第9章变压器和电动机第4版(张)

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控制电机第9章变压器和电动机9.1.1铁磁材料的磁性能9.1.2简单磁路分析9.1磁路变压器、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。磁路：为了把磁场聚集在一定的空间范围内，以便加以控制和利用，就必须用高磁导率的铁磁材料做成一定形状的铁心，使之形成一个磁通的路径，使磁通的绝大部分通过这一路径闭合。把磁通经过的闭合路径称为磁路。铁磁材料：是指钢、铁、镍、钴及其合金等材料，是制造变压器、电机、和电器铁心的主要材料。1、磁化曲线与磁滞回线铁磁材料被放入磁场强度为H的磁场内，会受到强烈的磁化。磁化曲线：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。9.1.1铁磁材料的磁性能9.1.1铁磁材料的磁性能磁化曲线：（1）磁化具有磁饱和性（2）磁性材料的B~H呈非线性关系，其磁导率μ≠常数，也是非线性的。（3）铁磁材料的磁导率μ远大于真空磁导率μ0，具有高导磁率。真空的导磁率μ0=4π×10-7。9.1.1铁磁材料的磁性能磁滞回线：（1）铁磁材料具有磁滞性（2）不同种类的铁磁材料，磁滞回线的形状不同。（3）剩磁感应强度Br低，矫顽力Hc小的铁磁材料称为软磁材料。如纯铁、纯钢、坡莫合金等。可以用来制造变压器、电机和电器的铁心。（4）剩磁感应强度Br较高，矫顽力Hc较大的铁磁材料称为硬磁材料或永磁材料。如碳钢、铝镍钴、稀土等。可以用来制造永久磁铁。9.1.1铁磁材料的磁性能（1）磁滞损耗：是铁磁物质内分子反复取向所产生的功率损耗。铁磁材料教鞭磁化一个循环在单位内的磁滞损耗与磁滞回线的面积成正比，因此软糍材料的磁滞损耗较小，常用在交变磁化的场合。2、磁滞损耗和涡流损耗9.1.1铁磁材料的磁性能（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，因而在垂直于磁通的平面上产生感应电流，它围绕着磁通成漩涡状流动，故称涡流。涡流在铁心的电阻上引起的功率损耗称为涡流损耗。2、磁滞损耗和涡流损耗（3）铁损耗：是磁滞损耗和涡流损耗的合称。它会使铁心发热，从而增加电器的温升，降低效率。但在某些场合，则可以利用涡流效应来加热或冶炼金属。1、直流磁路在匝数为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就是直流磁路。9.1.2简单磁路分析9.1.2简单磁路分析安培环路定律：在磁场中，磁场强度H沿任一闭合路径l的线积分，等于穿过该闭合路径所围面积的电流I的代数和。电流的方向与积分的循行方向符合右螺旋定则的电流为正，反之为负。HdlI9.1.2简单磁路分析直流磁路的分析：图中表示的是具有铁心和空气隙的直流通路，励磁线圈通入电流后，在磁路中所产生的磁通，大部分集中在由铁磁材料所限定的空间范围内，称为主磁通。还有很少的一部分磁通通过铁心以外的空间闭合（如图中的′），称为漏磁通。为了分析的方便，可以只考虑主磁通，忽略漏磁通。9.1.2简单磁路分析直流磁路的分析：一般可以认为空气隙和铁心具有相同的截面积，所以铁心和空气隙中的磁感应强度B=/A相同。磁场强度与磁导率有关，即H=B/μ。00HdlHlHlNI00BBllNI即：00000,mmNINIllNIllAARRAARmμ是铁心磁阻Rm0是空气隙磁阻9.1.2简单磁路分析直流磁路的分析：磁路的欧姆定律0mmmNINIRRR其中:NI称为磁动势;∑Rm是各段磁路磁阻之和;Rmμ是铁心磁阻;Rm0是空气隙磁阻9.1.2简单磁路分析2、交流磁路在图中的铁心线圈上外加正弦信号u，绕组中将流过交流电流i，从而产生交变磁通，其中包括集中在铁心中的主磁通和很少的一部分漏磁通′。9.1.2简单磁路分析交流磁路主磁通在线圈中产生感应电动势e；漏磁通′在线圈中产生感应电动势eˊ。（图中未画出），考虑线圈中的电阻R。可以写出电压方程：'ueeRi由于一般eˊ和Ri都很小，可以忽略，所以：ue9.1.2简单磁路分析交流磁路sinmte和的参考方向符合右手螺旋定则：sin(sin)(sin)22mmmdtdeNNdtdtNtEtN是励磁线圈的匝数，Em是e的最大值。e的有效值为：1124.44222mmmmEENfNfN4.44mUEfN9.1.2简单磁路分析交流磁路上述式子表明：（1）当电源频率f和线圈匝数N不变时，主磁通m基本上与外加电压U成正比，U不变则m基本不变。（2）如果U不变，而磁路中的空气隙发生变化，磁阻也会发生变化，为了使m基本不变，线圈中的电流就必然增加。4.44mUEfN0mmmNINIRRR结论：交流磁路中，空气隙大小的变化会引起线圈中电流的变化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自耦变压器和互感器9.2变压器变压器：具有变电压，变电流，变阻抗的功能。变压器的用途：电力变压器是电力系统中不可缺少的设备。其他还有各种用途的整流变压器、仪用电压、电流互感器、焊接变压器、自藕变压器。变压器的结构：由铁芯和绕组两部分组成。9.2.1变压器的用途和基本结构变压器按结构可分为：心式变压器和壳式变压器。9.2.1变压器的用途和基本结构图（a、b、c)为心式变压器，图（d）壳式变压器。变压器的绕组有一次绕组和二次绕组，一次绕组和电源连接，二次绕组和负载连接。一次绕组和二次绕组均可以由一个或多个线圈组成。1、变压器的电压变换作用变压器空载：其一次绕组加额定电压，二次绕组开路。一次绕组接上正弦交流电压u1时就有空载电流i0（也称励磁电流）通过，并产生主磁通。主磁通在一次、二次绕组中分别产生感应电动势e1、e2。漏磁通在一次绕组中所产生的感应电动势eˊ没画（e与的方向符合右手定则）9.2.2变压器的工作原理9.2.2变压器的工作原理变压器绕组的电压方程假设式中的电压、电动势均是正弦量，则可以表示成相量形式：11110202'ueeRiue11110202UEERIUE由于通常比较小，可以忽略，则上式又可以写成：110ERI和11202UEUE9.2.2变压器的工作原理变压器绕组的电压方程假定一次、二次绕组的匝数分别为，则两个绕组电压的有效值分别为：11120224.444.44mmUEfNUEfN1112022UENkUEN式中k称为变压比，简称变比。如果一次侧电压比二次侧电压高，是降压变压器。如果二次侧电压比一次侧电压高，是升压变压器。12,NN、9.2.2变压器的工作原理变压器绕组的同名端假定电流分别流入两个线圈（或流出）时，若两线圈产生的磁通方向相同，则这两个线圈流入端称为同极性端（同名端）。同名端也是各绕组电位瞬时极性相同的端点。图中U1和u1是同名端；U2和u2也是同名端；同名端可以●标记。9.2.2变压器的工作原理三相变压器：用于变换三相电压在三相绕组中，每根铁心柱上绕者属于同一相的一次、二次绕组。一次绕组的首端和末端分别用U1、V1、W1和U2、V2、W2表示；二次绕组的首端和末端分别用u1、v1、w1和u2、v2、w2表示。同时，一次绕组和二次绕组相应的首端是同名端；相应的末端也是同名端。9.2.2变压器的工作原理三相变压器的连接三相变压器的一次绕组和二次绕组都可以接成星形或三角形。因此三相变压器的常用接法有“Y，y”、“Y，d”、“D，d”、“D，y”四种。。其中星形联结又分成三线制和四线制两种。三线制用Y表示，四线制用YN表示。我国生产的三相电力变压器以”Y，yn”、“Y，d”、“YN，d”三种接法最多。9.2.2变压器的工作原理2、变压器的电流变换作用在变压器的一次绕组上加额定电压，二次绕组加负载，电路中就会产生电流。上述关系表明，当外加电压U1和频率f保持不变，主磁通的最大值m基本不变。负载运行时还是比较小，可以认为110ERI和1114.44mUEfN...110111NININI9.2.2变压器的工作原理2、变压器的电流变换作用这就是变压器的电流变换作用...120121NININI上式叫磁势平衡由于变压器铁芯材料的磁导率高、空载励磁电流很小，一般不到额定电流的10%，常可忽略。..2121NIIN21221N1有效值I≈I=INk9.2.2变压器的工作原理3、变压器的阻抗变换作用这就是变压器的阻抗变换作用。在电子技术中经常利用变压器的阻抗变换作用来实现阻抗匹配。如果不考虑一次、二次绕组漏磁通感应电动势和空载电流的影响，并忽略各种损耗，这样的变压器叫理想变压器。对于理想变压器：2212112122()1LLLUkUNUkUZkZZINIk9.2.2变压器的工作原理[例9.2.1]图示电路信号源电压有效值US=1.0V，内阻RS=200Ω，负载电阻RL=8Ω，今欲使负载从信号源获得最大功率，试求变压器的变比。所以变压器的变比为：[解]根据电路原理，负载要获得最大功率应使其负载的等效电阻等于电源内阻，即：2LLSZkZR20058SLRkR这就是利用变压器的阻抗变换作用来实现阻抗匹配。1、变压器的外特性在变压器一次电压U1为额定值时，的关系曲线称为变压器的外特性。)(22IfU说明：负载是电阻或感性时，二次电压将随电流的增加而降低，这是因为随着的增大，二次绕组的电阻电压降和漏磁通感应电动势增大而造成的电力变压器的电压变化率：2022%100%UUUU电压变化率一般为3%~6%。9.2.3变压器的特性和额定值9.2.3变压器的特性和额定值2、变压器的损耗和效率铁损耗变压器的损耗：铜损耗铜损耗(PCu)：一次、二次绕组导线电阻所致产生的损耗，称为可变损耗。铁损耗(PFe)：包括磁滞损耗和涡流损耗。当外加电压U1和频率f一定时，铁损耗也基本不变，所以铁损耗也称为固定损耗。9.2.3变压器的特性和额定值2、变压器的损耗和效率变压器的效率随输出功率而变，并有一最大值。变压器的效率：变压器的输出功率P2与输入功率P1之比:%100%1002212CuFePPPPPP变压器的效率曲线：9.2.3变压器的特性和额定值3、变压器的额定值额定值常标在变压器的铭牌上，所以也叫铭牌参数。(1)额定电压U1N/U2NU1N：加在一次绕组上的正常工作电压。U2N：一次绕组加额定电压时的二次侧空载电压。(2)额定电流I1N/I2N是根据变压器容许温升而规定的电流值。在三相变压器中都是指线电流。9.2.3变压器的特性和额定值(4)额定频率fN变压器应接入的电源频率。我国的标准工业频率为50Hz,有些国家的标准工业频率为60Hz。(3)额定容量SN即额定的视在功率。单相变压器的视在功率为：三相变压器的视在功率为：22NNNSUI223NNNSUI(5)相数(6)温升:变压器在额定值运行时,变压器内部温度允许超出规定的环境温度(+40°)的数值,与绝缘材料的性能有关.1、自耦变压器将变压器的一次绕组和二次绕组合二为一，使二次绕组成为一次绕组的一部分，这种只有一个绕组的变压器称为自耦变压器。通过滑动触点来连续改变二次侧绕组的匝数，以达到输出电压平滑调节的自耦变压器，称为调压器。9.2.4自耦变压器和互感器9.2.4自耦变压器和互感器与普通变压器相比较，不同点在于一次、二次绕组不仅有磁的联系，而且有电的直接联系。所以在使用中要注意安全，操作不当就会造成事故。1、自耦变压器9.2.4自耦变压器和互感器2、互感器(1)电压互感器原理：被测电压加在一次绕组（高压绕组），测量仪表加在二次绕组。测量时将仪表的实际读数乘上变比就是被测电压的数值。作用：将高电压变换成低电压，送测量仪表或控制、保护设备，使仪表、设备和工作人员与高电压隔离。使用注意点：二次绕组不能短路;保护接地。9.2.4自耦变压器和互感器2、互感器(2)