电工基础变压器精品版.docx
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电工基础变压器精品版
第5章磁路与变压器
5.1磁路的基本概念
一、铁磁材料
铁磁材料:
能被磁化的的材料。
例如:
铁、钴、镍以及它们的合金和氧化物。
铁心:
由铁磁材料制成。
磁畴:
铁心自身存在的自然磁性小区域。
注意:
在没有外磁场作用时,磁畴的方向杂乱无章,宏观不显磁性。
图5.1磁畴和铁心的磁化
磁化:
在一定强度外磁场的作用下,磁畴将沿外磁场方向趋向规则排列,产生附加磁场,使通电线圈的磁场显著增强。
图5.2磁化过程
直线1表示空心线圈的情况;曲线2表示线圈放入铁心的情况。
磁化过程说明:
直线1:
I与Φ成正比且增加率较小
曲线2(磁化曲线):
OA段大部分磁畴的磁场沿外磁场方向排列,Φ与I成正比且增加率较大;AB段所有磁畴的磁场最终都沿外磁场方向排列,铁心磁场从未饱和状态过渡到饱和状态;B点以后称饱和状态,铁心的增磁作用已达到极限。
二、磁导率µ:
表征各种材料导磁能力的物理量
真空中的磁导率(µ0)为常数(亨/米)
一般材料的磁导率µ和真空中的磁导率µ0之比,称为这种材料的相对磁导率µr
,则称为铁磁材料
,则称为非铁磁材料
三、磁滞现象
磁滞:
铁心线圈通入交流电,铁心中的磁畴会随交流电的变化而被反复磁化。
由于磁畴本身存在“惯性”,使得磁通的变化滞后电流的变化。
磁滞损耗:
为外磁场不断克服磁畴的“惯性”消耗的能量。
磁滞损耗是铁心发热的原因之一。
铁磁材料的磁性能:
1、高导磁性2、磁饱和性3、磁滞性
软磁材料硬磁材料矩磁材料
图5.3铁磁材料的磁滞回线
根据磁性能,磁性材料又可分为三种:
软磁材料(磁滞回线窄长。
常用做磁头、磁心等)、硬磁材料(磁滞回线宽。
常用做永久磁铁)、矩磁材料(磁滞回线接近矩形。
可用做记忆元件)。
四、磁路
线圈通入电流后,产生磁通,分主磁通和漏磁通。
:
主磁通
:
漏磁通
图5.4交流铁心线圈电路
磁路:
主磁通所经过的闭合路径。
磁路和电路的比较:
五、涡流
交变的磁通穿过铁心导体时,在其内部产生的旋涡状的电流。
(a)整块铁心(b)有硅钢片叠成的铁心
图5.4涡流
涡流会使铁心发热并消耗能量,为了减小涡流损耗,铁心常采用涂有绝缘材料的硅钢片叠成。
5.2交流铁心线圈电路
交流激励线圈中产生感应电势
电路方程:
一般情况下uR很小,漏磁通很小
:
主磁通:
漏磁通
图5.5交流铁心电路
和产生的感应电势分别为el和eσ
∴
假设
则
最大值
有效值
N—线圈匝数;f—电源频率;—铁心中交变磁通的幅值
例1、有一个铁心线圈接在交流220V、50Hz的交流电源上,铁心中磁通的最大值为0.001Wb,问铁心上的线圈至少应绕多少匝?
解U≈4.44fNΦm
有
若铁心中的线圈只绕了100匝,线圈通电后会产生什么后果?
结果是线圈通电后会烧坏——由于磁通最大值远远超过了规定的最大值,对应线圈中的电流远远超过正常值。
5.3变压器
变压器功能:
变电压:
电力系统
变电流:
电流互感器
变阻抗:
电子电路中的阻抗匹配(如喇叭的输出变压器)
二、变压器的工作原理
1.空载运行原边接入电源,副边开路。
接上交流电源原边通过的空载电流为i10i10产生工作磁通
产生感应电动势(方向符合右手定则)
图5.6变压器的空载运行
原、副边电压关系
根据交流磁路的分析可得:
图5.7变压器的空载运行工作原理
时
变电压K为变比
结论:
改变匝数比,就能改变输出电压。
2.负载运行
副边带负载后对磁路的影响:
在副边感应电压的作用下,副边线圈中有了电流i2。
此电流在磁路中也会产生磁通,从而影响原边电流i1。
根据,当外加电压、频率不变时,铁芯中主磁通的最大值在变压器空载或有负载运行时基本不变。
带负载后磁动势的平衡关系为:
图5.8变压器的有载运行
由于变压器铁芯材料的磁导率高、空载励磁电流很小,一般不到额定电流的10%,常可忽略。
根据原、副边电流关系
∴
变电流
结论:
原、副边电流与匝数成反比
原、副边阻抗关系
图5.9变压器的阻抗变换
从原边等效:
变阻抗
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。
例2有一台降压变压器,原绕组电压为220V,副绕组电压为110V,原绕组为2200匝,若副绕组接入阻抗值为10Ω的阻抗,问变压器的变比、副绕组匝数、原绕组中电流各为多少?
解:
变压器变比
副绕组匝数
副绕组电流
原绕组电流
例3:
扬声器上如何得到最大输出功率。
设:
信号源电压的有效值:
Us=120V;信号源内阻:
负载为扬声器,其等效电阻:
RL=8Ω。
1、将负载与信号源直接相连,得到的输出功率为:
信号源
图5.10例3(a图)
2、将负载通过变压器接到信号源上。
若要信号源输出给负载的功率达到最大,用变压器进行阻抗变换,通过变压器把负载RL变换为等效电阻
变压器把负载RL变换为等效电阻
变压器变比
图5.11例3(b图)
输出功率为:
结论:
由此例可见经变压器“匹配”后,输出功率增大了许多。
原因是满足了电路中获得最大功率输出的条件(信号源内、外阻抗相等)。
三、变压器的外特性
变压器的外特性:
在电源电压和负载功率因数不变的条件下,副边输出电压和输出电流的关系。
即:
图5.12变压器的外特性
U20:
原边加额定电压、副边开路时,副边的输出电压。
变压器外特性变化的程度用电压变化率ΔU%表示
大容量的电力变压器的电压变化率5%。
小型号变压器的电压变化率20%。
电压变化率是一个重要技术指标,直接影响到供电质量。
电压变化率越小,变压器性能越好。
四、变压器的损耗及效率(η)
铜损-----可变损耗
变压器的损耗
铁损-----固定损耗
铜损(PCu):
绕组导线电阻所致。
磁滞损失:
磁滞现象引起铁芯发热,造成的损失。
铁损(PFe):
涡流损失:
交变磁通在铁芯中产生的感应电流(涡流),造成的损失。
变压器的效率η
P2为输出功率,P1为输入功率
一般变压器的效率在95%,大型变压器的效率可达99%以上。
五、变压器的额定值
变压器负荷运行状态称额定运行。
额定运行时各电量值为变压器的额定值。
额定电压U1NU2N
U1N:
加在一次绕组上的正常工作电压。
U2N:
一次侧施加额定电压时的二次侧空载电压。
额定电流I1NI1N变压器满载运行时,原、副边绕组允许通过的电流值。
额定容量SN变压器传送电功率的最大能力。
额定频率fN变压器应接入的电源频率。
我国电力系统的标准频率为50Hz。
以上额定值是以单相变压器为例
六、变压器绕组极性及连接方法
同极性端(同名端)
当电流分别流入两个线圈(或流出)时,若两线圈产生的磁通方向相同,则这两个线圈流入端称为同极性端(同名端)。
也是各绕组电位瞬时极性相同的端点。
图5.13变压器绕组极性及连接
(a)图A、a为同名端;(b)图A、x为同名端
小功率电源变压器在使用中有时需要把绕组串连起来以提高电压;或把绕组并联起来以增大电流。
在连接时必须认清绕组的极性,否则不仅达不到预期的目的,反而可能烧坏变压器。
正确的串联接法:
应把两个绕组的一对异名端联在一起。
正确的并联接法:
应把两个绕组的两对同名端分别联结在一起(还需注意并联绕组的电压必须相等)。
线圈的接法
电器使用时两种电压(220V/110V)的切换:
220V:
联结2-3
110V:
联结1-3,2-4
图5.14线圈的两种接法
说明:
两种接法下不变,所以铁芯磁路的设计相同
原边有两个相同绕组的电源变压器(220/110),使用中应注意的问题:
问题1:
在110V情况下,如果只用一个绕组(N),行不行?
若两种接法铁芯中的磁通相等,则:
答:
不行(两绕组必须并绕)
问题2:
如果两绕组的极性端接错,结果如何?
因为
两个线圈中的磁通抵消
感应电势e=0
电流很大
烧毁
图5.15线圈的错误接法
答:
有可能烧毁变压器
结论:
在极性不明确时,一定要先测定极性再通电。
5.4几种常用的变压器
一、三相电力变压器
电力工业中,输配电都采用三相制。
变换三相交流电电压,则用三相变压器。
把三个单相变压器拼合在一起,便组成了一个三相变压器。
高压绕组分别用U1U2、V1V2、W1W2表示。
低压绕组分别用u1u2、v1v2、w1w2表示。
根据电力网的线电压及原绕组额定电压的大小,可以将原绕组分别接成星形或三角形。
图5.16三相电力变压器
根据供电需要,副绕组也可以接成三相四线制星形或三角形。
三相变压器的原副绕组的常用接法有Y,yn、Y,d、YN,d三种。
大写字母表示高压绕组的接法,小写字母表示低压绕组的接法,Y与y表示星形接法,D与d表示三角形连接,N与n表示有中线。
例如三相变压器的联接组Y,yn0
Y高压绕组联结为星形
Yn低压绕组联结为星形有中线
0表示高、低压对应两侧线电压的相位关系
二、自耦变压器
图5.17自耦变压器
使用时,改变滑动端的位置,便可得到不同的输出电压。
实验室中用的调压器就是根据此原理制作的。
注意:
原、副边千万不能对调使用,以防变压器损坏。
因为N变小时,磁通增大,电流会迅速增加。
三、电压互感器用低量程的电压表测高电压
图5.18电压互感器
被测电压=电压表读数⨯N1/N2
使用注意:
1.副边不能短路,以防产生过流;
2.铁心、低压绕组的一端接地,以防在绝缘损时,在副边出现高压。
四、电流互感器用低量程的电流表测大电流
图5.19电流互感器
被测电流=电流表读数⨯N2/N1
使用注意事项:
1.副边不能开路,以防产生高电压;
2.铁心、低压绕组的一端接地,以防在绝缘损坏时,在副边出现过压。
本章小结
①磁路是由铁磁材料制成的、磁通集中通过的路径,可根据需要制成一定的形状。
将磁路和电路进行比较,进一步理解磁路的基本物理量和基本规律。
②交流铁心线圈的磁通取决与外加正弦交流电压,其基本关系式为U=4.44fNΦm,当外加电压一定时,磁通的幅值不变。
③理想变压器的变压、变流、变阻抗的关系式为
④三相电力变压器、仪用互感器、自耦调压器、电焊变压器的结构特点及应用。
第五章自测题
1.铁磁性物质的B与H的关系由____________表达,B和H的关系是_____________关系,铁磁性物质的主要特性表现为__________现象。
2.一铁心线圈匝数为N,接在频率为f的正弦电压U下工作,当U及f不变时,N增加时磁通将__________(填增大或减小);
3.
4.教师评语小学一台变压器的铁芯上有两个线圈,已知铁心的磁通的最大值为8×10-3wb,线圈的额定电压分别为6000V,220V,额定频率为50Hz,则这两个线圈的匝数分别为N1=______________,N2=______________。
5.一台单相双绕组变压器额定容量为10KVA,额定电压为220/110V,原副边额定电流为________A。
6.有一匝数为100匝,电流为40A的交流接触器的线圈被烧毁,检测时手头上只有允许通过电流为25A的较细导
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