第四章變壓器和電動(dòng)機(jī)

第4章變壓器和電動(dòng)機(jī)4.2變壓器4.1磁路分析基礎(chǔ)4.3異步電動(dòng)機(jī)2.了解變壓器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、運(yùn)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(jì)算交流鐵心線圈電路；4.了解三相交流異步電動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)造和轉(zhuǎn)動(dòng)原理；5.理解三相交流異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，掌握起動(dòng)和反轉(zhuǎn)的基本方法,了解調(diào)速和制動(dòng)的方法；第4章變壓器和電動(dòng)機(jī)6.理解三相交流異步電動(dòng)機(jī)銘牌數(shù)據(jù)的意義。4.1.1磁場的基本物理量:1.磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B:

表示磁場內(nèi)某點(diǎn)磁場強(qiáng)弱和方向的物理量。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向:

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

均勻磁場:各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等，方向相同的

磁場，也稱勻強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)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(qiáng)度磁場強(qiáng)度H：介質(zhì)中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與介質(zhì)磁導(dǎo)率

之比。磁場強(qiáng)度H的單位：安培/米（A/m)真空的磁導(dǎo)率為常數(shù)，用

0表示，有：4.磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率

：表示磁場媒質(zhì)磁性的物理量，衡量物質(zhì)的導(dǎo)磁能力。相對磁導(dǎo)率

r：

任一種物質(zhì)的磁導(dǎo)率

和真空的磁導(dǎo)率

0的比值。磁導(dǎo)率

的單位：亨/米（H/m）4.1.2鐵磁材料的特點(diǎn)1非磁性物質(zhì)

非磁性物質(zhì)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(dǎo)率都是常數(shù)，有：所以磁通

與產(chǎn)生此磁通的電流I成正比，呈線性關(guān)系。當(dāng)磁場媒質(zhì)是非磁性材料時(shí)，有：即B與H成正比，呈線性關(guān)系。由于OHB

0

r

1B=

0H(

)(I)2磁性物質(zhì)磁性物質(zhì)內(nèi)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(nèi)的分子磁場排列整齊，顯示磁性，稱這些小區(qū)域?yàn)榇女?。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(zhì)整體顯示出磁性來，稱為磁化。即磁性物質(zhì)能被磁化。磁疇外磁場在沒有外磁場作用的普通磁性物質(zhì)中，各個(gè)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(dǎo)磁性磁性材料的磁導(dǎo)率通常都很高，即

r1(如坡莫合金，其

r可達(dá)2

105)

。磁性材料能被強(qiáng)烈的磁化，具有很高的導(dǎo)磁性能。

鐵磁材料主要指鐵、鎳、鈷及其合金等。具有如下特點(diǎn)：磁性物質(zhì)的高導(dǎo)磁性被廣泛地應(yīng)用于電工設(shè)備中，如電機(jī)、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(lì)磁電流，便可以產(chǎn)生較大的磁通和磁感應(yīng)強(qiáng)度。(1)鐵磁材料的特點(diǎn)磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場不會隨著外磁場的增強(qiáng)而無限的增強(qiáng)。b.磁飽和性BJ

磁場內(nèi)磁性物質(zhì)的磁化磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線；B0

磁場內(nèi)不存在磁性物質(zhì)時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度直線；B

BJ曲線和B0直線的縱坐標(biāo)相加即磁場的B-H磁化曲線。OHBB0BJB?a?b磁化曲線磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場不會隨著外磁場的增強(qiáng)而無限的增強(qiáng)。當(dāng)外磁場增大到一定程度時(shí)，磁性物質(zhì)的全部磁疇的磁場方向都轉(zhuǎn)向與外部磁場方向一致，磁化磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)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(diǎn)以后：B增加很少，達(dá)到飽和。OHBB0BJB?a?b

有磁性物質(zhì)存在時(shí)，B與H不成正比，磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率

不是常數(shù)，隨H而變。

有磁性物質(zhì)存在時(shí)，

與I不成正比。

磁性物質(zhì)的磁化曲線在磁路計(jì)算上極為重要，其為非線性曲線，實(shí)際中通過實(shí)驗(yàn)得出。

OHB,

B

磁化曲線B和

與H的關(guān)系c磁滯性磁性材料在交變磁場中反復(fù)磁化，其B-H關(guān)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(yīng)強(qiáng)度B的變化總是滯后于外磁場變化的性質(zhì)。磁滯回線OHB????BrHc剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br(剩磁)：

當(dāng)線圈中電流減小到零(H=0)時(shí)，鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。矯頑磁力Hc：

使B=0所需的H值。磁性物質(zhì)不同，其磁滯回線和磁化曲線也不同。(2)按磁性物質(zhì)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(jī)、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(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)中用作記憶元件、開關(guān)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(jī)、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(dǎo)率比周圍空氣或其它物質(zhì)的磁導(dǎo)率高的多，磁通的絕大部分經(jīng)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(jī)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(zhì)是均勻的，磁導(dǎo)率為，試計(jì)算線圈內(nèi)部的磁通

。解：根據(jù)安培環(huán)路定律，有設(shè)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(chǎn)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(diǎn)：(1)勵(lì)磁電流

，I由外加電壓及勵(lì)磁繞組的電阻R決定，與磁路特性無關(guān)。（2）勵(lì)磁電流I產(chǎn)生的磁通是恒定磁通，不會在線圈和鐵心中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)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(dòng)勢NI）有關(guān)，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(chǎn)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(jīng)過空氣或其它非導(dǎo)磁媒質(zhì)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(guān)系。(1)

電磁關(guān)系(2)

電壓電流關(guān)系根據(jù)KVL:

+––+–+ee

uNi式中：R是線圈導(dǎo)線的電阻L

是漏磁電感

當(dāng)u是正弦電壓時(shí)，其它各電壓、電流、電動(dòng)勢可視作正弦量，則電壓、電流關(guān)系的相量式為：設(shè)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(dòng)勢E相比可忽略，故有式中：Bm是鐵心中磁感應(yīng)強(qiáng)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(nèi)的功率損耗稱鐵損，用

PFe

表示。鐵損由磁滯和渦流產(chǎn)生。

+–ui磁滯損耗（

Ph）由磁滯所產(chǎn)生的能量損耗稱為磁滯損耗（

Ph）。磁滯損耗的大小：單位體積內(nèi)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(zhuǎn)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(jī)中使用的硅鋼等材料的磁滯損耗較低。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)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(chǎn)生的功率損耗。

渦流：交變磁通在鐵心內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和電流，稱為渦流。渦流在垂直于磁通的平面內(nèi)環(huán)流。渦流損耗轉(zhuǎn)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(nèi)。

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(yīng)原理制成的一種靜止的電氣設(shè)備，在電力系統(tǒng)和電子線路中應(yīng)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(fù)載發(fā)電廠

G～

發(fā)電機(jī)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)變壓器的磁路繞組：一次繞組二次繞組單相變壓器+–+–由高導(dǎo)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(yùn)行情況電磁關(guān)系：一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)開路。+–+–+–+–+–

1

i0(i0N1)

1空載時(shí)，鐵心中主磁通

是由一次繞組磁通勢產(chǎn)生的。帶負(fù)載運(yùn)行情況電磁關(guān)系：一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)接負(fù)載。+–+–+–

1

1i1(i1N1)i1i2(i2N2)

2有載時(shí)，鐵心中主磁通

是由一次、二次繞組磁通勢共同產(chǎn)生的合成磁通。

2i2+–e2+–e2+–u2

Z

1.電壓變換（設(shè)加正弦交流電壓）有效值:同理：主磁通按正弦規(guī)律變化，設(shè)為則(1)原邊、副邊主磁通感應(yīng)電動(dòng)勢根據(jù)KVL：變壓器一次側(cè)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(dòng)勢E1比較可忽略不計(jì)，則–––+++(2)原邊、副邊電壓式中R1為一次側(cè)繞組的電阻;

X1=

L1為一次側(cè)繞組的感抗(漏磁感抗，由漏磁產(chǎn)生)。（匝比）K為變比對二次側(cè)，根據(jù)KVL：結(jié)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(shí):+–u2+–+–+–

i1i2+