电工与电子技术课件

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1、第6章 变压器与电动机,6.1 磁路的基本概念,6.2 变压器,6.3 电动机,6.4 电气控制电路,6.1.1 磁场的基本物理量和基本定理,1.磁感应强度,磁感应强度B : 表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。,磁感应强度B的大小:,磁感应强度B的方向: 与电流的方向之间符合右手螺旋定则。,磁感应强度B的单位: 特斯拉(T)，1T = 1Wb/m2,均匀磁场: 各点磁感应强度大小相等，方向相同的 磁场，也称匀强磁场。,2. 磁通,磁通 ：穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数。,说明: 如果不是均匀磁场，则取B的平均值。,在均匀磁场中 = B S 或 B= /S,磁感应强度B在数值上可以看

2、成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通,故又称磁通密度。,磁通 的单位:韦伯(Wb) 1Wb =1Vs,3.磁场强度,磁场强度H ：是计算磁场时所引用的一个物理量，也是矢量，通过它来确定磁场与电流之间的关系。,磁场强度H的单位 ：安培/米（A/m),由实验可测得：真空的磁导率为：,4. 磁导率,磁导率 ：表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质的导磁能力。它与磁场强度的乘积就等于磁感应强度，即：,磁导率 的单位：亨/米（H/m）,因为它是一个常数，将其它物质的磁导率和它比较是很方便的。,4.磁导率,相对磁导率 r：任一种物质的磁导率 和真空的磁导率0的比值。,也即当磁场媒质是某种物质时某点的磁感应

3、强度B与在同样电流下真空时该点的磁感应强度B0之比的倍数。,自然界的所有物质按磁导率的大小，大体上可分为磁性材料和非磁性材料。,任意选定一个闭合回线的围绕方向，凡是电流方向与闭合回线围绕方向之间符合右螺旋定则的电流作为正、反之为负。,式中： 是磁场强度矢量沿任意闭合线(常取磁通作为闭合回线)的线积分；,其中F=NI称为磁通势，它是产生磁通的动力。,安培环路定律电流正负的规定：,5.安培环路定律（全电流定律）,在均匀磁场中 Hl = IN,6.磁路的欧姆定律,若某磁路的磁通为，磁通势为F ，磁阻为Rm，则,此即磁路的欧姆定律。,由于磁路的磁阻不是一个常数，所以该式只表示磁 通与磁通势的关系，一般

4、不用该式进行计算。,6.1.2 磁性材料的磁性能,1. 高导磁性,磁性材料的磁导率通常都很高，即 r 1 (如坡莫合金，其 r 可达 2105 ) 。磁性材料能被强烈的磁化，具有很高的导磁性能。,磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。,磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度。,磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。,2.磁饱和性,BJ 磁场内磁性物质的磁化磁场的磁感应强度曲线；,B0 磁场内不存在磁性物质时的磁感应强度直线；,B BJ曲线和

5、B0直线的纵坐标相加即磁场的 B-H 磁化曲线。,BJ,B,a,b,磁化曲线,磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。当外磁场增大到一定程度时，磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值。如图。,B-H 磁化曲线的特征：Oa段：B 与H几乎成正比地增加；ab段：B 的增加缓慢下来；b点以后：B增加很少，达到饱和。,有磁性物质存在时，B 与 H不成正比，磁性物质的磁导率不是常数，随H而变。,有磁性物质存在时，与 I 不成正比。,磁性物质的磁化曲线在磁路计算上极为重要，其为非线性曲线，实际中通过实验得出。,磁化曲线,B和与H的

6、关系,3.磁滞性,磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B-H关系曲线是一条回形闭合曲线，称为磁滞回线。,磁滞性：磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于外磁场变化的性质。,磁滞回线,Br,Hc,剩磁感应强度Br (剩磁) ：当线圈中电流减小到零(H=0)时，铁心中的磁感应强度。,矫顽磁力Hc：使 B = 0 所需的 H 值。,磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。,几种常见磁性物质的磁化曲线,按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型： (1)软磁材料具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金即铁氧体等。 (2)永磁材料具有较大的矫顽磁力

7、，磁滞回线较宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。 (3)矩磁材料具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性良好。在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等。,6.1.3 简单直流磁路的计算,磁路计算一般分为两类：1. 已知磁路中励磁线圈的安匝数，求磁路铁心中的磁通。2. 已知磁路中的磁通，求励磁线圈的安匝数。,基本公式:,设磁路由不同材料或不同长度和截面积的 n 段组成，则基本公式为：,即,称为磁路个段的磁压降,例1:一个具有闭合的均匀的铁心线圈，其匝数为300，铁心中的磁感应强度为 0.9T，磁路的平均长度为45cm，试求：

8、(1)铁心材料为铸铁时线圈中的电流; (2)铁心材料为硅钢片时线圈中的电流。,解：,（1）查铸铁材料的磁化曲线，当 B=0.9 T 时，,(2)查硅钢片材料的磁化曲线， 当 B=0.9 T 时，,磁场强度 H=9000 A/m，则,磁场强度 H=260 A/m，则,结论：如果要得到相等的磁感应强度，采用磁导率高的铁心材料，可以降低线圈电流，减少用铜量。,查铸钢的磁化曲线，B=0.9 T 时，磁场强度 H1=500 A/m,例2: 有一环形铁心线圈，其内径为10cm，外径为5cm，铁心材料为铸钢。磁路中含有一空气隙，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

9、应强度，试求线圈匝数。,解:,空气隙的磁场强度,铸钢铁心的磁场强度，,铁心的平均长度,磁路的平均总长度为,对各段有,总磁通势为,线圈匝数为,磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，磁通势几乎都降在空气隙上面。,结论：当磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，要得到相等的磁感应强度，必须增大励磁电流（设线圈匝数一定）。,1.变压器的结构,变压器的磁路,变压器的电路,6.2 变压器,变压器的结构,2.变压器的分类,6.2.2 变压器的工作原理,一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。,1. 空载运行情况与电压变换,（1） 电磁关系,一次侧接交流电源，二次侧开路。,空载时，铁心中主磁通是由一次绕组磁通势

10、产生的。,(2) 一次、二次侧主磁通感应电动势,有效值:,同 理：,主磁通按正弦规律变化，设为 则,（3）变压器空载时的等效电路,2. 有载运行情况与电流变换,即：铁心中主磁通的最大值m在变压器空载和有载时基本是恒定的。,不论变压器空载还是有载，一次绕组上的阻抗压降均可忽略，故有,当U1、 f 不变，则 m 基本不变，近于常数。,空载：,有载：,（1）电流关系,或,结论：一次、二次侧电流与匝数成反比。,或：,1.提供产生m的磁势,可得磁势平衡式：,空载磁势,有载磁势,R1,jXL1,+,+,-,jXL2,R2,Z,（1）电流关系,3. 阻抗变换,由图可知：,结论： 变压器一次侧的等效阻抗模，为

11、二次侧所带负载的阻抗模的K 2 倍。,(1) 变压器的匝数比应为：,解:,例1: 如图，交流信号源的电动势 E= 120V，内阻 R 0=800，负载为扬声器，其等效电阻为RL=8。要求: (1)当RL折算到原边的等效电阻 时，求变压器的匝数比和信号源输出的功率；（2）当将负载直接与信号源联接时,信号源输出多大功率？,信号源的输出功率：,电子线路中，常利用阻抗匹配实现最大输出功率。,结论：接入变压器以后，输出功率大大提高。,原因：满足了最大功率输出的条件：,（2）将负载直接接到信号源上时，输出功率为：,6.2.3 变压器的外特性与效率,1. 变压器的外特性,当一次侧电压 U1和负载功率因数 c

12、os2保持不变时，二次侧输出电压 U2和输出电流 I2的关系，U2 = f (I2)。,U20：一次侧加额定电压、二次侧开路时的输出电压。,一般供电系统希望要硬特性（随I2的变化，U2 变化不大），电压变化率约在5%左右。,电压变化率：,2.变压器的效率(),变压器的损耗包括两部分：,铜损 (PCu) ：绕组导线电阻的损耗。与负载大小（正比于电流平方）有关。,铁损(PFe )：,变压器的效率为,一般 95% ,负载为额定负载的(5075)%时,最大。,输出功率,输入功率,它与铁心内磁感应强度的最大值Bm的平方成正比。与负载大小无关。,当电流流入(或流出）两个线圈时，若产生的磁通方向相同，则两个

13、流入(或流出）端称为同极性端。,1. 同极性端 ( 同名端 ),或者说，当铁心中磁通变化时，在两线圈中产生的感应电动势极性相同的两端为同极性端。,同极性端用“”表示。,增加,+,+,+,+,同极性端和绕组的绕向有关。,6.2.4 变压器绕组的极性,联接 23（串联）,变压器原一次侧有两个额定电压为 110V 的绕组：,2. 线圈的接法,联接 13， 2 4（并联）,当电源电压为220V时：,电源电压为110V时：,思考：如果两绕组的极性端接错，结果如何？,结论：在同极性端不明确时，一定要先测定同极性端再通电。,答：有可能烧毁变压器,+,电动机的分类：,本课程只研究三相交流异步电动机,6.3.3

14、 交流电动机,（1）定子,1 三相异步电动机的构造,（2）转子,笼型转子,转子由铁心和绕组组成。,2) 绕线型转子,同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。,2 三相异步电动机的转动原理,1） 旋转磁场,定子三相绕组通入三 相交流电(星形联接),1.旋转磁场的产生,规定,()电流出,()电流入,三相电流合成磁 场 的分布情况,合成磁场方向向下,合成磁场旋转60,合成磁场旋转90,动画,o,分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场 即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过360,2)旋转磁场的旋转方向,结论： 任意调换两根 电源进线，则旋转 磁场反转。,任意调换两根电源进线 (电路如图),3

15、）旋转磁场的极对数P,当三相定子绕组按图示排列时，产生一对磁极的旋转磁场，即：,若定子每相绕组由两个线圈串联 ，绕组的始端 之间互差60，将形成两对磁极的旋转磁场。,极对数,旋转磁场的磁极对数 与三相绕组的排列有关,4)旋转磁场的转速,工频：,旋转磁场的转速取决于磁场的极对数,p=1时,p=2时,旋转磁场转速n0与极对数 p 的关系,5） 电动机的转动原理,U1,U2,V2,W1,V1,W2,定子三相绕组通入三相交流电,感应电动势 E20,电磁力F,3. 电动机的转差率S,旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与 旋转磁场的同步转速之比称为转差率。,由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场 旋转的方向一致，但转子转速 n 不可能达到与旋转磁场的转速相等，即,如果:,因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。,异步电动机运行中:,转子转速亦可由转差率求得,转差率s,例1：一台三相异步电动机，其额定转速n=975 r/min，电源频率 f1=50 Hz。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。,解：,根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转 速的关系可知：n0=1000 r/min , 即,