第9章变压器和电动机讲义

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1、1,第 9 章 变压器和电动机,9.1 磁路 9.2 变压器 9.3 异步电动机 9.4 直流电动机 9.5 控制电动机,主要内容,2,9.1 磁 路,主要内容,9.1.1 铁磁材料的磁性能,9.1.2 简单磁路分析,3,1. 学习磁路的必要性,磁通经过的闭合路径称为磁路。 磁路主要由高磁导率的铁磁材料和空气隙构成。,磁路概述,2. 磁路,3. 铁心,用铁磁材料做成一定形状，目的是把磁场聚集在一定的空间范围内，形成磁路，以便加以控制和利用，这就是铁心。 铁心的形状，决定磁路形状。,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，工作时都会产生磁场。所以了解磁路的特性是很有必要

2、的。,N,i,u,+,-,4,9.1.1 铁磁材料的磁性能,把B=f(H)称为磁化曲线；它具有磁饱和性。,铁磁材料放入磁场强度为H的磁场内，会被磁化，当磁场强度H由零逐渐增加时，磁感应强度B随之变化的曲线，称为磁化曲线。如图,1. 磁化曲线和磁滞回线,（1）磁化曲线,H,B,H,B,BH,0,（2）磁导率曲线,在磁化曲线上任一点的B和H之比，称为磁导率。即,把=f(H)称为磁导率曲线，铁磁材料的磁导率是非线性的。如图,H,不同的铁磁材料磁化曲线、磁导率及磁导率曲线是不同的； 同一铁磁材料，H不同磁导率是不同的，即磁导率曲线是非线性的； 铁磁材料的磁导率远大于非铁磁材料，两者之比约为103104

3、倍。 真空的磁导率为0=410-7H/m。,注意：,5,9.1.1 铁磁材料的磁性能,铁磁材料在反复磁化过程中形成的闭合曲线，称为磁滞回线，如图,（3）磁滞回线,H,B,H,B,0,Br称为剩磁感应强度，简称剩磁；HC称为矫顽力；,不同的铁磁材料的磁滞回线形状是不同的。 剩磁Br低，矫顽力HC小，磁滞回线窄，称为软磁材料。如纯铁、硅钢、坡莫合金。用于制造变压器、电机、电器的铁心等。 剩磁Br高，矫顽力HC大，磁滞回线较宽，称为硬磁材料或永磁材料。如炭钢、铝镍钴、稀土等。制造永久磁铁。 剩磁高Br，矫顽力HC小，称为矩磁材料。用于记忆元件。,注意：,Br,-HC,+Hm,-Hm,磁感应强度B的变

4、化滞后于磁场强度H的变化，这种现象称为磁滞现象，即铁磁材料具有磁滞性。,软磁材料,硬磁材料,矩磁材料,6,9.1.1 铁磁材料的磁性能,磁滞现象使铁磁材料在交变磁化的过程中，产生的损耗称为磁滞损耗。它是由物质内分子反复取向所产生的功率损耗。软磁材料的磁滞损耗较小。,2. 磁滞损耗与涡流损耗,（1）磁滞损耗,（2）涡流损耗,当整块铁心中的磁通发生交变时，铁心中会产生感应电动势，因而在垂直于磁感应线的平面上产生感应电流，它围绕着磁感应线成漩涡状流动，故称为涡流。如图,涡流在铁心的电阻上引起功率损耗，称为涡流损耗。,减小涡流损耗的方法是：铁心用硅钢片叠成，如图。,磁滞损耗和涡流损耗合称为铁损（耗）。

5、,i,7,9.1.2 简单磁路分析,如图，在匝数为N的励磁线圈中通入直流电流I，磁路中就会产生一个恒定磁通，这种具有恒定磁通的磁路称为直流磁路。,1. 直流磁路,全电流定律（安培环路定律）为,即，在闭合曲线上，磁场强度矢量H沿整个回路l的线积分，等于穿过该闭合曲线所围面内电流的代数和。电流方向与绕行方向符合右手螺旋定则的电流为正、反之为负。,N,I,l0,H,H0,l,在磁路中：,为主磁通；为漏磁通； 铁心中磁路长度为l，磁场强度为H； 空气隙长度为l0，空气隙中磁场强度为H0； 空气隙和铁心截面积可认为近似相等为A； 空气隙和铁心的磁感应强度均为B；,根据安培环路定律，取一磁场线作为闭合路径

6、及循环方向，则,A,8,9.1.2 简单磁路分析,N,I,l0,H,H0,l,A,所以,即,故,其中,称为铁心的磁阻,称为空气隙的磁阻,NI是产生磁通的磁化力，称为磁动势。,则,称为磁路欧姆定律，Rm称为总磁阻。,由于磁阻Rm不是常数，磁路欧姆定律只能定性分析磁路； 虽然空气隙很小，但0，所以Rm0很大，磁压降Rm0也很大。,注意：,直流磁路分析，因为,9,9.1.2 简单磁路分析,N,i,E的单位为伏（V）；f的单位为赫兹（HZ）；的单位为韦伯（Wb）,由KVL得,设主磁通为正弦交变磁通,根据电磁感应定律，在e与符合右手螺旋定则时，有,其中,2. 交流磁路,如图，在匝数为N的励磁线圈上外加正

7、弦交流电压u，绕组中将流过交流电流i，产生交变磁通，这种具有交变磁通的磁路称为交流磁路。,u,e,-,+,+,-,在磁路中：,为主磁通；为漏磁通； 主磁通产生的感应电动势为e； 漏磁通产生的感应电动势为e； 线圈电阻为R，压降为Ri。,e,则有,-,+,10,9.1.2 简单磁路分析,N,i,当电源频率f和线圈匝数N不变时，主磁通m与外加电压U成正比关系，即，U不变则m基本不变。 当U一定时，若磁路中空气隙增加，磁阻会增加，根据磁路欧姆定律，磁通势NI和线圈中的电流必然增大。 因此，在交流磁路中，当U、f、N不变时，空气隙大小发生变化时，会引起线圈电流的变化。,即，外加电压u和主磁通产生的感应

8、电动势e相平衡，有效值为,2. 交流磁路,u,e,-,+,+,-,e,实际上Ri和e均很小，KVL可近似为,可见,11,9.1.2 简单磁路分析,N,i,励磁电流I，由电源电压U和线圈电阻R决定，与磁路磁阻无关。 磁阻增加时，磁通减小，但励磁电流不变。,3. 交、直流磁路比较,u,e,-,+,+,-,e,在直流磁路中,磁路欧姆定律,交流磁路外加电压与磁通关系,N,I,l0,H,H0,l,A,f、N一定时，磁通由外加电压U决定，与磁阻无关；即U一定时，磁阻变化时，磁通不变。 励磁电流I，与磁阻有关，当磁阻增加时，励磁电流I增加。,在交流磁路中,U,+,-,另外：直流磁路中无涡流损耗，交流磁路中有

9、涡流损耗。,12,9.2 变压器,主要内容,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 自耦变压器及仪用互感器,13,9.2.1 变压器的用途和基本结构,电力变压器、整流变压器、振荡变压器、输入变压器、输出变压器、脉冲变压器、控制变压器、自耦变压器、仪用互感器等。,1. 变压器的用途,常用的变压器有：,变压器具有变换电压、变换电流、变换阻抗的作用。 电力变压器：用于电力输送；采用高压输电会降低线路损耗，提高输电效率。我国主干线路采用500kV高压输电（1000kV已用于部分干线）。 电源变压器：各种电子设备的电源。,14,9.

10、2.1 变压器的用途和基本结构,2. 变压器结构,根据结构分为：心式变压器和壳式变压器。如图,绕组：分为一次绕组和二次绕组。一次绕组作用是励磁，即使电流产生磁场；二次绕组的作用是将交变磁场转换为电动势。,变压器由铁心和绕组两部分组成：,铁心：聚集磁场，以便用较小的电流产生较大的磁场。为减小涡流铁心常用表面涂有绝缘漆膜、厚度为0.35mm的硅钢片经冲剪、叠制而成。,心式变压器,心式变压器,心式变压器,壳式变压器,绕组,铁心,15,9.2.2 变压器的工作原理,1. 变压器的电压变换作用,N1,i0,u1,e1,-,+,+,-,e,e2,+,-,u20,+,-,N2,为主磁通；为漏磁通； i0为励

11、磁电流，也称空载电流； 一次绕组匝数为N1，电压为u1，电阻为R1； 二次绕组匝数为N2，空载电压为u20。,一次绕组KVL为,二次绕组KVL为,忽略铁心的磁饱和性、磁滞性产生的电流、电动势波形的畸变，用相量表示为,根据交流磁路电压有效值与磁通的关系，得,k称为变压比，简称变比,故,16,9.2.2 变压器的工作原理,1. 变压器的电压变换作用,N1,i0,u1,e1,-,+,+,-,e,e2,+,-,u20,+,-,N2,k简称变比,结 论,变压器可以把某一数值的交流电压变换成同频率的另一电压。 当N1N2时，U1U2，k1，称为降压变压器，一次绕级为高压绕组。 当N1N2时，U1U2，k1

12、，称为升压变压器，二次绕组为高压绕组。 一次、二次绕组之间没有电的连接，靠磁耦合和电磁感应作用，使二次绕组产生交流电压，即一次、二次绕级在电路上是相互隔离的。,同名端,在变压器的绕组中，把具有相同瞬时极性的端点，称为同极性端，简称同名端。通常用“”用标记。图中1、4端为同名端。,1,2,3,4,变压器的符号图,Tr,u1,u2,+,+,-,-,N1,N2,17,9.2.2 变压器的工作原理,2. 变压器的电流变换作用,N1,i1,u1,e1,-,+,+,-,e,e2,+,-,u2,+,-,N2,当U、f、N1不变时，交流磁路中主磁通m基本不变，即空载时的磁通势和负载时合成磁通势应相等，即,接上

13、负载后，铁心中的主磁通由磁通势 和 共同产生。在图示参考方向下，两磁动势产生的磁通方向相同，故合成磁通势为：,一般空载电流i0很小，仅占额定电流的百分之几，可忽略，则得,ZL,i2,为主磁通；为漏磁通； i1为一次电流，i2为二次电流； ZL为负载；,即一次、二次电流有效值与匝数成反比，这就是变流作用。,由此得,即,故得,18,9.2.2 变压器的工作原理,3. 变压器的阻抗变换作用,可见，二次绕组负载为ZL时，对一次侧而言，等效阻抗ZL等于ZL的k2倍，这就是变压器的阻抗变换作用。,设变压器负载阻抗为ZL，则一次端等效阻抗为ZL，即,电子技术中利用变压器的阻抗变换作用实现阻抗匹配的目的。,因

14、为,+,+,-,-,ZL,+,-,ZL,所以,19,9.2.2 变压器的工作原理,例题9.2.1 图中信号源US=1.0V，内阻RS=200，负载电阻RL=8，今欲使负载从信号源获得最大功率，试求变压器的变比。,变压器变比为,解：负载获得最大功率的条件是：等效负载等于电源内阻，即,+,+,-,-,RL,RS,Tr,这种情况在电子技术中称为阻抗匹配。,20,9.2.2 变压器的工作原理,N1,i0,u1,e1,-,+,+,-,e,e2,+,-,u20,+,-,N2,已知变压器绕组结构，根据电流与磁通的方向，用右手螺旋定则判断。如图,同名端的判断,1,2,3,4,方法一：,+,-,S,N1,N2,如图，当开关S接通瞬间，如果毫安表指针正向偏转，则1与3端是同名端；如果指针反向偏转，则1与4端是同名端。,mA,E,方法二：测定变压器同名端：,1,2,3,4,21,9.2.2 变压器的工作原理,1V、2V、3V、4V、5V、6V、7V、8V、9V、11V、12V、14V、17V,同名端的应用,例：图是一个有三个次级绕组的变压器，将次级绕组适当连接，可以得到几种电压，分别是多少？,3V,220V,答：可得到以下13种电压,1,2,3,4,5,6,5V,9V,1V电压的接线方法如图,1V,