第七章磁路及变压器Word格式文档下载.docx
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磁
7-1-1(a)。
(c)磁电式电表
路中可以有空气隙,如图7-1-1(b)、(c);
也可以没有空气隙,如图
(a)变压器(b)电磁铁
图7-1-1常见电气设备的磁路
7.1.2磁场的主要物理量
表示磁场特性的主要物理量包括磁感应强度、磁通、磁场强度和磁导率。
1、磁场强度
磁场强度H是一个用来确定磁场与电流之间关系的矢量,满足安培环流定律:
:
HdlNI(7-1-1)
其中N为线圈匝数丄为磁路的平均长度;
在国际单位制中,磁场强度的单位是A/m(安每米)。
2、磁感应强度
磁感应强度B是一个表示磁场内某点的磁场强弱和方向的矢量,其方向可用小磁针N极在磁场中某点的指向确定,磁针N极的指向就是磁场的方向。
在磁场中某点放
一个长度为1,电流为
I并与磁场方向垂直的导体,如果导体所受的电磁力为
F,则该
点磁感应强度的量值为
B£
。
在国际单位制中,
磁感应强度的单位为T
(特斯拉)。
如果磁场内各点的磁感应强度大小相等、方向相冋
,这样的磁场称为均匀磁场。
3、磁通
在均匀磁场中,右垂直于磁场方向的面积为
S,则通过该面积的磁通
Q=BS或B
§
(7-1-2)
式中B为磁感应强度,
又称为磁通密度,在国际单位制中,磁通的单位是伏
秒(V-S),
通常称为韦伯(Wb)。
4、磁导率
处在磁场中的任何物质均会或多或少地影响磁场的强弱,影响的程度则与该物质的
导磁性能有关。
磁导率与磁场强度的乘积就等于磁感应强度,即
BH(7-1-3)
磁导率的国际单位制单位为H/m(亨每米)。
通过实验可测出,真空的磁导率
04107Hm
(7-1-4)
非磁性材料中0,即r1,磁性材料中0,即r1。
7.1.3铁磁材料
磁性材料的相对磁导率很大,具有高导磁、磁饱和以及磁滞等磁性能,是制造电机、
变压器和电器设备铁心的主要材料。
1高导磁性
铁磁材料被放人磁场内,其内部的磁感应强度大大增强,即铁磁材料受到强烈的磁
化,其导磁率很高(可达102〜104数量级)。
磁感应强度B随磁场强度H变化的曲
线为磁化曲线,如图7-1-2所示。
可见磁化曲线是非线性曲线,所以铁磁性物质的不
是常数。
fl(A
图7-1-2磁化曲线
2、磁饱和性
铁磁材料的磁饱和性体现在因磁化所产生的磁感应强度Bj不会随外磁场的增强而
无限的增强。
当外磁场(或励磁电流)增大到一定值时,其内部所有的磁畴已基本上转向与外磁场一致的方向。
因而,当外部磁场再增大时,其磁化磁感应强度Bj不再继续
增加,如图7-1-3所示。
图7-1-3B~H曲线
从图7-1-3所示铁磁材料的磁化曲线B—f(H)可知,该曲线经过原点,在oa段,B随H近似线性增加;
在ab段,B增长趋势缓慢下来;
b点以后,B增加的很少,达到饱和状态。
由于铁磁材料的磁化率不是常数,B和H的关系是非线性的,
无法用准确的数学表达式表示,只能用B〜H曲线(即磁化曲线)表示。
图7-1-2为使
用实验方法,在反复磁化的情况下测得的几种常见铁磁材料的磁化曲线。
3、磁滞性
磁滞性表现在铁磁材料在交变磁场中反复磁化时,磁感应强度的变化滞后于磁场强
度的变化。
当铁磁材料被磁化,磁场强度H由零增加到某值(H=+Hm)后,如果再减
少H,此时B并不沿着原来的曲线返回,而是沿着位于其上部的另一条曲线减弱,如图7-1-4所示。
当H=0时,B=Br,Br称为剩磁感应强度,简称剩磁。
只有当H反方向变化到-Hc时,B才下降到零,He称为矫顽力。
由此可见,磁感应强度B的变化滞后
于磁场强度H的变化,这种现象称为磁滞现象。
图7-1-4所示的回线表现了铁磁材料的
磁滞性,故称为磁滞回线。
磁滞性是由于分子热运动所产生的。
图7-1-4磁滞回线
4、铁磁性物质的分类和用途
依据各种铁磁材料具有不同的磁滞回线,其剩磁及矫顽力各不相同的特性,磁性材
料通常可以分成三种类型,各具有不同的用途。
1)软磁材料
软磁材料比较容易磁化,当外磁场消失后,磁性大都消失。
反映在磁滞回线上是剩磁和矫顽磁力均较小,磁滞回线窄而陡,包围的面积较小,磁滞损耗小,磁导率高。
软磁材料适用于交变磁场或要求剩磁特别小的场合。
一般用来制造电机、变压器和各种电
器的铁心,如灵敏继电器、接触器、磁放大器等。
软磁材料中的铁氧体在电子技术中应
用很广泛,例如做计算机的磁心、磁鼓及录音设备的磁带、磁头、高频磁路中的铁心、滤波器、脉冲变压器等。
2)硬磁材料
硬磁材料的特点是,必须用较强的外磁场才能使它磁化,但是一经磁后,能保留很
大的剩磁。
反映在磁滞回线上是具有较高的剩磁和较大的矫顽磁力,磁滞回线较宽。
硬
磁材料适用于制造永久磁铁及磁电式仪表和各种扬声器及小型直流电机中的永磁铁心等。
3)矩磁材料
该种铁磁性物质具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁,磁滞回线接近矩形,所以又称
之为矩磁材料。
该种材料稳定性良好且易于迅速翻转。
矩磁材料常用来制造计算机和控
7-1-5)。
制系统中的记忆元件和逻辑元件,其磁滞回线接近矩形(图
7.1.4磁路欧姆定律
图7-1-6为绕有线圈的铁心,当线圈中通人电流I时,在铁心中就会有磁通通过。
实验可知,铁心中的磁通与通过线圈的电流I、线圈匝数N以及磁路的截面积S成
正比,与磁路的长度I成反比,还与磁导率成正比,即
(7-1-5)
INSINF
〒工瓦
S
磁通具有阻碍作用的物理量。
式7-1-5可以与电路中的欧姆定律(|U)对应,因而
R
称为磁路欧姆定律。
例7-1有一环行铁心线圈,其内径为10cm,外径为15cm,铁心材料为铸铁。
路中含有一空气隙,其长度等于0.2cm。
设线圈中通有1A的电流,如要得到0.9T的磁
感应强度,试求线圈匝数。
解磁路的平均长度为
从磁化曲线查出,当
B=0.9T时,H1=500A/m,所以铸钢的磁压降为:
H1I150039.20.2102195A
空气隙中的磁场强度为:
面。
7.2单相变压器
变压器是一种十分常见的电气设备。
按其用途的不同可分为电力变压器和特殊变压
器两大类。
如果是针对某种特殊需要而制造的变压器,成为特殊变压器。
根据变压器的
铁心结构,可分为壳式和心式两种;
根据电源的相数可分为单相变压器和三相变压器,按冷却方式分油冷变压器和空气变压器等。
上述各种变压器有不同的用途。
但其作用都相同一一改变交流电压、交流电流、交
换阻抗以及改变相位等。
作用相同的原因在于变压器的结构原理基本相同。
本节重点学
习单相变压器。
7.2.1单相变压器的基本结构
单相变压器的基本构造如图7-2-1所示。
它由闭合铁心和一次、二次绕组等组成。
为了减少磁滞和涡流引起的能量损耗,变压器的铁心一般用0.35mm或0.5mm厚的硅
钢片迭成,迭片间互相绝缘。
E24.44fN2m(7-2-2)
如果忽略一次绕组中的阻抗不计,则
UiU20
Ui4.44fNim
即(7-2-3)
U204.44fN2m
由(7-2-3)式可以看出,只要电源电压不变,铁心中的主要磁通最大值①m也不变。
由上式可得
UiNi,
k
U20N2(724)
Ni
其中kL,称为变压器的电压比,也是一次绕组与二次绕组之间的匝数比。
可见变
N2
压器有电压变换作用。
例7-2变压器一次绕组的匝数为400匝,电源电压为5000V,频率为50Hz,求铁
心中的最大磁通m。
解:
根据(7-2-3)式得
所以
I1N2I2N1
1I2
即变压器有电流变换作用。
变压器不仅有变换电压和变换电流的作用,
它还具有阻抗变换作用。
Ni11尺N2I2
(7-2-5)
如图7-2-4(a)
所示,在变压器的二次侧接上负载阻抗Z,则在一次侧看进去,可用一个阻抗Z来等
效,如图7-2-4(b)。
其等效的条件是:
电压、电流及功率不变。
U2
两式相比,得
UiI2
U2I1
根据(7-2-4)式和(7-2-5)式得
(7-2-6)
z'
lk2Z
匝数不同,变换后的阻抗不同。
我们可以采用适当的匝数比,使变换后的阻抗等于
电源的内阻,称之为阻抗匹配。
这时,负载上可获得最大功率。
例7-3在图7-2-5中,正弦交流电源的端电压US20V,内阻R0=180Q,负载阻抗Rl=5Q
(1)当等效电阻Rl=Ro时,求变压器的电压比及电源的输出功率。
(2)求负载直接与电源联接时,电源的输出功率。
图7-2-5例7-3图
解
(1)变压器的电压比为
称为变压器的外特性曲线(如图7-2-6所示)。
图中表明,当负载为电阻性和电感性时,
U2随I2的增加而下降,且感性负载比阻性负载下降更明显;
对于容性负载,U2随I2的
增加而上升。
我们还可用电压变化率U%来表示变压器二次侧电压随负载电流的变化。
即
式中U2N――变压器二次侧的额定电压,即空载电压;
U2当负载为额定负载(即电流为额定电流)时的二次侧电压。
电压变化率越小,变压器的稳定性越好。
一般变压器的电压变化率约为4%〜6%。
2、损耗与效率
U2的作用下,有电流通过,负载吸收功率。
当变压器二次绕阻接负载后,在电压对于单相变压器,负载吸收的有功功率为
P>
U2I2COS2(7-2-8)
式中cos血为负载的功率因数。
这时一次绕组从电源吸收的有功功率为
P1U111COS1(7-2-9)
式中如是ui与ii的相位差。
变压器从电源得到的有功功率R不会全部由负载吸收。
因传输过程中有能量损耗,
即铜损Pcu和铁损PFe。
这些损耗均变为热量,使变压器温度升高。
根据能量守恒
定律
P1P2
Pcu
PFe
(7-2-10)
则变压器的效率为
P2
-100%
-100%
(7-2-11)
P1
PcuPFe
变压器的效率很高,
对于大容量的变压器,
其效率一般
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