Ch9磁路和变压器ppt课件.ppt

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1、Ch9磁路和变压器磁路和变压器电工电子技术基础电工电子技术基础第第9 9章章磁路和变压器磁路和变压器第第9章章 磁路和变压器磁路和变压器9.1 磁路及其分析方法磁路及其分析方法9.2 交流铁心线圈电路交流铁心线圈电路9.3 变压器的基本结构和工作原理变压器的基本结构和工作原理9.4 变压器的运行特性和额定值变压器的运行特性和额定值9.5 特殊变压器及应用特殊变压器及应用3-39.1 磁路及其分析方法磁路及其分析方法3-43-59.1.1磁路的基本物理量磁路的基本物理量1磁感应强度（磁通密度）磁感应强度（磁通密度）磁感应强度是表征磁场强弱及方向的物理量。单磁感应强度是表征磁场强弱及方向的物理量。

2、单位：特斯拉（位：特斯拉（T）或）或Wb/m2。2磁通量（磁通）磁通量（磁通）在均匀磁场中磁感应强度在均匀磁场中磁感应强度B(对非均匀磁场，取的对非均匀磁场，取的平均值平均值B)与垂直于磁场方向的面积与垂直于磁场方向的面积S的乘积，为的乘积，为通过该面积的磁通量，简称磁通通过该面积的磁通量，简称磁通。单位：。单位：Wb。 =BS 3磁导率磁导率通电线圈所产生磁场的强弱与线圈中放入的介质通电线圈所产生磁场的强弱与线圈中放入的介质有关。表示物质这种磁性质的物理量称为磁导率有关。表示物质这种磁性质的物理量称为磁导率。真空磁导率为。真空磁导率为 0=410-7H/m。任意一种物质的磁导率与真空真空磁导

3、率0的比值，称为该物质的相对磁导率r，即 r=/04. 磁场强度H是为了简化计算而引入的辅助物理量，定义为单位长度磁路上所消耗的磁动势,或单位长度磁路上的磁位降。它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）。 H=B/9.1.2磁性材料的磁性能磁性材料的磁性能磁性材料主要是指铁、镍、钴及其合金。它们具有下列磁性能。1高导磁性 磁性材料的磁导率很高磁性材料的磁导率很高,r1,达数百、数千、乃至达数百、数千、乃至数万之值。它们具有被强烈磁化数万之值。它们具有被强烈磁化(呈现磁性呈现磁性)的特性。的特性。2磁饱和性磁饱和性将磁性材料放入磁场强度为将磁性材料放

4、入磁场强度为H的磁的磁场场(常为线圈的励磁电流产生常为线圈的励磁电流产生)内会内会受到到强烈的磁化其磁化曲线受到到强烈的磁化其磁化曲线(B-H曲线曲线) 如图如图9-2中曲线中曲线B=f(H)所示。可分为四段：开始磁化段所示。可分为四段：开始磁化段(0a段段)、线性段、线性段(ab段段)、趋近饱和段、趋近饱和段(bc段段)、饱和段、饱和段(cd段段)。开始时，。开始时，B与与H近于成正比地增加。而后，近于成正比地增加。而后，随着随着H的增加，的增加，B的增加缓慢下来最后趋于磁饱和的增加缓慢下来最后趋于磁饱和。磁性物质的磁导率。磁性物质的磁导率=B/H，由于，由于B与与H不成正比，不成正比，所以

5、所以不是常数，它随不是常数，它随H而变，如图而变，如图9-2=f(H)所示。所示。9.磁滞性磁滞性磁滞性表现在磁性材料在交变磁场中反复磁化时，磁滞性表现在磁性材料在交变磁场中反复磁化时，图9-2B和与H的关系磁感应强度磁感应强度B的变化滞后于磁场强度的变化滞后于磁场强度H的变化的特性的变化的特性，其磁化回线如图，其磁化回线如图9-3所示。由图可见，当所示。由图可见，当H减小时减小时，B也随之减小，但当也随之减小，但当H=0时时,B并未回到零值，而是并未回到零值，而是B=Br，Br称为剩磁感应强度，简称为剩磁感应强度，简称剩磁。若要使称剩磁。若要使B=0，则应使磁性，则应使磁性材料反向磁化，即使

6、磁场强度为材料反向磁化，即使磁场强度为(Hc)，Hc称为矫顽磁力。图称为矫顽磁力。图9-3所示的所示的B=f(H)回线表现了磁性材回线表现了磁性材料的磁滞性，故称为磁滞回线。料的磁滞性，故称为磁滞回线。磁性材料按磁滞回线的不同分为软磁材料和硬磁材磁性材料按磁滞回线的不同分为软磁材料和硬磁材料。如果磁滞回线横向宽度较窄料。如果磁滞回线横向宽度较窄(回线所围成的面积回线所围成的面积较小较小)，如图，如图9-4a所示，则磁性材料称为所示，则磁性材料称为软磁材料软磁材料。电机、变压器等铁心是用软磁材料制成。如果磁滞电机、变压器等铁心是用软磁材料制成。如果磁滞回线横向宽度较宽，如图回线横向宽度较宽，如图

7、9-4b所示，则磁性材料称所示，则磁性材料称为为硬磁材料。硬磁材料。工程上多用此材料制成永久磁铁。工程上多用此材料制成永久磁铁。图9-3磁滞回线 计算电流代数和时，电流的方向与闭合线上磁场强度计算电流代数和时，电流的方向与闭合线上磁场强度的方向满足右手螺旋定则的电流取正号，反之取负号。的方向满足右手螺旋定则的电流取正号，反之取负号。磁路的基本定律磁路的基本定律1. 安培环路定律沿任何闭合回路L, 磁场强度H的线积分等于该闭合回路所包围的电流的代数和，即图9-4软磁材料与硬磁材料磁滞回线lil dH2. 磁路欧姆定律图9-5所示理想磁路(无漏磁)是由一种材科构成，各处有相等截面积S。若取铁心中心

8、线作为积分路径l，沿路径l各点的B和H均有相同的值，其方向处处与积分路径的绕行方向一致（或H与dl同方向）。匝数为N的励磁线圈绕在铁心上，其中电流为I,即线圈中电流I穿绕磁路N次。因此安培环路定律写为 Hl=NI式中，乘积NI称为磁动势磁动势，用F表示，即F=NI磁通就是由它产生的。它的单位为安培(A)。将H=B/,B=/S,B=/S代入代入Hl=NI并且令并且令Rm= =l/(/(S)S)，得，得 =F/=F/RmRm称为磁路的磁阻。上式称为磁路的欧姆定律。称为磁路的磁阻。上式称为磁路的欧姆定律。对于由不同材料或不同截面的几段磁路串联而成的对于由不同材料或不同截面的几段磁路串联而成的磁路，磁

9、路的总磁阻为各段磁阻之和。磁路，磁路的总磁阻为各段磁阻之和。图9-5磁路9.2 交流铁心线圈电路交流铁心线圈电路9.2.1电磁关系电磁关系交流铁心线圈中外加交流电压在线圈中产生交流励磁电流i及磁动势Ni，磁动势Ni产生的磁通绝大部分通过铁心而闭合，这部分磁通称为主磁通或工作磁通，此外还有很少一部分磁通主要经过空气或其它非导磁媒质而闭合，这部分磁通称为漏磁通 ，如图9-7虚线所示。这两个磁通在线圈中产生主磁电动势e和漏磁电动势 ，其参考方向根据图中主磁通的方向，由右手螺旋法则决定，如图9-7所示。其电磁关系可表示为： e图9-7交流铁心线圈电路根据基尔霍夫电压定律，铁心线圈电压平衡方程是eeRi

10、u 电压电流关系电压电流关系线圈电阻上的电压降和漏磁电动势都很小，故上式可写成euEUdtdNe tmsin)2sin(2)2sin(2)sin(tEtftdtdNdtdNemm主磁电动势的有效值为mmfNfNE44. 422SfNBfNfNEUmmm44. 444. 422当外加电压当外加电压U和频率和频率f一定时主磁通的最大值一定时主磁通的最大值 几乎是不几乎是不变的，与磁路的磁阻变的，与磁路的磁阻Rm无关。这是交流磁路的重要特点无关。这是交流磁路的重要特点m在交流铁心线圈中，除了线圈电阻R 上有功损耗 （所谓铜损 )外，处于交变磁化下的铁心中也有功率损耗（所谓铁损 )。铁损是由磁滞和涡流

11、产生的。由磁滞所产生的铁损称为磁滞损耗 。可以证明，交变磁化一周在铁心的单位体积内所产生的磁滞损耗能量与该铁心磁滞回线所包围的面积成正比。磁滞损耗要引起铁心发热。为了减少磁滞损耗，应选用磁滞回线狭小的磁性材料制造铁心。例如变压器、交流电机中的硅钢片，磁滞损耗就较小。由涡流所产生的铁损称为涡流损耗 。铁损差不多与铁心内磁感应强度最大值的平方成正比。从上述可知，铁心线圈交流电路的有功功率为功率损耗功率损耗RI2cuP hP eP FeP FePRIUIP2cos9.3 变压器的基本结构和变压器的基本结构和工作原理工作原理9.3.1基本结构基本结构1.铁心铁心由心柱和铁轭组成，心柱用来套装绕组，铁轭

12、将心由心柱和铁轭组成，心柱用来套装绕组，铁轭将心柱连接起来，使之形成闭合柱连接起来，使之形成闭合磁路磁路,为减少铁心损耗，为减少铁心损耗，铁心用厚铁心用厚0.35-0.50mm涂绝缘漆的硅钢片叠成。涂绝缘漆的硅钢片叠成。2. 绕组绕组 是变压器的是变压器的电路电路部分，其中输入电能的绕组称为部分，其中输入电能的绕组称为一一次绕组次绕组(或原绕组或原绕组)，输出电能的绕组称为，输出电能的绕组称为二次绕组二次绕组(或副绕组或副绕组)，它们通常套装在同一心柱上。一次和二，它们通常套装在同一心柱上。一次和二次绕组具有不同的匝数、电压和电流，其中电压较次绕组具有不同的匝数、电压和电流，其中电压较高的绕组

13、称为高的绕组称为高压绕组高压绕组，电压较低的称为，电压较低的称为低压绕组低压绕组。从高、低压绕组的相对位置来看，变压器的绕组。从高、低压绕组的相对位置来看，变压器的绕组可分成可分成同心式和交迭式同心式和交迭式两类。同心式绕组结构简单两类。同心式绕组结构简单、制造方便，国产电力变压器均采用这种结构。、制造方便，国产电力变压器均采用这种结构。3. 变压器油、油箱和冷却装置变压器油、油箱和冷却装置电力变压器绕组与铁心装配完后用夹件紧固，形成电力变压器绕组与铁心装配完后用夹件紧固，形成变压器的器身。变压器器身装在油箱内，油箱内充变压器的器身。变压器器身装在油箱内，油箱内充满变压器油。变压器油是具有很好

14、绝缘性能的矿物满变压器油。变压器油是具有很好绝缘性能的矿物油，起油，起两个作用两个作用：(1)用作变压器绕组与绕组、绕组与铁心及油箱之间用作变压器绕组与绕组、绕组与铁心及油箱之间的的绝缘绝缘。(2)变压器运行时各种损耗变为热能，变压器油受热变压器运行时各种损耗变为热能，变压器油受热后产生对流，将热量带到油箱壳散发，油箱有许多后产生对流，将热量带到油箱壳散发，油箱有许多散热油管，以增大散热面积。为了加快散热油管，以增大散热面积。为了加快散热散热，有的，有的大型变压器采用内部油泵强迫油循环，外部用变压大型变压器采用内部油泵强迫油循环，外部用变压器风扇吹风或用自来水冲淋变压器油箱。器风扇吹风或用自来

15、水冲淋变压器油箱。工作原理工作原理图9-10 所示的是变压器的原理图。为了便于分析，我们将高压绕组和低压绕组分别画在两边。一次、二次绕组的匝数分别为N1和N2。1.电磁关系电磁关系可表示如下：图9-10变压器的原理图2. 各电磁量的参考方向规定任意假定外加电压u1的参考方向，按照与u1一致方向假定电流i1的方向；主磁通和原边漏磁通 与产生它们的电流i1满足右手螺旋关系；感应电动势e1和 的方向分别与主磁通和原边漏磁通 满足右手螺旋关系。主磁通在二次绕组中交变感应的电动势e2应与主磁通满足右手螺旋关系；在该电动势作用下，二次绕组回路中产生与电动势e2同方向的电流i2；i2流过二次绕组产生的磁势N

16、2i2一方面与一次绕组的磁势N1i1共同建立主磁通，同时也产生自己的漏磁通 ; 与i2 之间满足右手螺旋关系； 与 之间满足右手螺旋关系；i2流过负载产生与i2同方向的电压降u2。 111e2222e3. 电压变换由KVL，对一次绕组电路可列出与上节交流铁心线圈电路相同的电压方程11111eeiRu电阻压降和漏磁电动势较小，可以忽略不计，即11eu11EU11144. 4UfNEm同理，对由二次绕组电路可列出电压方程22122iReeu电阻压降和漏磁电动势较小，可以忽略不计，即22eu 22EUmfNE2244. 4在变压器空载(I2=0)时 E2=U20U20是空载时二次侧的端电压。KNNE

17、EUUo212121一次、二次绕组的电压之比为称为变压器的变比，亦即一次、二次绕组的匝数比。变比在电压器的名牌上注明，它表示一次、二次绕组的额定电压之比，所谓二次绕组的额定电压是指一次绕组加上额定电压时二次绕组的空载电压。要变换三相电压可采用三相变压器，三相变压器的原理图如图9-11所示。图中，各相高压绕组的首端和末端分别用U1，V1，W1和U2，V2，W2表示，低压绕组则用u1，v1，w1和u2，v2，w2表示。图9-11三相变压器的原理图三相绕组常用星形联结(高压用Y表示而低压用y表示，引出中性线时用高压用Y0表示而低压用y0表示)或三角形联结(用表示)。星形联结是把三相绕组的三个首端（高

18、压绕组是U1，V1，W1；而低压绕组是u1，v1，w1）引出，把三个末端（高压绕组是U2，V2，W2；而低压绕组是u2，v2，w2）联结在一起作为中性点。以高压绕组为例的三相绕组常用星形联结图如图9-12所示。三角形联结是把一相绕组的尾端和另一相绕组的首端相联，顺次联成一个闭合的三角形回路，最后把三相绕组的三个首端（高压绕组是U1，V1，W1；而低压绕组是u1，v1，w1）引出。以高压绕组为例的三相绕组三角形联结图如图9-13所示。图9-12 星形联结 图9-13 三角形联结三相绕组连接成星形时相电压只有线电压的三相绕组连接成三角形时，相电压等于线电压。对于三相变压器，只有在一次、二次绕组都是

19、星形或都是星形联结时，一次侧、二次侧线电压之比才等于一次、二次绕组的电压之比，因此，当一次、二次绕组联结方式不同时，必须把线电压换算成相电压才能计算变压器的变化。4.电流变换31当电源电压和频率不变时铁心中主磁通的最大值在变压器空载或有负载时是差不多恒定的。因此，012211iNiNiN012211INININ由于铁心磁导率高，空载电流很小，其有效值I0在一次绕组额定电流I1N的10%以内，因此2211ININKNNII11221变压器一次、二次绕组电流之比近似等于它们匝数比的倒数。可见，在一次绕组中电流远大于空载电流的情况下，一次、二次绕组中电流的比值是差不多不变的。5.阻抗变换变压器还有变

20、换负载阻抗实现阻抗匹配的作用。LLZKIUKIEKKNINEIUZ222222122111/图9-14负载阻抗的等效变换匝数比不同，负载阻抗折算到（反映到）一次侧的等效阻抗也不同。可以采用不同的匝数比，把负载阻抗变为所需要的、比较合适的数值。这种做法通常称为阻抗匹配。6. 变压器绕组的同极性端使用变压器或者其它磁耦合互感线圈时要注意线圈的正确连接。如果接错，变压器不能正常工作，也可能将变压器烧毁。绕在同一磁路上被同一磁通所交链的两个绕组，当磁通交变时，在同一瞬间，一个绕组的某一端点相对于另一端点的电位为正时，另一个绕组必有一端点其电位也是相对为正，这两个对应的端点就称为同极性端，也叫同名端，同

21、极性端在对应的端点旁用“*”或“”标注。同极性端取决于绕组的绕制方向，如果电流从同极性端流入（或流出）,则产生的磁通的方向是相同的，两个绕组中的感应电动势在同极性端的极性也相同。如图9-15所示，两个绕组1-2和9-4中1端和3端就是同极性端，标以记号 “”。当然，2端和4端也是同极性端。图9-15 变压器同极性端标志有的变压器具有两个相同的副绕组，如图9-16所示。如果有同极性端的标志，可以将两个绕组串联起来，以提高输出电压；也可以将两个绕组并联起来，以提高输出电流。串联时要求两绕组的异极性端连接，另外的两个异极性端作输出；并联时要求两个绕组的同极性端相接，然后接负载。如图9-16所示，即为

22、变压器副边绕组的串联与并联。图9-16 变压器绕组串联与并联9.4 变压器的运行特性和变压器的运行特性和额定值额定值9.4.1变压器的外特性和电压调整率变压器的外特性和电压调整率在电源电压U1及负载功率因数cos2不变的条件下，副边绕组的端电压U2随副边绕组输出电流I2变化的曲线U2=f(I2)称为变压器的外特性。对电阻性或电感性负载而言，变压器的外特性是一条稍微向下降低的曲线，如图9-18所示。图9-18 变压器的外特性变压器外特性的变化程度，可以用电压调电压调整率来表示。电压调整率来表示。电压调整率定义为整率定义为%100222UUUUNN9.4.2 变压器的额定值变压器的额定值1.额定容

23、量 在铭牌规定的额定状态下变压器输出视在功率的保证值，称为额定容量。额定容量用SN表示，单位是伏安(VA)或千伏安(kVA)。对三相变压器，额定容量系指三相总容量。2.额定电压 铭牌规定的各个绕组在空载、指定分接开关位置下的端电压，称为额定电压。变压器一次绕组的额定电压是指变压器在额定运行情况下，根据变压器绕组的绝缘强度和容许温升所规定的电压值，用符号U1N表示。二次绕组的额定电压是指变压器空载、一次绕组绕组上加额定电压时，二次绕组两端的电压，用U2N表示。对于三相变压器，额定电压是线电压的额定值。3.额定电流 变压器的额定电流是指变压器在额定运行情况下，根据变压器容许温升所规定的电流值，用I

24、1N和I1N来表示，三相变压器的额定电流是指线电流。4.额定频率fN 我国的标准工频规定为50赫(Hz)。此外，额定工作状态下变压器的效率、温升等数据亦属于额定值。单相变压器的额定容量、额定电压、额定电流的关系为三相变压器的额定容量、额定电压、额定电流的关系为NNNNNIUIUS1122NNNNNIUIUS112233变压器的损耗与效率变压器的损耗与效率1变压器的损耗（1）铜损耗变压器原、副边绕组中有电阻，电流流过时就会有损耗，这部分损耗称为变压器的铜损其大小与绕组通过的电流大小有关。（2）铁损耗变压器的铁损耗 由磁滞损耗 和涡流损耗 构成。其大小与铁心内磁感应强度的最大值Bm有关，与负载大小

25、无关。 PFePCuPhPe2变压器的效率变压器工作时有损耗，变压器的效率通常用下式确定。%1001%100CuFe2CuFe12PPPPPPP9.5 特殊变压器及应用特殊变压器及应用9.5.1自耦变压器自耦变压器自耦变压器的结构特点是二次绕组是一次绕组的一部分。至于一次、二次绕组电压之比和电流之比也是KNNUU2121KNNII11221图9-19 单相自耦变压器实验室常用调压器就是一种可改变二次绕组匝数自耦变压器，如图9-20所示。图9-20 单相调压器的外形和等效电路自耦调压器有单相和三相之分。原理一样，其区别就是三相调压器有三个绕组，一般都接成星形，原绕组接于三相电源上，三个抽头接负载

26、。使用自耦变压器时应注意以下几点：（1）原副绕组不能对调使用，如果把电源接到副绕组上，可能烧坏调压器或使电源短路。一般输入端有三个接线头，如图9-20所示，在接线时一定要注意。如果使用电源电压为220V的单相交流电，接入时应连接1号端和3号端。（2）连接电源时，1号端必须接中性线，因为原、副绕组有电的直接联系。否则，即使滑动触头旋在低电压位置时，当人触及输出端的任一端时，都有触电的危险。因此规定：自耦变压器不允许用作安全变压器，安全变压器一定要用双绕组的变压器。（3）接通电源时，先将滑动触头旋至零位，接通电源后再逐渐转动手柄，将输出电压调到所需的数值。用后，还应将滑动触头再调回到零位。仪用互感

27、器仪用互感器1. 电流互感器（1）基本原理和特点 电流互感器是利用变压器变换电流的作用，将大电流变换成小电流的升压变压器，其结构如图9-21a所示，符号如图9-21b所示。其一次绕组导线较粗，匝数很少，与被测量电路负载串联。二次绕组导线较细，匝数较多，接电流表或其它保护、测量装置反应电流大小的线圈上。根据变压器原理，电流互感器的一次电流和二次电流与其匝数成反比，即iKNNII1221图9-21电流互感器接线图及符号Ki 称为电流互感器的电流比。通常电流互感器二次额定电流设计成标准值5A。由于电流表的内阻抗很小，所以电流互感器正常工作时，其二次侧是处于短路状态。(2)电流互感器使用注意事项 1)

28、工作时二次侧不得开路；2)二次侧有一端必须与铁心、金属外壳一起接地；3)电流互感器在连接时，要注意其端子的极性(P1、S1是同极性端)。2.电压互感器 (1)基本原理和特点 电压互感器是一种小容量的降压变压器，其结构原理如图9-23a所示，电路中的符号如图9-23b所示。它的一次绕组AX导线很细，匝数很多，并联在被测量的电路上；二次绕组ax匝数少导线粗，接到电压表或其它保护、测量装置的反应电压大小的线圈上。根据变压器的工作原理，电压互感器一次绕组和二次绕组的电压和匝数成正比，即K是电压互感器变压比。低压侧的额定电压均设计为100V。KNNUU2121图9-23电压互感器接线图及符号(2)电压互感器的使用注意事项 1)工作时二次侧不得短路；2)二次侧有端必须与铁心、金属外壳一起接地；3)电压互感器在连接时注意其端子的极性(A与a是同极性端)。