第四章變壓器和電動機

第4章變壓器和電動機4.2變壓器4.1磁路分析基礎4.3異步電動機2.了解變壓器的基本結構、工作原理、運行特性和繞組的同極性端，理解變壓器額定值的意義；3.掌握變壓器電壓、電流和阻抗變換作用；本章要求：1.了解磁性材料的基本知識及磁路的基本定律，會分析計算交流鐵心線圈電路；4.了解三相交流異步電動機的基本構造和轉動原理；5.理解三相交流異步電動機的機械特性，掌握起動和反轉的基本方法,了解調速和制動的方法；第4章變壓器和電動機6.理解三相交流異步電動機銘牌數(shù)據(jù)的意義。4.1.1磁場的基本物理量:1.磁感應強度磁感應強度B:

表示磁場內某點磁場強弱和方向的物理量。磁感應強度B的方向:

與電流的方向之間符合右手螺旋定則。磁感應強度B的單位:特斯拉(T)，1T=1Wb/m2

均勻磁場:各點磁感應強度大小相等，方向相同的

磁場，也稱勻強磁場。2.磁通磁通

：穿過垂直于B方向的面積S中的磁力線總數(shù)。

說明:

如果不是均勻磁場，則取B的平均值。在均勻磁場中=BS或B=/S

磁感應強度B在數(shù)值上可以看成為與磁場方向垂直的單位面積所通過的磁通,故又稱磁通密度。磁通

的單位:韋[伯](Wb)1Wb=1V·s3.磁場強度磁場強度H：介質中某點的磁感應強度B與介質磁導率

之比。磁場強度H的單位：安培/米（A/m)真空的磁導率為常數(shù)，用

0表示，有：4.磁導率磁導率

：表示磁場媒質磁性的物理量，衡量物質的導磁能力。相對磁導率

r：

任一種物質的磁導率

和真空的磁導率

0的比值。磁導率

的單位：亨/米（H/m）4.1.2鐵磁材料的特點1非磁性物質

非磁性物質分子電流的磁場方向雜亂無章，幾乎不受外磁場的影響而互相抵消，不具有磁化特性。非磁性材料的磁導率都是常數(shù)，有：所以磁通

與產生此磁通的電流I成正比，呈線性關系。當磁場媒質是非磁性材料時，有：即B與H成正比，呈線性關系。由于OHB

0

r

1B=

0H(

)(I)2磁性物質磁性物質內部形成許多小區(qū)域，其分子間存在的一種特殊的作用力使每一區(qū)域內的分子磁場排列整齊，顯示磁性，稱這些小區(qū)域為磁疇。在外磁場作用下，磁疇方向發(fā)生變化，使之與外磁場方向趨于一致，物質整體顯示出磁性來，稱為磁化。即磁性物質能被磁化。磁疇外磁場在沒有外磁場作用的普通磁性物質中，各個磁疇排列雜亂無章，磁場互相抵消，整體對外不顯磁性。磁疇a.高導磁性磁性材料的磁導率通常都很高，即

r1(如坡莫合金，其

r可達2

105)

。磁性材料能被強烈的磁化，具有很高的導磁性能。

鐵磁材料主要指鐵、鎳、鈷及其合金等。具有如下特點：磁性物質的高導磁性被廣泛地應用于電工設備中，如電機、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放有鐵心。在這種具有鐵心的線圈中通入不太大的勵磁電流，便可以產生較大的磁通和磁感應強度。(1)鐵磁材料的特點磁性物質由于磁化所產生的磁化磁場不會隨著外磁場的增強而無限的增強。b.磁飽和性BJ

磁場內磁性物質的磁化磁場的磁感應強度曲線；B0

磁場內不存在磁性物質時的磁感應強度直線；B

BJ曲線和B0直線的縱坐標相加即磁場的B-H磁化曲線。OHBB0BJB?a?b磁化曲線磁性物質由于磁化所產生的磁化磁場不會隨著外磁場的增強而無限的增強。當外磁場增大到一定程度時，磁性物質的全部磁疇的磁場方向都轉向與外部磁場方向一致，磁化磁場的磁感應強度將趨向某一定值。如圖。

B-H磁化曲線的特征：

Oa段：B與H幾乎成正比地增加；

ab段：B的增加緩慢下來；

b點以后：B增加很少，達到飽和。OHBB0BJB?a?b

有磁性物質存在時，B與H不成正比，磁性物質的磁導率

不是常數(shù)，隨H而變。

有磁性物質存在時，

與I不成正比。

磁性物質的磁化曲線在磁路計算上極為重要，其為非線性曲線，實際中通過實驗得出。

OHB,

B

磁化曲線B和

與H的關系c磁滯性磁性材料在交變磁場中反復磁化，其B-H關系曲線是一條回形閉合曲線，稱為磁滯回線。磁滯性：磁性材料中磁感應強度B的變化總是滯后于外磁場變化的性質。磁滯回線OHB????BrHc剩磁感應強度Br(剩磁)：

當線圈中電流減小到零(H=0)時，鐵心中的磁感應強度。矯頑磁力Hc：

使B=0所需的H值。磁性物質不同，其磁滯回線和磁化曲線也不同。(2)按磁性物質的磁性能，磁性材料分為三種類型：a.軟磁材料具有較小的矯頑磁力，磁滯回線較窄。一般用來制造電機、電器及變壓器等的鐵心。常用的有鑄鐵、硅鋼、坡莫合金即鐵氧體等。b.永磁材料具有較大的矯頑磁力，磁滯回線較寬。一般用來制造永久磁鐵。常用的有碳鋼及鐵鎳鋁鈷合金等。c.矩磁材料具有較小的矯頑磁力和較大的剩磁，磁滯回線接近矩形，穩(wěn)定性良好。在計算機和控制系統(tǒng)中用作記憶元件、開關元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體等。4.1.3磁路及其定律

在電機、變壓器及各種鐵磁元件中常用磁性材料做成一定形狀的鐵心。鐵心的磁導率比周圍空氣或其它物質的磁導率高的多，磁通的絕大部分經過鐵心形成閉合通路，磁通的閉合路徑稱為磁路。+–NIfNSS直流電機的磁路交流接觸器的磁路1磁路2磁路歐姆定律磁路的歐姆定律是分析磁路的基本定律環(huán)形線圈如圖，其中媒質是均勻的，磁導率為，試計算線圈內部的磁通

。解：根據(jù)安培環(huán)路定律，有設磁路的平均長度為l，則有1.引例Sx

HxIN匝式中：F=NI為磁通勢，由其產生磁通；

Rm稱為磁阻，表示磁路對磁通的阻礙作用；

l為磁路的平均長度；

S為磁路的截面積。若某磁路的磁通為，磁通勢為F，磁阻為Rm，則即有：此即磁路的歐姆定律。4.1.3簡單磁路的分析1.直流磁路

+–UI特點：(1)勵磁電流

，I由外加電壓及勵磁繞組的電阻R決定，與磁路特性無關。（2）勵磁電流I產生的磁通是恒定磁通，不會在線圈和鐵心中產生感應電動勢。（3）直流鐵心線圈中磁通Φ的大小不僅與線圈的電流I（即磁動勢NI）有關，還決定于磁路中磁阻Rm。（4）直流鐵心線圈的功率損耗（銅損）ΔP=I2R，由線圈中的電流和電阻決定。因磁通恒定，在鐵心中不會產生功率損耗。2.交流磁路

–+e–+e

+–uNi（磁通勢）主磁通

：通過鐵心閉合的磁通。漏磁通

：經過空氣或其它非導磁媒質閉合的磁通。線圈鐵心

i，鐵心線圈的漏磁電感

與i不是線性關系。(1)

電磁關系(2)

電壓電流關系根據(jù)KVL:

+––+–+ee

uNi式中：R是線圈導線的電阻L

是漏磁電感

當u是正弦電壓時，其它各電壓、電流、電動勢可視作正弦量，則電壓、電流關系的相量式為：設主磁通則有效值

由于線圈電阻R和感抗X

（或漏磁通

）較小，其電壓降也較小，與主磁電動勢E相比可忽略，故有式中：Bm是鐵心中磁感應強度的最大值，單位[T]；

S是鐵心截面積，單位[m2]。(3)

功率損耗交流鐵心線圈的功率損耗主要有銅損和鐵損兩種。a)銅損（

Pcu）在交流鐵心線圈中,線圈電阻R上的功率損耗稱銅損，用

Pcu表示。

Pcu=RI2式中：R是線圈的電阻；I是線圈中電流的有效值。b)鐵損（

PFe）在交流鐵心線圈中，處于交變磁通下的鐵心內的功率損耗稱鐵損，用

PFe

表示。鐵損由磁滯和渦流產生。

+–ui磁滯損耗（

Ph）由磁滯所產生的能量損耗稱為磁滯損耗（

Ph）。磁滯損耗的大?。簡挝惑w積內的磁滯損耗正比與磁滯回線的面積和磁場交變的頻率f。OHB

磁滯損耗轉化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。

減少磁滯損耗的措施：選用磁滯回線狹小的磁性材料制作鐵心。變壓器和電機中使用的硅鋼等材料的磁滯損耗較低。設計時應適當選擇值以減小鐵心飽和程度。渦流損耗（

Pe）渦流損耗:由渦流所產生的功率損耗。

渦流：交變磁通在鐵心內產生感應電動勢和電流，稱為渦流。渦流在垂直于磁通的平面內環(huán)流。渦流損耗轉化為熱能，引起鐵心發(fā)熱。減少渦流損耗措施：提高鐵心的電阻率。鐵心用彼此絕緣的鋼片疊成，把渦流限制在較小的截面內。

鐵心線圈交流電路的有功功率為：

變壓器是根據(jù)電磁感應原理制成的一種靜止的電氣設備，在電力系統(tǒng)和電子線路中應用廣泛。變壓器主要分成以下三大類：4.2.1變壓器的分類4.2變壓器1．電力變壓器：

在輸配電系統(tǒng)中，用來傳輸和分配電能。

負載發(fā)電廠

G～

發(fā)電機升壓變壓器

6.3～10.5kV

高壓輸電線

35～500kV

降壓變壓器

區(qū)域變電所

高壓配電線

6～10kV

降壓變壓器

低壓配電線

380/220V工廠(用戶)電力工業(yè)中常采用高壓輸電低壓配電，實現(xiàn)節(jié)能并保證用電安全。具體如下：

發(fā)電廠10.5kV輸電線220kV升壓儀器36V降壓…實驗室380/220V降壓變電站10kV降壓降壓2．特種電源變壓器。用來獲得工業(yè)中特殊要求的電源，如整流變壓器、電爐變壓器等。3．專用變壓器。（a）電源變壓器（b）自耦變壓器（c）環(huán)形變壓器（d）隔離變壓器圖專用變壓器

變壓器的結構變壓器的磁路繞組：一次繞組二次繞組單相變壓器+–+–由高導磁硅鋼片疊成厚0.35mm或0.5mm鐵心變壓器的電路一次繞組N1二次繞組N2鐵心4.2.2變壓器的工作原理空載運行情況電磁關系：一次側接交流電源，二次側開路。+–+–+–+–+–

1

i0(i0N1)

1空載時，鐵心中主磁通

是由一次繞組磁通勢產生的。帶負載運行情況電磁關系：一次側接交流電源，二次側接負載。+–+–+–

1

1i1(i1N1)i1i2(i2N2)

2有載時，鐵心中主磁通

是由一次、二次繞組磁通勢共同產生的合成磁通。

2i2+–e2+–e2+–u2

Z

1.電壓變換（設加正弦交流電壓）有效值:同理：主磁通按正弦規(guī)律變化，設為則(1)原邊、副邊主磁通感應電動勢根據(jù)KVL：變壓器一次側等效電路如圖由于電阻R1和感抗X1(或漏磁通)較小,其兩端的電壓也較小,與主磁電動勢E1比較可忽略不計，則–––+++(2)原邊、副邊電壓式中R1為一次側繞組的電阻;

X1=

L1為一次側繞組的感抗(漏磁感抗，由漏磁產生)。（匝比）K為變比對二次側，根據(jù)KVL：結論：改變匝數(shù)比，就能改變輸出電壓。式中R2為二次繞組的電阻;

X2=

L2為二次繞組的感抗；為二次繞組的端電壓。變壓器空載時:+–u2+–+–+–

i1i2+