的電壓降可忽略不計，試求:(1)鐵心線圈的功率因數(shù)；（2）鐵心線圈的等效電阻和感抗。,解:,(,1),(,2) 鐵心線圈的等效阻抗模為,等效電阻為,等效感抗為,例2:,要繞制一個鐵心線圈，已知電源電壓,U,= 220 V，,頻率,f,=50Hz ，,今量得鐵心截面為30.2,cm,2,鐵心由硅鋼片疊成，設(shè)疊片間隙系數(shù)為0.91 (一般取0.90.93)。（1）如取,B,m,=1.2T，,問線圈匝數(shù)應(yīng)為多少? (2)如磁路平均長度為 60,cm,問勵磁電流應(yīng)多大?,鐵心的有效面積為,(,1)線圈匝數(shù)為,(,2)查磁化曲線圖，,B,=1.2,T,時,=700 ，則,解:,7.5,變壓器,變壓器是一種常見的電氣設(shè)備，在電力系統(tǒng)和電子線路中應(yīng)用廣泛。,變電壓：,電力系統(tǒng),變阻抗：,電子線路中的阻抗匹配,變電流：,電流互感器,變壓器的主要功能有,：,在能量傳輸過程中，當輸送功率,P,=,UI,cos,及負載功率因數(shù),cos,一定時：,電能損耗小,節(jié)省金屬材料（經(jīng)濟）,7.5.1,概述,U,I,P,=,I,²,R,l,I,S,電力工業(yè)中常采用高壓輸電低壓配電，實現(xiàn)節(jié)能并保證用電安全。具體如下：,發(fā)電廠,10.5,kV,輸電線,220,kV,升壓,儀器,36,V,降壓,實驗室,380 / 220,V,降壓,變電站,10,kV,降壓,降壓,變壓器的結(jié)構(gòu),變壓器的磁路,繞組：,一次繞組,二次繞組,單相變壓器,+,+,由高導磁硅鋼片疊成,厚,0.35,mm,或 0.5,mm,鐵心,變壓器的電路,一次,繞組,N,1,二次,繞組,N,2,鐵心,變壓器的結(jié)構(gòu),變壓器的分類,電壓互感器,電流互感器,按用途分,電力變壓器,(,輸配電用,),儀用變壓器,整流變壓器,按相數(shù)分,三相變壓器,單相變壓器,按制造方式,殼式,心式,變壓器符號,7.5.2,變壓器的工作原理,單相變壓器,+,+,一次,繞組,N,1,二次,繞組,N,2,鐵心,一次、二次繞組互不相連，能量的傳遞靠磁耦合。,(1) 空載運行情況,1. 電磁關(guān)系,一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)開路。,+,+,+,+,+,1,i,0,(,i,0,N,1,),1,空載時，鐵心中主磁通,是,由一次繞組磁通勢產(chǎn)生的。,(2) 帶負載運行情況,1. 電磁關(guān)系,一次側(cè)接交流電源，二次側(cè),接負載,。,+,+,+,1,1,i,1,(,i,1,N,1,),i,1,i,2,(,i,2,N,2,),2,有載時，鐵心中主磁通,是,由一次、二次繞組磁通勢共同產(chǎn)生的合成磁通。,2,i,2,+,e,2,+,e,2,+,u,2,Z,2.,電壓變換,（設(shè)加正弦交流電壓）,有效值,:,同 理：,主磁通按正弦規(guī)律變化，設(shè)為 則,(1) 一次、二次側(cè)主磁通感應(yīng)電動勢,根據(jù),KVL：,變壓器一次側(cè)等效電路如圖,由于電阻,R,1,和感抗,X,1,(,或漏磁通)較小,其兩端的電壓也較小,與主磁電動勢,E,1,比較可忽略不計，則,+,+,+,(2) 一次、二次側(cè)電壓,式中,R,1,為,一次側(cè),繞組的電阻;,X,1,=,L,1,為,一次側(cè),繞組的感抗(漏磁感抗，由漏磁產(chǎn)生)。,（,匝比）,K,為,變比,對二次側(cè)，,根據(jù),KVL：,結(jié)論：改變匝數(shù)比，就能改變輸出電壓。,式中,R,2,為,二次,繞組的電阻;,X,2,=,L,2,為,二次,繞組的感抗；,為,二次,繞組的端電壓。,變壓器空載時,:,+,u,2,+,+,+,i,1,i,2,+,e,2,+,e,2,式中,U,20,為變壓器空載電壓。,故有,三相電壓的變換,A,B,C,X,Y,Z,a,b,c,z,y,x,1),三相變壓器的結(jié)構(gòu),高壓繞組：,A-X B-Y C-Z,X、Y 、Z ：,尾端,A、B、C ：,首端,低壓繞組：,a-x b-y c-z,a、b、c：,首端,x、y、z：,尾端,2),三相變壓器的聯(lián)結(jié)方式,聯(lián)結(jié)方式,：,高壓繞組接法,低壓繞組接法,三相配電變壓器,動力供電系統(tǒng)（井下照明）,高壓、超高壓供電系統(tǒng),常用接法:,（1,）三相變壓器,Y/Y,0,聯(lián)結(jié),線電壓之比：,A,C,B,b,c,a,+,+,+,+,（2,）三相變壓器,Y,0,/,聯(lián)結(jié),線電壓之比：,A,C,B,a,b,c,+,+,+,3.,電流變換,(,一次、二次側(cè)電流關(guān)系,),有載運行,可見，鐵心中主磁通的最大值,m,在變壓器空載和有載時近似保持不變。即有,不論變壓器空載還是有載，一次繞組上的阻抗壓降均可忽略，故有,由上式，若,U,1,、,f,不變，則,m,基本不變，近于常數(shù)。,空載,：,有載：,+,|,Z,|,+,+,+,一般情況下：,I,0, (23)%,I,1N,很小可,忽,略。,或,結(jié)論：一次、二次側(cè)電流與匝數(shù)成反比。,或：,1,.,提供產(chǎn)生,m,的,磁勢,2,.,提供用于補償 作用,的磁勢,磁勢平衡式：,空載磁勢,有載磁勢,4. 阻抗變換,由圖可知：,結(jié)論： 變壓器一次側(cè)的等效阻抗模，為二次側(cè)所帶負載的阻抗模的,K,2,倍。,+,+,+,(1),變壓器的匝數(shù)比應(yīng)為,：,信號源,R,0,R,L,+,R,0,+,+,解:,例1:,如圖，交流信號源的電動勢,E,= 120V，,內(nèi)阻,R,0,=800,，,負載為揚聲器，其等效電阻為,R,L,=8,。,要求:,（1）當,R,L,折算到原邊的等效電阻 時，求變壓器的匝數(shù)比和信號源輸出的功率；（2）當將負載直接與信號源聯(lián)接時,信號源輸出多大功率？,信號源的輸出功率：,電子線路中，常利用阻抗匹配實現(xiàn)最大輸出功率。,結(jié)論：接入變壓器以后，輸出功率大大提高。,原因：,滿足了最大功率輸出的條件：,（2,）將負載直接接到信號源上時,，,輸出功率,為：,例2:,有一機床照明變壓器,50,VA,U,1,=380 V,U,2,=36 V，,其繞組已燒毀，要拆去重繞。今測得其鐵心截面積為22,mm,41mm（,如圖）。鐵心材料是0.35,mm,厚的硅鋼片。試計算一次、二次繞組匝數(shù)及導線線徑。,22,mm,厚,41,mm,解:,鐵心的有效截面積為,式中 0.9 為鐵心疊片間隙系數(shù),對 0.35,mm,的硅鋼片，可取,B,m,=1.1T,一次繞組匝數(shù)為,二次繞組匝數(shù),為,（設(shè),U,20,=1.05,U,2,）,二次繞組電流,為,一次繞組電流,為,導線直徑計算公式,式中，,J,是電流密度，一般取,J,2.5 A/mm,2,。,二次繞組線徑為,一次繞組線徑,為,1）,變壓器的型號,5.,變壓器的銘牌和技術(shù)數(shù)據(jù),S J L 1000/10,變壓器額定容量,(,KVA),鋁線圈,冷卻方式,J:,油浸自冷式,F:,風冷式,相數(shù),S:,三相,D:,單相,高壓繞組的額定電壓,(,KV),2）,額定值,額定電壓,U,1N,、,U,2N,變壓器二次側(cè)開路（空載）時，一次、二次側(cè)繞組允許的電壓值,單相：,U,1N,，,一次側(cè)電壓，,U,2N,，,二次側(cè)空載時的電壓,三相：,U,1N,、,U,2N,，,一次、二次側(cè)的線電壓,額定電流,I,1N,、,I,2N,變壓器滿載運行時，一次、二次側(cè)繞組允許的電流值。,單相：一次、二次側(cè)繞組允許的電流值,三相：一次、二次側(cè)繞組線電流,額定容量,S,N,傳送功率的最大能力。,單相：,三相：,容量,S,N,輸出功率,P,2,一次側(cè)輸入功率,P,1,輸出功率,P,2,注意：變壓器幾個功率的關(guān)系（單相）,效率,容量：,一次側(cè)輸入功率：,輸出功率：,變壓器運行時的功率取決于負載的性質(zhì),2) 額定值,7.,5.3,變壓器的外特性與效率,1. 變壓器的外特性,當一次側(cè)電壓,U,1,和負載功率因數(shù),cos,2,保持不變時，二次側(cè)輸出電壓,U,2,和輸出電流,I,2,的關(guān)系，,U,2,=,f,(,I,2,)。,U,20,：,一次側(cè)加額定電壓、二次側(cè)開路時，二次側(cè)的輸出電壓。,一般供電系統(tǒng)希望要硬特性（隨,I,2,的變化，,U,2,變化不大），電壓變化率約在,5%,左右。,電壓變化率：,cos,2,=0.8,(,感性）,U,2,I,2,U,20,I,2N,cos,2,=1,O,2.,變壓器的效率,(,),為減少渦流損耗，鐵心一般由導磁鋼片疊成。,變壓器的損耗包括兩部分：,銅損,(,P,Cu,) ：,繞組導線電阻的損耗。,渦流損耗：交變磁通在鐵心中產(chǎn)生的感 應(yīng)電流(渦流)造成的損耗。,磁滯損耗：磁滯現(xiàn)象引起鐵心發(fā)熱，造 成的損耗。,鐵損(,P,Fe,)：,變壓器的效率為,一般,95,%,負載為額定負載的(50,75)%時，,最大。,輸出功率,輸入功率,例:,有一帶電阻負載的三相變壓器，其額定數(shù)據(jù)如下：,S,N,=100kVA,U,1N,=6000V,f,=50Hz。,U,2N,=,U,20,=400V ,繞組連接成,。,由試驗測得:,P,Fe,=600 W，,額定負載時的,P,Cu,=2400W 。,試求,(1),變壓器的額定電流；,(2) 滿載和半載時的效率。,解:,(1) 定電流,() 滿載和半載時的效率,當電流流入,(,或流出）兩個線圈時，若產(chǎn)生的磁通方向相同，則兩個流入,(,或流出）端稱為同極性端。,A,X,a,x,A,X,a,x,1. 同極性端,(,同名端 ),或者說，當鐵心中磁通變化時，在兩線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢極性相同的兩端為同極性端。,同極性端用,“,”,表示,。,增加,+,+,+,+,同極性端和繞組的繞向有關(guān)。,7.,5.4,變壓器繞組的極性,聯(lián)接,23,變壓器原一次側(cè)有兩個額定電壓為,110,V,的繞組：,2. 線圈的接法,1,3,2,4,1,3,2,4,聯(lián)接,13,，,2 4,當電源電壓為,220,V,時：,+,+,電源電壓為,110,V,時：,問題,1,：,在,110,V,情況下，如果只用一個繞組,（,N,），,行不行？,答：,不行（兩繞組必須并接）,一次側(cè)有兩個相同繞組的電源變壓器,(220/110),，使用中應(yīng)注意的問題：,1,3,2,4,若兩種接法鐵心中的磁通相等，則：,+,問題,2：,如果兩繞組的極性端接錯，結(jié)果如何？,結(jié)論：,在同極性端不明確時，一定要先測定同極性端,再通電。,答：有可能燒毀變壓器,兩個線圈中的磁通抵消,原因：,電流 很大,燒毀變壓器,感應(yīng)電勢,1,3,2,4,+,方法一：交流法,把兩個線圈的任意兩端,(,X - x),連接,然后在,AX,上加一低電壓,u,AX,。,測量：,若,說明,A,與,x,或,X,與,a,是,同極性端,.,若,說明,A,與,a,或,X,與,x,為同極性端。,結(jié)論：,V,a,A,X,x,V,3. 同極性端的測定方法,+,方法二：直流法,設(shè),S,閉合時,增加。,感應(yīng)電動勢的方向，阻止,的增加。,如果當,S,閉合時，電流表正偏，則,A-a,為同極性端,;,結(jié)論：,X,x,電流表,+,_,A,a,+,S,如果當,S,閉合時，電流表反偏，,則,A-x,為同極性端。,A,X,a,x,+,_,S,+,使用時，改變滑動端的位置，便可得到不同的輸出電壓。實驗室中用的調(diào)壓器就是根據(jù)此原理制作的。,注意：一次、二次側(cè)千萬不能對調(diào)使用，,以防變壓器損壞。因為,N,變小時，磁通增大，電流會迅速增加。,7.,5.5,特殊變壓器,1.自耦變壓器,A,B,P,+,+,二次側(cè)不能短路，,以防產(chǎn)生過流；,2.,鐵心、低壓繞組的,一端接地，以防在,絕緣損壞時，在二次側(cè)出現(xiàn)高壓。,使用注意事項：,電壓表,被測電壓,=,電壓表讀數(shù),N,1,/,N,2,2.電壓互感器,實現(xiàn)用低量程的電壓表測量高電壓,V,R,N,1,（,匝數(shù)多,）,保險絲,N,2,（,匝數(shù)少,）,u,（被測電壓）,電流表,被測電流,=,電流表讀數(shù),N,2,/,N,1,二次側(cè)不能開路，,以防產(chǎn)生高電壓；,2.,鐵心、低壓繞組的,一端接地，以防在,絕緣損壞時，在二次側(cè)出現(xiàn)過壓。,使用注意事項：,3.電流互感器,實現(xiàn)用低量程的電流表測量大電流,（,被測電流）,N,1,（,匝數(shù)少,）,N,2,（,匝數(shù)多,）,A,R,i,1,i,2,7.6,電磁鐵,1. 概述,電磁鐵是利用通電的鐵心線圈吸引銜鐵或保持某種機械零件、工件于固定位置的一種電器。當電源斷開時電磁鐵的磁性消失，銜鐵或其它零件即被釋放。電磁鐵銜鐵的動作可使其它機械裝置發(fā)生聯(lián)動。,根據(jù)使用電源類型分為：,直流電磁鐵：,用直流電源勵磁；,交流電磁鐵：,用交流電源勵磁。,2. 基本結(jié)構(gòu),電磁鐵由線圈、鐵心及銜鐵三部分組成，常見的結(jié)構(gòu)如圖所示。,鐵心,銜鐵,銜鐵,有時是機械零件 、工件充當銜鐵,F,F,F,F,線圈,線圈,銜鐵,鐵心,線圈,鐵心,3. 電磁鐵吸力的計算,電磁鐵吸力的大小與氣隙的截面積,S,0,及氣隙中的磁感應(yīng)強度,B,0,的平方成正比?；竟饺缦拢?式中：,B,0,的單位是特斯拉；,S,0,的單位是平方米；,F,的單位是牛頓（,N）。,直流電磁鐵的吸力,直流電磁鐵的吸力依據(jù)上述基本公式直接求取。,交流電磁鐵的吸力,交流電磁鐵中磁場是交變的，設(shè),則,吸力瞬時值為:,式中：,為吸力的最大值。,吸力的波形:,吸力平均值為:,t,F,m,f,O,(1),交流電磁鐵的吸力在零與最大值之間脈動。銜鐵以兩倍電源頻率在顫動，引起噪音，同時觸點容易損壞。,為了消除這種現(xiàn)象，在磁極的部分端面上套一個分磁環(huán)（或稱短路環(huán)），工作時，在分磁環(huán)中產(chǎn)生感應(yīng)電流，其阻礙磁通的變化，在磁極端面兩部分中的磁通,1,和,2,之間產(chǎn)生相位差，相應(yīng)該兩部分的吸力不同時為零，實現(xiàn)消除振動和噪音，如圖所示；而直流電磁鐵吸力恒定不變；,綜合上述：,1,2,(2) 交流電磁鐵中,為了減少鐵損，鐵心由鋼片疊成；,直流電磁鐵的磁通不變，無鐵損，鐵心用整塊軟鋼制成；,(4) 直流電磁鐵的勵磁電流僅與線圈電阻有關(guān)，在吸合過程中，勵磁電流不變。,(3) 在交流電磁鐵中，線圈電流不僅與線圈電阻有關(guān)，主要的還與線圈感抗有關(guān)。在其吸合過程中，隨著磁路氣隙的減小，線圈感抗增大，電流減小。如果銜鐵被卡住，通電后銜鐵吸合不上，線圈感抗一直很小，電流較大，將使線圈嚴重發(fā)熱甚至燒毀；,4. 電磁鐵的應(yīng)用,電磁鐵在生產(chǎn)中獲得廣泛應(yīng)用。其主要應(yīng)用原理是：,用電磁鐵銜鐵的動作帶動其他機械裝置運動，產(chǎn)生機械連動，實現(xiàn)控制要求。,應(yīng)用實例,圖示為應(yīng)用電磁鐵實現(xiàn)制動機床或起重機電動機的基本結(jié)構(gòu)，其中電動機和制動輪同軸。原理如下：,M,3 ,抱閘,制動輪,彈,簧,電,磁,鐵,通,電,電磁鐵,動作,拉開,彈簧,抱閘,提起,松開,制動輪,電機,轉(zhuǎn)動,斷,電,電磁鐵,釋放,彈簧,收縮,抱閘,抱緊,抱緊,制動輪,電機,制動,啟動過程：,制動過程：,例1:,如圖是一拍合式交流電磁鐵，其磁路尺寸為：,c,= 4 cm,l,=7cm。,鐵心由硅鋼片疊成。鐵心和銜鐵的截面都是正方形，每邊長度,a,= 1 cm。,勵磁線圈電壓為交流 220,V。,今要求銜鐵在最大空氣隙,= 1,cm（,平均值）時須產(chǎn)生吸力 50,N，,試計算線圈匝數(shù)和此時的電流值。計算時可忽略漏磁通，并認為鐵心和銜鐵的磁阻與空氣隙相比可以不計。,l,c,a,a,解:,按已知吸力求,（空氣隙中和鐵心中的可認為相等）,故有,計算線圈匝數(shù),求初始勵磁電流,