第11章 变压器与电动机.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第11章,变压器与电动机,1,磁路：主磁通所经过的闭合路径。,i,线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏磁通。,：,主磁通,：,漏磁通,铁心,（导磁性能好,的磁性材料）,线圈,11.1,磁路,1.,磁路,2,1,）磁感应强度,与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通（磁,力线），可表示磁场内某点的磁场强弱和方向,。,B,的,单位,：特,斯拉,（,T,）,的单位：韦伯,矢量,2.,磁场的基本物理量,磁场内各点的磁感应强度的,大小相等,，,方向相同,，,这样的磁场则称为,均匀磁场,。,3,2,）磁通,单位韦伯（,Wb,）,B,单位：特斯拉（,T,）,磁感应强度,B,与垂直于磁场方向的面积,S,的乘积。称为通过该面积的磁通。,单位：伏秒,4,3,）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。,单位：,B,：,特斯拉,：亨,/,米,：,安,/,米,5,4,）磁导率,：表征各种材料导磁能力的物理量。,（,亨,/,米）,真空中的磁导率,(),为常数,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,，则称为磁性材料,，则称为非磁性材料,6,磁性材料的磁性能,一、高导磁性,指磁性材料的磁导率很高，,r,1,，,使其具有,被强烈磁化,的特性。,二、磁饱和性,当外磁场（或励磁电流）增大到一定值时，磁性,材料的全部磁畴的磁场方向都转向与磁场的方向一致，,磁化磁场的,磁感应强度,B,J,达到饱和值,。,11.1.1,磁性材料的磁性能,高导磁性、磁饱和性、磁滞性,7,B,H,曲线分为三段：,3,）,b,段：,随着,H,的,增大，,B,变化很小，达到饱和。,1,）,oa,段：,随着,H,的增大，,B,几乎是直线上升。,2,）,ab,段：,随着,H,的增大，,B,的上升又比较缓慢了。,磁化曲线,H,8,磁滞回线,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,（磁滞回线接近矩形。可用做记忆元件）。,三、磁滞性,9,I,1,I,2,I,3,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,。,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,.,即,1,、安培环路定律（全电流定律）：,11.1.2,磁路的分析方法,10,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,N,I,HL,：,称为磁压降。,NI,：,称为磁通势。,一般用,F,表示。,F,=,NI,11,总磁通势,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，,总磁通势等于各段磁压降之和。,例：,I,N,12,对于均匀磁路,磁路中的,欧姆定律,2,、磁路的欧姆定律：,则：,I,N,S,L,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。,令：,R,m,称为磁阻,13,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,3,铁心线圈电路,铁心线圈：,一个绕有线圈的闭合铁心。,14,I,U,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,E,固定,I,随,R,变化,随 变化,直流磁路中,F,固定,一定,一定,磁通势,F=IN,一定,磁通和磁阻成反比,（线圈中没有反电动势）,（,R,为线圈的电阻）,一、直流磁路的分析（直流铁心线圈电路）,15,二、交流磁路的分析,(,交流铁心线圈电路,),：主磁通,：漏磁通,u,i,1.,电磁关系,16,电路方程：,一般情况下 很小,交流激励 线圈中产生感应电势,：主磁通,：漏磁通,u,i,的感应电势,和 产生,2.,电压电流关系,17,假设,则,最大值,有效值,u,i,18,u,i,一定时磁通势,IN,随磁阻 的变化而变化。,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,交流磁路的特点,:,交流磁路和电路中的恒流源类似,交流磁路中：,固定F,随 变化,直流电路中：,I,S,固定,U,随,R,变化,19,(,U,不变，,I,不变）,(,I,随,R,m,变化）,（,U,不变时，,m,基本不变,）,直流磁路,交流磁路,磁路,小结,（,随,R,m,变化）,20,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,11.2,变压器,21,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,22,单相变压器,铁心,原边,绕组,副边,绕组,一、变压器的基本结构,23,变压器符号：,电磁关系：,24,空载运行,：原边接入电源，副边开路。,接上,交流电源,原边电流,i,1,等,于励 磁电流,i,10,产生感应电动势,i,10,产生磁通,（交变）,（,方向符合右手定则）,1.,电压变换,一、变压器的原理和作用,25,结论：改变匝数比，就能改变输出电压。,K,为,变比,根据交流磁路的分析,可得：,时,26,负载运行,Z,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,i,2,。,此电流在磁路中,也会产生磁通，从而影响原边电流,i,1,。,但当外加电压、频率不变时，铁心中主磁通的最大值在变压器空载或有负载时基本不变 。,带负载后磁通势的平衡关系为：,2电流变换,27,结论：原、副边电流与匝数成反比,由于变压器铁心材料的导磁率高、空载励磁电流,很小，可忽略。即：,28,从原边等效：,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。,3.,阻抗变换,29,例：,扬声器上如何得到最大输出功率,R,s,R,L,信号源,设：,信号电压的有效值,:,U,1,=50V;,信号内阻：,R,s,=100,;,负载为扬声器，其等,效电阻：,R,L,=8,。,求：负载上得到的功率。如何使负载上得到功率最大？,解：,（,1,）将负载直接接到信号源上,，得到的输出功,率为：,30,R,s,（,2,）将负载通过变压器接到信号源上。,输出功率为：,设变比,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）。,31,副边输出电压,U,2,和输出电流,I,2,的关系。即：,U,2,I,2,U,20,U,20,：,原边加额定电压、,副边开路时，副边的输,出电压。,三、变压器的外特性和技术数据,1.,外特性,变压器的电压变换率：,32,为防止涡流损失（和,B,m,的平方成正比），铁心一般由磁导率高材料叠合而成。,变压器的损耗包括两部分：,铜损,(,P,CU,),：,绕组导线电阻所致。,磁滞损失：磁滞现象引起铁心发热，,造成的损失。,涡流损失：交变磁通在铁心中产生,的感应电流（涡流），,造成的损失。,铁损,(,P,FE,),：,2,变压器的损耗与效率,(,),33,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。,额定电流,变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。,额定容量,变压器副边额定电压和额定电流的乘积，即副边的视在功率。,3.,技术数据（以单相变压器为例）,34,容量,S,N,输出功率,P,2,原边输入功率,P,1,输出功率,P,2,注意：变压器几个功率的关系,效率,变压器功,率因数,容量：,原边输入功率：,输出功率：,35,一、自耦变压器,A,B,P,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。,11.2.2,特殊变压器,36,二、三相变压器,三相变压器按结构特点分为两种：,三相变压器组；三相心式变压器。,三相变压器组：,由三台单相变压器组成的，每组的主磁通各自沿自己的磁路闭合，所以三相变压器的磁路彼此独立。,37,三相心式变压器的磁路彼此相关，这种铁心结构是由三相变压器组演变而来的，将三个单相变压器合并成上图所示，则中间铁心柱流过的磁通为,0,，所以，中间心柱可以省去，即得图（,c,）所示三相变压器。,三相心式变压器：,38,三、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,绝缘损坏时，在副边,出现高压。,使用注意：,V,R,N,1,（,匝数多,）,保险丝,N,2,（,匝数少,）,u,（被测电压）,电压表,被测电压,=,电压表读数,N,1,/,N,2,39,四、电流互感器：,用低量程的电流表测大电流,（,被测电流）,N,1,（,匝数少,）,N,2,（,匝数多,）,A,R,i,1,i,2,电流表,被测电流,=,电流表读数,N,2,/,N,1,1.,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：,40,交流异步电动机，应用最广泛的一种电动机，厂矿企业，交通工具，娱乐，科研，农业生产，日常生活都离不开异步电动机。,11.3,异步电动机,41,交流电动机,电动机,直流电动机,鼠笼式,绕线式,异步机,同步机,他励、并励、串励、复励,本章主要讨论三相异步电动机：,基本结构、工作原理、机械特性、控制方法,电动机的分类：,42,YLJ,系列三相力矩电动机,Y2,系列三相异步电动机,11.3.1,结构与工作原理,43,一、三相异步机的结构,Y,B,Z,X,A,C,转子,定子,定子绕组,（三相）,机 座,转子铁心：,用硅钢片叠成的圆柱形铁心，与定子铁心共同构成磁路。外圆周有安放转子绕组的槽。,定子绕组：,每相匝数相同，,且在空间位置互差,120,，,产生旋转磁场。,定子铁心：,用硅钢片叠成的圆筒形铁心，内圆周有安放定子绕组的槽。,转子绕组：,在旋转磁场作用下，,产生感应电动势或电流。,44,转子绕组：分鼠笼式和线绕式两种。,线绕式：,或称绕线式，在转子槽内安放三相对称绕组，接成,Y,形，由端环和炭刷引出三个端，外接三相,Y,形接法的可变电阻，用于起动限流或凋速。也可直接通过短路端环短接。,鼠笼式：,将铜条插入转子槽内，两端用铜环短接，形似鼠笼；或直接用熔铝浇铸而成，称为 铸铝转子。,45,气隙：,在定、转子之间有一定的气隙，气隙大小对异步机的性能有很大的影响。,一般气隙长度应为机械条件所容许达到的最小值。中小型电机气隙一般为,0.10.2mm,。,气隙大磁阻大，要产生同样大小的旋转磁场就需较大的励磁电流，由于励磁电流基本上是无功电流，所以为了降低电机的空载电流，提高功率因数，气隙应尽量减少。,46,总结三相异步电动机的结构：,47,磁铁,闭合,线圈,二、三相异步机的工作原理,转动原理,48,磁极旋转,导线切割磁力线产生感应电动势,导线长,磁感应强度,切割速度,（,右手定则）,闭合导线产生电流,i,（,左手定则）,通电导线在磁场中受力,49,1.,线圈跟着磁铁转,两者转动方向一致,结论：,异步,2.,线圈比磁场转得慢,50,旋转磁场的产生,A,Y,C,B,Z,异步机中,旋转磁场代替了旋转磁极,(),电流出),电流入,X,51,A,X,Y,C,B,Z,A,X,B,Y,C,Z,合成磁场方向：,向下,52,X,B,Z,A,Y,C,A,X,Y,C,B,Z,A,X,Y,C,B,Z,同理分析，可得,其它电流角度下,的磁场方向：,53,旋转方向,：取决于三相电流的相序。,改变电机的旋转方向：换接其中两相。,旋转磁场的旋转方向,54,旋转磁场的转速大小,一个电流周期，旋转磁场在空间转过,360,。则,同步转速（旋转磁场的速度）为：,A,X,Y,C,B,Z,A,X,Y,C,B,Z,A,X,Y,C,B,Z,55,极对数（,P,）,的概念,A,X,B,Y,C,Z,此种接法下，合成磁场只有一对磁极，则极对数为,1,。,即：,A,X,Y,C,B,Z,56,极对数（,P,）,的改变,C,Y,A,B,C,X,Y,Z,A,X,B,Z,将每相绕组分成两段，按右下图放入定子槽内。形,成的磁场则是两对磁极。,A,X,B,Y,C,Z,57,极对数,C,Y,A,B,C,X,Y,Z,A,X,B,Z,58,极对数和转速的关系,59,三相异步电动机的同步转速,极对数,每个电流周期,磁场转过的空间角度,同步转速,60,电动机转速和旋转磁场同步转速的关系,电动机转速,:,电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，,但,异步,电动机,无转距,转子与旋转磁场间没有相对运动,无转子电动势（转子导体不切割磁力线）,无转子电流,提示,：,如果,61,电动机的转动原理：,在电动机定子绕组中通入三相对称交流电流后，产生旋转磁场,。,旋转磁场的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。,在电动势的作用下，闭合的导条中就有电流，该电流与旋转磁场相互作用，使转子导条受到电磁力作用。由电磁力产生电磁转矩，转子就转动起来。,62,转差率 的概念：,异步电机运行中,:,转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差。即：,电动机起动瞬间,:,（,转差率最大）,63,i,2,转、定子电路,R,1,R,2,i,1,u,1,e,1,e,1,e,2,e,2,：漏磁通产,生的漏感应电动势。,：主磁通产生,的感应电动势。,e,1,e,2,、,e,1,e,2,、设：,则：,定子边：,1,三相异步电动机的电路分析,11.3.2,电磁转矩和机械特性,64,R,1,R,2,i,1,u,1,e,1,e,1,e,2,e,2,同理得转子边：,i,2,65,：转子感应电动势的频率,：转子线圈匝数,取决于转子和旋转磁场的相对速度,66,R,1,R,2,i,1,u,1,e,1,e,1,e,2,e,2,其中,转子功率因数：,i,2,67,COS,2,I,2,I,2,COS,2,1,S,0,结论：,转子电路的电动势、电流、频率、感抗、功率因数等都与转差率,S,有关，,与转差率,S,的关系如右图所示,。,I,2,、,COS,2,68,电磁转矩,T,：,转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到电磁力所形成的转距之总和。,常数,每极磁通,转子电流,转子电路的,一、,转矩公式,2,机械特性,69,将其中参数代入：,得到,转矩公式,70,根据转矩公式,1,0,n,0,T,n,得特性曲线：,二、,三相电动机的机械特性,71,三个重要转矩：,n,0,T,n,额定转矩,：,电机在额定电压下，以额,定转速,运行，输出额,定功率,时，电机转轴,上输出的转矩。,(1),（牛顿,米）,n,N,72,电动机的自适应负载能力：,电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，,这种能力称为自适应负载能力。,常用特,性段,n,0,n,T,自适应负载能力是,电动机区别于其它动力机械的重要特点。如：柴油机当负载增加时，必须由操作者加大油门，才能带动新的负载。）,直至新的平衡。此过程中，,时，电源提供的功率自动,增加。,73,如果 电机将会,因带不动负载而停转。,最大转矩,：,(2),电机带动最大负载的能力。,n,0,T,n,求解,74,过载系数：,三相异步机,工作时，一定令负载转矩 ，否则电机将停转。致使,注意：,（,1,）三相异步机的 和电压的平方成正比，所,以对电压的波动很敏感，使用时要注意电压的变化。,（,2,）,电机严重过热,75,起动转矩,：,(3),电机起动时的转矩。,n,0,T,n,其中,则,体现了电动机带载起动的能力。若 电机能,起动，否则将起动不了。,76,机械特性和电路参数的关系,和电压的关系,结论：,77,和转子电阻的关系,R,2,的,改变,：,鼠笼式电机转子导条的金属材料不同，线绕式电机外接电阻不同。,令：,得：,结论：,78,机械特性的软硬,硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。,软特性：负载增加转速下降较快，但起动转矩大，起,动特性好。,硬特性,（,R,2,小）,软特性,（,R,2,大）,不同场合应选用不同的电机。如金属切削，选硬特性电机；重载起动则选软特性电机。,79,一、三相异步机铭牌与技术数据,11.3.3,使用,1.,型号,Y 132M,4,转差率,2,.,转速,:,电机轴上的转速,（,n,),。,如：,n,=1440,转,/分,磁极数,(,极对数,p,=2,),同步转速,1500,转,/,分,Y,：,三相异步电动机,132,：机座中心高,（,132mm,）,M,：,机座长度代号，,M,-,中机座；,S,-,短机座，,L,-,长机座。,80,3.,联接方式,：,Y/,接法,Y,接法：,接法：,A,B,C,Z,X,Y,A,B,C,Z,X,Y,A,B,C,X,Y,Z,A,Z,B,Y,X,C,A,B,C,X,Y,Z,接线盒：,81,4.,额定电压：,定子绕组在,指定接法,下应加的,线电压。,说明：一般规定电动机的运行电压不能高于或低于额定值的,5,。,线,电,压,A,Z,B,Y,X,C,线,电,压,A,B,C,X,Y,Z,例：,380/220 Y/,是指：线电压为,380V,时采用,Y,接法；,当线电压为,220V,时采用,接法。,82,5.,额定电流：,定子绕组在,指定接法,下的,线电流。,如：,表示三角接法下，电机的线电流为,11.2A,，,相电流为,6.48A,；,星形接法时线、相电流均为,6.48A,。,6.,额定功率：,额定功率指电机在额定运行时轴上输出的,功率,（,），不等于从电源吸收的功率（）。两者的,关系为：,其中,鼠笼电机,=72,93,83,额定负载时一般为,0.7 0.9,，空载时功率因数很低约为,0.2 0.3,。额定负载时，功率因数最大。,注意：实用中应选择合适容量的电机，,防止“大马”,拉“小车”,的现象。,7.,功率因数,(,cos,1,),：,P,2,P,N,cos,1,84,8.,绝缘等级,绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时允许的极限温度来分级的。,极限温度是指电动机绝缘结构中最热点的最高允许温度。,绝缘等级,绝缘等级,极限温度,A,E,B,F,H,85,二、三相异步机的起动,起动电流,：,中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的,5 7,倍。,定子电流,原因：起动时,，,转子导条切割磁力线速度很大。,转子感应电势,转子电流,大电流使电网电压降低,影响其他负载工作,频繁起动时造成热量积累 电机过热,影响：,86,三相异步机的起动方法：,（,1,）直接起动。二三十千瓦以下的异步电动机一般,采用直接起动。,（,2,）降压起动。,Y,起动,自耦降压起动,（,3,）转子串电阻起动。,以下介绍,Y,起动和转子串电阻起动。,87,Y,起动：,正常,运行,A,Z,B,Y,X,C,起动,A,B,C,X,Y,Z,设：电机每相阻抗为,88,A,Z,B,Y,X,C,正常,运行,U,P,A,B,C,X,Y,Z,起动,U,P,（2）,Y,起动应注意的问题：,（,1,）仅适用于正常接法为三角形接法的电机。,所以降压起动适合于空载或轻载起动的场合,Y,起动,。,89,转子串电阻起动,起动时将适当的,R,串入转子绕组中，起动后将,R,短路。,90,转子串电阻起动的特点,：,适于转子为线绕式的电动机起动。,（,1,）,（,2,）,R,2,选的,适当,，转子串电阻既可以降低起动电流，,又可以增加起动力矩。,91,方法：,和电源相接的任意两相互换，就可实现反转。,三、三相异步电动机的正、反转,正转,反转,A,B,C,M,3,电 源,A,B,C,M,3,电 源,92,制动方法：,1.,抱闸：,加机械抱闸；,2.,反接制动：,停车时，将电动机接电源的任意两相反接，使电动机由原来的旋转方向反过来，以达制动的目的；,四、三相异步电动机的制动,反接制动时，定子旋转磁场与转子的相对转速很大。,为限制电流，在制动时要在定子或转子中串电阻。,即切割磁力线的速度很大，造成 ，引起 。,注意：,93,3.,能耗制动,：,停车时，断开交流电源，接至直流,电源上，产生制动转矩。,制动转矩的大小与直流电流的大小有关,直流电流的大小一般为电动机额定电流的,0.5-1,倍,制动能量消耗小制动平稳，但需要直流电源,M,3,+,-,运行,制动,n,F,转子,94,4.,发电反馈制动,：,当电动机转子的转速超过旋转磁场的同步转速时，这时的转矩也是制动转矩,。,n,F,n,o,当,起重机快速下放重物时,当,多速电动机从高速调到低速的过程中。,电动机已转入发电机运行，将重物的位能转换为电能而反馈到电网里去，所以称为发电反馈制动,95,五、三相异步电动机的调速,1.,改变极对数,有级调速。,2.,改变转差率,无级调速,调速方法：,S,T,96,3.,改变电源频率,(,变频调速,),无级调速,恒,转矩调速,：,低于额定转速时，保持,U,1,/,f,1,的比值近似不变，这时磁通,和转矩也都近似不变。,恒,功率调速,：,高于额定转速时，应保持,U,1,=,U,1N,，,这时磁通,和转矩都减小。转速增大，转矩减小，使功率近似不变。,此种调速方法发展很快，且调速性能较好。其主要环节是研制变频电源（常由整流器、逆变器等组成）。,97,第11章,结束,98,