變壓器和電動機復習.ppt

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第4章變壓器和電動機 4 2變壓器 4 1磁路分析基礎 4 3異步電動機 2 了解變壓器的基本結構 工作原理 運行特性和繞組的同極性端 理解變壓器額定值的意義 3 掌握變壓器電壓 電流和阻抗變換作用 本章要求 第4章變壓器和電動機 1 理解磁場的基本物理量的意義 了解磁性材料的基本知識及磁路的基本定律 會分析計算交流鐵心線圈電路 4 了解三相交流異步電動機的基本構造和轉動原理 5 理解三相交流異步電動機的機械特性 掌握起動和反轉的基本方法 了解調速和制動的方法 6 理解三相交流異步電動機銘牌數(shù)據(jù)的意義 磁路及磁場的基本物理量 1 磁感應強度 磁感應強度B 表示磁場內某點磁場強弱和方向的物理量 磁感應強度B的大小 磁感應強度B的方向 與電流的方向之間符合右手螺旋定則 磁感應強度B的單位 特斯拉 T 1T 1Wb m2 均勻磁場 各點磁感應強度大小相等 方向相同的磁場 也稱勻強磁場 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 BS或B S 磁感應強度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 1Wb 1V s 3 磁場強度 磁場強度H 介質中某點的磁感應強度B與介質磁導率 之比 磁場強度H的單位 安培 米 A m 真空的磁導率為常數(shù) 用 0表示 有 4 磁導率 磁導率 表示磁場媒質磁性的物理量 衡量物質的導磁能力 相對磁導率 r 任一種物質的磁導率 和真空的磁導率 0的比值 磁導率 的單位 亨 米 H m 5 物質的磁性 1 非磁性物質 非磁性物質分子電流的磁場方向雜亂無章 幾乎不受外磁場的影響而互相抵消 不具有磁化特性 非磁性材料的磁導率都是常數(shù) 有 所以磁通 與產(chǎn)生此磁通的電流I成正比 呈線性關系 當磁場媒質是非磁性材料時 有 即B與H成正比 呈線性關系 由于 0 r 1 B 0H I 4 1磁路分析基礎 在電機 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 鐵心的磁導率比周圍空氣或其它物質的磁導率高的多 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 直流電機的磁路 交流接觸器的磁路 1 高導磁性 磁性材料的磁導率通常都很高 即 r 1 如坡莫合金 其 r可達2 105 磁性材料能被強烈的磁化 具有很高的導磁性能 鐵磁材料主要指鐵 鎳 鈷及其合金等 具有如下特點 磁性物質的高導磁性被廣泛地應用于電工設備中 如電機 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強度 4 1 1鐵磁材料的特點 磁性物質由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場不會隨著外磁場的增強而無限的增強 2 磁飽和性 BJ磁場內磁性物質的磁化磁場的磁感應強度曲線 B0磁場內不存在磁性物質時的磁感應強度直線 BBJ曲線和B0直線的縱坐標相加即磁場的B H磁化曲線 BJ B a b 磁化曲線 磁性物質由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場不會隨著外磁場的增強而無限的增強 當外磁場增大到一定程度時 磁性物質的全部磁疇的磁場方向都轉向與外部磁場方向一致 磁化磁場的磁感應強度將趨向某一定值 如圖 B H磁化曲線的特征 Oa段 B與H幾乎成正比地增加 ab段 B的增加緩慢下來 b點以后 B增加很少 達到飽和 有磁性物質存在時 B與H不成正比 磁性物質的磁導率 不是常數(shù) 隨H而變 有磁性物質存在時 與I不成正比 磁性物質的磁化曲線在磁路計算上極為重要 其為非線性曲線 實際中通過實驗得出 磁化曲線 B和 與H的關系 3 磁滯性 磁性材料在交變磁場中反復磁化 其B H關系曲線是一條回形閉合曲線 稱為磁滯回線 磁滯性 磁性材料中磁感應強度B的變化總是滯后于外磁場變化的性質 磁滯回線 Br Hc 剩磁感應強度Br 剩磁 當線圈中電流減小到零 H 0 時 鐵心中的磁感應強度 矯頑磁力Hc 使B 0所需的H值 磁性物質不同 其磁滯回線和磁化曲線也不同 幾種常見磁性物質的磁化曲線 4 按磁性物質的磁性能 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 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 在計算機和控制系統(tǒng)中用作記憶元件 開關元件和邏輯元件 常用的有鎂錳鐵氧體等 4 1 2磁路的歐姆定律 磁路的歐姆定律是分析磁路的基本定律 環(huán)形線圈如圖 其中媒質是均勻的 磁導率為 試計算線圈內部的磁通 解 根據(jù)安培環(huán)路定律 有 設磁路的平均長度為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 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 2 磁路與電路的比較 3 磁路分析的特點 1 在處理電路時不涉及電場問題 在處理磁路時離不開磁場的概念 2 在處理電路時一般可以不考慮漏電流 在處理磁路時一般都要考慮漏磁通 3 磁路歐姆定律和電路歐姆定律只是在形式上相似 由于 不是常數(shù) 其隨勵磁電流而變 磁路歐姆定律不能直接用來計算 只能用于定性分析 4 在電路中 當E 0時 I 0 但在磁路中 由于有剩磁 當F 0時 不為零 4 1 3簡單磁路的分析 1 直流磁路 特點 1 勵磁電流I 由外加電壓及勵磁繞組的電阻R決定 與磁路特性無關 2 勵磁電流I產(chǎn)生的磁通是恒定磁通 不會在線圈和鐵心中產(chǎn)生感應電動勢 3 直流鐵心線圈中磁通 的大小不僅與線圈的電流I 即磁動勢NI 有關 還決定于磁路中磁阻Rm 4 直流鐵心線圈的功率損耗 銅損 P I2R 由線圈中的電流和電阻決定 因磁通恒定 在鐵心中不會產(chǎn)生功率損耗 2 交流磁路 磁通勢 主磁通 通過鐵心閉合的磁通 漏磁通 經(jīng)過空氣或其它非導磁媒質閉合的磁通 線圈 鐵心 i 鐵心線圈的漏磁電感 與i不是線性關系 1 電磁關系 2 電壓電流關系 根據(jù)KVL 式中 R是線圈導線的電阻 L 是漏磁電感 當u是正弦電壓時 其它各電壓 電流 電動勢可視作正弦量 則電壓 電流關系的相量式為 設主磁通則 有效值 由于線圈電阻R和感抗X 或漏磁通 較小 其電壓降也較小 與主磁電動勢E相比可忽略 故有 式中 Bm是鐵心中磁感應強度的最大值 單位 T S是鐵心截面積 單位 m2 3 功率損耗 交流鐵心線圈的功率損耗主要有銅損和鐵損兩種 a 銅損 Pcu 在交流鐵心線圈中 線圈電阻R上的功率損耗稱銅損 用 Pcu表示 Pcu RI2 式中 R是線圈的電阻 I是線圈中電流的有效值 b 鐵損 PFe 在交流鐵心線圈中 處于交變磁通下的鐵心內的功率損耗稱鐵損 用 PFe表示 鐵損由磁滯和渦流產(chǎn)生 磁滯損耗 Ph 由磁滯所產(chǎn)生的能量損耗稱為磁滯損耗 Ph 磁滯損耗的大小 單位體積內的磁滯損耗正比與磁滯回線的面積和磁場交變的頻率f 磁滯損耗轉化為熱能 引起鐵心發(fā)熱 減少磁滯損耗的措施 選用磁滯回線狹小的磁性材料制作鐵心 變壓器和電機中使用的硅鋼等材料的磁滯損耗較低 設計時應適當選擇值以減小鐵心飽和程度 渦流損耗 Pe 渦流損耗 由渦流所產(chǎn)生的功率損耗 渦流 交變磁通在鐵心內產(chǎn)生感應電動勢和電流 稱為渦流 渦流在垂直于磁通的平面內環(huán)流 渦流損耗轉化為熱能 引起鐵心發(fā)熱 減少渦流損耗措施 提高鐵心的電阻率 鐵心用彼此絕緣的鋼片疊成 把渦流限制在較小的截面內 鐵心線圈交流電路的有功功率為 變壓器是根據(jù)電磁感應原理制成的一種靜止的電氣設備 在電力系統(tǒng)和電子線路中應用廣泛 變壓器主要分成以下三大類 4 2 1變壓器的分類 4 2變壓器 1 電力變壓器 在輸配電系統(tǒng)中 用來傳輸和分配電能 電力工業(yè)中常采用高壓輸電低壓配電 實現(xiàn)節(jié)能傳輸 并保證用電安全 具體如下 2 特種電源變壓器 用來獲得工業(yè)中特殊要求的電源 如整流變壓器 電爐變壓器等 3 專用變壓器 a 電源變壓器 b 自耦變壓器 c 環(huán)形變壓器 d 隔離變壓器 變壓器的結構 變壓器的磁路 變壓器的電路 4 2 2變壓器的工作原理 一次 二次繞組在電路上互不相連 能量的傳遞靠磁場耦合 空載運行情況電磁關系 一次側接交流電源 二次側開路 空載時 鐵心中主磁通 是由一次繞組磁通勢產(chǎn)生的 帶負載運行情況電磁關系 一次側接交流電源 二次側接負載 有載時 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 1 電壓變換 設加正弦交流電壓 有效值 同理 主磁通按正弦規(guī)律變化 設為則 1 原邊 副邊主磁通感應電動勢 根據(jù)KVL 變壓器一次側等效電路如圖 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 則 2 原邊 副邊電壓 式中R1為一次側繞組的電阻 X1 L 1為一次側繞組的感抗 漏磁感抗 由漏磁產(chǎn)生 對二次側 根據(jù)KVL 結論 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 L 2為二次繞組的感抗 為二次繞組的端電壓 變壓器空載時 式中U20為變壓器空載電壓 故有 2 電流變換 原邊 副邊電流關系 可見 鐵心中主磁通的最大值 m在變壓器空載和有載時近似保持不變 即有 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 由上式 若U1 f不變 則 m基本不變 近于常數(shù) 勵磁電流 磁勢平衡式 或 結論 原邊 副邊電流與匝數(shù)成反比 或 1 提供產(chǎn)生 m的磁勢 空載磁勢 有載磁勢 磁勢平衡式 3 阻抗變換 由圖可知 結論 變壓器一次側的等效阻抗模 為二次側所帶負載的阻抗模的K2倍 1 變壓器的變比應為 解 例1 如圖 交流信號源的電動勢E 120V 內阻R0 800 負載為揚聲器 其等效電阻為RL 8 要求 1 當RL折算到原邊的等效電阻 求變壓器的變比和信號源輸出的功率 2 當將負載直接與信號源聯(lián)接時 信號源輸出多大功率 信號源的輸出功率 電子線路中 常利用阻抗匹配實現(xiàn)最大輸出功率 結論 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 將負載直接接到信號源上時 輸出功率為 4 三相電壓的變換 1三相變壓器 高壓繞組 A XB YC Z X Y Z 尾端 A B C 首端 低壓繞組 a xb yc z a b c 首端 x y z 尾端 三相變壓器的聯(lián)結方式 聯(lián)結方式 高壓繞組接法 低壓繞組接法 三相配電變壓器 動力供電系統(tǒng) 井下照明 高壓 超高壓供電系統(tǒng) 常用接法 1 三相變壓器Y Y0聯(lián)結 線電壓之比 2 三相變壓器Y0 聯(lián)結 線電壓之比 4 2 3變壓器的運行特性 當原邊輸入電壓U1和副邊負載功率因數(shù)cos 2保持不變時 副邊輸出電壓U2和輸出電流I2的關系 U2 f I2 U20 原邊加額定電壓 副邊的開路電壓 1 變壓器的外特性 2 電壓調整率 電壓調整率即電壓變化率 它反映了從空載到額定負載時 副邊輸出電壓的變化程度 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 電壓變化率是衡量變壓器供電平衡能力和表征運行性能的重要數(shù)據(jù)之一 3 變壓器的功率與效率 為減少渦流損耗 鐵心一般由導磁鋼片疊成 變壓器的損耗包括兩部分 銅損 PCu 繞組導線電阻的損耗 渦流損耗 交變磁通在鐵心中產(chǎn)生的感應電流 渦流 造成的損耗 鐵損 PFe 變壓器的效率為 一般 95 負載為額定負載的 50 75 時 最大 輸出功率 輸入功率 例 有一帶電阻負載的三相變壓器 其額定數(shù)據(jù)如下 SN 100kVA U1N 6000V f 50Hz U2N U20 400V 繞組連接成 由試驗測得 PFe 600W 額定負載時的 PCu 2400W 試求 1 變壓器的額定電流 2 滿載和半載時的效率 解 1 定電流 滿載和半載時的效率 4 2 4變壓器的使用 1 變壓器的銘牌數(shù)據(jù) 額定電壓U1N U2N變壓器副邊開路 空載 時 原邊 副邊繞組允許的電壓值 額定電流I1N I2N變壓器滿載運行時 原邊 副邊繞組允許的電流值 額定容量SN傳送功率的最大能力 即變壓器副邊輸出的額定視在功率 容量SN 輸出功率P2 原邊輸入功率P1 輸出功率P2 注意 變壓器幾個功率的關系 單相 效率 變壓器運行時的功率取決于負載的性質 當電流流入 或流出 兩個線圈時 若產(chǎn)生的磁通方向相同 則兩個流入 或流出 端稱為同極性端 2 變壓器繞組的極性及其測定 或者說 當鐵心中磁通變化時 在兩線圈中產(chǎn)生的感應電動勢極性相同的兩端為同極性端 同極性端用 表示 增加 同極性端和繞組的繞向有關 1 同極性端 同名端 聯(lián)接2 3 變壓器原邊有兩個額定電壓為110V的繞組 2 線圈的接法 聯(lián)接1 3 2 4 當電源電壓為220V時 電源電壓為110V時 鐵心中主磁通不變 問題1 在110V情況下 如果只用一個繞組 N 行不行 答 不行 兩繞組必須并接 一次側有兩個相同繞組的電源變壓器 220 110 使用中應注意的問題 問題2 如果兩繞組的極性端接錯 結果如何 結論 在同極性端不明確時 一定要先測定同極性端再通電 答 有可能燒毀變壓器 方法一 交流法 把兩個線圈的任意兩端 X x 連接 然后在AX上加一低電壓uAX 測量 若說明A與x或X與a是同極性端 3 同極性端的測定方法 方法二 直流法 如果當S閉合時 電流表正偏 則A a為同極性端 結論 如果當S閉合時 電流表反偏 則A x為同極性端 使用時 改變滑動端的位置 便可得到不同的輸出電壓 實驗室中用的調壓器就是根據(jù)此原理制作的 注意 原邊 副邊千萬不能對調使用 以防變壓器損壞 因為N變小時 磁通增大 電流會迅速增加 1自耦變壓器 4 2 5專用變壓器 副邊不能短路 以防產(chǎn)生過流 2 鐵心 低壓繞組的一端接地 以防在絕緣損壞時 在副邊出現(xiàn)高壓 使用注意事項 被測電壓 電壓表讀數(shù) N1 N2 1 電壓互感器 實現(xiàn)用低量程的電壓表測量高電壓 2 儀用互感器 被測電流 電流表讀數(shù) N2 N1 副邊不能開路 以防產(chǎn)生高電壓 并使鐵心嚴重發(fā)熱 導致退磁并燒毀 2 鐵心 低壓繞組的一端接地 以防在絕緣損壞時 在副邊出現(xiàn)過壓 使用注意事項 2 電流互感器 實現(xiàn)用低量程的電流表測量大電流