变压器和三相异步时机及其控制.ppt
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1、第5章变压器和三相异步电动机及其控制,学习要点,磁路的基本概念 变压器的工作原理及使用 三相异步电动机的结构、工作原理及使用 继电-接触器控制系统,由铁磁物质所组成的,能使绝大部分磁通通过的路径称为磁路。,第5章变压器和三相异步电动机及其控制,5.1磁路的基本知识磁路的基本概念,2磁通,1磁感应强度B 磁感应强度B是表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量,它是一个矢量。磁感应强度与产生它的电流之间的方向关系满足右螺旋法则。,单位为特斯拉,简称特,用字母T表示。,在均匀磁场中,磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积,称为通过该截面的磁通,又称为磁通密度。,或,磁通的单位是韦伯,简称韦,用字母
2、Wb表示。,磁路的主要物理量,3磁导率,磁导率是用来表征物质导磁能力的物理量,它的单位是H/m(亨/米)。实验测出,真空(或空气)的磁导率是一个常数,为,H/m,其他物质的磁导率与真空的磁导率0的比值,称为该物质的相对磁导率r,即,磁场强度H是为了方便分析和计算磁路而引入的一个物理量,它也是一个矢量,反映的是电流产生的磁场中某点磁场的强弱和方向,而与磁场中有无磁介质无关。,4磁场强度H,或,单位是安/米(A/m)。,铁心中的磁通与通过线圈的电流I、线圈匝数N以及磁路横截面面积S成正比,与磁路的长度l成反比,还与组成磁路铁心的磁导率成正比,,F=IN称为磁动势,单位为安培(A);Rm=l/s称为
3、磁阻,单位为1/亨(1/H)。,F反映励磁电流的大小;Rm反映磁路对磁通所具有的阻碍特性,其大小由铁心材料及其形状尺寸决定。,磁路欧姆定律,1电磁关系,设线圈电阻为R,线圈的匝数为N,当在线圈两端加上正弦交流电压u时,就有交变励磁电流i流过,在交变磁动势Ni的作用下产生交变的主磁通和漏磁通。,铁心线圈的漏磁电感L是一个常数,为,交流铁心线圈电路,铁心线圈是一个非线性电感元件,铁心线圈的等效主磁电感L与励磁电流i的关系类似于与H的变化关系。,设主磁通,线圈电阻上的电压降Ri和漏磁通电动势e都很小,与主磁通电动势e比较,均可忽略。,是主电动势e的幅值,其有效值,外加电压的相位超前于铁心中磁通90,
4、外加电压的有效值,当线圈匝数N、外加电压U和频率f都一定时,铁心中的磁通最大值,将保持基本不变。,2功率损耗,在交流铁心线圈电路中,除了在线圈电阻上有功率损耗外,铁心中也会有功率损耗。线圈上损耗的功率称为铜损,铁心中损耗的功率称为铁损,铁损包括磁滞损耗和涡流损耗两部分。用PFe表示,1)磁滞损耗由磁滞现象所引起的损耗称为磁滞损耗,用Ph表示。,2)涡流损耗Pe由涡流所引起的损耗称为涡流损耗,用Pe表示。,交流铁心线圈的功率损耗为,5.2变压器,变压器的结构,变压器按铁心和线圈装配形式的不同,可分为心式和壳式两种,变压器的工作原理,连接电源的线圈称为原绕组(或原边),也称一次侧,匝数为N1,相对
5、应的物理量用u1、i1、e1表示;连接负载的线圈称为副绕组(或副边),也称二次侧,匝数为N2,相应的物理量用u2、i2、e2表示。原绕组输入功率,副绕组输出功率。,1电压变换,原、副绕组回路电压方程,2电流变换,当电源频率f及原绕组线圈匝数N1一定时,变压器主磁通的大小主要由外施电源电压U1决定,而与负载大小无关。,其相量形式为,空载电流i10很小,常可忽略不计,原、副绕组的磁动势在相位上近似反相,且电流有效值的关系,3阻抗变换,设变压器副边接一阻抗为ZL的负载,从一次侧看进去等效阻抗,从一次侧看进去的等效阻抗就变为k2ZL,实现了阻抗的变换,【例5-2】某交流信号源US=80V,内阻R0=2
6、00,负载电阻RL=50,试求:(1)负载直接接入信号源时,负载获取的功率PL?(2)在信号源与负载之间接入一个输出变压器,要使负载获得最大功率,那么变压器的电压比应取多少?负载获取的最大功率PLmax是多少?,解:(1)负载直接接入信号源时,电路电流,负载吸取的功率,W,A,(2)要使负载获得最大功率,负载电阻等于信号源内阻。,变压器的电压比为,信号源输出的电流,负载获得最大功率,A,W,变压器的额定值和运行特性1变压器的额定值,1)额定电压U1N、U2N,2)额定电流I1N、I2N,3)额定容量SN,4)额定频率fN,根据变压器的绝缘强度和允许温升所规定的一次侧应加的电压值叫做一次绕组的额
7、定电压。当一次绕组加额定电压而二次侧开路时的二次绕组的电压叫做二次绕组的额定电压,变压器在额定运行条件下,一、二次绕组允许长时间通过的电流。三相变压器额定电流一律指线电流。,变压器二次侧额定电压和额定电流的乘积。,变压器应接入的电源频率。,2变压器的外特性和电压变化率,当变压器一次绕组电压U1和负载功率因数,一定时,二次绕组电压,称为变压器的外特性。,U2随负载电流I2变化的关系,电压变化率U,衡量变压器输出电压稳定性的主要指标。一般变压器的漏阻抗很小,故电压变化率不大,约在5%左右。,3变压器的损耗和效率,输出功率P2与输入功率P1之比称为变压器的效率,通常用百分数表示。,当外加电压U1和频
8、率f一定时,铁损也基本不变,故铁损又称为不变损耗。而铜损是由电流I1、I2分别在一、二次绕组的电阻R1、R2上产生的损耗,它随负载电流的变化而变化,故又称为可变损耗。,变压器效率与负载电流I2的关系,【5-3】有一单相变压器,U1=220V,f=50Hz。空载时U20=110V,I10=1A,空载损耗功率P0=55W。二次侧接电阻额定负载时,I1=9.2A,I2=18A,U2=106V,一次侧输入功率P1=2120W。试求:(1)变压器的变比k;(2)电压变化率U%;(3)效率及变压器的铁损耗PFe、铜损耗PCu。,解:(1)变比,(2)电压变化率,(3)效率,铁损,W,铜损,W,5.3三相异
9、步电动机,电动机按其使用电源的种类不同,可分为交流电动机和直流电动机。交流电动机按其工作特点又分为同步电动机和异步电动机。异步电动机按电源的相数不同又分为单相异步电动机和三相异步电动机。,三相异步电动机的结构 三相异步电动机主要有定子和转子两部分组成,两部分之间由空气隙隔开。按照其转子结构的不同,将三相异步电动机分成笼型和绕线型两种。,定子 三相异步电动机的定子主要由机座、定子铁心和定子绕组等组成,是固定不动的部分。机座是用来固定和支撑定子铁心的,由铸铁或铸钢浇铸成型。定子铁心是电动机磁路的一部分,装在机座的内壁上,由厚度为0.5mm,彼此相互绝缘的硅钢片叠成。在定子铁心的内圆周上冲压有均匀分
10、布的线槽,槽内放置定子绕组,由绝缘导线绕制而成,绕组与铁心间有良好的绝缘。定子绕组是电动机的电路部分,共分三组,分布在定子铁心槽内,它们在定子内圆周空间的排列彼此相隔120,构成对称的三相绕组。三相绕组根据需要可接成星形(Y)和三角形(),由接线盒的端子板引出。,转子 三相异步电动机的转子主要由转子铁心、转子绕组、转轴及其风扇等组成,是能够进行旋转的部分。转子铁心是电动机磁路的另一部分,一般用硅钢片叠成圆柱形,固定在转轴上,铁心外圆周上有均匀分布的槽,槽内放置转子绕组。转子绕组按结构的不同可分为笼型和绕线型两种。笼型转子绕组是由浇铸在转子铁心槽内的若干导电条组成的,两端分别焊接在两个短接的端环
11、上,并与风扇焊成一个整体,如果去掉铁心,转子绕组的外形就像一个笼,故称笼型转子。,三相异步电动机的工作原理,旋转磁场1)旋转磁场的产生 三相异步电动机的定子铁心槽内放置有对称的三相定子绕组U1U2、V1V2、W1W2。设每相只含有一个绕组,三相绕组接成星形联结。当定子绕组的三个首端U1、V1和W1分别与三相交流电源A、B、C接通时,在三相定子绕组中便有对称的三相交流电流iA、iB、iC。以iA作参考正弦量,则对称三相电流的瞬时表达式为,2)旋转磁场的方向 三相电源存在两种相序:正序和逆序。通入三相绕组的电流相序为ABCA,即正序,得到的是顺时针旋转的磁场;如果调换三相电源的任意两根相线(如对调
12、B与C),那么电源的相序即可发生改变,变为逆序ACBA,逆序的三相电源接入三相定子绕组时,产生的合成磁场的旋转方向就会改变。这就是说,如果改变相序,则旋转磁场的旋转方向也随之改变,三相异步电动机的反转正是利用这个道理。,3)旋转磁场的转速三相异步电动机旋转磁场的磁极对数与三相定子绕组中每相所接绕组的数目及其联结方式有关。三相对称定子绕组的每相只含有一个绕组,产生一对磁极旋转磁场,即p=1,p表示磁极对数;如果每相串接两个绕组,且三相绕组同样具有对称性,则合成的旋转磁场的磁极对数p=2,依此类推,如果每相串接n个绕组,合成的旋转磁场的磁极对数p=n。而当磁极对数p=2时,三相电流变化一周,旋转磁
13、场在空间只旋转半圈。事实上,对于p对磁极的电动机,其旋转磁场的转速为一对磁极时的1/p。旋转磁场的转速又称为同步转速,用n1表示,单位是转/分(r/min)。,,那么当三相异步电动机磁极对数为p时,其同步转速n1即为,2转子转动原理 当旋转磁场顺时针转动时,处于磁场中的笼型转子的导条因相对运动的出现而相当于逆时针方向切割磁力线,于是在转子的导条中就会产生感应电动势,笼型转子端面短接的结果使得导条中形成感应电流,其方向可用右手螺旋定则确定。通有电流的导条因处于磁场中,又会与磁场相互作用,根据左手定则,便可确定导条所受电磁力F作用的方向。上半部分导条受到的电磁合力F方向向右,下半部分导条受到的电磁
14、合力F的方向向左,且两者大小相等,方向相反。这样的一对电磁力相对于转轴形成电磁转矩T,其方向与旋转磁场的方向一致,此转矩带动笼型转子跟着旋转磁场顺时针旋转。,异步电动机转子转动的方向与旋转磁场的方向一致。通过改变三相电源的相序,可使三相异步电动机的转向发生变化。但转子的转速n不可能达到与旋转磁场的转速n1相等,必须小于n1,这也正是异步电动机得名的原因。如果n=n1,那么转子与旋转磁场将出现相对静止现象,转子导条中的感应电动势和感应电流都将消失,电磁力及电磁转矩也会失去,所以转子转速与旋转磁场转速之间必须有差别。,3转差率 同步转速n1与转子转速n之差称为转速差,转速差与同步转速的比值称为转差
15、率,用s表示。,【例5-4】一台三相异步电动机的额定转速为1460r/min,电源频率为50Hz,试求:该电动机的同步转速、磁极对数和额定运行时的转差率。解:由于电动机的额定转速小于且接近于同步转速,与1460r/min最接近的同步转速为n1=1500r/min,与此相对应的磁极对数是p=2。额定运行时的转差率为,三相异步电动机的特性1三相异步电动机的转矩特性 异步电动机的电磁转矩是由定子绕组产生的旋转磁场与转子绕组的感应电流相互作用而产生的。磁场愈强,转子电流愈大,则电磁转矩也愈大。,电磁转矩T不仅与电源电压U1的平方成正比,而且与转差率s、转子等效电路中的电阻R2及空载等效电抗X20有关。
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