电工学电磁部分课件电工.ppt

,电工学电机篇,智能工程系 杨敬娜,电工学,2,教学内容与要求（48学时+实验24学时）学分：4,补充：复习三相交流电路和磁路两章内容（4学时）第一章 变压器（8学时+实验6学时）第二章 三相异步电动机（16学时+8学时）第三章 直流电机（8学时+4学时）第五章 常用低压电器（4学时+4学时）第六章 电器控制电路基本环节（4学时+2学时）复习4学时,电工学,3,考核方式,本课程以考试形式进行，学生的最终成绩由两部分构成：40%的平时成绩+60%的考试成绩。平时成绩包括上课出勤成绩20%、平时作业20%，课堂秩序20%和实践成绩40%。,电工学,3.1 三相电源的连接方式,第3章三相交流电路,3.2 三相负载的连接方式,3.3 三相电路的功率,电工学,学习目的与要求,了解三相交流电的基本概念；熟悉三相电源和三相负载的两种连接方式；掌握对称三相交流电的概念及对称三相电路的分析与计算；理解中线的作用和两种连接方式下线、相电压，线、相电流之间的关系；熟悉对称与不对称下三相电路各种功率的计算方法；了解安全用电的基本常识；学习和掌握三相电路中电压、电流及功率的测量方法。,电工学,三相交流电路,现代电力工程上几乎都采用三相四线制。三相交流供电系统在发电、输电和配电方面较单相供电具有很多不可比拟的优点，主要表现在：1.三相电机产生的有功功率为恒定值，因此电机的稳定性好。2.三相交流电的产生与传输比较经济。3.三相负载和单相负载相比，容量相同情况下体积要小得多。由于上述优点，使三相供电在生产和生活中得到了极其广泛的应用。,电工学,三相定子绕组对称嵌放在定子铁心槽中。,定子铁心,尾端：X Y Z,3.1 三相电源的连接方式,三相交流电是由三相发电机产生的。发电机主要由定子和转子两大部分构成。,定子绕组,首端：A B C,转子铁心,转子绕组,转子绕组通电后产生磁场。,转轴,三相定子绕组与旋转磁场相切割，感应对称三相电动势。,原动机带动转子绕轴旋转，形成气隙旋转磁场。,电工学,电路分析中很少用电动势，通常用电压来表示。以A相绕组的感应电压为参考正弦量，则发电机感应的三对相电压分别为：,1.对称三相交流电的特点,uA,uB,uC,对称三相交流电最大值相等，频率相同，相位互差120。,电工学,三相电源Y接时的三个相电压显然是对称的！,2.三相电源的星形（Y）连接方式,三相电源尾端连在一起,三相电源首端分别向外引出端线，俗称火线。,尾端公共点向外引出的导线称为中线，中线俗称零线。,显然火线与零线之间的电压等于发电机绕组的三相感应电压相电压,火线与火线之间的电压称为线电压。,结论：,三相电源绕组作Y形连接时，可以向负载提供两种 电压。此种供电系统称为三相四线制。,电工学,数量上，线电压uAB是相电压uA的1.732倍；相位上，线电压超前与其相对应的相电压30电角！,三相电源Y接时线、相电压之间的关系,三个相电压对称,电源的中性点总是接地的，因此相电压在数值上等于各相绕组首端电位。,线电压与相电压之间的关系,电压等于两点电位之差,30,同理可得,显然，电源Y接时的三个线电压也是对称的！,30,30,电工学,3.三相电源的三角形（）连接方式,显然发电机绕组作接时只能向负载提供一种电压！,三相电源首尾相接构成闭环,在电源的三个连接点处分别外引三根火线。,显然，电源绕组作接时，线电压等于发电机绕组的三相感应电压。,发电机三相绕组作接时，不允许首尾端接反！否则将在三角形环路中引起大电流而致使电源过热烧损。,结论：,三相电源绕组作接时，线电压等于电源绕组的感应电压。此种供电系统称为三相三线制。通常电源绕组的连接方式为星形。,电工学,日常生活与工农业生产中，多数用户的电压等级为:,三相电源绕组连接成Y接方式的最大优越性就是可向负载提供两种不同的电压，且其中线电压是发电机一相绕组感应电压的1.732倍！,三相四线制供电系统两种电压一般表示为,或,电工学,验电笔的正确握法如下图示,你能说出对称三相交流电的特征吗？,你会做吗？,三相四线制供电体制中，你能说出线、相电压之间的数量关系及相位关系吗？,电笔头与被测导线接触时，使氖管发光的是火线，不发光的是零线。,检验学习结果,电工学,3.2 三相负载的连接方式,三相负载也有Y形和形两种连接方式。,1.三相负载的Y形连接,线电流,由连接方式决定了,相电流,Y接时负载端电压等于电源相电压,(1)对称三相负载,满足,称为对称三相负载。,Y接对称三相负载中通过的电流,Y接对称三相电流对称，因此,对称负载Y接时，由于中线电流为零，中线不起作用，可以拿掉！,电工学,电源线电压为380V，对称三相负载Y接，Z=3+j4，求：各相负载中的电流及中线电流。,解,例,设,根据对称关系：,对称三相电路的计算可归结为一相电路计算，其它两相根据对称关系可直接写出。,结论：,则,有,解得,中线电流,实用中，三相电动机、变压器等都是对称三相负载。,电工学,已知电源线电压为380V。三相Y接照明负载均为“220V、40W”白炽灯50盏，求：U相开路，V相开25盏，W相灯全开时各相电流及中线电流。,(2)不对称三相负载,时，称之为不对称三相负载。,求解不对称三相负载电路时，只要电路中有中线，就可把各相按照单相电路的分析方法分别计算，注意此时中线电流不等于零！,解,U相开路相当于断路，,有中线，V相,和W相正常工作，电流分别为：,应用实例照明电路,显然，中线保证了Y接不对称三相负载的相电压平衡。有了中线，各相情况互不影响。,中线电流由相量图分析,问题及讨论,上述照明电路若中线因故断开，且发生：(1)一相断路；(2)一相短路；情况又如何？,分析,(1)无中线一相断路时，,其余两相相当于串联接于380V线电压上：,V相、，W相均不能正常工作！,问题及讨论,分析,(2)无中线一相短路时；,此时，V相和W相均通过短路相分别形成回路，各相端电压为380V，高于额定电压220V，显然都会被烧损。,负载不对称而又没有中线时，负载上可能得到大小不等的电压，当有的超过用电设备的额定电压时，可能烧损或减少使用寿命；而有的达不到额定电压不能正常工作。如前面所讲到的照明电路，由于中线断开且一相发生故障，由此造成各相负载的不对称。换句话讲，如果有中线，当一相发生故障时，其它无故障负载相仍能正常工作。因此，对通常工作在不对称情况下的三相电路而言，中线绝对不允许断开！而且必须保证中线可靠。为确保中线在运行中不断开，中线上不允许安装保险丝和开关。,关于中线的讨论,2.负载的形连接,线电流,三相负载首尾相接构成一个闭环，,相电流,对三个结点列KCL方程可得：,相量图分析,接时负载的端电压等于电源线电压。由于三个线电压对称，因此三个相电流对称。,由三个联结点分别向外引出端线。,(1)三相负载对称时,观察相量图可得：,即：线、相电流的数量关系为：,相位上，线电流滞后相电流30。,(2)三相负载不对称时,各相电流分别计算：,线、相电流之间不再有 倍的关系,应根据,分别计算。,指出图中各电表的读数。,你会做吗？,某设备采用三相三线制供电。当因故断掉一相时，能否认为是两相供电了？,为什么照明电路中一定要火线进开关？,检验学习结果,3.3 三相电路的功率,复习单相交流电路功率：,1.三相电路的功率,三相电路对称时，各种功率分别为：,三相电路不对称时，各种功率分别为：,其中容性Q为负值,和连接方法有无关系？,Y接时,接时,无关！,如何用两个瓦特表测三相电路的功率？,三相交流电路功率的测量,二瓦计法如图示,二瓦计法只适用于对称三相电路的功率测量。对于不对称三相电路的功率，应按照单相电路功率的测量方法，即逐个测量每一相功率。,其中:,*,2.发配电概况,电能是由发电厂产生，通过输电线作远距离或近距离的输送。电力生产的过程，就是利用水能、煤、核能、风能、太阳能等一次能源转化为效率高、易传输、适用面广的电能，由于电能是由一次能源经人类加工而得到的，因此把电能称为二次能源。,电能都是由发电厂的发电机产生的；,电能向外输送时必须经过升压和变电；,输送电能需用不同电压等级的输配电设备；,最后由用户接收和使用电能。,电力系统=发电厂+变电所+输电线路+用户,电力系统中发电机、变压器、电力线路和用电设备等的投入和撤除都是在一瞬间完成的，所以，电力系统中电能的生产、输送、分配和消费是同时进行的。,利用燃煤(或石油、天然气)燃烧使汽轮机转动。,火 电 厂,生产过程：化学能热能机械能电能,利用水的流量和落差使水轮机转动。,生产过程：水能机械能电能,水 电 站,核 电 站,利用原子能在反应堆的核裂变使汽轮机转动,生产过程：原子能机械能电能,生产过程：风能机械能电能,风力发电站,风力发电是利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，來促使发电机发电。依据目前的风车技术，大約是每秒三公尺的微风速度，便可以开始发电。,生产过程：潮汐能机械能电能,潮汐发电站,潮汐发电与水力发电的原理相似，它是利用潮水涨、落产生的水位差所具有势能来发电的，也就是把海水涨、落潮的能量变为机械能，再把机械能转变为电能发电的过程。具体地说，潮汐发电就是在海湾或有潮汐的河口建一拦水堤坝，将海湾或河口与海洋隔开构成水库，再在坝内或坝房安装水轮发电机组，然后利用潮汐涨落时海水位的升降，使海水通过轮机转动水轮发电机组发电。,变电所可分为：升压变电所、降压变电所、区域变电所、终端变电所等。,变电所,1磁场：磁体周围存在的一种特殊的物质叫磁场。磁体间的相互作用力是通过磁场传送的。磁体间的相互作用力称为磁场力，同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。,2磁场的性质：磁场具有力的性质和能量性质。,3磁场方向：在磁场中某点放一个可自由转动的小磁针，它N极所指的方向即为该点的磁场方向。,一、磁场,第二章磁路与铁芯线圈电路,二、磁感线,1磁感线在磁场中画一系列曲线，使曲线上每一点的切线方向都与该点的磁场方向相同，这些曲线称为磁感线。如图 5-1 所示。,图 5-1磁感线,2特点,(1)磁感线的切线方向表示磁场方向，其疏密程度表示磁场的强弱。(2)磁感线是闭合曲线，在磁体外部，磁感线由 N 极出来，绕到 S 极；在磁体内部，磁感线的方向由 S 极指向 N 极。(3)任意两条磁感线不相交。,说明：磁感线是为研究问题方便人为引入的假想曲线，实际上并不存在。,图 5-2 所示为条形磁铁的磁感线的形状。,图 5-2条形磁铁的磁感线,三、磁场的主要物理量,1.磁感应强度,磁场中垂直于磁场方向的通电直导线所受的磁场力F 与电流 I 和导线长度 l 的乘积 Il 的比值叫做通电直导线所在处的磁感应强度 B。即,磁感应强度是描述磁场强弱和方向的物理量。,磁感应强度是一个矢量，它的方向即为该点的磁场方向。在国际单位制中，磁感应强度的单位是：特斯拉(T)。,用磁感线可形象地描述磁感应强度 B 的大小，B 较大的地方，磁场较强，磁感线较密；B 较小的地方，磁场较弱，磁感线较稀；磁感线的切线方向即为该点磁感应强度 B 的方向。,匀强磁场中各点的磁感应强度大小和方向均相同。,在磁感应强度为 B 的匀强磁场中取一个与磁场方向垂直，面积为 S 的平面，则 B 与 S 的乘积，叫做穿过这个平面的磁通量，简称磁通。即,即磁感应强度 B 可看作是通过单位面积的磁通，因此磁感应强度 B 也常叫做磁通密度，并用 Wb/m2 作单位。,磁通的国际单位是韦伯(Wb)。由磁通的定义式，可得,=BS,2.磁通,磁场是由电流产生的，但取决于电流与线圈匝数的乘积NI，把这一乘积叫做磁动势或磁通势。以F表示，即,磁动势是磁路中产生磁通的“推动力”。磁动势的国际制单位为安（A）。,3.磁动势F,磁场强度 H 也是矢量，其方向与磁感应强度 B 同向，国际单位是：安/米(A/m)。,必须注意：磁场中各点的磁场强度H的大小只与产生磁场的电流I的大小和导体的形状有关，与磁介质的性质无关。,4.磁场强度,磁场强度是磁力线路径每单位长度的磁动势。对于粗细均匀的磁路来说，若磁路的平均长度为l，则,5.磁导率,（1）磁导率,磁场中各点的磁感应强度 B 的大小不仅与产生磁场的电流和导体有关，还与磁场内媒介质(又叫做磁介质)的导磁性质有关。在磁场中放入磁介质时，介质的磁感应强度 B 将发生变化，磁介质对磁场的影响程度取决于它本身的导磁性能。实践证明：,物质导磁性能的强弱用磁导率 来表示。的单位是：亨利/米(H/m)。不同的物质磁导率不同。在相同的条件下，值越大，磁感应强度 B 越大；值越小，磁感应强度 B 越小。,真空中的磁导率是一个常数，用 0 表示 0=4 107 H/m,（2）相对磁导率 r,为便于对各种物质的导磁性能进行比较，以真空磁导率 0 为基准，将其他物质的磁导率 与 0 比较，其比值叫相对磁导率，用 r 表示，即,根据相对磁导率 r 的大小，可将物质分为三类：,(1)顺磁性物质：r 略大于 1，如空气、氧、锡、铝、铅等物质都是顺磁性物质。在磁场中放置顺磁性物质，磁感应强度 B 略有增加。,(2)反磁性物质：r 略小于 1，如氢、铜、石墨、银、锌等物质都是反磁性物质，又叫做抗磁性物质。在磁场中放置反磁性物质，磁感应强度 B 略有减小。,(3)铁磁性物质：r 1，且不是常数，如铁、钢、铸铁、镍、钴等物质都是铁磁性物质。在磁场中放入铁磁性物质，可使磁感应强度 B 增加几千甚至几万倍。,表 5-1 列出了几种常用的铁磁性物质的相对磁导率。,表 5-1几种常用铁磁性物质的相对磁导性,四、铁磁性物质的磁化,1磁化,本来不具备磁性的物质，由于受磁场的作用而具有了磁性的现象称为该物质被磁化。只有铁磁性物质才能被磁化。,2被磁化的原因,(1)内因：铁磁性物质是由许多被称为磁畴的磁性小区域组成的，每一个磁畴相当于一个小磁铁。,(2)外因：有外磁场的作用。,如图 5-7(a)所示，当无外磁场作用时，磁畴排列杂乱无章，磁性相互抵消，对外不显磁性；,如图 5-7(b)所示，当有外磁场作用时，磁畴将沿着磁场方向作取向排列，形成附加磁场，使磁场显著加强。,有些铁磁性物质在撤去磁场后，磁畴的一部分或大部分仍然保持取向一致，对外仍显磁性，即成为永久磁铁。,图 5-7铁磁性物质的磁化,不同的铁磁性物质，磁化后的磁性不同。,铁磁性物质被磁化的性能，被广泛地应用于电子和电气设备中，如变压器、继电器、电机等。,图1-6,A)未磁化,B)磁化,磁畴,返回,3.磁化曲线,1)磁化曲线的定义,磁化曲线是用来描述铁磁性物质的磁化特性的。铁磁性物质的磁感应强度 B 随磁场强度 H 变化的曲线，称为磁化曲线，也叫 BH 曲线。,2)磁化曲线的测定,图 5-8 中，(a)是测量磁化曲线装置的示意图，(b)是根据测量值做出的磁化曲线。由图 5-8(b)可以看出，B 与 H 的关系是非线性的，即不是常数。,图 5-8 磁化曲线的测定,3)分析,(1)0 1 段：曲线上升缓慢，这是由于磁畴的惯性，当 H 从零开始增加时，B 增加缓慢，称为起始磁化段。,(2)1 2 段：随着 H 的增大，B 几乎直线上升，这是由于磁畴在外磁场作用下，大部分都趋向 H 方向，B 增加很快，曲线很陡，称为直线段。,图 5-8 磁化曲线的测定,(3)2 3 段：随着 H 的增加，B 的上升又缓慢了，这是由于大部分磁畴方向已转向 H 方向，随着 H 的增加只有少数磁畴继续转向，B 增加变慢。,(4)3 点以后：到达 3 点以后，磁畴几乎全部转到了外磁场方向，再增大 H 值，B 也几乎不再增加，曲线变得平坦，称为饱和段，此时的磁感应强度叫饱和磁感应强度。,图 5-8 磁化曲线的测定,图 5-8 磁化曲线的测定,不同的铁磁性物质，B 的饱和值不同，对同一种材料，B的饱和值是一定的。,电机和变压器，通常工作在曲线的 2 3 段，即接近饱和的地方。,4)磁化曲线的意义,在磁化曲线中，已知 H 值就可查出对应的 B 值。因此，在计算介质中的磁场问题时，磁化曲线是一个很重要的依据。,图 5-9 给出了几种不同铁磁性物质的磁化曲线，从曲线上可看出，在相同的磁场强度 H 下，硅钢片的 B 值最大，铸铁的 B 值最小，说明硅钢片的导磁性能比铸铁要好得多。,图 5-9几种铁磁性物质的磁化曲线,磁化曲线只反映了铁磁性物质在外磁场由零逐渐增强的磁化过程，而很多实际应用中，铁磁性物质是工作在交变磁场中的。所以，必须研究铁磁性物质反复交变磁化的问题。,1)磁滞回线的测定,4.磁滞回线,2)分析,图 5-10 为通过实验测定的某种铁磁性物质的磁滞回线。,(1)当 B 随 H 沿起始磁化曲线达到饱和值以后，逐渐减小H 的数值，由图可看出，B 并不沿起始磁化曲线减小，而是沿另一条在它上面的曲线 ab 下降。,(2)当 H 减小到零时，B 0，而是保留一定的值称为剩磁，用 Br 表示。永久性磁铁就是利用剩磁很大的铁磁性物质制成的。,图 5-10磁滞回线,(3)为消除剩磁，必须加反向磁场，随着反向磁场的增强，铁磁性物质逐渐退磁，当反向磁场增大到一定值时，B 值变为 0，剩磁完全消失，如图 bc 段。,bc 段曲线叫退磁曲线，这时 H 值是为克服剩磁所加的磁场强度，称为矫顽磁力，用 HC 表示。矫顽磁力的大小反映了铁磁性物质保存剩磁的能力。,(4)当反向磁场继续增大时，B 值从 0 起改变方向，沿曲线 cd 变化，并能达到反向饱和点 d。,图 5-10磁滞回线,(5)使反向磁场减弱到 0，BH 曲线沿 de 变化，在 e 点 H=0，再逐渐增大正向磁场，BH 曲线沿 efa 变化，完成一个循环。,(6)从整个过程看，B 的变化总是落后于 H 的变化，这种现象称为磁滞现象。经过多次循环，可得到一个封闭的对称于原点的闭合曲线(abcdefa)，称为磁滞回线。,图 5-10磁滞回线,(磁感应强度）磁密落后于磁场强度，亦即磁通落后于激磁电流的现象，称为磁滞现象,磁滞回线：,图 铁磁材料的磁滞回线,H,B,a,b,c,d,e,f,返回,开始动画,(7)改变交变磁场强度 H 的幅值，可相应得到一系列大小不一的磁滞回线，如图 5-11 所示。连接各条对称的磁滞回线的顶点，得到一条磁化曲线，叫基本磁化曲线或平均磁化曲线。,图 5-10磁滞回线,图 5-11基本磁化曲线,基本磁化曲线,H,B,开始动画,返回,基本磁化曲线,B,H,图 铁磁材料的起始磁化曲线,a,b,c,d,开始动画,返回,3)磁滞损耗,铁磁性物质在交变磁化时，磁畴要来回翻转，在这个过程中，产生了能量损耗，称为磁滞损耗。磁滞回线包围的面积越大，磁滞损耗就越大，所以剩磁和矫顽磁力越大的铁磁性物质，磁滞损耗就越大。因此，磁滞回线的形状常被用来判断铁磁性物质的性质和作为选择材料的依据。,图 5-10磁滞回线,图 5-11基本磁化曲线,交变磁通若穿过铁心会在铁心中产生感生电动势从而产生电流的现象，如图(a)所示。,为了减小涡流将铁心做成许多彼此绝缘的薄片，如图(b)所示。,涡流在铁心电阻上引起损耗会使铁心发热并消耗能量称为涡流损耗。,涡流损耗和磁滞损耗之和称为铁损，其值与磁通量和频率有关，二者值越大铁损越大。,涡流,五、磁路,1主磁通和漏磁通,如图 5-12 所示，当线圈中通以电流后，大部分磁感线沿铁心、衔铁和工作气隙构成回路，这部分磁通称为主磁通；还有一部分磁通，没有经过气隙和衔铁，而是经空气自成回路，这部分磁通称为漏磁通。,图 5-12主磁通和漏磁通,2磁路,磁通经过的闭合路径叫磁路。磁路和电路一样，分为有分支磁路和无分支磁路两种类型。,图 5-12 给出了无分支磁路，图 5-13 给出了有分支磁路。在无分支磁路中，通过每一个横截面的磁通都相等。,图 5-13有分支磁路,图 5-12主磁通和漏磁通,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,HL：称为磁压降。,总磁动势,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，总磁动势等于各段磁压降之和。,例：,七、磁路的欧姆定律,1磁动势,通电线圈产生的磁通 与线圈的匝数 N 和线圈中所通过的电流 I 的乘积成正比。,把通过线圈的电流 I 与线圈匝数 N 的乘积，称为磁动势，也叫磁通势，即 Em=NI,磁动势 Em 的单位是安培(A)。,2磁阻,磁阻就是磁通通过磁路时所受到的阻碍作用，用 Rm 表示。磁路中磁阻的大小与磁路的长度 l 成正比，与磁路的横截面积 S 成反比，并与组成磁路的材料性质有关。因此有,式中，为磁导率，单位 H/m；长度 l 和截面积 S 的单位分别为 m 和 m2。因此，磁阻 Rm 的单位为 1/亨(H1)。由于磁导率 不是常数，所以 Rm 也不是常数。,对于均匀磁路,二.磁路的欧姆定律：,磁路和电路的比较（一）,磁路,电路,磁通,I,N,R,+,_,E,I,磁压降,磁动势,U,基本定律,磁阻,磁感应强度,安培环路定律,磁 路,I,N,欧姆定律,电阻,电流密度,基尔霍夫电压定律,基尔霍夫电流定律,磁路与电路的比较(二),电 路,R,+,_,E,I,3磁路欧姆定律,(1)磁路欧姆定律,通过磁路的磁通与磁动势成正比，与磁阻成反比，即,上式与电路的欧姆定律相似，磁通 对应于电流 I，磁动势 Em 对应于电动势 E，磁阻 Rm 对应于电阻 R。因此，这一关系称为磁路欧姆定律。,(2)磁路与电路的对应关系,磁路中的某些物理量与电路中的某些物理量有对应关系，同时磁路中某些物理量之间与电路中某些物理量之间也有相似的关系。,图 5-14 是相对应的两种电路和磁路。,图 5-14对应的电路和磁路,学习复习结束。Goodbye!,