电工技术第4章.

1目录电工电子技术电工基础教学部第4章变压器和电动机4.1磁路分析基础4.3异步电动机4.2变压器2目录电工电子技术电工基础教学部4.1.1磁路基础与铁磁材料的特点4.1磁路分析基础4.1.2磁路欧姆定律4.1.3简单磁路分析3目录电工电子技术电工基础教学部磁路：主磁通所经过的闭合路径。由铁磁性材料构成。4.1.1磁路基础与铁磁材料的特点1.磁路基础线圈iΦσΦu1u2铁心①磁路主磁通漏磁通②磁场的基本物理量磁感应强度B:单位:特[斯拉](T)，1T=1Wb/m2SΦB磁通：单位:韦[伯](Wb)磁场强度H：lNIH单位：安培/米（A/m)磁导率：单位：亨/米（H/m）真空的磁导率0：H/m10π470相对磁导率r0r铁磁性材料的r1HBNl4目录电工电子技术电工基础教学部2.磁性材料的三大特性高导磁性磁性材料的磁导率r＞＞1磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。电机、变压器都是铁心的线圈，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；BBJ曲线和B0直线的纵坐标相加即磁场的B-H磁化曲线。B0BJB•b•a磁化曲线拐点磁畴磁畴外磁场i非磁性材料的磁导率r≈1OH（i）B（Φ）5目录电工电子技术电工基础教学部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。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。基本磁化曲线软磁材料OHB••••BrHc硬磁材料OHB••••BrHc－Hc－Br6目录电工电子技术电工基础教学部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(硬磁)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。7目录电工电子技术电工基础教学部环形线圈如图，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lSΦlμBHlNINIIHdl设磁路的平均长度为l，则有4.1.2磁路的欧姆定律SxHxIN匝即有：SlNIΦmRF式中：F=NI为磁通势；Rm称为磁阻；l为磁路的平均长度；S为磁路的截面积。此即磁路的欧姆定律。8目录电工电子技术电工基础教学部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mμSlNIRFΦmSlRSlEREINI+_EIR9目录电工电子技术电工基础教学部磁路分析与电路分析的区别①在处理电路时不涉及电场问题，在处理磁路时离不开磁场的概念；②在处理电路时一般可以不考虑漏电流，在处理磁路时一般都要考虑漏磁通；③磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似。由于不是常数，其随励磁电流而变，磁路欧姆定律不能直接用来计算，只能用于定性分析；④在电路中，当E=0时，I=0；但在磁路中，由于有剩磁，当F=0时，不为零；10目录电工电子技术电工基础教学部1.直流铁心线圈电路+–UNI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。线圈铁心4.1.3简单磁路分析（3）Φ的大小不仅与线圈的电流I（即磁动势NI）有关，还决定于磁路中磁阻Rm。对有空气隙的铁心磁路，在F=NI一定的条件下，当空气隙增大，即Rm增加，磁通Φ减小；反之当空气隙减小，Rm减小，磁通Φ增大。（4）直流铁心线圈的功率损耗（铜损）ΔP=I2R，由线圈中的电流和电阻决定。因磁通恒定，在铁心中不会产生功率损耗。（1）励磁电流及励磁绕组的电阻R决定，与磁路特性无关。由外加电压（2）励磁电流I产生的磁通是恒定磁通，不会在线圈和铁心中产生感应电动势。11目录电工电子技术电工基础教学部2.交流铁心线圈电路(1)铁心线圈的电磁关系–+e–+e+–uNiu(Ni)iσdtdΦNedtdΦNeσσ（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。dtdiLσ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。12目录电工电子技术电工基础教学部(2)铁心线圈的电压电流关系根据KVL:+––+–+eeuNieeRiuσ由于线圈电阻R和漏磁通较小，其电压降可略去，故有dtdΦNeu设主磁通则t,sinm)sin(mtΦdtdNdtdΦNu有效值：mmm444222fNΦ.fNΦUUtωΦNmcos)90t(sin2mfNΦ)90(sinmtUmfNΦ.EU44413目录电工电子技术电工基础教学部(3)铁心线圈的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PFe2U214目录电工电子技术电工基础教学部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。2mhfBP15目录电工电子技术电工基础教学部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：Fe2cosPRIUIP23.1meBfP18目录电工电子技术电工基础教学部3.电磁铁（1）概述电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保持某种机械零件、工件于固定位置的一种电器。当电源断开时电磁铁的磁性消失，衔铁或其它零件即被释放。电磁铁衔铁的动作可使其它机械装置发生联动。根据使用电源类型分为：直流电磁铁：用直流电源励磁；交流电磁铁：用交流电源励磁。19目录电工电子技术电工基础教学部（2）基本结构电磁铁由线圈、铁心及衔铁三部分组成，常见的结构如图所示。铁心衔铁衔铁有时是机械零件、工件充当衔铁FFFF线圈线圈衔铁铁心线圈铁心20目录电工电子技术电工基础教学部（3）电磁铁吸力的计算电磁铁吸力的大小与气隙的截面积S0及气隙中的磁感应强度B0的平方成正比。基本公式如下：N8100207SBFπ式中：B0的单位是特[斯拉]；S0的单位是平方米；F的单位是牛[顿]（N）。①直流电磁铁的吸力直流电磁铁的吸力依据上述基本公式直接求取。21目录电工电子技术电工基础教学部②交流电磁铁的吸力交流电磁铁中磁场是交变的，设tsinm0BB则吸力瞬时值为:tFFtFtSBSBfcos22121sinsin810810mm2m202m70207ππ式中：81002m7mSBFπ为吸力的最大值。吸力的波形:吸力平均值为:[N]161021d102m7m0SBFtfTFTπtFmfO22目录电工电子技术电工基础教学部①交流电磁铁为脉动吸力。衔铁颤动，引起噪音，同时触点容易损坏。为了消除颤动，在磁极的部分端面上套一个分磁环（或称短路环），工作时，在磁极端面两部分中的磁通1和2之间产生相位差，相应该两部分的吸力不同时为零，实现消除振动和噪音。如图所示。综合上述：12②交流电磁铁中，为了减少铁损，铁心由钢片叠成；直流电磁铁的磁通不变，无铁损，铁心用整块软钢制成；23目录电工电子技术电工基础教学部④直流电磁铁的励磁电流仅与线圈电阻有关，在吸合过程中，励磁电流不变。随着磁路气隙的减小，磁阻减小，磁通增大，吸力F增大。③在交流电磁铁中，线圈电流不仅与线圈电阻有关，主要的还与线圈感抗有关。在吸合过程中，铁心磁通Φm和吸力F不变，随着磁路气隙的减小，线圈感抗增大，电流减小。如果衔铁被卡住，通电后衔铁吸合不上，线圈感抗一直很小，电流较大，将使线圈严重发热甚至烧毁；（4）电磁铁的应用电磁铁在生产中获得广泛应用。其主要应用原理是：用电磁铁衔铁的动作带动其他机械装置运动，产生机械连动，实现控制要求。24目录电工电子技术电工基础教学部4.2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(一)变压器的主要功能：在能量传输过程中，当输送功率P=UIcos及负载功率因数cos一定时：电能损耗小节省金属材料（经济）4.2.1.概述UIP=I²RlIS25目录电工电子技术电工基础教学部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。电能传输过程如下图所示。负载发电厂G～发电机升压变压器6.3～10.5kV高压输电线35～500kV降压变压器区域变电所高压配电线6～10kV降压变压器低压配电线380/220V工厂(用户)▲输电距离、输电功率与输电电压的关系:输电电压输电功率输电距离110kV5×104kW50~150km220kV(20~30)×104kW200~400km500kV100×104kW≥500km26目录电工电子技术电工基础教学部(二)变压器的结构变压器的磁路②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0.5mm①铁心变压器的电路一次绕组N1二次绕组N2铁心变压器符号③其他:油箱、油位表、油枕、散热油管、保护设备等。27目录电工电子技术电工基础教学部28目录电工电子技术电工基础教学部4.2.2.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。29目录电工电子技术电工基础教学部①空载运行情况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。30目录电工电子技术电工基础教学部电压变换（设加正弦交流电压）tN111ddeu)90t(sinm1Um1144.4ΦfNU原边有效值:同理副边有效值：m222044.4ΦfNEU主磁通按正弦规律变化，设为则t,sinmkNNEEUU2121201（匝比）k为变比结论：改变匝数比，就能改变输出电压。式中U20为变压器空载电压。故有31目录电工电子技术电工基础教学部②带负载运行情况电磁关系一次侧接交流电源，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32目录电工电子技术电工基