變壓器和電動(dòng)機(jī)復(fù)習(xí).ppt

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第4章變壓器和電動(dòng)機(jī) 4 2變壓器 4 1磁路分析基礎(chǔ) 4 3異步電動(dòng)機(jī) 2 了解變壓器的基本結(jié)構(gòu) 工作原理 運(yùn)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(dòng)機(jī) 1 理解磁場(chǎng)的基本物理量的意義 了解磁性材料的基本知識(shí)及磁路的基本定律 會(huì)分析計(jì)算交流鐵心線(xiàn)圈電路 4 了解三相交流異步電動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)造和轉(zhuǎn)動(dòng)原理 5 理解三相交流異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 掌握起動(dòng)和反轉(zhuǎn)的基本方法 了解調(diào)速和制動(dòng)的方法 6 理解三相交流異步電動(dòng)機(jī)銘牌數(shù)據(jù)的意義 磁路及磁場(chǎng)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(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量 磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小 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(chǎng) 各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等 方向相同的磁場(chǎng) 也稱(chēng)勻強(qiáng)磁場(chǎng) 2 磁通 磁通 穿過(guò)垂直于B方向的面積S中的磁力線(xiàn)總數(shù) 說(shuō)明 如果不是均勻磁場(chǎng) 則取B的平均值 在均勻磁場(chǎng)中 BS或B S 磁感應(yīng)強(qiáng)度B在數(shù)值上可以看成為與磁場(chǎng)方向垂直的單位面積所通過(guò)的磁通 故又稱(chēng)磁通密度 磁通 的單位 韋 伯 Wb 1Wb 1V s 3 磁場(chǎng)強(qiáng)度 磁場(chǎng)強(qiáng)度H 介質(zhì)中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與介質(zhì)磁導(dǎo)率 之比 磁場(chǎng)強(qiáng)度H的單位 安培 米 A m 真空的磁導(dǎo)率為常數(shù) 用 0表示 有 4 磁導(dǎo)率 磁導(dǎo)率 表示磁場(chǎng)媒質(zhì)磁性的物理量 衡量物質(zhì)的導(dǎo)磁能力 相對(duì)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 磁導(dǎo)率 的單位 亨 米 H m 5 物質(zhì)的磁性 1 非磁性物質(zhì) 非磁性物質(zhì)分子電流的磁場(chǎng)方向雜亂無(wú)章 幾乎不受外磁場(chǎng)的影響而互相抵消 不具有磁化特性 非磁性材料的磁導(dǎo)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(xiàn)性關(guān)系 當(dāng)磁場(chǎng)媒質(zhì)是非磁性材料時(shí) 有 即B與H成正比 呈線(xiàn)性關(guān)系 由于 0 r 1 B 0H I 4 1磁路分析基礎(chǔ) 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?chē)諝饣蚱渌镔|(zhì)的磁導(dǎo)率高的多 磁通的絕大部分經(jīng)過(guò)鐵心形成閉合通路 磁通的閉合路徑稱(chēng)為磁路 直流電機(jī)的磁路 交流接觸器的磁路 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)2 105 磁性材料能被強(qiáng)烈的磁化 具有很高的導(dǎo)磁性能 鐵磁材料主要指鐵 鎳 鈷及其合金等 具有如下特點(diǎn) 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(xiàn)圈中都放有鐵心 在這種具有鐵心的線(xiàn)圈中通入不太大的勵(lì)磁電流 便可以產(chǎn)生較大的磁通和磁感應(yīng)強(qiáng)度 4 1 1鐵磁材料的特點(diǎn) 磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場(chǎng)不會(huì)隨著外磁場(chǎng)的增強(qiáng)而無(wú)限的增強(qiáng) 2 磁飽和性 BJ磁場(chǎng)內(nèi)磁性物質(zhì)的磁化磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線(xiàn) B0磁場(chǎng)內(nèi)不存在磁性物質(zhì)時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度直線(xiàn) BBJ曲線(xiàn)和B0直線(xiàn)的縱坐標(biāo)相加即磁場(chǎng)的B H磁化曲線(xiàn) BJ B a b 磁化曲線(xiàn) 磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場(chǎng)不會(huì)隨著外磁場(chǎng)的增強(qiáng)而無(wú)限的增強(qiáng) 當(dāng)外磁場(chǎng)增大到一定程度時(shí) 磁性物質(zhì)的全部磁疇的磁場(chǎng)方向都轉(zhuǎn)向與外部磁場(chǎng)方向一致 磁化磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度將趨向某一定值 如圖 B H磁化曲線(xiàn)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(lái) b點(diǎn)以后 B增加很少 達(dá)到飽和 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 有磁性物質(zhì)存在時(shí) 與I不成正比 磁性物質(zhì)的磁化曲線(xiàn)在磁路計(jì)算上極為重要 其為非線(xiàn)性曲線(xiàn) 實(shí)際中通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出 磁化曲線(xiàn) B和 與H的關(guān)系 3 磁滯性 磁性材料在交變磁場(chǎng)中反復(fù)磁化 其B H關(guān)系曲線(xiàn)是一條回形閉合曲線(xiàn) 稱(chēng)為磁滯回線(xiàn) 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(chǎng)變化的性質(zhì) 磁滯回線(xiàn) Br Hc 剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br 剩磁 當(dāng)線(xiàn)圈中電流減小到零 H 0 時(shí) 鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度 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(xiàn)和磁化曲線(xiàn)也不同 幾種常見(jiàn)磁性物質(zhì)的磁化曲線(xiàn) 4 按磁性物質(zhì)的磁性能 磁性材料分為三種類(lèi)型 1 軟磁材料具有較小的矯頑磁力 磁滯回線(xiàn)較窄 一般用來(lái)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(xiàn)較寬 一般用來(lái)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(xiàn)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(kāi)關(guān)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(xiàn)圈如圖 其中媒質(zhì)是均勻的 磁導(dǎo)率為 試計(jì)算線(xiàn)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(zhǎng)度為l 則有 1 引例 式中 F NI為磁通勢(shì) 由其產(chǎn)生磁通 Rm稱(chēng)為磁阻 表示磁路對(duì)磁通的阻礙作用 l為磁路的平均長(zhǎng)度 S為磁路的截面積 若某磁路的磁通為 磁通勢(shì)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(diǎn) 1 在處理電路時(shí)不涉及電場(chǎng)問(wèn)題 在處理磁路時(shí)離不開(kāi)磁場(chǎng)的概念 2 在處理電路時(shí)一般可以不考慮漏電流 在處理磁路時(shí)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(lì)磁電流而變 磁路歐姆定律不能直接用來(lái)計(jì)算 只能用于定性分析 4 在電路中 當(dāng)E 0時(shí) I 0 但在磁路中 由于有剩磁 當(dāng)F 0時(shí) 不為零 4 1 3簡(jiǎn)單磁路的分析 1 直流磁路 特點(diǎn) 1 勵(lì)磁電流I 由外加電壓及勵(lì)磁繞組的電阻R決定 與磁路特性無(wú)關(guān) 2 勵(lì)磁電流I產(chǎn)生的磁通是恒定磁通 不會(huì)在線(xiàn)圈和鐵心中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 3 直流鐵心線(xiàn)圈中磁通 的大小不僅與線(xiàn)圈的電流I 即磁動(dòng)勢(shì)NI 有關(guān) 還決定于磁路中磁阻Rm 4 直流鐵心線(xiàn)圈的功率損耗 銅損 P I2R 由線(xiàn)圈中的電流和電阻決定 因磁通恒定 在鐵心中不會(huì)產(chǎn)生功率損耗 2 交流磁路 磁通勢(shì) 主磁通 通過(guò)鐵心閉合的磁通 漏磁通 經(jīng)過(guò)空氣或其它非導(dǎo)磁媒質(zhì)閉合的磁通 線(xiàn)圈 鐵心 i 鐵心線(xiàn)圈的漏磁電感 與i不是線(xiàn)性關(guān)系 1 電磁關(guān)系 2 電壓電流關(guān)系 根據(jù)KVL 式中 R是線(xiàn)圈導(dǎo)線(xiàn)的電阻 L 是漏磁電感 當(dāng)u是正弦電壓時(shí) 其它各電壓 電流 電動(dòng)勢(shì)可視作正弦量 則電壓 電流關(guān)系的相量式為 設(shè)主磁通則 有效值 由于線(xiàn)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(dòng)勢(shì)E相比可忽略 故有 式中 Bm是鐵心中磁感應(yīng)強(qiáng)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(xiàn)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(xiàn)圈中 線(xiàn)圈電阻R上的功率損耗稱(chēng)銅損 用 Pcu表示 Pcu RI2 式中 R是線(xiàn)圈的電阻 I是線(xiàn)圈中電流的有效值 b 鐵損 PFe 在交流鐵心線(xiàn)圈中 處于交變磁通下的鐵心內(nèi)的功率損耗稱(chēng)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(chēng)為磁滯損耗 Ph 磁滯損耗的大小 單位體積內(nèi)的磁滯損耗正比與磁滯回線(xiàn)的面積和磁場(chǎng)交變的頻率f 磁滯損耗轉(zhuǎn)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(xiàn)狹小的磁性材料制作鐵心 變壓器和電機(jī)中使用的硅鋼等材料的磁滯損耗較低 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)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(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流 稱(chēng)為渦流 渦流在垂直于磁通的平面內(nèi)環(huán)流 渦流損耗轉(zhuǎn)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(nèi) 鐵心線(xiàn)圈交流電路的有功功率為 變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的一種靜止的電氣設(shè)備 在電力系統(tǒng)和電子線(xiàn)路中應(yīng)用廣泛 變壓器主要分成以下三大類(lèi) 4 2 1變壓器的分類(lèi) 4 2變壓器 1 電力變壓器 在輸配電系統(tǒng)中 用來(lái)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(shí)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(lái)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(zhuān)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(jié)構(gòu) 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(chǎng)耦合 空載運(yùn)行情況電磁關(guān)系 一次側(cè)接交流電源 二次側(cè)開(kāi)路 空載時(shí) 鐵心中主磁通 是由一次繞組磁通勢(shì)產(chǎn)生的 帶負(fù)載運(yùn)行情況電磁關(guān)系 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(shì)共同產(chǎn)生的合成磁通 1 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 設(shè)為則 1 原邊 副邊主磁通感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 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(dòng)勢(shì)E1比較可忽略不計(jì) 則 2 原邊 副邊電壓 式中R1為一次側(cè)繞組的電阻 X1 L 1為一次側(cè)繞組的感抗 漏磁感抗 由漏磁產(chǎn)生 對(duì)二次側(cè) 根據(jù)KVL 結(jié)論 改變?cè)褦?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(shí) 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(guān)系 可見(jiàn) 鐵心中主磁通的最大值 m在變壓器空載和有載時(shí)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(lì)磁電流 磁勢(shì)平衡式 或 結(jié)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(shì) 空載磁勢(shì) 有載磁勢(shì) 磁勢(shì)平衡式 3 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K2倍 1 變壓器的變比應(yīng)為 解 例1 如圖 交流信號(hào)源的電動(dòng)勢(shì)E 120V 內(nèi)阻R0 800 負(fù)載為揚(yáng)聲器 其等效電阻為RL 8 要求 1 當(dāng)RL折算到原邊的等效電阻 求變壓器的變比和信號(hào)源輸出的功率 2 當(dāng)將負(fù)載直接與信號(hào)源聯(lián)接時(shí) 信號(hào)源輸出多大功率 信號(hào)源的輸出功率 電子線(xiàn)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(mǎn)足了最大功率輸出的條件 2 將負(fù)載直接接到信號(hào)源上時(shí) 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(jié)方式 聯(lián)結(jié)方式 高壓繞組接法 低壓繞組接法 三相配電變壓器 動(dòng)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(jié) 線(xiàn)電壓之比 2 三相變壓器Y0 聯(lián)結(jié) 線(xiàn)電壓之比 4 2 3變壓器的運(yùn)行特性 當(dāng)原邊輸入電壓U1和副邊負(fù)載功率因數(shù)cos 2保持不變時(shí) 副邊輸出電壓U2和輸出電流I2的關(guān)系 U2 f I2 U20 原邊加額定電壓 副邊的開(kāi)路電壓 1 變壓器的外特性 2 電壓調(diào)整率 電壓調(diào)整率即電壓變化率 它反映了從空載到額定負(fù)載時(shí) 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(yùn)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(dǎo)磁鋼片疊成 變壓器的損耗包括兩部分 銅損 PCu 繞組導(dǎo)線(xiàn)電阻的損耗 渦流損耗 交變磁通在鐵心中產(chǎn)生的感應(yīng)電流 渦流 造成的損耗 鐵損 PFe 變壓器的效率為 一般 95 負(fù)載為額定負(fù)載的 50 75 時(shí) 最大 輸出功率 輸入功率 例 有一帶電阻負(fù)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(yàn)測(cè)得 PFe 600W 額定負(fù)載時(shí)的 PCu 2400W 試求 1 變壓器的額定電流 2 滿(mǎn)載和半載時(shí)的效率 解 1 定電流 滿(mǎn)載和半載時(shí)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(kāi)路 空載 時(shí) 原邊 副邊繞組允許的電壓值 額定電流I1N I2N變壓器滿(mǎn)載運(yùn)行時(shí) 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(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) 當(dāng)電流流入 或流出 兩個(gè)線(xiàn)圈時(shí) 若產(chǎn)生的磁通方向相同 則兩個(gè)流入 或流出 端稱(chēng)為同極性端 2 變壓器繞組的極性及其測(cè)定 或者說(shuō) 當(dāng)鐵心中磁通變化時(shí) 在兩線(xiàn)圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(guān) 1 同極性端 同名端 聯(lián)接2 3 變壓器原邊有兩個(gè)額定電壓為110V的繞組 2 線(xiàn)圈的接法 聯(lián)接1 3 2 4 當(dāng)電源電壓為220V時(shí) 電源電壓為110V時(shí) 鐵心中主磁通不變 問(wèn)題1 在110V情況下 如果只用一個(gè)繞組 N 行不行 答 不行 兩繞組必須并接 一次側(cè)有兩個(gè)相同繞組的電源變壓器 220 110 使用中應(yīng)注意的問(wèn)題 問(wèn)題2 如果兩繞組的極性端接錯(cuò) 結(jié)果如何 結(jié)論 在同極性端不明確時(shí) 一定要先測(cè)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(gè)線(xiàn)圈的任意兩端 X x 連接 然后在AX上加一低電壓uAX 測(cè)量 若說(shuō)明A與x或X與a是同極性端 3 同極性端的測(cè)定方法 方法二 直流法 如果當(dāng)S閉合時(shí) 電流表正偏 則A a為同極性端 結(jié)論 如果當(dāng)S閉合時(shí) 電流表反偏 則A x為同極性端 使用時(shí) 改變滑動(dòng)端的位置 便可得到不同的輸出電壓 實(shí)驗(yàn)室中用的調(diào)壓器就是根據(jù)此原理制作的 注意 原邊 副邊千萬(wàn)不能對(duì)調(diào)使用 以防變壓器損壞 因?yàn)镹變小時(shí) 磁通增大 電流會(huì)迅速增加 1自耦變壓器 4 2 5專(zhuān)用變壓器 副邊不能短路 以防產(chǎn)生過(guò)流 2 鐵心 低壓繞組的一端接地 以防在絕緣損壞時(shí) 在副邊出現(xiàn)高壓 使用注意事項(xiàng) 被測(cè)電壓 電壓表讀數(shù) N1 N2 1 電壓互感器 實(shí)現(xiàn)用低量程的電壓表測(cè)量高電壓 2 儀用互感器 被測(cè)電流 電流表讀數(shù) N2 N1 副邊不能開(kāi)路 以防產(chǎn)生高電壓 并使鐵心嚴(yán)重發(fā)熱 導(dǎo)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(shí) 在副邊出現(xiàn)過(guò)壓 使用注意事項(xiàng) 2 電流互感器 實(shí)現(xiàn)用低量程的電流表測(cè)量大電流