電磁設(shè)備培訓(xùn)知識(PPT 56頁).ppt

1、第14章 電磁設(shè)備,14.2 變壓器,14.3 異步電動機(jī),14.1 磁路及其分析方法,直流電機(jī)的磁路,交流接觸器的磁路,四極直流電機(jī)和交流接觸器的磁路,14.1 磁路及其分析方法,在電機(jī)、變壓器及各種鐵磁元件中常用磁性材料做成一定形狀的鐵心。鐵心的磁導(dǎo)率比周圍空氣或其它物質(zhì)的磁導(dǎo)率高的多，磁通的絕大部分經(jīng)過鐵心形成閉合通路，磁通的閉合路徑稱為磁路。,14.1.1 磁場的基本物理量,1.磁感應(yīng)強(qiáng)度,磁感應(yīng)強(qiáng)度B : 表示磁場內(nèi)某點(diǎn)磁場強(qiáng)弱和方向的物理量。,磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向: 與電流的方向之間符合右手螺旋定則。,磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位: 特斯拉(T)，1T = 1Wb/m2,均勻磁場: 各點(diǎn)磁感應(yīng)

2、強(qiáng)度大小相等，方向相同的 磁場，也稱勻強(qiáng)磁場。,2. 磁通,磁通 ：穿過垂直于B方向的面積S中的磁力線總數(shù)。,說明: 如果不是均勻磁場，則取B的平均值。,在均勻磁場中 = B S 或 B= /S,磁感應(yīng)強(qiáng)度B在數(shù)值上可以看成為與磁場方向垂直的單位面積所通過的磁通,故又稱磁通密度。,磁通 的單位:韋伯(Wb),3.磁場強(qiáng)度,磁場強(qiáng)度H ：是計(jì)算磁場時(shí)所引用的一個(gè)物理量，也是矢量，通過它來確定磁場與電流之間的關(guān)系。,磁場強(qiáng)度H的單位 ：安培/米（A/m),任意選定一個(gè)閉合回線的圍繞方向，凡是電流方向與閉合回線圍繞方向之間符合右螺旋定則的電流作為正、反之為負(fù)。,式中： 是磁場強(qiáng)度矢量沿任意閉合 線(

3、常取磁通作為閉合回線)的線積分；,I 是穿過閉合回線所圍面積的電流的代數(shù)和。,安培環(huán)路定律電流正負(fù)的規(guī)定：,安培環(huán)路定律（全電流定律）,所以安培環(huán)路定律將電流與磁場強(qiáng)度聯(lián)系起來。,在均勻磁場中 Hl = IN,由實(shí)驗(yàn)可測得：真空的磁導(dǎo)率為：,4. 磁導(dǎo)率,磁導(dǎo)率 ：表示磁場媒質(zhì)磁性的物理量，用來衡量物質(zhì)的導(dǎo)磁能力。它與磁場強(qiáng)度的乘積就等于磁感應(yīng)強(qiáng)度，即：,磁導(dǎo)率 的單位：亨/米（H/m）,因?yàn)樗且粋€(gè)常數(shù)，將其它物質(zhì)的磁導(dǎo)率和它相比較是很方便的。,相對磁導(dǎo)率 r： 任一種物質(zhì)的磁導(dǎo)率 和真空的磁導(dǎo)率0的比值。,自然界的所有物質(zhì)按磁導(dǎo)率的大小，大體上可分為磁性材料和非磁性材料。,14.1.2 磁

4、性材料的磁性能,1. 高導(dǎo)磁性,磁性材料的磁導(dǎo)率通常都很高，即 r 1 (如坡莫合金，其 r 可達(dá) 2105 ) 。 磁性材料能被強(qiáng)烈的磁化，具有很高的導(dǎo)磁性能。,磁性材料主要指鐵、鎳、鈷及其合金等。,磁性物質(zhì)的高導(dǎo)磁性被廣泛地應(yīng)用于電工設(shè)備中，如電機(jī)、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放有鐵心。在這種具有鐵心的線圈中通入不太大的勵磁電流，便可以產(chǎn)生較大的磁通和磁感應(yīng)強(qiáng)度。,2.磁飽和性,磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場不會隨著外磁場的增強(qiáng)而無限的增強(qiáng)。當(dāng)外磁場增大到一定程度時(shí)，磁性物質(zhì)的全部磁疇的磁場方向都轉(zhuǎn)向與外部磁場方向一致，磁化磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度將趨向某一定值。如圖。,B-H 磁化曲線的特征

5、： Oa段：B 與H幾乎成正比地增加； ab段：B 的增加緩慢下來； b點(diǎn)以后：B增加很少，達(dá)到飽和。,O,H,B,B,a,b,有磁性物質(zhì)存在時(shí)，B 與 H不成正比，磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率不是常數(shù)，隨H而變。,磁性物質(zhì)的磁化曲線在磁路計(jì)算上極為重要，其為非線性曲線，實(shí)際中通過實(shí)驗(yàn)得出。,磁化曲線,B和與H的關(guān)系,3.磁滯性,磁性材料在交變磁場中反復(fù)磁化，其B-H關(guān)系曲線是一條回形閉合曲線，稱為磁滯回線。,磁滯性：磁性材料中磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化總是滯后于 外磁場變化的性質(zhì)。,磁滯回線,Br,Hc,剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br (剩磁) ： 當(dāng)線圈中電流減小到零(H=0)時(shí)，鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。,永久磁鐵的磁性就是由

6、剩磁產(chǎn)生的；自勵直流發(fā)電機(jī)的磁極，為了使電壓能建立，也必須具有剩磁。,剩磁也存在著有害的一面，例如，當(dāng)工件在平面磨床上加工完畢后，由于電磁吸盤有剩磁，還將工件吸住。為此要通入反向去磁電流，去掉剩磁，才能取下工件。,矯頑磁力Hc： 使 B = 0 所需的 H 值。,磁性物質(zhì)不同，其磁滯回線和磁化曲線也不同。,按磁性物質(zhì)的磁性能，磁性材料分為三種類型： (1)軟磁材料 具有較小的矯頑磁力，磁滯回線較窄。一般用來制造電機(jī)、電器及變壓器等的鐵心。常用的有鑄鐵、硅鋼、坡莫合金即鐵氧體等。 (2)永磁材料 具有較大的矯頑磁力，磁滯回線較寬。一般用來制造永久磁鐵。常用的有碳鋼及鐵鎳鋁鈷合金等。 (3)矩磁材

7、料 具有較小的矯頑磁力和較大的剩磁，磁滯回線接近矩形，穩(wěn)定性良好。在計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)中用作記憶元件、開關(guān)元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體等。,14.1.3 磁路的分析方法,磁路的歐姆定律是分析磁路的基本定律,環(huán)形線圈如圖，其中媒質(zhì)是均 勻的，磁導(dǎo)率 為， 試計(jì)算線圈內(nèi)部 的磁通 。,解：根據(jù)安培環(huán)路定律，有,設(shè)磁路的平均長度為 l，則有,1. 引例,式中：F=NI 為磁通勢，由其產(chǎn)生磁通； Rm 稱為磁阻，表示磁路對磁通的阻礙作用； l 為磁路的平均長度； S 為磁路的截面積。,2. 磁路的歐姆定律,若某磁路的磁通為，磁通勢為F ，磁阻為Rm，則,即有：,此即磁路的歐姆定律。,3. 磁路與電

8、路的比較,14.2 變壓器,變壓器是一種常見的電氣設(shè)備，在電力系統(tǒng)和電子線路中應(yīng)用廣泛。,變壓器的主要功能有：,14.2.1 概述,變壓器的結(jié)構(gòu),變壓器的磁路,變壓器的電路,變壓器的結(jié)構(gòu),變壓器的分類,14.2.2 變壓器的工作原理,一次、二次繞組互不相連，能量的傳遞靠磁耦合。,(1) 空載運(yùn)行情況,1. 電磁關(guān)系,一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)開路。,空載時(shí)，鐵心中主磁通是由一次繞組磁通勢產(chǎn)生的。,(2) 帶負(fù)載運(yùn)行情況,一次側(cè)接交流電源，二次側(cè)接負(fù)載。,有載時(shí)，鐵心中主磁通是由一次、二次繞組磁通勢共同產(chǎn)生的合成磁通。,2. 電壓變換（設(shè)加正弦交流電壓）,有效值:,同 理：,主磁通按正弦規(guī)律變化，

9、設(shè)為 則,(1) 一次、二次側(cè)主磁通感應(yīng)電動勢,根據(jù)KVL：,變壓器一次側(cè)等效電路如圖,由于電阻 R1 和感抗 X1 (或漏磁通)較小,其兩端的電壓也較小,與主磁電動勢 E1比較可忽略不計(jì)， 則,(2) 一次、二次側(cè)電壓,式中 R1 為一次側(cè)繞組的電阻; X1=L1 為一次側(cè)繞組的感抗(漏磁感抗，由漏磁產(chǎn)生)。,對二次側(cè)，根據(jù)KVL：,結(jié)論：改變匝數(shù)比，就能改變輸出電壓。,式中 R2 為二次繞組的電阻; X2=L2 為二次繞組的感抗； 為二次繞組的端電壓。,變壓器空載時(shí):,式中U20為變壓器空載電壓。,故有,3. 電流變換,(一次、二次側(cè)電流關(guān)系),有載運(yùn)行,即：鐵心中主磁通的最大值m在變壓器

10、空載和有載時(shí)基本是恒定的。,不論變壓器空載還是有載，一次繞組上的阻抗壓降均可忽略，故有,當(dāng)U1、 f 不變，則 m 基本不變，近于常數(shù)。,空載：,有載：,或,結(jié)論：一次、二次側(cè)電流與匝數(shù)成反比。,或：,可得磁勢平衡式：,空載磁勢,有載磁勢,4. 阻抗變換,由圖可知：,結(jié)論： 變壓器一次側(cè)的等效阻抗模，為二次側(cè)所帶負(fù)載的阻抗模的K 2 倍。,(1) 變壓器的匝數(shù)比應(yīng)為：,解:,例1: 如圖，交流信號源的電動勢 E= 120V，內(nèi)阻 R 0=800，負(fù)載為揚(yáng)聲器，其等效電阻為RL=8。若變壓器的一次繞組接在信號源上，二次繞組接在揚(yáng)聲器上，要求: （1）當(dāng)RL折算到原邊的等效電阻 時(shí)，求變壓器的匝數(shù)

11、比和信號源輸出的功率(2）當(dāng)將負(fù)載直接與信號源聯(lián)接時(shí),信號源輸出多大功率,信號源的輸出功率：,電子線路中，常利用阻抗匹配實(shí)現(xiàn)最大輸出功率。,結(jié)論：接入變壓器以后，輸出功率大大提高。,原因：滿足了最大功率輸出的條件：,（2）將負(fù)載直接接到信號源上時(shí)，輸出功率為：,1) 變壓器的型號,5.變壓器的銘牌和技術(shù)數(shù)據(jù),2) 額定值,額定電壓 U1N、U2N 變壓器二次側(cè)開路（空載）時(shí)，一次、二次側(cè)繞組允許的電壓值,額定電流 I1N、I2N 變壓器滿載運(yùn)行時(shí)，一次、二次側(cè)繞組允許的電流值。,額定容量 SN 傳送功率的最大能力。,容量 SN 輸出功率 P2,一次側(cè)輸入功率 P1 輸出功率 P2,注意：變壓器

12、幾個(gè)功率的關(guān)系(單相),效率,變壓器運(yùn)行時(shí)的功率取決于負(fù)載的性質(zhì),14.2.3 變壓器的外特性與效率,1. 變壓器的外特性,當(dāng)一次側(cè)電壓 U1和負(fù)載功率因數(shù) cos2保持不變時(shí)，二次側(cè)輸出電壓 U2和輸出電流 I2的關(guān)系，U2 = f (I2)。,U20：一次側(cè)加額定電壓、二次側(cè)開路時(shí)，二次側(cè)的輸出電壓。,一般供電系統(tǒng)希望要硬特性（隨I2的變化，U2 變化不大），電壓變化率約在5%左右。,電壓變化率：,2.變壓器的效率(),變壓器的損耗包括兩部分：,銅損 (PCu) ：繞組導(dǎo)線電阻的損耗。與負(fù)載大?。ㄕ扔陔娏髌椒剑┯嘘P(guān)。,鐵損(PFe )：,變壓器的效率為,一般 95% ,負(fù)載為額定負(fù)載的(

13、5075)%時(shí),最大。,輸出功率,輸入功率,它與鐵心內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值Bm的平方成正比。與負(fù)載大小無關(guān)。,例2 ：有一信號源的電動勢為1V，內(nèi)阻為600歐姆，負(fù)載電阻為150歐姆，欲使負(fù)載獲得最大功率，必須在信號源和負(fù)載之間接一匹配變壓器，使變壓器的輸入電阻等于信號源的內(nèi)阻，問變壓器的變壓比，一次，二次電流各為多大？,電動機(jī):把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電機(jī)，稱為電動機(jī),14.3 異步電動機(jī),發(fā)電機(jī):把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的電機(jī)，稱為發(fā)電機(jī),電機(jī):利用電磁場進(jìn)行機(jī)械能與電能互換的裝置稱為電機(jī)。,1.定子（固定部分）,14.3.1 三相異步電動機(jī)的構(gòu)造,轉(zhuǎn)子: 在旋轉(zhuǎn)磁場作用下，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢或電流。,2

14、.轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)部分）,籠型轉(zhuǎn)子,鐵心：由外周有槽的硅鋼片疊成。,(2) 繞線型轉(zhuǎn)子,同定子繞組一樣，也分為三相，并且接成星形。,籠型電動機(jī)與繞線型電動機(jī)的的比較：,籠型： 結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、工作可靠；不能人為改變電動機(jī)的機(jī)械特性。,繞線型： 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格較貴、維護(hù)工作量大；轉(zhuǎn)子 外加電阻可人為改變電動機(jī)的機(jī)械特性。,14.3.2 三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理,e方向用 右手定則 確定,f方向用 左手定則 確定,磁場旋轉(zhuǎn),磁極旋轉(zhuǎn),導(dǎo)線切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,導(dǎo)線長,切割速度,（右手定則）,2. 線圈比磁場轉(zhuǎn)得慢,合成磁場方向： 向下,旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生,三相電流合成磁場 的分布情況,合成磁場方向向

15、下,合成磁場旋轉(zhuǎn)60,合成磁場旋轉(zhuǎn)90,o,分析可知：三相電流產(chǎn)生的合成磁場是一旋轉(zhuǎn)的磁場 即：一個(gè)電流周期，旋轉(zhuǎn)磁場在空間轉(zhuǎn)過360,2.旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向,結(jié)論： 任意調(diào)換兩根 電源進(jìn)線，則旋轉(zhuǎn) 磁場反轉(zhuǎn)。,任意調(diào)換兩根電源進(jìn)線 (電路如圖),3.旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)P（旋轉(zhuǎn)磁場的極數(shù)）,當(dāng)三相定子繞組按圖示排列時(shí)，產(chǎn)生一對磁極的旋轉(zhuǎn)磁場，即：,若定子每相繞組由兩個(gè)線圈串聯(lián) ，繞組的始端 之間互差60，將形成兩對磁極的旋轉(zhuǎn)磁場。,極對數(shù),旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù) 與三相繞組的排列有關(guān),旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n0與極對數(shù) p 的關(guān)系,4.旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速取決于磁場的極對數(shù)）,14.3.3 電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理,1. 轉(zhuǎn)動原理,U1,U2,V2,W1,V1,W2,定子三相繞組通入三相交流電,感應(yīng)電動勢 E20,電磁力F,2. 轉(zhuǎn)差率,旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速和電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差與 旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速之