电机与电气控制技术

第15章电机与电气控制技术15.1磁路与变压器15.2异步电动机*15.3同步电动机*15.4直流电动机*15.5控制电机15.6电气控制技术基础15.1磁路与变压器1磁路基础与磁路定律2变压器的工作原理3变压器的使用4特殊变压器简介磁路：主磁通所经过的闭合路径。构成磁路的重要材料是铁磁性材料。1u2uis1.磁路基础与磁路基本定律1）磁路基础线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏磁通。s：主磁通：漏磁通铁心（导磁性能好的磁性材料）线圈2）磁路计算中的基本物理量一、磁感应强度（磁通密度）与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通（磁力线）。SB单位：韦伯1Tesla=104高斯B的单位：特斯拉（Tesla）二、磁导率：表征各种材料导磁能力的物理量（亨/米）70104真空中的磁导率()为常数0一般材料的磁导率和真空中的磁导率之比，称为这种材料的相对磁导率r0r1r，则称为磁性材料1r，则称为非磁性材料三、磁场强度H磁场强度是计算磁场所用的物理量，其大小为磁感应强度和导磁率之比。BH单位：B：特斯拉：亨/米H：安/米磁性材料的磁性能：1.非线性大小BH)((I)2.磁饱和性HB根据磁性能，磁性材料又可分为三种：软磁材料（磁滞回线窄长。常用做磁头、磁心等）、永磁材料（磁滞回线宽。常用做永久磁铁）、矩磁材料（滞回线接近矩形。可用做记忆元件）。3.磁滞性BHBrHc一.安培环路定律（全电流律）：3磁路的基本定律磁场中任何闭合回路磁场强度的线积分,等于通过这个闭合路径内电流的代数和.HI1I2I3IldH电流方向和磁场强度的方向符合右手定则，电流取正；否则取负。HLNI在无分支的均匀磁路（磁路的材料和截面积相同，各处的磁场强度相等）中，安培环路定律可写成：磁路长度L线圈匝数NIHL：称为磁压降。NI：称为磁动势。一般用F表示。F=NIHLNI总磁动势在非均匀磁路（磁路的材料或截面积不同，或磁场强度不等）中，总磁动势等于各段磁压降之和。00lHIHNI例：INl0l对于均匀磁路LSLBHLNI磁路中的欧姆定律二.磁路的欧姆律：则：φmRLSNIFINSL注：由于磁性材料是非线性的，磁路欧姆定律多用作定性分析，不做定量计算。slRm令：Rm称为磁阻磁路和电路的比较（一）磁路电路磁通ΦINR+_EI磁压降HL磁动势INF电动势电流电压降UEIU基本定律mRF磁阻SlRm磁感应强度SΦB安培环路定律HLNI0磁路IN欧姆定律电阻电流强度基氏电压定律基氏电流定律0IUEREISlRSIJ磁路与电路的比较(二)电路R+_EI励磁电流：在磁路中用来产生磁通的电流励磁电流直流----直流磁路交流----交流磁路磁路分析直流磁路交流磁路4磁路的分析RUIIUΦ一.直流磁路的分析直流磁路的特点:直流磁路和电路中的恒压源类似直流电路中REIE固定I随R变化mR随变化直流磁路中mRFF固定U一定I一定磁动势F=IN一定)(mRFΦ磁通和磁阻成反比（线圈中没有反电动势）（R为线圈的电阻）电路方程：dtdΦNRieeuulR)()(一般情况下很小RudtΦdNu交流激励线圈中产生感应电势二.交流磁路的分析ΦΦ：主磁通：漏磁通uΦΦLeeiΦ的感应电势和产生Φ假设tΦmsin则tfNΦtNΦummcos2cos最大值mmfNΦU2有效值mmfNΦUU44.42dtΦdNuuΦΦLeeimNfU44.4uΦΦLeeimRΦINmΦ一定时磁动势IN随磁阻的变化而变化。mR当外加电压U、频率f与线圈匝数N一定时，便确定下来。根据磁路欧姆定律当mΦ交流磁路的特点:交流磁路和电路中的恒流源类似直流磁路中：mRΦF固定ΦmRF随变化直流电路中：RIUSIS固定U随R变化交流磁路中磁阻对电流的影响mR电磁铁吸合过程的分析：在吸合过程中若外加电压不变,则基本不变。ΦiuΦmRmRΦIN电磁铁吸合前(气隙大）大起动电流大电磁铁吸合后(气隙小）小电流小mR如果气隙中有异物卡住，电磁铁长时间吸不上，线圈中的电流一直很大，将会导致过热，把线圈烧坏。注意：RUI(U不变，I不变）mRINΦmΦRIN(I随Rm变化）fNUΦm44.4mΦ（U不变时，基本不变）直流磁路交流磁路磁路小结（Φ随Rm变化）变压器功能：变电压：电力系统变阻抗：电子电路中的阻抗匹配（如喇叭的输出变压器）变电流：电流互感器2)变压器的工作原理发电厂1.05万伏输电线22万伏升压变电站1万伏降压变压器应用举例…降压实验室380/220伏降压仪器36伏降压单相变压器1u2uLR1i2iΦ变压器的基本结构和工作原理铁芯原边绕组副边绕组一.结构：1u2uLR1i2iΦ1u1i2u2iLRΦ变压器符号：2211iuΦiu工作过程：空载运行：原边接入电源，副边开路。接上交流电源1u原边电流i1等于励磁电流i10dtdΦNedtdΦNe2211产生感应电动势二.工作原理1u2e1iΦ1e1N2Ni10产生磁通（交变）（方向符合右手定则）、e结论：改变匝数比，就能改变输出电压。KNNEEUU212121K为变比10i1u20u2i1e2e原、副边电压关系mmΦNfEΦNfE221144.444.4根据交流磁路的分析可得：202uu02i时（变电压）负载运行1u2e1iΦ1e1N2NZ2i副边带负载后对磁路的影响：在副边感应电压的作用下，副边线圈中有了电流i2。此电流在磁路中也会产生磁通，从而影响原边电流i1。但当外加电压、频率不变时，铁芯中主磁通的最大值在变压器空载或有负载时基本不变。带负载后磁动势的平衡关系为：)44.4(11mΦNfUNiNi'Ni102211KNNII11221结论：原、副边电流与匝数成反比1102211NiNiNi由于变压器铁芯材料的导磁率高、空载励磁电流很小，可忽略。即：02211NINI)(10i原、副边电流关系（变电流）2211NINI（变阻抗）1i1u2u2iLR1N2N原、副边阻抗关系LLRKR222IURL从原边等效：22222211KRKIUKIKUIURLL结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以变比的平方。阻抗变换举例：扬声器上如何得到最大输出功率i1uRsRL信号源设：信号电压的有效值:U1=50V;信号内阻：Rs=100;负载为扬声器，其等效电阻：RL=8。求：负载上得到的功率解：（1）将负载直接接到信号源上得到的输出功率为：W)(7.181085022LLSRRRUpL1i1u2u2iLR1N2NRs（2）将负载通过变压器接到信号源上。输出功率为：W25.698981005022LLSLRRRUp设变比1:5.321NNK9885.32LR则：结论：由此例可见加入变压器以后，输出功率提高了很多。原因是满足了电路中获得最大输出的条件（信号源内、外阻抗差不多相等）。额定电压变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允许的电压值。NNUU21、额定电流变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。NNII21额定容量传送功率的最大能力。NSNNNNNIUIUS2211（理想）1变压器的铭牌数据（以单相变压器为例）3)变压器的使用容量SN输出功率P2原边输入功率P1输出功率P2注意：变压器几个功率的关系效率变压器功率因数NNNIUS11容量：21PP原边输入功率：cos222IUP输出功率：2变压器的效率()为防止涡流损失，铁芯一般由一片片导磁材料叠合而成。变压器的损耗包括两部分：铜损(PCU)：绕组导线电阻所致。磁滞损失：磁滞现象引起铁芯发热，造成的损失。涡流损失：交变磁通在铁芯中产生的感应电流（涡流），造成的损失。铁损()：PFE1112PPPPPPFECU3变压器的外特性副边输出电压和输出电流的关系。即：)(22IfUU2I2U20U20：原边加额定电压、副边开路时，副边的输出电压。一般供电系统希望要硬特性（随I2的变化，U2变化不多）当电流流入两个线圈(或流出）时，若产生的磁通方向相同，则两个流入端称为同极性端（同名端）。或者说，当铁芯中磁通变化（增大或减小）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(同名端)AXax**4变压器绕组极性及连接方法AXax**电器使用时两种电压（220V/110V）的切换：220V：联结2－3110V：联结1－3，2－4线圈的接法1324**220V：联结2－3mΦNfU)2(44.4220励磁mΦNi210NfUΦm244.4220两种接法下线圈工作情况的分析**1324NN10i220U110V：联结1－3，2－4NfUΦm244.4220mΦNfU)(44.4110NfUΦm44.41101,32,4220V：联结2－31324**110U10i说明：两种接法下不变，所以铁芯磁路的设计相同mΦ励磁mΦNi10'问题1：在110V情况下，如果只用一个绕组（N），行不行？答：不行（两绕组必须并绕）原边有两个相同绕组的电源变压器（220/110），使用中应注意的问题：**1324NN220i220U1,32,4110iN若两种接法铁芯中的磁通相等，则：Ni2220Ni11021110220ii问题2：如果两绕组的极性端接错，结果如何？结论：在极性不明确时，一定要先测定极性再通电。答：有可能烧毁变压器两个线圈中的磁通抵消烧毁感应电势0e电流很大11Rui1111eRiu原因：**1324NN10i220U’方法一：交流法AXaxu同极性端的测定方法若说明A与a或X与x为同极性端。axAXAaUUU把两个线圈的任意两端(X-x)连接,然后在AX上加一小电压u。AaaxAXUUU、、测量：axAXAaUUU若说明A与x或X与a是同极性端；结论：方法二：直流法mA表+_AXaxK+-**AXax+_K2eΦ设K闭合时增加。感应电动势的方向，阻止的增加。如果当K闭合时，mA表正偏，则A－a为同极性端;如果当K闭合时，mA表反偏，则A－x为同极性端结论：变压器设计中的一些概念(1)11IUSN1U一定额定容量定铁芯窗口定导线直径1I定定mΦN1UISmΦfNU1144.4则（铜多、铁少）mΦN则（铜少、铁多）mΦN(,一定时,)SBΦBΦS在同样变比情况下，匝数多好，还是少好？mΦfNU1144.4mΦ（省铜）N（费铁）截面积AAB变压器设计中的一些概念(2)1自耦变压器KNNIIKNNUU112212121ABP1u2u1i2iLR1N2N4)特殊变压器简介使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的输出电压。实验室中用的调压器就是根据此原理制作的。注意：原、副边千万不能对调使用，以防变压器损坏。因为N变小时，磁通增大，电流会迅速增加。2电压互感器：用低量程的电压表测高电压1.副边不能短路，以防产生过流；2.铁心、低压绕组的一端接地，以防在绝缘损时，在副边出现高压。使用注意：VRN1（匝数多）保险丝N2（匝数少）~u（被测电压）电压表被测电压=电压表读数N1/N23电流互感器：用低量程的电流表测大电流（被测电流）N1（匝数少）N2（匝数多）ARi1i2电流表被测电流=电流表读数N2/N11.副边不能开路，以防产生高电压；2.铁心、低压绕组的一端接地，以防在绝缘损坏时，在副边出现过压。使用注意事项：15.2异步电动机1.三相异步电动机的结构与工作原理2.三相异步电动机的机械特性3.三相异步电动机的使用4.单相异步电动机交流电动机电动机直流电动机鼠笼式绕线式异