电子与电工第六章.

第6章变压器与交流电动机6.2变压器6.1交流铁心线圈电路6.3三相交流异步电动机•铁心线圈根据励磁电流不同分为直流铁心线圈和交流铁心线圈两种。对于直流铁心线圈电路，由于励磁电流是直流，它产生的磁通是恒定的，所以不会产生感应电动势，其电流大小由外加电压和线圈本身的电阻决定；功率损耗只有铜线线圈电阻的损耗，称为铜损，铁心中是没有损耗的。•而交流铁心线圈电路的励磁电流是交流电，产生的磁通是交变的，交变的磁通将产生感应电动势，所以电磁关系和功率损耗就比较复杂.6.1交流铁心线圈电路一、电磁关系–+e–+e+–uNiu(Ni)iσddtΦNetΦNeσσdd（磁通势）主磁通：通过铁心闭合的磁通。漏磁通：经过空气或其它非导磁媒质闭合的磁通。tiLσdd线圈铁心i，铁心线圈的漏磁电感常数iNΦLσσ与i不是线性关系。电压电流关系根据KVL:+––+–+eeuNieeRiuσ式中：R是线圈导线的电阻L是漏磁电感)(ddetiLRiσ设主磁通则t,sinm)sin(ddddmttNtNetNcosm)90t(sin2mπfN)90(sinmtE有效值mmm444222fN.fNEE由于线圈电阻R和感抗X（或漏磁通）较小，其电压降也较小，与主磁电动势E相比可忽略，故有EUmfN44.4EU二、功率损耗交流铁心线圈的功率损耗主要有铜损和铁损两种。1.铜损（Pcu）在交流铁心线圈中,线圈电阻R上的功率损耗称铜损，用Pcu表示。Pcu=RI2式中：R是线圈的电阻；I是线圈中电流的有效值。2.铁损（PFe）在交流铁心线圈中，处于交变磁通下的铁心内的功率损耗称铁损，用PFe表示。铁损由磁滞和涡流产生。+–ui（1）磁滞损耗（Ph）由磁滞所产生的能量损耗称为磁滞损耗（Ph）。磁滞损耗的大小：单位体积内的磁滞损耗正比与磁滞回线的面积和磁场交变的频率f。OHB磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。减少磁滞损耗的措施：选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁心。变压器和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。设计时应适当选择值以减小铁心饱和程度。(2)涡流损耗（Pe）涡流损耗:由涡流所产生的功率损耗。涡流：交变磁通在铁心内产生感应电动势和电流，称为涡流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。涡流损耗转化为热能，引起铁心发热。减少涡流损耗措施：提高铁心的电阻率。铁心用彼此绝缘的钢片叠成，把涡流限制在较小的截面内。铁心线圈交流电路的有功功率为：Fe2cosΔPRIUIP6.2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：在电能传输过程中，当输送功率P=UIcos及负载功率因数cos一定时：输电线上电能损耗小输电线截面积减小，节省材料概述UIP=I²RlIS电力工业中常采用高压输电低压配电，实现节能并保证用电安全。具体如下：发电厂10.5kV输电线220kV升压电器36V降压…供电电压380/220V降压变电站10kV降压降压一、变压器的结构变压器的磁路绕组：一次绕组二次绕组1u2uLZ1i2iΦ单相变压器+–+–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二、变压器的工作原理1u2uLZ1i2iΦ单相变压器+–+–一次绕组N1二次绕组N2铁心一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。1、空载运行与电压变换一次侧接交流电源，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。（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2.电流变换(一次、二次侧电流关系)有载运行2222ZUIZ1m11444Nf.EU可见，铁心中主磁通的最大值m在变压器空载和有载时近似保持不变。即有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，故有由上式，若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1.提供产生m的磁势2.提供用于补偿作用的磁势22Ni磁势平衡式：102211NiNiNi空载磁势有载磁势3.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：信号源IER0RL+–108800LL21RRNNKIE1N2U2ILR2NR0+–+–解:例1:如图交流信号源E=120V，内阻R0=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RL’=800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：W548008008001202L2L0.RRREP在电子线路中，常利用变压器不同的变比K实现阻抗匹配，获取最大输出功率。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：三、变压器的额定值与运行特性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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1、额定值额定容量SN传送功率的最大能力。单相：N1N1N2N2NIUIUS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2.变压器的外特性和电压调整率当一次侧电压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=1O3.变压器的损耗和效率()为减少涡流损耗，铁心一般由导磁钢片叠成。变压器的损耗包括两部分：铜损(PCu)：绕组导线电阻的损耗。涡流损耗：交变磁通在铁心中产生的感应电流(涡流)造成的损耗。磁滞损耗：磁滞现象引起铁心发热，造成的损耗。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。输出功率输入功率电动机的分类：主要介绍鼠笼式异步交流电动机：基本结构、工作原理、机械特性、控制方法电动机交流电动机直流电动机三相电动机单相电动机同步电动机异步电动机他励、并励电动机串励、复励电动机6.3三相交流异步电动机1.定子一、三相异步电动机的构造铁心：由内周有槽的硅钢片叠成。A----XB----YC----Z三相绕组机座：铸钢或铸铁转子:在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。2.转子鼠笼转子铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。(1)鼠笼式转子铁芯槽内放铜条，端部用短路环形成一体。或铸铝形成转子绕组。(2)绕线式转子同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。鼠笼式绕线式鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较：鼠笼式：结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改变电动机的机械特性。绕线式：结构复杂、价格较贵、维护工作量大；转子外加电阻可人为改变电动机的机械特性。二、三相异步电动机的工作原理1.转动原理AXYCBZ定子三相绕组通入三相交流电分）转/(6010pfn方向:顺时针切割转子导体Blv右手定则感应电动势E20旋转磁场感应电流I2旋转磁场Bli左手定则电磁力FF电磁转矩TnvF0nNS2、旋转磁场的产生120sin120sinsinmCmBmAtIitIitIi定子三相绕组通入三相交流电(星形联接)BiAXBYCZAiCiCiAiBiitmIoiCiAiBitmIo0n规定i:“+”首端流入，尾端流出。i:“–”尾端流入，首端流出。AYCBZX(•)电流出()电流入CiBiAiitAXYCBZAXYCBZAXYCBZNS三相电流合成磁场的分布情况0t60t合成磁场方向向下合成磁场旋转60°0n6090t合成磁场旋转90°600mIoSNSNAAXZBCYAAXZBCY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°取决于三相电流的相序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。0t60t任意调换两根电源进线(电路如图)CiAXCZBYAiBi0mICiBiAitiomINSNS0t3.旋转磁场的转速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：1pCiBiAioimItBiAXBYCZAiCiAXYCBZNS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。C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AiBiCiXAAXBYBYCCZZ极对数2p旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AiBiCiAXXNSZCZBYBYACSNBiCiAiimIt0分）转/(6010fn工频：Hz501f分）转/