电工电子技术第五章 磁路及基本应用.ppt

1、第5章 磁路及基本应用,返回,目 录,5.1 磁路的基本概念5.2 变压器5.3 电动机5.4 继电接触控制系统,磁场的特性可用磁感应强度、磁通、磁场强度、磁磁导率等几个物理量表示。,一、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）1T104Gs的单位：韦伯,矢量,5.1.1 磁场的基本物理量,二、磁通 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。,如 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。,BS,的单位：伏秒，通称为韦伯 Wb 或麦克斯韦Mx 1Wb108Mx,三

2、、磁场强度,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。,H的单位：安米 的单位：亨米,安培环路定律（全电流定律）：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.即,矢量,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。,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，如环形线圈，安培环路定律可写成：,其中,l x2 x是半径为x的圆周长Hx是半径 x 处的磁场强度FNI即线圈匝数与电流的乘积，称磁通势 单位为安培（A）,四、磁导率 磁导率 是一个用来表示磁场媒质磁性和衡量物质导磁能力的物理量。,讨论,磁场内某一点的磁

3、场强度H与有关吗？,由上两式可知，磁场内某一点的H只与电流大小、线圈匝数及该点的几何位置有关，而与 无关,真空中的磁导率为常数,一般材料的磁导率 和真空磁导率 0 的比值，称为该物质的相对磁导率 r,或,返回,磁性材料的磁性能,一、高导磁性 指磁性材料的磁导率很高，r1，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BJ达到饱和值。,5.1.2 磁性材料的磁性能,高导磁性、磁饱和性、磁滞性、非线性,磁化曲线,B和与H的关系,注,当有磁性物质存在时B与H不成比例，与I也不成比例。,三、磁滞性

4、 当铁心线圈中通有交变电流（大小和方向都变化）时，铁心就受到交变磁化，电流变化时，B随H而变化，当H已减到零值时，但B未回到零，这种磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称磁性物质的磁滞性。,磁滞回线,剩磁：当线圈中电流减到零（H0），铁心在磁化时所获的磁性还未完全消失，这时铁心中所保留的磁感应强度称为剩磁感应强度Br,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）。,返回,一、磁路,线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏磁通S。,线圈,铁心,5.1.3 磁路及其基本定律,二、磁路

5、的欧姆定律,对于环形线圈,磁路的欧姆定律,说明,F=NI为磁通势 Rm为磁阻l为磁路的平均长度 S为磁路的截面积,磁路与电路对照,磁路,电路,磁通势F,电动势E,磁通,电流I,磁感应强度B,电流密度J,磁阻Rm,电阻R,磁路的计算,在计算电机、电器等的磁路时，要预先给定铁心中的磁通（或磁感应强度），而后按照所给的磁通及磁路各段的尺寸和材料去求产生预定磁通所需的磁通势FNI。计算均匀磁路要用磁场强度H，即NIHl，如磁路由不同的材料、长度和截面积的几段组成，则磁路由磁阻不同的几段串联而成。NIH1 l1H2 l2（H l）,如：由三段串联而成的 继电器磁路,解,磁路的平均长度为 l（1015）2

6、）39.2cm查铸钢的磁化曲线，当B0.9T 时，H1500Am于是 H1 l1195A空气隙中的磁场强度为 H0B0 00.9（4 107）7.2105A/m,H07.2 105 0.2 10-21440A总磁通势为 NI（H l）H1 l1H0 19514401635线圈匝数为 NNII1635,若要得到相等的磁感应强度，采用磁导率高的铁心材料，可使线圈的用铜量大为降低。若线圈中通有同样大小的励磁电流，要得到相等的磁通，采用磁导率高的铁心材料，可使铁心的用铁量大为降低 当磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，要得到相等的磁感应强度，必须增大励磁电流（线圈匝数一定）,结论,返回,一、电磁关系,

7、铁心线圈分为：直流铁心线圈和交流铁心线圈,铁心线圈的交流电路,5.1.4 交流铁心线圈电路,和 L 与 i 的关系,注,励磁电流 i与之间线性关系i 与 之间不存在线性关系,二、电压电流关系,铁心中磁感应强度的最大值,铁心截面积,三、功率损耗,铜损Pcu：线圈电阻R上的功率损耗。铁损Pfe：在交变磁通的作用下，由磁滞和涡流 产生的功率损耗。包括磁滞损耗Ph 和涡流损耗Pe。,返回,变压器的功能：变电压、变电流、变阻抗,变压器的种类,5.2 变压器,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。,变压器的铭牌数据（以单相变

8、压器为例）,一、变压器的工作原理,电磁关系,原绕组,副绕组,电压变换,根据交流磁路的分析可得：E14.44fN1m E24.44fN2m,空载时副绕组的端电压,变比,结论：改变匝数比，可得到不同的输出电压,电流变换,由于变压器铁心的导磁率高，空载电流（i0）很小，可忽略。写成相量为,结论：变压器原、副绕组的电流与匝数成反比,阻抗变换,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。,（1）匝数比为,信号源输出功率为,（2）当将负载直接接在信号源上时,二、变压器的外特性 副边输出电压和输出电流的关系 U2f（I2）,U20：原边加额定电压、副边开路时，副边的输出电压。,变压器的外特性曲

9、线,三、变压器的损耗与效率 变压器的功率损耗包括铁心中的铁损Pfe和绕组上的铜损Pcu。,变压器的效率：,四、特殊变压器,自耦变压器,电流互感器,注意！,1.副边不能断开，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。,电压互感器,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。,注意！,五、变压器绕阻的极性,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。,两绕阻串联,两绕阻并联

10、,若将两绕阻的其中一个线圈反绕，则1和4为同极性端,注,返回,注意：变压器几个功率的关系,变压器的功率因数,变压器的效率,线圈,铁心,衔铁,电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保持某种机械零件、工件于固定位置的一种电器。,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,电磁铁,电磁铁的吸力,气隙截面积,气隙磁感应强度,交流电磁铁中磁场是交变的，设,交流电磁铁：铁心由硅钢片叠成，可减小铁损；其在吸合过程中，随着气隙的减小，磁阻减小，线圈的电感和感抗增大，因而电流逐渐减小。直流电磁铁：铁心用整块软钢制成；励磁电流仅与线圈电阻有关，不因气隙大小而变。,则吸力为：,平均值为：,返回,交

11、流电动机,直流电动机,他励、并励、串励、复励,电动机的分类,电动机：电能转换成机械能,发电机：其他形式的能量转换成电能,电动机的作用,返回,5.3 电动机,优点,使用电动机驱动生产机械可：（1）简化生产机械的结构（2）提高生产效率和产品质量（3）能实现自动控制（4）实现远距离操纵,（1）基本结构（2）工作原理（3）机械特性（4）起动、制动、反转、调速的基本原理（5）应用场合和正确使用,主要内容,返回,转子,返回,5.3.1 三相异步电动机,构成：由机座、铁心和定子绕组组成,定子,机座是用铸铁或铸刚制成，铁心由 互相绝缘的硅钢片叠成，内圆周表面冲有槽，用以放置对称三相绕组；对称三相绕组有的联接成

12、星形、有的联接成三角形,作用：产生旋转磁场,返回,机座,定子绕组,铭牌数据,出线端子,返回,定子铁心,定子绕组,返回,鼠笼式电动机构造简单、价格低廉、工作可靠、使用方便,转子,构成：由铁心和绕组两部分构成,铁心也用硅钢片叠成，表面冲有槽，装在转轴上，轴上加机械负载；因绕组不同，可分为鼠笼式和绕线式两种。,作用：在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。,返回,鼠笼式转子,转轴,轴承,转子,返回,返回,返回,绕线式转子,铁心,绕组,转轴,返回,演示实验,返回,（右手定则）,（左手定则）,磁极旋转,导线切割磁力线产生感应电动势,闭合导线产生电流,通电导线在磁场中受力,返回,1.线圈跟着磁铁转 两者转

13、动方向一致,异步,2.线圈比磁场转得慢,结论,返回,旋转磁场,1.旋转磁场的产生,在三相异步电动机的定子铁心中放有三相对称绕组，在该三相对称绕组中通入三相对称交流电流，就可产生一“旋转磁场”代替演示实验中的磁铁,返回,合成磁场方向：向下,返回,同理分析，可得其它电流角度下的磁场方向,返回,可见，当定子绕组中通入三相电流后，它们共同产生的合成磁场是随着电流的交变而在空间不断地旋转着，这就是旋转磁场。,2.旋转磁场的转向,当通入定子绕组的三相电流的相序为A-B-C时，旋转磁场的转向与这个顺序是一致的，可见磁场的转向与定子绕组中的电流相序有关。,旋转方向,取决于三相电流的相序。,返回,改变电机旋转方

14、向的方法：换接其中两相,返回,3.旋转磁场的极数,此种接法下，绕组的始端之间相差120度空间角，合成磁场只有一对磁极，则极对数为1。,旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关,即：P=1,返回,将每相绕组分成两段，按右下图放入定子槽内，绕组的始端之间相差60度空间角，形成的磁场则是两对磁极。,即：P=2,返回,4.旋转磁场的转速,旋转磁场的转速决定于磁场的极数，在一对极的情况下，当电流交变一次时，磁场恰好在空间旋转了一周。,返回,旋转磁场具有两对极时，当电流从t=0到t=60经历了60时，磁场在空间仅旋转了30。比P=1时转速慢了一半，即：,返回,所以，旋转磁场的转速n0决定于电流频率f1和磁场的极

15、对数P，可推出：,极对数,每个电流周期磁场转过的空间角度,同步转速,返回,5.电动机转速和旋转磁场同步转速的关系,电动机转速:,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,返回,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。,返回,异步电机运行中:,转差率：,转差率,同步转速：旋转磁场的转速,返回,1.三相异步电动机的“电磁”关

16、系,三相异步电动机的电路分析,2.定子电路,定子绕组相当于变压器原边绕组，转子绕组相当于副绕组。,返回,设：,设：,返回,取决于转子和旋转磁场的相对速度,（1）转子频率,（2）转子电动势,3.转子电路,返回,（4）转子功率因数,（3）转子电流,返回,电磁转矩：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。,转矩与机械特性,即,返回,其中：,代入可得,返回,机械特性曲线,由转矩公式得特性曲线：,一定的电源电压和转子电阻之下，转矩与转差率的关系曲线或转速与转矩的关系曲线,返回,（1）额定转矩：,电动机在额定电压下，以额定转速 运行，输出额定功率 时，电动机转轴上输出的转矩。,（牛顿米）,返回,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。,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。）,电动机的自适应负载能力,直至新的平衡。此过程中，时，电源提供的功率自动增加。,返回,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