电磁设备

第14章电磁设备14.2变压器14.3异步电动机14.1磁路及其分析方法直流电机的磁路交流接触器的磁路_+NSNSIf四极直流电机和交流接触器的磁路14.1磁路及其分析方法在电机、变压器及各种铁磁元件中常用磁性材料做成一定形状的铁心。铁心的磁导率比周围空气或其它物质的磁导率高的多，磁通的绝大部分经过铁心形成闭合通路，磁通的闭合路径称为磁路。14.1.1磁场的基本物理量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=BS或B=/S磁感应强度B在数值上可以看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)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)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；lHdI是穿过闭合回线所围面积的电流的代数和。安培环路定律电流正负的规定：IlHd安培环路定律（全电流定律）I1HI2所以安培环路定律将电流与磁场强度联系起来。在均匀磁场中Hl=INlINH或由实验可测得：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，用来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：H/m10π470磁导率的单位：亨/米（H/m）μHB因为它是一个常数，将其它物质的磁导率和它相比较是很方便的。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。0r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。14.1.2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2105)。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。2.磁饱和性OHBB•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。OHBB•a•b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。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。OHB,B磁化曲线B和与H的关系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OHB••••BrHc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。永久磁铁的磁性就是由剩磁产生的；自励直流发电机的磁极，为了使电压能建立，也必须具有剩磁。磁滞回线OHB••••BrHc剩磁也存在着有害的一面，例如，当工件在平面磨床上加工完毕后，由于电磁吸盘有剩磁，还将工件吸住。为此要通入反向去磁电流，去掉剩磁，才能取下工件。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。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，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。14.1.3磁路的分析方法磁路的欧姆定律是分析磁路的基本定律环形线圈如图，其中媒质是均匀的，磁导率为，试计算线圈内部的磁通。解：根据安培环路定律，有lSlHlNIBIlHd设磁路的平均长度为l，则有1.引例SxHxIN匝mRF式中：F=NI为磁通势，由其产生磁通；Rm称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用；l为磁路的平均长度；S为磁路的截面积。2.磁路的欧姆定律若某磁路的磁通为，磁通势为F，磁阻为Rm，则即有：SlNIΦ此即磁路的欧姆定律。mRF3.磁路与电路的比较磁路磁通势F磁通磁阻电路电动势E电流密度J电阻磁感应强度B电流ISlRmSlNIRFΦmSlRSlEREINI+_EIR14.2变压器变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛。变电压：电力系统变阻抗：电子线路中的阻抗匹配变电流：电流互感器变压器的主要功能有：14.2.1概述单相变压器1u2u1i2iΦ+–+–Z变压器的结构变压器的磁路绕组：一次绕组二次绕组由高导磁硅钢片叠成厚0.35mm或0.5mm铁心变压器的电路一次绕组N1二次绕组N2铁心变压器的结构变压器的分类电压互感器电流互感器按用途分电力变压器(输配电用)仪用变压器整流变压器按相数分三相变压器单相变压器按制造方式壳式心式变压器符号14.2.2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。单相变压器1u2u1i2iΦ+–+–Z一次绕组N1二次绕组N2铁心(1)空载运行情况1.电磁关系一次侧接交流电源，二次侧开路。0i02i1u+–20u+–2e+–1σe+–1e+–11N2N1udd11tΦNei0(i0N1)1dd011tiLeσσtΦNedd22空载时，铁心中主磁通是由一次绕组磁通势产生的。(2)带负载运行情况一次侧接交流电源，二次侧接负载。1u+–1σe+–1e+–11N2N1udd11tΦNe1dd111tiLeσσtΦNedd22i1(i1N1)i1i2(i2N2)2有载时，铁心中主磁通是由一次、二次绕组磁通势共同产生的合成磁通。2i2+–e2+–e2+–u2Zdd2tiLeσ2σ22.电压变换（设加正弦交流电压）t)sin(tNtNm111ddddetNcosm1)90t(sinm1E1m144.4NfE222111mmfNEE有效值:同理：)90t(sinm22Ee2m244.4NfE主磁通按正弦规律变化，设为则t,sinm(1)一次、二次侧主磁通感应电动势根据KVL：1111111111jEIXIREEIRUσ变压器一次侧等效电路如图1m1111444Nf.EUEU由于电阻R1和感抗X1(或漏磁通)较小,其两端的电压也较小,与主磁电动势E1比较可忽略不计，则1E1R1I1U1E–––+++(2)一次、二次侧电压式中R1为一次侧绕组的电阻;X1=L1为一次侧绕组的感抗(漏磁感抗，由漏磁产生)。KNNEEUU2121201（匝数比）K为变比对二次侧，根据KVL：2m220224440Nf.EUU,I结论：改变匝数比，就能改变输出电压。222222222jUIXIRUEIREσ2式中R2为二次绕组的电阻;X2=L2为二次绕组的感抗；为二次绕组的端电压。2U变压器空载时:+–u21u+–1σe+–1e+–1N2Ni1i2+–e2+–e2式中U20为变压器空载电压。故有3.电流变换(一次、二次侧电流关系)有载运行2222ZUIZ1m11444Nf.EU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：m10Ni有载：m2211NiNi+–|Z|2i1u2e1iΦ1e1N2N+–+–+–2u一般情况下：I0(2~3)%I1N很小可忽略。2211NiNi所以或2211NINI2211NINI所以KNNII11221结论：一次、二次侧电流与匝数成反比。或：221011NiNiNi可得磁势平衡式：102211NiNiNi空载磁势有载磁势4.阻抗变换由图可知：22IUZ11IUZZKIUKKIKUIUZ22222211ZKZ2结论：变压器一次侧的等效阻抗模，为二次侧所带负载的阻抗模的K2倍。1U2U1I2IZ+–+–1U1IZ+–(1)变压器的匝数比应为：108800L21LRRNNK解:例1:如图，交流信号源的电动势E=120V，内阻R0=800，负载为扬声器，其等效电阻为RL=8。若变压器的一次绕组接在信号源上，二次绕组接在扬声器上，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0RRLI1N2U2IR0+–+–2NRLE信号源+–R0ERLI信号源的输出功率：W548008008001202L2L0.RRREP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。0LRR原因：满足了最大功率输出的条件：W1760888001202L2L0.RRREP（2）将负载直接接到信号源上时，输出功率为：1)变压器的型号5.变压器的铭牌和技术数据SJL1000/10变压器额定容量(KVA)铝线圈冷却方式J:油浸自冷式F:风冷式相数S:三相D:单相高压绕组的额定电压(KV)2)额定值额定电压U1N、U2N变压器二次侧开路（空载）时，一次、二次侧绕组允许的电压值单相：U1N，一次侧电压，U2N，二次侧空载时的电压三相：U1N、U2N，一次、二次侧的线电压额定电流I1N、I2N变压器满载运行时，一次、二次侧绕组允许的电流值。单相：一次、二次侧绕组允许的电流值三相：一次、二次侧绕组线电流额定容量SN传送功率的最大能力。单相：三相：N1N1N2N2NIUIUSN1N1N2N2N33IUIUS容量SN输出功率P2一次侧输入功率P1输出功率P2注意：变压器几个功率的关系(单相)效率N1N1NIUS容量：21PP一次侧输入功率：cos222IUP输出功率：变压器运行时的功率取决于负载的性质14.2.3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cos2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，二次侧的输出电压。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：%100%20220UUUU)(22IfUcos2=0.8(感性）U2I2U20I2Ncos2=1O2.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)：FeCu2212ΔΔPPPPPP变压器的效率为一般95%,负载为额定负载的(50~75)%时,最大。输出功率输入功率磁滞损耗：涡流损耗它与铁心内磁感应强度的最大值