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5-2 变压器的结构及工作原理,5-3 变压器的应用,5-1 磁路,第5章 磁路与变压器,2. 了解变压器的基本结构、工作原理、运行特性和绕组的同极性端,理解变压器额定值的意义;,3. 掌握变压器电压、电流和阻抗变换作用;,本章要求:,1. 理解磁场的基本物理量的意义,了解磁性材料的基本知识及磁路的基本定律;,5-1 磁路,5-1-1 磁场的基本物理量,1、磁感应强度B:,磁感应强度B是一个表示磁场中各点的磁场强弱和方向的物理量(矢量)。,定义:单位正电荷以单位速度向垂直于磁场的方向运动时 所受的机械力。,磁感应强度B的单位: T(特斯拉),均匀磁场: 磁场中各点的B:大小相等、方向相同,2、磁通:,磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积,称为通过该面积的磁通,既:,或:,S,用磁力线来描述磁场:磁通就是指垂直于磁场的某一面积S上所穿过的磁力线的数目,如图所示。,由于磁通的连续性,磁力线是闭合的。,磁通的单位是Wb(韦伯),3 磁场强度H, 为了便于计算,我们引入了一个计算磁场的物理量,称为磁场强度,用H表示(矢量)。,安培环路定律(全电流定律),磁场强度矢量沿任意闭合路线 l 的线积分,穿过该闭合路线所围面积的电流代数和,电流的正负:,+:闭合回线的绕行方向与电流方向符合右螺旋定则- :,以环形线圈为例,计算线圈内的磁场强度。,线圈内为均匀媒质,取磁力线作为闭合回线,且以磁场强度的方向为回线的绕行方向。于是,而,其中N 为线圈的匝数;Hx 是半径为 x 处的磁场强度 。,乘积 I N 是产生磁通的原因,称为磁动势,用F 表示。,单位:安(匝),强度磁场H的单位:(安培每米),4 磁导率,实验证明,在通电线圈中放入铁、钴、镍等物质后, 通电线圈周围的磁场将大为增强,磁感应强度B增大;若放入铜、铝、木材等物质,通电线圈周围的磁场几乎没有什么变化。这个现象表明,磁感应强度B与磁场中的介质的导磁性质有关。 ,磁导率:表示物质的导磁性能。的单位是H/m(亨/米)。,B=H,磁场强度H:只与电流、匝数、该点的几何位置有关, 而与介质无关。 ,磁感应强度B:与介质有关,空气、木材、纸、铝等非磁性材料的磁导率与真空磁导率近似相等,即0。 由此可知,非磁性材料的r1。导磁性能差,相对磁导率: r=/0,实验测得真空中的磁导率为: 0 =410-7 Hm,物质的磁导率与真空磁导率0的比值称作该物质的相对磁导率,用r表示。,根据磁导率可将物质分为:,铁、钴、镍及其合金的磁导率值大, r1,导磁性能好,当磁场介质为非磁性材料:,B= 0H,B-H 成正比(线性),成正比(线性),磁性材料:1)高导磁性 0。 2) 磁滞性 3) 磁饱和性,H与B的区别:H代表电流本身所产生的磁场的强弱,它反映电流的励磁能力,与介质无关。,5-1-2磁性材料,一、磁性材料的磁化:,磁畴:,非磁性材料没有磁畴结构,不具有磁化的特性。,铁磁物质会在外加磁场的作用下, 产生一个与外磁场同方向的附加磁场, 这种现象叫做磁化。,二、磁化曲线,1、磁饱和性:,bc段:H增大,B增长极慢,铁磁材料内部的磁场达到了 饱和值Bm,BJ不变。,B0:非磁性材料在真空中 建立磁场时 的磁化曲线,BJ:磁性材料的磁化曲线,B:合成的总磁场的磁化曲线,Oa段:随H增大,B几乎是直线上升,ab段:H增大,B的增长变慢,在铁心线圈通有交变电流时,铁心将受到交变磁化。但当H减少为零时,B 并未回到零值,出现剩磁Br。,B,H,O,1,4,2. 磁滞性(磁滞回线),铁磁物质工作在交变磁场中: 磁化曲线?,Br,Hc,-Hc,Br:剩磁,Hc:矫顽磁力。,闭合回线: 磁滞回线,B的变化始终落后于H的变化,这种现象叫磁滞现象,铁磁材料在反复磁化过程中:,几种常用铁磁材料的基本磁化曲线,根据滞回曲线和磁化曲线的不同,大致分成三类:,(1)软磁材料,其矫顽磁力较小,磁滞回线较窄。(铁心),(2)永磁材料,其矫顽磁力较大,磁滞回线较宽。(磁铁),(3)矩磁材料,其剩磁大而矫顽磁力小,磁滞回线为矩形。(记忆元件),三、铁磁材料的分类:,四、铁磁材料的磁性能(1) 高导磁性。 (2) 磁饱和性。 (3) 磁滞性。,典型磁路示意图,磁通集中通过的闭合路径称为磁路,5-1-3 磁路的概念及磁路的基本定律, 磁路的概念,一、安培环路定律(全电流律),磁场中任何闭合回路磁场强度的线积分,等于通过这个闭合路径内电流的代数和。,电流方向和磁场强度的方向符合右手定则,电流取正;否则取负。, 磁路的基本定律,在无分支的均匀磁路(磁路的材料和截面积相同,各处的磁场强度相等)中,安培环路定律可写成:,磁路长度L,线圈匝数N,HL:称为磁压降。,总磁动势,在非均匀磁路(磁路的材料或截面积不同,或磁场强度不等)中,总磁动势等于各段磁压降之和。,例:,二、 磁路的欧姆定律,环形磁路应用安培环路定律:,环内磁通:,环内磁场可视为均匀磁场:,令:,与成反比磁阻,磁动势:F=NI,磁阻的单位是 (亨-1)。,磁路的欧姆定律:,磁阻:,上式与电路中的欧姆定律在形式上相似,与磁路对照如下:,磁路,电路,磁动势 F,磁通 ,磁阻 R= l / S,电动势 E,电流 I,电阻 R= l / S,磁路欧姆定律:,电磁关系,(磁通势),主磁通 :通过铁心闭合的磁通。,漏磁通:经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通。,线圈,铁心, i,,铁心线圈的漏磁电感, 与i不是线性关系。,5-1-4 交流铁芯线圈电路,电压电流关系,根据KVL:,式中:R是线圈导线的电阻,L 是漏磁电感,当 u 是正弦电压时,其它各电压、电流、电动势可视作正弦量,则电压、电流关系的相量式为:,设主磁通 则,有效值,由于线圈电阻 R 和感抗X(或漏磁通)较小,其电压降也较小,与主磁电动势 E 相比可忽略,故有,2、功率:,交流铁心线圈电路的P、Q、S与电压、电流的关系和一般交流电路相同。即:,P=UIcos Q=UIsin S=UI,有功功率P,(功率损耗),铁心中的损耗:,铁损(PFe),交流铁心线圈有功功率P:,(铜损)+(铁损),铁损PFe差不多与铁心内磁感应强度的最大值Bm 的平方成正比,故Bm 不宜选得过大。,变压器,变压器应用举例,5-2 变压器的结构及工作原理,一、变压器的基本结构,单相变压器,二、变压器的工作原理,Z,i1,F,+,-,+,+,-,-,u1,e1,e1,1,2,e2,e2,+,+,-,-,i2,原理图,1. 变压器的空载运行,i0N1 称为激磁磁势。,空载电流 I0,空载运行: i2=0,空载电流(激磁电流)的有效值I0一般都很小,约为额定电流的3%8% 。,i0,F,+,-,+,+,-,-,u1,e1,e1,1,+,-,i2,u20,1. 变压器的空载运行,空载运行: i2=0,空载运行电磁关系:,设主磁通按正弦规律变化,即: 0=0m sint,原边绕组回路:,一般:R1、X1很小,所以:,副边绕组回路:,变压器中,从原边到副边的能量传递过程是依靠主磁通作为媒介来实现的,空载运行,2. 变压器的负载运行,Z,i1,F,+,-,+,+,-,-,u1,e1,e1,1,2,e2,e2,+,+,-,-,i2,原边绕组回路:,副边绕组回路:,R2 副边绕组等效电阻,三、磁动势的平衡关系,当电源电压U不变时, 铁心中主磁通也基本不变。,即:,而:磁路没变,则磁阻不变,所以两种情况下磁动势近似相等,,即:,相量:,磁势平衡方程式,5-2 -2变压器的功能及外特性,一、电压变换:,空载时:,(空载时电压比),K:称为变压器的变比。,K等于原、副线圈的匝数之比,结论:改变匝数比,就能改变输出电压。,二、电流变换:,磁势平衡方程式:,空载电流I0一般都很小,约为额定电流的3%8% 。忽略,则:,若只考虑其量值:,结论:原、副边电流与匝数成反比,从原边等效:,结论:变压器原边的等效负载,为副边所带负载乘以 变比的平方。,三、阻抗变换:,即当: RL=RS 时, 负载RL获得最大功率.,RL获得最大功率的条件:,RL=RS,阻抗变换举例:扬声器上如何得到最大输出功率。,求:负载上得到的功率,解:(1)将负载直接接到信号源上,得到的输出功 率为:,(2)将负载通过变压器接到信号源上。,输出功率为:,结论:由此例可见加入变压器以后,输出功率提高了 很多。原因是满足了电路中获得最大输出的条 件(信号源内、外阻几乎相等)。,例1:电 路 如 图 所 示,一 交 流 信 号 源 US = 10 V,内 阻 R0 = 800 ,对 电 阻 RL = 8 的 负 载 供 电,为 使 该 负 载 获 得 最 大 功 率。求:(1) 应 采 用 电 压 变 比 为 多 少 的 输 出 变 压 器 ;(2) 变 压 器 原、副 边 电 压、电 流 各 为 多 少;(3) 负 载 RL 吸 取 的 功 率 为 多 少。,解:负载获得最大功率,须阻抗匹配:,解:负载获得最大功率,须阻抗匹配:,变压器的功能小结,1、电压变换:,2、电流变换:,3、阻抗变换:,阻抗匹配,当U1、cos2为常数时;U2 = f (I2)变压器外特性,U20:原边加额定电压、副边开路时, 副边的输出电压。(空载电压),四、变压器外特性,电压变化率:,变压器工作时,一、二次绕组的视在功率为:,S1=U1I1,S2=U2I2,铭牌上给出的变压器容量:二次绕组的额定视在功率,变压器的额定电压, 是指变压器在额定情况下运行时, 原线圈应加的电压及原线圈加上额定电压时副边的空载电压,五、变压器的损耗和效率(功率关系),变压器的损耗:,(铜损)+(铁损),变压器的损耗包括两部分:,铜损 (PCU) :绕组导线电阻所致。,可变损耗(随 i 变),不可变损耗,只要U、f一定,则m一定,铁损不变,变压器的效率为:,变压器的损耗:,注意:变压器几个功率的关系,容量:,原边输入功率:,输出功率:,原边额定电压 U1N:,1、额定电压,原边绕组应加的电源电压。(绝缘强度、温升允许范围),副边额定电压 U2N:,(原绕组加额定电压时),副绕组的空载电压。,有载运行时:U2 U2N,5-3-1 变压器使用中的问题,2、额定电流:,条件下,变压器长时间运行时原、副绕组通过的电流为额定电流,3、额定容量SN :,(副边额定电压 U2N额定电流I2N的乘积),SN = U2NI2N U1NI1N,SN = U2NI2N,单位:VA,KVA,
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