電工電子技術(shù)之磁路和變壓器培訓(xùn)課件

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1、電工電子技術(shù),首 頁,4.1 鐵芯線圈、磁路,第4章 磁路和變壓器,4.2 變壓器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理,4.3 實用中的常見變壓器,學(xué)習(xí)目的與要點,電工技術(shù)中不僅要討論電路問題，還將討論磁路問題。因為很多電工設(shè)備與磁路都有關(guān)系，如電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的變壓器、電動機、發(fā)電機、電磁鐵及電工測量儀表等。,為了更好的學(xué)習(xí)變壓器、電機、電器的工作特性及應(yīng)用，首先在理解有關(guān)磁路的問題。磁路問題與磁場有關(guān)，與磁介質(zhì)有關(guān)，而且磁場往往還與電流相關(guān)聯(lián)，因此本章要先從磁路、磁場及其基本物理量進行研究。,通過本章學(xué)習(xí)，要求理解磁場的基本物理量、磁性材料的磁性能、交流鐵心線圈電路；熟悉變壓器的結(jié)構(gòu)組成及其繞組極性測定

2、的方法。掌握變壓器的工作原理,(,包括變壓、變流和阻抗變換作用,),；了解磁路及其基本定律、電磁鐵、特殊變壓器等。,4.1,鐵芯線圈、磁路,工程應(yīng)用,實際中，大量的電氣設(shè)備都含有線圈和鐵心。當繞在鐵芯上的線圈通電后，鐵芯就會被磁化而形成鐵芯磁路，磁路又會影響線圈的電路。因此，電工技術(shù)不僅有電路問題，同時也有磁路問題,。,常用,電氣設(shè)備鐵芯示意圖中紅色虛線表示磁路中的工作主磁通的路徑；紫色虛線表示通過空氣閉合的極少部分漏磁通。,1.,磁路的基本物理量,u,i,磁通,線圈通電后使鐵芯磁化，形成鐵芯磁路。,通過磁路橫截面的磁力線總量,稱為,磁通,，用“,”,來表示。單位是韋伯,Wb,。,均勻,磁場中

3、，磁通,等于磁感應(yīng)強度,B,與垂直于磁場方向的面積,S,的乘積，即：,磁通是標量。其大小反映了與磁場相垂直的某個截面上的磁場強弱情況。磁通的國際單位制中還有較小的單位稱為麥克斯韋,Mx,，韋伯和麥克斯韋之間的換算關(guān)系為：,1Wb=10,8,Mx,(1),磁通,(2),磁感應(yīng)強度,磁感應(yīng)強度是,表征磁場中某點強弱和方向,的物理量。用大寫字母“,B,”,表示。,B,是矢量，,B,的方向就是置于磁場中該點小磁針,N,極的指向。勻強磁場中，,B,的大小可用載流導(dǎo)體在磁場中所受到的電磁力來定義。即：,上式中，電磁力,F,的單位是牛頓,N,、電流的單位是安培,A,、導(dǎo)體的有效長度,(,與磁場方向相垂直方向

4、的長度投影,),單位是米,m,時，磁感應(yīng)強度,B,的單位是特斯拉,T,。,由,=,BS,可知，勻強磁場中某截面,S,上,B,值越大，穿過該截面上的磁力線總量越多。因此，磁感應(yīng)強度也常稱為磁通密度。磁感應(yīng)強度的國際單位制中還有較小的單位高斯,Gs,，特斯拉和高斯之間的換算關(guān)系為：,1T=10,4,Gs,磁導(dǎo)率是反映自然界,物質(zhì)導(dǎo)磁能力,的物理量，用希臘字母“,”,表示,。物質(zhì)的種類很多，且導(dǎo)磁能力也各不相同，為了有效地區(qū)別它們各自的導(dǎo)磁能力，我們引入一個參照標準,真空的磁導(dǎo)率,0:,自然界中各種物質(zhì)的磁導(dǎo)率均與真空的磁導(dǎo)率相比，可得到不同的比值，我們把這個比值稱為,相對磁導(dǎo)率,，用“,r,”,表

5、示，即：,顯然，相對磁導(dǎo)率無量綱，其值越大，表明該類物質(zhì)的導(dǎo)磁性能越好；反之，導(dǎo)磁性能越差。,(3),磁導(dǎo)率,根據(jù)相對磁導(dǎo)率,r,值的不同，自然界的物質(zhì)大致可分為兩大類：,(1),非磁性物質(zhì),如空氣、塑料、銅、鋁、橡膠等。這些物質(zhì)的導(dǎo)磁能力很差，磁導(dǎo)率均與真空的磁導(dǎo)率非常接近，它們的相對磁導(dǎo)率均,約等于,1,。非磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率可認為是常量。,如鐵、鎳、鈷、鋼及其合金等。這些物質(zhì)的導(dǎo)磁能力非常強，其磁導(dǎo)率一般為真空的幾百、幾千乃至幾萬、幾十萬倍。如鑄鐵，其相對磁導(dǎo)率,r,200,400,；,鑄鋼的相對磁導(dǎo)率,r,500,2200,；硅鋼的,r,700010000,；坡莫合金的,r,200002

6、00000,。,顯然，鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率,不是常量,，而是一個范圍，即隨外部條件變化。鐵磁性物質(zhì)的相對磁導(dǎo)率,大大于,1,。,(2),鐵磁性物質(zhì),(4),磁場強度,磁場強度也是,表征磁場中某點強弱和方向的物理量,，用大寫字母“,H,”,表示。,H,也是矢量，,H,的方向也是置于磁場中該點小磁針,N,極的指向。,磁場強度和磁感應(yīng)強度有何區(qū)別和聯(lián)系？,磁感應(yīng)強度是描述磁路,介質(zhì)的磁場,某點強弱和方向的物理量，與介質(zhì)的導(dǎo)磁率有關(guān)；磁場強度是描述,電流的磁場,強弱,和方向的物理量，與介質(zhì)的導(dǎo)磁率無關(guān)。它們之間的聯(lián)系為：,磁場強度,H,的單位有安每米和安每厘米，二者之間的換算關(guān)系為：,1A/m=10,-2

7、,A/cm,2.,磁路歐姆定律,交流鐵芯線圈磁路通常由硅鋼片疊壓制成，導(dǎo)磁率很高。當套在鐵芯上的線圈通電后，鐵芯迅速被磁化，成為一個人為,集中的強磁場,。,u,i,磁路部分,電路部分,交流鐵芯線圈示意圖,電流通過,N,匝線圈所形成的磁動勢用,F,m,=NI,表示，磁路對,磁通所呈現(xiàn)的阻礙作用用磁阻,R,m,表示，磁動勢、磁通和磁阻三者之間的關(guān)系可表述為：,磁路歐姆定律,磁路歐姆定律中的磁阻,R,m,與磁導(dǎo)率,有關(guān)，因此對鐵芯磁路來講是一個變量，,定量計算很復(fù)雜，,因此沒有電路歐姆定律應(yīng)用得那么廣泛,，,通常只用來,定性分析,磁路的情況。,鐵磁材料內(nèi)部往往有相鄰的幾百個分子電流圈流向一致，這些分

8、子電流產(chǎn)生的磁場疊加起來，就形成了一個個天然的小磁性區(qū)域,磁疇,。不同鐵磁物質(zhì)內(nèi)部磁疇的數(shù)量不同。,通常情況下，鐵磁材料內(nèi)部的磁疇排列,雜亂無章,，其,磁性相互抵消,，因此對外不顯示磁性。,鐵磁材料之所以具有高導(dǎo)磁性。是因為在其內(nèi)部具有一種特殊的物質(zhì)結(jié)構(gòu),磁疇,。,這些磁疇相當于一個個小磁鐵。,磁疇是怎么形成的？,顯然，磁疇是由分子電流產(chǎn)生的。,(1),高導(dǎo)磁性,有外磁場作用時,磁疇在外界磁場的作用下，均發(fā)生,歸順性轉(zhuǎn)向,，使得鐵磁材料內(nèi)部形成一個很強的,附加磁場,。,3.,鐵磁物質(zhì)的磁性能,磁滯回線中,H,為零時,B,并不為零 的現(xiàn)象說明鐵磁材料具有,剩磁性,。,B,H,0,c,b,a,起始

9、磁化曲線,oa,段是,線性段,ab,段是,上升段,bc,段是磁化曲線的,膝部,C,點以后是,飽和段,起始磁化曲線反映了什么？,起始磁化曲線的,ab,段反映了鐵磁材料的,高導(dǎo)磁性,；,c,點以后說明鐵磁材料具有,磁飽和性,。,磁滯回線中,B,的變化總是落后于,H,的變化說明鐵磁材料具有,磁滯性,。,鐵磁材料反復(fù)磁化一周所構(gòu)成的曲線稱為,磁滯回線,。,（,2,）鐵磁材料的磁飽和性、磁滯性和剩磁性,軟磁材料具有磁導(dǎo)率很高、易磁化、易去磁的顯著特點，,適用于制作各種電機、電器的鐵心,。,軟磁材料,4,、鐵磁材料的分類和用途,鐵磁材料根據(jù)工程上用途的不同可以分為三大類：,硬磁材料的磁導(dǎo)率不太高、但一經(jīng)磁

10、化能保留很大剩磁且不易去磁，,適用于制作各種永久磁體,。,硬磁材料,矩磁材料磁導(dǎo)率極高、磁化過程中只有正、負兩個飽和點，,適用于制作各類存儲器中記憶元件的磁芯,。,矩磁材料,B,H,0,軟磁性材料磁滯回線包圍的面積很小。,B,H,0,硬磁性材料磁滯回線包圍的面積很寬大。,B,H,0,5.,鐵芯損耗,根據(jù)電流的熱效應(yīng)原理，渦流通過鐵芯時將使鐵芯發(fā)熱，顯然渦流增加設(shè)備絕緣設(shè)計的難度，渦流嚴重時會造成設(shè)備的燒損。,在交變磁場作用下，整塊鐵芯中產(chǎn)生的旋渦狀,感應(yīng)電流,稱為,渦流,。,渦流對電氣設(shè)備有何影響？,為減小渦流損耗，常用硅鋼片疊壓制成電機電器的鐵芯。,(1),磁滯損耗,鐵磁材料反復(fù)磁化時，內(nèi)部

11、磁疇的極性取向隨著外磁場的交變來回翻轉(zhuǎn)，在翻轉(zhuǎn)的過程中，由于磁疇間相互摩擦而引起的能量損耗稱為,磁滯損耗,。磁滯損耗使鐵芯發(fā)熱。,(2),渦流損耗,主磁通原理告訴我們,:,只要外加電壓有效值及電源頻率不變，鐵芯中工作主磁通最大值,m,也將維持不變。,6.,主磁通原理,u,i,對交流鐵芯線圈而言，設(shè)工作主磁通為：,可得：,交變磁通穿過線圈時，在線圈中感應(yīng)電壓，其值為：,主磁通原理,分析,某含有氣隙的鐵芯線圈，線圈兩端加有效值為,U,的交流電壓，當氣隙增大時，鐵芯中的主磁通是增大還是減??？線圈中的電流如何變化？,氣隙增大時，鐵芯磁路中的磁阻增加，但由于電源電壓效值為,U,和頻率,f,并無改變，根據(jù)

12、主磁通原理可知，鐵芯磁路中的工作主磁通,并不發(fā)生改變,。根據(jù)磁路歐姆定律：,磁通不變，則上式中的比值也應(yīng)不變。因此，當磁阻,R,m,增大時，線圈中通過的,電流必定增大,。,分析,一個交流電磁鐵，因出現(xiàn)機械故障，造成通電后銜鐵不能吸合，結(jié)果把線圈燒壞，試分析其原因。,電磁鐵線圈中的額定電流是根據(jù)吸合后的電流限值設(shè)定的。當通電后不能吸合時，由于鐵芯和銜鐵之間存有一定的氣隙，造成鐵芯磁路中的磁阻大大增加。民主磁通原理可知，此時鐵芯磁路中的工作主磁通,并不發(fā)生改變。若要滿足磁路歐姆定律：,就必須增大線圈中的電流，而且氣隙雖小，但磁阻遠大于鐵芯中的磁阻，此時線圈電流將是額定電流的許多倍，從而造成線圈燒毀

13、。,你能說出根據(jù)導(dǎo)磁性能的不同自然界中物質(zhì)的分類嗎？,你會做嗎？,您能很快說出磁場幾個物理量的單位嗎？能否說出,B,和,H,的區(qū)別和聯(lián)系？,磁通,、導(dǎo)磁率,、磁感,應(yīng)強度,B,和磁場強度,H,分別表征了磁路的哪些特征？,鐵磁物質(zhì)具有哪些磁性能？鐵芯中存在哪些損耗？銅和鋁能被磁,化嗎？,檢驗學(xué)習(xí)結(jié)果,根據(jù)工程上用途的不同？鐵磁性材料可分為幾類？能否說出它們的特點和用途？,1.,變壓器的基本結(jié)構(gòu),4.2,變壓器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理,u,1,i,10,A,X,N,1,N,2,u,20,a,x,S,用硅鋼片疊壓制成,的變壓器鐵芯。,與電源相接的,一次側(cè)繞組。,|,Z,L,|,與負載相接的,二次側(cè)繞組。

14、,變壓器的主體結(jié)構(gòu)是由鐵芯和繞組兩大部分構(gòu)成的。變壓器的繞組與繞組之間、繞組與鐵芯之間均相互絕緣。,u,20,A,X,a,x,S,|,Z,L,|,2.,變壓器的工作原理,u,1,i,10,N,1,N,2,(1),變壓器的空載運行與變換電壓原理,交變的磁通穿過,N,1,和,N,2,時，分別在兩個線圈中感應(yīng)電壓：,計算它們的比值：,有：,顯然，,改變線圈繞組的匝數(shù),即可,實現(xiàn)電壓的變換,。且,k,1,時為降壓變壓器；,k,1,時為升壓變壓器。,變壓比，,簡稱變比,A,X,|,Z,L,|,a,x,N,2,S,N,1,u,2,u,1,i,1,(2),變壓器的有載運行與變換電流原理,變壓器負載運行時，一

15、次側(cè)電流由,i,0,變?yōu)?i,1,，二次側(cè)產(chǎn)生負載電流,i,2,，而電壓,u,20,相應(yīng)變?yōu)?u,2,。,變壓器負載運行時，二次側(cè)電流,i,2,產(chǎn)生副邊磁動勢,I,2,N,2,，該磁動勢對,I,0,N,1,起削弱作用。,i,2,根據(jù)主磁通原理，只要電源電壓和頻率不變，鐵芯中的工作主磁通,的,數(shù)值將維持不變。因此，原邊電流,i,0,相應(yīng)增大為,i,1,，原邊磁動勢也增大為,I,1,N,1,，增大的部分恰好與二次側(cè)磁動勢相平衡。此時的磁動勢方程式為：,磁動勢平衡方程式告訴我們：變壓器二次側(cè)電流,i,2,的大小是由負載決定的，但二次側(cè)的能量來源于一次側(cè)，兩側(cè)電路并沒有直接的電的聯(lián)系，而是,通過磁耦合

16、把能量從原邊傳遞到副邊,。,由上式可得：,變壓器鐵芯的導(dǎo)磁率很高，因此滿足工作主磁通需要的磁動勢,I,0,N,1,很小，和,I,1,N,1,相比可忽略不計，所以磁動勢平衡方程式又可改為：,變壓器在能量傳遞的過程中損耗很小，因此一次側(cè)和二次側(cè)的容量近似相等，有：,變流比,ce,能量傳遞過程中，,變壓器在變換電壓的同時也變換了電流,。,(3),變壓器的阻抗變換作用,A,X,|,Z,L,|,a,x,N,2,S,N,1,u,2,u,1,i,1,i,2,設(shè)變壓器副邊所接負載為,|,Z,L,|,，原邊等效輸入阻抗為,|,Z,1,|,，則有：,將變壓器的變壓比公式和變流比公式代入上式得：,上式告訴我們：只要改變變壓器的匝數(shù)比，即可獲得合適的,二次側(cè)對一次側(cè)的,反射阻抗,|Z,1,|,。式中,k,2,稱為負載阻抗折算到一次側(cè)時的變換系數(shù)。,已知某收音機輸出變壓器的原邊匝數(shù)為,600,，副邊匝數(shù)為,30,，原邊原來接有,16,的揚聲器?，F(xiàn)因故要改接成,4,揚聲器，問輸出變壓器的匝數(shù),N,2,應(yīng)改為多少？,收音機電路中，輸出變壓器所起的作用是：讓揚聲器阻抗與晶體管的輸出端阻抗,匹配,，以使負荷上獲得最大功