開關電源變壓器與設計變壓器磁芯及骨架j__《電工電子技術基礎》電子教案_電工電子技術課件_第4章 磁路和變壓器

1、2004年8月制作 曾令琴主編 曾令琴磁路概念、變壓器工作原理磁路與變壓器主要授課內容第1章第4章 磁路與變壓器4.1 鐵芯線圈、磁路4.2 變壓器的基本結構和工作原理4.3 三相電力變壓器4.4 特殊變壓器第1章4.1 鐵芯線圈、磁路 實際電路中有大量電感元件的線圈中有鐵心。線圈通電后鐵心就構成磁路，磁路又影響電路。因此電工技術不僅有電路問題，同時也有磁路問題。第2頁1. 磁路的基本概念iu交流鐵心線圈示意圖電路部分磁路部分電流通過N匝線圈產生的磁動勢：f = i N f 在鐵芯中激發(fā)按正弦規(guī)律變化，沿鐵芯閉合的工作磁通。 均勻磁場中磁通 等于磁感應強度B與垂直于磁場方向的面積S的乘積，單位

2、是韋伯(Wb)。1Wb=108Mx第2頁磁導率 磁導率表示物質的導磁性能，單位是亨/米(H/m)。真空的磁導率： 非鐵磁物質的磁導率與真空極為接近，鐵磁物質的磁導率遠大于真空的磁導率。相對磁導率r ： 物質磁導率與真空磁導率的比值。第2頁非磁性物質：r1的物質，如銅、鋁、橡膠、空 氣、塑料等。鐵磁性物質：r1的物質，如鐵、鎳、鈷、鋼、 合金鋼、坡莫合金等。鐵磁性物質彼此之間的相對磁導率差別很大。如鑄鐵的r200400；鑄鋼的r5002200；硅鋼的r700010000；坡莫合金的r20000200000。 一個磁路中若有氣隙存在，則氣隙磁阻鐵芯磁阻。 物質根據(jù)相對磁導率的不同可分為兩大類第2頁

3、磁感應強度B和磁場強度H 1. 磁感應強度B是表征磁場中某點強弱和方向的物理量。B的大小與磁場周圍介質的磁導率有關； 2. 磁場強度H是表征電流的磁場強弱和方向的物理量。H的大小與磁場周圍介質的磁導率無關。磁路歐姆定律：磁路歐姆定律可以用來定性的分析磁路的情況。第2頁 鐵磁材料內部往往有相鄰的幾百個分子電流圈流向一致，因此在這些極小的區(qū)域內就形成了一個個天然的磁性區(qū)域磁疇。2. 鐵磁材料的磁性能 鐵磁材料內部的磁疇排列雜亂無章，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磁性，是因為在它們的內部具有一種特殊的物質結構磁疇。磁疇是怎么形成的？顯然，磁疇是由分子電流產生的。 磁疇因受

4、外磁場作用而順著外磁場的方向發(fā)生歸順性重新排列，在內部形成一個很強的附加磁場。（a）無外磁場情況（b）有外磁場情況第2頁磁滯回線中H為零時B并不為零 的現(xiàn)象說明鐵磁材料具有剩磁性。BH0cba起始磁化曲線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；鐵磁材料反復磁化一周所構成的曲線稱為磁滯回線。起始磁化曲線和磁滯回線第2頁 鐵心線圈中通過交變電流時，H的大小和方向都會改變，鐵心在交變磁場中反復磁化的過程中，B的變

5、化總是滯后于H的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯性；當H減為零時B并不為零。 磁導率可達102104，由鐵磁材料組成的磁路磁阻很小，在線圈中通入較小的電流即可獲得較大的磁通。 B不會隨H的增強而無限增強，H增大到一定值時，B不能繼續(xù)增強。高導磁性磁滯性和剩磁性磁飽和性：鐵磁性材料具有高導磁性、磁飽和性、磁滯性和剩磁性。第2頁 渦流在鐵芯中造成的熱量損耗。 根據(jù)電流的熱效應，渦流通過鐵芯將使鐵芯發(fā)熱，嚴重時會造成設備燒損。 鐵磁材料反復磁化時，內部磁疇的極性取向隨著外磁場的交變來回翻轉，在翻轉的過程中，由于磁疇間相互摩擦而引起的能量損耗稱為磁滯損耗。3. 鐵芯損耗磁滯損耗渦流損耗在交變磁場作用下，整塊鐵芯

6、中產生的旋渦狀感應電流稱為渦流。渦流對電氣設備有何影響？為減小渦流損耗，常用硅鋼片疊壓制成電機電器的鐵芯。第2頁 具有 磁導率極高、磁化后只有正、負兩個飽和狀態(tài)特點的鐵磁材料。矩磁材料適用于制作各類存儲器記憶元件的磁芯。 具有 磁導率不太高、但一經磁化、能保留很大的剩磁且不易去磁 特點的鐵磁材料。硬磁材料適用于制作各種人造磁體。 具有 磁導率很高、易磁化、易去磁 特點的鐵磁材料。軟磁材料適用于制作各種電機電器的鐵心。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分為三大類軟磁材料硬磁材料矩磁材料 對交流鐵芯而言，當外加電壓有效值及電源頻率不變時，主磁通的最大值m也將基本維持不變。5

7、. 主磁通原理第2頁 由主磁通原理可知，發(fā)生機械故障時電源電壓和電源頻率并沒有發(fā)生變化，因此磁路中的主磁通應基本維持不變。例： 一個交流電磁鐵，由于機械故障造成通電后不能吸合，結果把線圈燒壞，試分析原因。分析 根據(jù)磁路歐姆定律： 由式可得：交流電磁鐵由于卡住而不能吸合，空氣隙增大造成磁路中的磁阻大大增加，而主磁通又要維持不變，因此電流 i 將大大增加，結果使線圈燒損。 鐵損包括磁滯損耗和渦流損耗。鐵損不僅造成能量損耗，還可造成電機、電器的鐵芯發(fā)熱，若發(fā)熱嚴重時將造成設備絕緣的永久性損壞。何謂鐵損？鐵損對電器有何影響？第2頁第2頁4.2 變壓器的基本結構和工作原理TrN1i10u1AXN2|ZL

8、|u20Saxx由硅鋼片疊壓制成的變壓器鐵心磁路。變壓器一次側繞組（原邊）變壓器二次側繞組（副邊）變壓器圖形符號 變壓器是一種能變換電壓、變換電流、變換阻抗的“靜止”電氣設備。變壓器在傳遞電能的過程中頻率不變。1. 變壓器的基本結構第2頁2變壓器的工作原理（1）變壓器的空載運行與變換電壓作用N1i10u1AXN2|ZL|u20Saxx 變壓器的一次側接電源，二次側開路，這種運行狀態(tài)稱為空載。變壓器空載時原邊電流 i10很小，在鐵心磁路中產生按正弦規(guī)律變化的磁通，當穿過兩線圈時，分別感應電壓： 變壓器原、副邊電壓與感應電壓的關系為： 變壓器原、副邊電壓與感應電壓的關系為： 其中k 稱為變壓器的變

9、比。顯然：變壓器通過改變原、副邊的匝數(shù)即可變換電壓。第2頁（2）變壓器的負載運行與變換電流作用 變壓器的一次側接電源，二次側與負載接通，這種運行狀態(tài)稱為負載運行。 變壓器負載運行時由于副邊電流存在的去磁作用，因此原邊電流由 i10增大至i1。原邊磁動勢增加的數(shù)值恰好等于二次側負載所需要的磁動勢。即： 變壓器在能量傳遞的過程中損耗甚小，因此：因此： 其中1/k 稱為變壓器的變流比。顯然：變壓器在改變電壓的同時也改變了電流，即變壓器還可以變換電流。N1i1u1AXN2|ZL|u2Saxi2第2頁 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,原邊原接有16的揚聲器，現(xiàn)要改接成4 揚聲器

10、，求N2應改為多少？（3）變壓器的變換阻抗作用 變壓器的副邊所接負載為|ZL|，原邊輸入阻抗為Z1時，有：把變壓比和變流比公式代入可得： 變壓器的阻抗變換作用常用于電子電路中。例如：N1i1u1AXN2|ZL|u2Saxi2第2頁第2頁2變壓器的外特性變壓器的外特性就是描述輸出電壓u2隨負載電流 i2變化的關系，即： u2f（i2）兩者之間的對應關系可用左圖所示曲線進行描述。u2U2Ni2I2N0cos(-2超前cos2=1cos2滯后2電壓調整率電壓調整率反映了變壓器運行時輸出電壓的穩(wěn)定性，是變壓器的主要性能指標之一。 4變壓器的損耗和效率（1）損耗鐵損耗包括磁滯損耗和渦流損耗。第2頁4.3

11、 三相電力變壓器訊號式溫度計吸濕計儲油柜安全氣道油表氣體繼電器高壓套管低壓套管分接開關油箱鐵芯繞組放油閥門 變壓器主要由鐵芯和繞組兩大部分構成。鐵芯是它的磁路部分，繞組是它的電路部分。第2頁電力變壓器的型號S7-500/10低損耗系列產品額定容量（KVA）高壓繞組額定電壓（KV）變壓器同極性端判別變壓器的額定值額定容量：三相變壓器的總容量：SN=3I2NU2N額定電壓：原、副邊額定值均指線電壓數(shù)值。額定電流：I1N、I2N均指原、副邊線電流值。axAXAX是變壓器的原邊繞組ax是變壓器的副邊繞組Aa是變壓器一對同名端由同一電流感應的電動勢，極性始終保持一致的端子為同名端。電流同時由同名端流入（

12、或流出）時，它們所產生的磁場相互增強，反之相互削弱。判別方法：第2頁用實驗的方法測試同極性端S閉合時：毫伏表指示正值，則1和3是同極性端，若指針反偏，則1和4是同極性端。S打開時指針偏轉情況相反。先將兩線圈的一對端子相聯(lián)，構成串聯(lián)連接。U13=U12U34時，1和3是同極性端； U13=U12U34時，1和4是同極性端。34V12S US34VuS12V第2頁 三相變壓器的聯(lián)接組別較多，為了制造和使用的方便，國家標準規(guī)定，三相雙繞組電力變壓器的標準聯(lián)接組別有五種：Y，yn0；YN，y0；Y，y0；Y，d11；YN，d11。其中大寫字母Y表示高壓繞組為星形聯(lián)接方式，后面加N表示帶有中線；小寫字母

13、y或d，表示低壓繞組聯(lián)接為星形或三角形，星形有中線引出時，后面加字母n（0表示指0點）。 5. 三相電力變壓器的連接組別副邊繞組abcxyzabcABCXYZCAB原邊繞組Y,d11連接組別電路圖與相量圖第2頁6. 三相電力變壓器的并聯(lián)運行ACBacbNACBacbNACBacbN兩臺變壓器并聯(lián)運行將兩臺或兩臺以上變壓器的原、副繞組分別并聯(lián)到原邊和副邊的公共母線上，共同向負載供電的方式，稱為變壓器的并聯(lián)運行。為了安全可靠地并聯(lián)運行，變壓器組必須滿足下列三個條件：1.并聯(lián)運行的變壓器，其連接組別標號必須相同；2.并聯(lián)運行的變壓器，其變比應當相等；3.并聯(lián)運行的變壓器，其短路電壓應當相等。其中第1

14、條必須嚴格遵守！第2頁特點：副繞組是原繞組的一部分，原、副壓繞組不但有磁的聯(lián)系，也有電的聯(lián)系。4.4 特殊變壓器1自耦變壓器u1u2自耦變壓器的工作原理和普通雙繞組變壓器一樣，因此變比相同自耦變壓器也稱為自耦調壓器，它的最大特點就是可以通過轉動手柄來獲得原、副邊所需要的各種電壓。u1u2自耦變壓器的電路圖符號第2頁2電焊變壓器電焊變壓器：交流弧焊機實質是一種特殊的降壓變壓器，因此也稱為電焊變壓器?？侩娀》烹姷臒崃縼砣诨笚l和金屬以達到焊接金屬的目的。交流電焊機示意圖u1u26080Vi2手柄電抗器變壓器可動鐵心焊鉗2530V工件第2頁電焊變壓器必須滿足下列要求： 3. 為了適應不同的焊接要求，

15、要求電焊變壓器的焊接電流能夠在較大的范圍內進行調節(jié)，而且工作電流要比較穩(wěn)定。 1. 具有較高的起弧電壓。起弧電壓應達到6070V，額定負載時約為30V； 2. 起弧以后，要求電壓能夠迅速下降，同時在短路時（如焊條碰到工件上，副邊輸出電壓為零）次級電流也不要過大，一般不超過額定值的兩倍。也就是說，電焊變壓器要具有陡降的外特性。第2頁電壓互感器：電壓互感器的原繞組匝數(shù)很多，并聯(lián)于待測電路兩端；副繞組匝數(shù)較少，與電壓表及電度表、功率表、繼電器的電壓線圈并聯(lián)。用于將高電壓變換成低電壓。使用時副繞組不允許短路。L1L2N1N2V 電壓互感器使用時，二次側并聯(lián)阻抗不得太小，否則影響測量精度。 電壓互感器二次側表頭額定值為標準值100V。3儀用互感器第2頁電流互感器：原繞組線徑較粗，匝數(shù)很少，與被測電路負載串聯(lián)；副繞組線徑較細，匝數(shù)很多，與電流表及功率表、電度表、繼電器的電流線圈串聯(lián)。用于將大電流變換為小電流。使用時副繞組電路不允許開路。AN2N1 電流互感器二次側所接儀表的阻抗不得大于規(guī)定值！ 電流互感器二次側表頭額定值為標準值5A（或1A）。第2頁自耦變壓器