变压器和电动机第.pptx
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1、9.1 9.1 磁路磁路9.2 9.2 变压器变压器9.3 9.3 异步电动机异步电动机*9.4*9.4 直流电动机直流电动机*9.5*9.5 控制电机控制电机第第9 9章章 变压器和电动机变压器和电动机9.1.1 铁磁材料的磁性能9.1.2 简单磁路分析9.1 9.1 磁路磁路 变压器、电动机以及许多电器和电工仪表都是以变压器、电动机以及许多电器和电工仪表都是以电磁感应为工作基础的。电磁感应为工作基础的。磁路:磁路:为了把磁场聚集在一定的空间范围内,以便为了把磁场聚集在一定的空间范围内,以便加以控制和利用,就必须用高磁导率的铁磁材料做加以控制和利用,就必须用高磁导率的铁磁材料做成一定形状的铁
2、心,使之形成一个磁通的路径,使成一定形状的铁心,使之形成一个磁通的路径,使磁通的绝大部分通过这一路径闭合。把磁通经过的磁通的绝大部分通过这一路径闭合。把磁通经过的闭合路径称为磁路。闭合路径称为磁路。概述:概述:铁磁材料铁磁材料:是指钢、铁、镍、钴及其合金等材料,是:是指钢、铁、镍、钴及其合金等材料,是制造变压器、电机、和电器铁心的主要材料。制造变压器、电机、和电器铁心的主要材料。1 1、磁化曲线与磁滞回线、磁化曲线与磁滞回线 铁磁材料被放入磁场强度为铁磁材料被放入磁场强度为H H的磁场内,会受到强的磁场内,会受到强烈的磁化。烈的磁化。磁化曲线磁化曲线:当:当磁场强度磁场强度H H由零逐渐增加时
3、,磁感应强度由零逐渐增加时,磁感应强度B B随之变化的曲线。随之变化的曲线。9.1.1 铁磁材料的磁性能9.1.1 铁磁材料的磁性能磁化曲线:磁化曲线:由图可知:由图可知:(1 1)磁化具有磁饱和性)磁化具有磁饱和性(2 2)磁性材料的)磁性材料的 B B H H 呈非线呈非线性关系,其磁导率性关系,其磁导率常数,也常数,也是非线性的。是非线性的。(3 3)铁磁材料的磁导率)铁磁材料的磁导率远大于远大于真空磁导率真空磁导率0,具有高导磁率。具有高导磁率。真空的导磁率真空的导磁率0 0=410-7H/m。9.1.1 铁磁材料的磁性能磁滞回线:磁滞回线:由图可知:由图可知:(1 1)铁磁材料铁磁材
4、料具有磁滞性具有磁滞性(2 2)不同种类的)不同种类的铁磁材料铁磁材料,磁,磁滞回线的形状不同。滞回线的形状不同。(3 3)剩磁感应强度)剩磁感应强度B Br r低,矫顽力低,矫顽力H Hc c小小的铁磁材料称为软磁材料。如纯铁、的铁磁材料称为软磁材料。如纯铁、纯钢、坡莫合金等。可以用来制造变纯钢、坡莫合金等。可以用来制造变压器、电机和电器的铁心。压器、电机和电器的铁心。(4 4)剩磁感应强度)剩磁感应强度B Br r较高,矫顽力较高,矫顽力H Hc c较大的铁磁材料较大的铁磁材料称为硬磁材料或永磁材料。如碳钢、铝镍钴、稀土等。称为硬磁材料或永磁材料。如碳钢、铝镍钴、稀土等。可以用来制造永久磁
5、铁。可以用来制造永久磁铁。9.1.1 铁磁材料的磁性能(1 1)磁滞损耗:是铁磁物质内分子反复取向所产)磁滞损耗:是铁磁物质内分子反复取向所产生的功率损耗。铁磁材料交变磁化一个循环在单生的功率损耗。铁磁材料交变磁化一个循环在单位内的磁滞损耗与磁滞回线的面积成正比,因此位内的磁滞损耗与磁滞回线的面积成正比,因此软糍材料的磁滞损耗较小,常用在交变磁化的场软糍材料的磁滞损耗较小,常用在交变磁化的场合。这种损耗的能量转变为热能而使铁磁材料发合。这种损耗的能量转变为热能而使铁磁材料发热。热。2 2、磁滞损耗和涡流损耗、磁滞损耗和涡流损耗9.1.1 铁磁材料的磁性能(2 2)涡流损耗涡流损耗:当整块铁心中
6、的:当整块铁心中的磁通发生交变时,铁心中会产生感磁通发生交变时,铁心中会产生感应电动势,因而在垂直于磁通应电动势,因而在垂直于磁通的的平面上产生感应电流,它围绕着磁平面上产生感应电流,它围绕着磁通通成漩涡状流动,故称涡流。成漩涡状流动,故称涡流。2 2、磁滞损耗和涡流损耗、磁滞损耗和涡流损耗(3 3)铁损耗铁损耗:是磁滞损耗和涡流损耗的合称。它会使铁:是磁滞损耗和涡流损耗的合称。它会使铁心发热,从而增加电器的温升,降低效率。但在某些场心发热,从而增加电器的温升,降低效率。但在某些场合,则可以利用涡流效应来加热或冶炼金属。合,则可以利用涡流效应来加热或冶炼金属。涡流在铁心的电阻上引起的功率损耗称
7、为涡流损耗。涡流在铁心的电阻上引起的功率损耗称为涡流损耗。它与铁心厚度的平方成正比。它与铁心厚度的平方成正比。1 1、直流磁路、直流磁路 在匝数为在匝数为N的励磁线圈中通入直流电流的励磁线圈中通入直流电流I,磁路中磁路中就会产生一个恒定磁通就会产生一个恒定磁通,这种具有这种具有恒定磁通的磁路恒定磁通的磁路称为就是称为就是直流磁路。直流磁路。直流磁路的例子:直流磁路的例子:9.1.2 简单磁路分析9.1.2 简单磁路分析 安培环路定律安培环路定律:在磁场中,磁场强度:在磁场中,磁场强度 H 沿任沿任一一 闭合路径闭合路径l 的线积分,等于穿过该闭合路径所围的线积分,等于穿过该闭合路径所围面积的电
8、流面积的电流 I I 的代数和。的代数和。电流的方向与积分的循行方向符合右手螺旋电流的方向与积分的循行方向符合右手螺旋定则的电流为正,反之为负。定则的电流为正,反之为负。9.1.2 简单磁路分析直流磁路的分析:直流磁路的分析:图中表示的是具有铁心和空图中表示的是具有铁心和空气隙的直流通路,励磁线圈通气隙的直流通路,励磁线圈通入电流后,在磁路中所产生的入电流后,在磁路中所产生的磁通,大部分集中在由铁磁材磁通,大部分集中在由铁磁材料所限定的空间范围内,称为料所限定的空间范围内,称为主磁通主磁通。还有很少的一部分磁通通过铁心以外的空间闭合还有很少的一部分磁通通过铁心以外的空间闭合(如图中的(如图中的
9、),称为),称为漏磁通漏磁通。为了分析的方便,可以只考虑主磁通,忽略漏磁通。为了分析的方便,可以只考虑主磁通,忽略漏磁通。9.1.2 简单磁路分析直流磁路的分析:直流磁路的分析:一般可以认为空气隙和铁心一般可以认为空气隙和铁心具有相同的截面积,所以铁心和具有相同的截面积,所以铁心和空气隙中的磁感应强度空气隙中的磁感应强度B=B=/A/A相同。磁场强度与磁导率有关,相同。磁场强度与磁导率有关,即即H H=B B/。即:即:R Rm m 是铁心磁阻是铁心磁阻R Rm0m0 是空气隙磁阻是空气隙磁阻 9.1.2 简单磁路分析直流磁路的分析:直流磁路的分析:磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律其中其中:NI:
10、NI称为磁动势称为磁动势;R Rm m是各段磁路磁阻之和是各段磁路磁阻之和;R Rm m 是铁心磁阻是铁心磁阻;R Rm0m0 是空气隙磁阻是空气隙磁阻 9.1.2 简单磁路分析2 2、交流磁路、交流磁路 在图中的铁心线圈上外加正弦信号在图中的铁心线圈上外加正弦信号u u,绕组中将绕组中将流过交流电流流过交流电流i i,从而产生交变磁通,其中包括集中,从而产生交变磁通,其中包括集中在铁心中的在铁心中的主主磁通磁通 和很少的一部分和很少的一部分漏磁通漏磁通。9.1.2 简单磁路分析交流磁路的分析交流磁路的分析 主主磁通磁通在线圈中产生感应电在线圈中产生感应电动势动势e e;漏磁通漏磁通在线圈中产
11、生在线圈中产生感应电动势感应电动势e e 。(图中未画出)。(图中未画出),考虑线圈中的电阻,考虑线圈中的电阻R R。可以写可以写出电压方程:出电压方程:由于一般由于一般e e 和和R Ri都很小,可以忽略,所以:都很小,可以忽略,所以:9.1.2 简单磁路分析交流磁路的分析交流磁路的分析e e和和 的参考方向符合右手螺旋定则:的参考方向符合右手螺旋定则:N N是励磁线圈的匝数,是励磁线圈的匝数,E Em m 是是e e的最大值。的最大值。e e的有效值为:的有效值为:9.1.2 简单磁路分析交流磁路的分析交流磁路的分析上述式子表明:上述式子表明:(1 1)当电源频率)当电源频率f f 和线圈
12、匝数和线圈匝数N N不变时,主磁通不变时,主磁通m基基本上与外加电压本上与外加电压U U成正比,成正比,U U不变则不变则m基本不变。基本不变。(2 2)如果)如果U U不变,而磁路中的空气隙发生变化,磁阻不变,而磁路中的空气隙发生变化,磁阻也会发生变化,为了使也会发生变化,为了使m基本不变,线圈中的电流就基本不变,线圈中的电流就必然发生变化。必然发生变化。结论:结论:交流磁路中,空气隙大小的变化会引起线圈中交流磁路中,空气隙大小的变化会引起线圈中电流的变化电流的变化9.2.1 变压器的用途和基本结构9.2.2 变压器的工作原理9.2.3 变压器的特性和额定值9.2.4 自耦变压器和互感器9.
13、2 9.2 变压器变压器变压器变压器:具有变电压,变电流,变阻抗的功能。:具有变电压,变电流,变阻抗的功能。变变压压器器的的用用途途:电电力力变变压压器器是是电电力力系系统统中中不不可可缺缺少少的的 设设备备。其其他他还还有有各各种种用用途途的的整整流流变变压压 器器、仪仪用用电电压压、电电流流互互感感器器、焊焊接接变变 压器、自藕变压器。压器、自藕变压器。变压器的结构:由铁芯和绕组两部分组成。变压器的结构:由铁芯和绕组两部分组成。9.2.1 变压器的用途和基本结构变压器按结构可分为变压器按结构可分为:心式变压器和壳式变压器。心式变压器和壳式变压器。9.2.1 变压器的用途和基本结构图(图(a
14、、b、c)为为心式变压器,图(心式变压器,图(d)壳式变压器。)壳式变压器。变压器的绕组有变压器的绕组有一次绕组一次绕组和和二次绕组二次绕组,一次绕组和电,一次绕组和电源连接,二次绕组和负载连接。一次绕组和二次绕组均源连接,二次绕组和负载连接。一次绕组和二次绕组均可以由一个或多个线圈组成,可以由一个或多个线圈组成,各式各样的变压器各式各样的变压器1 1、变压器的电压变换作用、变压器的电压变换作用 变压器空载:其一次绕变压器空载:其一次绕组加额定电压,二次绕组加额定电压,二次绕组开路。组开路。一次绕组接上正弦交流电压一次绕组接上正弦交流电压 u1时就有空载电流时就有空载电流i0(也称为励磁电流)
15、通过,并产生磁通(也称为励磁电流)通过,并产生磁通。主磁通主磁通在一次、二次绕组中分别产生感应电动在一次、二次绕组中分别产生感应电动势势e1、e2。漏磁通在一次绕组中所产生的感应电动势。漏磁通在一次绕组中所产生的感应电动势e 没画没画(e与与 的的方向符合右手定则)方向符合右手定则)9.2.2 变压器的工作原理9.2.2 变压器的工作原理变压器绕组的电压方程变压器绕组的电压方程 如果假设式中的电压、电动势均是正弦量,如果假设式中的电压、电动势均是正弦量,则可以表示成相量形式:则可以表示成相量形式:由于由于 通常比较小,可以忽略,则上式又可以通常比较小,可以忽略,则上式又可以写成:写成:9.2.
16、2 变压器的工作原理变压器绕组的电压方程变压器绕组的电压方程 假定一次、二次绕组假定一次、二次绕组的匝数分别为的匝数分别为N1N1、N2N2,则,则两个绕组电压的有效值分两个绕组电压的有效值分别为:别为:式中式中k称为变压比,称为变压比,简称变比。简称变比。如果一次侧电压比二次侧电压高,是降压变压器。如果一次侧电压比二次侧电压高,是降压变压器。如果二次侧电压比一次侧电压高,是升压变压器。如果二次侧电压比一次侧电压高,是升压变压器。9.2.2 变压器的工作原理变压器绕组的同名端变压器绕组的同名端 假定假定电流分别流入两个电流分别流入两个线圈(或流出)时,若两线线圈(或流出)时,若两线圈产生的磁通
17、方向相同,则圈产生的磁通方向相同,则这两个线圈流入端称为同极这两个线圈流入端称为同极性端(同名端)。性端(同名端)。同名端同名端也也是各绕组电位瞬时极性相同是各绕组电位瞬时极性相同的端点。的端点。图中图中U1和和u1是同名端;是同名端;U2和和u2也是同名端;同名端可也是同名端;同名端可以以标记。标记。9.2.2 变压器的工作原理三相变压器:用于变换三相电压三相变压器:用于变换三相电压 在三相绕组中,每根铁心柱上在三相绕组中,每根铁心柱上绕者属于同一相的一次、二次绕组。绕者属于同一相的一次、二次绕组。一次绕组的首端和末端分别用一次绕组的首端和末端分别用U U1 1、V V1 1、W W1 1和
18、和U U2 2、V V2 2、W W2 2表示;二次绕组表示;二次绕组的的首端和末端首端和末端分别用分别用u u1 1、v v1 1、w w1 1和和u u2 2、v v2 2、w w2 2表示表示。同时:一次绕组和二次绕组相应的首端是同名端;相应同时:一次绕组和二次绕组相应的首端是同名端;相应的末端也是同名端。的末端也是同名端。9.2.2 变压器的工作原理三相变压器的连接三相变压器的连接 三相变压器的三相变压器的一次一次绕组绕组和和二次二次绕绕组组都可以接成星形或三角形。因都可以接成星形或三角形。因此此三相变压器三相变压器的常用接法有的常用接法有“Y Y,y y”、“Y Y,d d”、“D
19、D,d d”、“D D,y y”四种。四种。其中星形联结又分成三线制和四线制两种。三线制用其中星形联结又分成三线制和四线制两种。三线制用Y Y表示,四线制用表示,四线制用Y YN N表示。我国生产的三相电力变压器以表示。我国生产的三相电力变压器以”Y Y,y yn n”、“Y Y,d d”、“Y YN N,d d”三种三种 接法最多。接法最多。9.2.2 变压器的工作原理2 2、变压器的电流变换作用、变压器的电流变换作用 在在变压器变压器的的一次绕一次绕组组上上加额定电压,二次加额定电压,二次绕组绕组加负载,电路中就加负载,电路中就会产生电流会产生电流。上述关系表明,上述关系表明,当外加电压当
20、外加电压U1和频率和频率f 保持不变,主保持不变,主磁通的最大值磁通的最大值m基本不变。基本不变。负载运行时负载运行时 和和 还是比较小,可以认为:还是比较小,可以认为:9.2.2 变压器的工作原理2 2、变压器的电流变换作用、变压器的电流变换作用 这就是变压器的电流变换作用这就是变压器的电流变换作用上式叫磁势平衡上式叫磁势平衡 由于变压器铁芯材料的磁导率高、空载励磁电流很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小,一般不到额定电流的10%10%,常可忽略,常可忽略 。9.2.2 变压器的工作原理3 3、变压器的阻抗变换作用、变压器的阻抗变换作用 这就是变压器的这就是
21、变压器的阻抗变换作用阻抗变换作用。在电子技术中经常利。在电子技术中经常利用变压器的阻抗变换作用来实现阻抗匹配。用变压器的阻抗变换作用来实现阻抗匹配。如果不考虑一次、如果不考虑一次、二次绕组漏磁通感应二次绕组漏磁通感应电动势和空载电流的电动势和空载电流的影响,并忽略各种损影响,并忽略各种损耗,这样的变压器叫耗,这样的变压器叫理想变压器理想变压器。对于理想对于理想变压器:变压器:9.2.2 变压器的工作原理 例例9.2.19.2.1图示电路信号源电压有效值图示电路信号源电压有效值U US S=1.0V=1.0V,内,内阻阻R RS S=200=200,负载电阻,负载电阻R RL L=8=8,今欲使
22、负载从信号源,今欲使负载从信号源获得最大功率,试求变压器的变比。获得最大功率,试求变压器的变比。所以变压器的变比为:所以变压器的变比为:解解 根据电路原理,负载要根据电路原理,负载要获得最大功率应使其负载的获得最大功率应使其负载的等效电阻等于电源内阻,即:等效电阻等于电源内阻,即:这就是利用变压器的阻抗变换作用来实现的阻抗匹配这就是利用变压器的阻抗变换作用来实现的阻抗匹配1 1、变压器的外特性、变压器的外特性 在变压器一次电压在变压器一次电压U1为额定值时为额定值时,的关系的关系曲线称为曲线称为变压器的外特性变压器的外特性。说明:负载是电阻或感性时,二次说明:负载是电阻或感性时,二次电压将随电
23、流的增加而降低,这是电压将随电流的增加而降低,这是因为随着电流的增大,二次绕组的因为随着电流的增大,二次绕组的电阻电压降和漏磁通感应电动势增电阻电压降和漏磁通感应电动势增大而造成的大而造成的电力变压器的电压变化率:电力变压器的电压变化率:电力变压器的电压变化率一般为电力变压器的电压变化率一般为3%6%。9.2.3 变压器的特性和额定值9.2.3 变压器的特性和额定值2 2、变压器的损耗和效率、变压器的损耗和效率 铁铁损耗损耗变压器的损耗:变压器的损耗:铜铜损耗损耗铜损耗铜损耗 (P(PCuCu):一次、二次绕组导线电阻所致产生的:一次、二次绕组导线电阻所致产生的损耗,称为可变损耗。损耗,称为可
24、变损耗。铁损耗铁损耗 (P(PFeFe):包括磁滞损耗和涡流损耗。当外加电:包括磁滞损耗和涡流损耗。当外加电压压U U1 1和频率和频率f f一定时,铁损耗也基本不变,所以铁损耗也一定时,铁损耗也基本不变,所以铁损耗也称为固定损耗。称为固定损耗。9.2.3 变压器的特性和额定值2 2、变压器的损耗和效率、变压器的损耗和效率 变压器的效率随输出变压器的效率随输出功率而变,并有一最功率而变,并有一最大值。大值。变压器的效率变压器的效率:变压器的输出功率变压器的输出功率P P2 2与输入功率与输入功率P P1 1之比。之比。变压器的效率曲线:变压器的效率曲线:例:有一单相变压器,例:有一单相变压器,
25、U1=220V,f=50Hz,空载时,空载时,U20=110V,I0=1A,一次侧输入功率,一次侧输入功率P0=55W,二次侧接电阻额定负载时,二次侧接电阻额定负载时,I1=9.2A,I2=18A,U2=106V,一次侧输入功率一次侧输入功率P1=2120W。试求试求:1)变压器的变比)变压器的变比K,2)电压变化率)电压变化率U%3)效率)效率和和PFe、PCu。解解:1)变比变比 2)3)9.2.3 变压器的特性和额定值3 3、变压器的额定值、变压器的额定值 额定值常标在变压器的铭牌上,所以也叫铭牌参数。额定值常标在变压器的铭牌上,所以也叫铭牌参数。(1)(1)额定电压额定电压 U U1N
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