1、 第二部分第二部分 电电 机机 与与 控控 制制工程实用技术工程实用技术变压器变压器 电动机电动机 继电继电接触器控制接触器控制工作原理工作原理 电磁感应定律和电磁力定律电磁感应定律和电磁力定律组成组成 电路与磁路电路与磁路第三章第三章 磁路与变压器磁路与变压器磁性材料的磁性质磁性材料的磁性质磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律交流铁心线圈电路交流铁心线圈电路变压器的工作原理变压器的工作原理自耦变压器自耦变压器变压器的使用变压器的使用 额定值额定值主要内容主要内容主要内容主要内容3-1 磁性材料的磁性质磁性材料的磁性质一一.磁场的基本物理量磁场的基本物理量磁路磁路 限定在一定空间范围内的磁场限定在一定
2、空间范围内的磁场磁场存在的一种特殊形式磁场存在的一种特殊形式I磁场线磁场线 表示磁场的分布情况表示磁场的分布情况磁场的方向和强弱磁场的方向和强弱的单位的单位 韦韦 伯伯(Wb)通过与磁场线方向垂直通过与磁场线方向垂直的截面内磁场线的总数的截面内磁场线的总数磁通磁通磁通磁通磁感应强度磁感应强度B表示磁场内某点磁场方向和强弱的物理量表示磁场内某点磁场方向和强弱的物理量磁感应强度磁感应强度B磁通密度磁通密度SB 单位单位 特特斯拉斯拉(T)在均匀磁场内在均匀磁场内矢量矢量 方向与方向与B同同磁场强度磁场强度HHI1I3I2dl全电流定律全电流定律Il dH321IIIl dH磁场强度磁场强度矢量沿任
3、意闭合路径的线积分只与产生它的矢量沿任意闭合路径的线积分只与产生它的电流有关电流有关,而与磁场中的介质无关而与磁场中的介质无关磁场强度磁场强度H的单位的单位 安安 培培 每米每米(Am)磁导率磁导率表示介质导磁能力的物理量表示介质导磁能力的物理量B=H磁导率磁导率的单位的单位 亨亨 利利 每米每米(Hm)介质介质的的越大越大,导磁能力越强导磁能力越强真空的磁导率真空的磁导率70104相对磁导率相对磁导率0r二二.磁性材料的磁性质磁性材料的磁性质非非磁性材料磁性材料 在外界磁场的作用下在外界磁场的作用下,基本上不表现出磁基本上不表现出磁性性,不产生附加磁场不产生附加磁场,磁导率磁导率0,相对磁导
4、率相对磁导率r 11磁性材料磁性材料在外界磁场的作用下在外界磁场的作用下,被强烈磁化被强烈磁化,产生附加磁场产生附加磁场,并大并大大加强外磁场大加强外磁场磁感应强度磁感应强度B与磁场强度与磁场强度H之间之间B0HHB0具有线性正比关系具有线性正比关系外磁场外磁场磁畴磁畴常用的磁性材料常用的磁性材料铁、镍、钴及其合金铁、镍、钴及其合金(一一)高导磁性高导磁性磁导率磁导率0 相对磁导率相对磁导率r 1 1小电流产生强磁场小电流产生强磁场(磁感应强度磁感应强度B=H足够大足够大)磁性材料的磁性质磁性材料的磁性质（二）磁饱和性（二）磁饱和性非线性关系非线性关系磁化曲线磁化曲线B()-)-H(I)曲线曲
5、线B()H(I)0acbd饱和段饱和段cd0a段段 起始段起始段ab段段 BH有有近似线性正比关系近似线性正比关系bc段段 BH增加上升缓慢增加上升缓慢-H(I)关系关系曲线曲线饱和段饱和段急剧减小急剧减小HB(三三)磁滞性磁滞性交流电流交流电流i励磁励磁0HCHm-Hm-HCBr-BrBH磁滞回线磁滞回线基本磁化曲线基本磁化曲线i励磁线圈励磁线圈环形铁心环形铁心磁滞损耗磁滞损耗3-2 磁路和磁路的欧姆定律磁路和磁路的欧姆定律一一.磁路磁路磁场线集中通过的路径磁场线集中通过的路径电气设备中的导磁路径电气设备中的导磁路径小电流产生强磁场小电流产生强磁场磁路举例磁路举例 p119图图3-2-1 小
6、段空气隙也是磁路的组成部分小段空气隙也是磁路的组成部分二二.磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律揭示了磁路中磁通揭示了磁路中磁通与励磁电流与励磁电流I之间之间的关系的关系环形铁心磁路环形铁心磁路 励磁电流励磁电流IIr磁场线沿铁心呈同心圆状分布磁场线沿铁心呈同心圆状分布lNIH 磁场强度磁场强度环形铁心内某点磁场强度只与励磁电流环形铁心内某点磁场强度只与励磁电流I和线圈匝数和线圈匝数N、与该点位置有关，而与磁介质（与该点位置有关，而与磁介质（）无关）无关磁感应强度磁感应强度lNIHB磁通磁通lSNIBS全电流定律全电流定律NIIHll dHl dHNIHl 环形磁路环形磁路平均长度平均长度lN励磁励磁
7、线圈匝数线圈匝数磁通磁通lSNIBSmRNISlNI磁通磁通NIR m或或磁通势磁通势F=NI 产生磁场的激励产生磁场的激励SlRm取取磁阻磁阻磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律3-3 交流铁心线圈电路交流铁心线圈电路i-+ue直流磁路直流磁路交流磁路交流磁路磁路磁路直流磁路直流磁路 直流电流励磁直流电流励磁磁通磁通恒定不变恒定不变,不在线圈内产生感应电动势不在线圈内产生感应电动势线圈内电流、电压关系与一般直流电路相同线圈内电流、电压关系与一般直流电路相同交流磁路交流磁路 交流电流交流电流i励磁，磁通励磁，磁通变化，变化，在线圈内产生在线圈内产生感应电动势感应电动势e。励磁励磁线圈与线圈与磁路结合在
8、一起，不可分割磁路结合在一起，不可分割交流铁心线圈电路交流铁心线圈电路一一.各电磁量之间的关系各电磁量之间的关系 注意正方向注意正方向交流电压交流电压u励磁电流励磁电流i磁通势磁通势Ni主磁通主磁通i-+ue感应电动势感应电动势dtdNe二二.主磁通与感应电动势主磁通与感应电动势感应电动势感应电动势)90sin()90sin(2mmtEtfNdtdNe外加电压外加电压u是正弦是正弦电压电压,主磁通主磁通按正弦规律变化按正弦规律变化主磁通主磁通=m sint感应电动势感应电动势)90sin()90sin(2mmtEtfN dtdNe感应电动势的有效值感应电动势的有效值mmm44.4222fNfN
9、EE上式是分析变压器、交流电动机中电压、电流有效值上式是分析变压器、交流电动机中电压、电流有效值U、I和主磁通最大值和主磁通最大值m关系的重要依据关系的重要依据i-+ue三三.电压平衡方程电压平衡方程略去漏磁通略去漏磁通(极小极小)和导线电和导线电阻阻(极小极小)的影响的影响KVL u -e相量表示式相量表示式EU有效值有效值UE=4.44fNm恒磁通原理恒磁通原理电源电压有效值电源电压有效值U和频率和频率f保持不变保持不变,线圈的匝数线圈的匝数N不变不变,主磁通的最大值主磁通的最大值m就基本不变就基本不变i减小涡流损耗减小涡流损耗铁心用薄硅钢片叠成铁心用薄硅钢片叠成(二二)磁滞损耗磁滞损耗磁
10、滞损耗的大小正比于磁滞回线磁滞损耗的大小正比于磁滞回线包围的面积包围的面积用硅钢片叠成的铁心磁滞回线用硅钢片叠成的铁心磁滞回线四四.涡流损耗和磁滞损耗涡流损耗和磁滞损耗铁损铁损 涡流损耗和磁滞损耗涡流损耗和磁滞损耗铜损铜损RI2(一一)涡流损耗涡流损耗i涡流涡流涡流和涡流损耗涡流和涡流损耗所所包围的面积小包围的面积小,磁滞损耗小磁滞损耗小3-4 变压器的工作原理变压器的工作原理变压器的主要功能是能够把变压器的主要功能是能够把某一电压数值某一电压数值的交流电变的交流电变换为同频率的换为同频率的另一电压数值另一电压数值的交流电的交流电-变电压变电压主要用于输电、配电系统主要用于输电、配电系统除此之
11、外，变压器还具有变电流、变阻抗的作用，用除此之外，变压器还具有变电流、变阻抗的作用，用于电工测量和电子技术领域于电工测量和电子技术领域一一.变压器的基本结构变压器的基本结构 p124铁心铁心 磁路磁路用硅钢片交错叠装或卷绕而成用硅钢片交错叠装或卷绕而成线圈线圈（绕组绕组）绕在铁心上的两个（或以上）线圈绕在铁心上的两个（或以上）线圈心式变压器心式变压器壳式变压器壳式变压器交流电源交流电源负载负载凡表示二次绕组各量的凡表示二次绕组各量的字母均标注下标字母均标注下标“2”如二次绕组电压（有效值）如二次绕组电压（有效值）U2二次绕组电流（有效值）二次绕组电流（有效值）I2二次绕组匝数二次绕组匝数N2凡
12、表示一次绕组各量的凡表示一次绕组各量的字母均标注下标字母均标注下标“1”如一次绕组电压（有效值）如一次绕组电压（有效值）U1一次绕组电流（有效值）一次绕组电流（有效值）I1一次绕组匝数一次绕组匝数N1图形符号图形符号U2U1二次绕组二次绕组（副方绕组、次级绕组）（副方绕组、次级绕组）外接负载外接负载一次绕组一次绕组（原方绕组、初级绕组）（原方绕组、初级绕组）外接交流电源外接交流电源二二.变压器的工作原理变压器的工作原理以电磁感应定律为基础以电磁感应定律为基础,通过磁路通过磁路(磁场磁场)将两个将两个(或以上或以上)的绕组耦合起来的绕组耦合起来,进行交流电能的传送与转换进行交流电能的传送与转换-
13、+i0-+-+-+u1e2u20i2=0ZLe1(一一)空载运行状态空载运行状态-变电压作用变电压作用一次绕组外加额定电压一次绕组外加额定电压,二二次绕组开路次绕组开路,i2=0一次绕组一次绕组-空载电流空载电流,用用i0表示表示此时的变压器就相当于是一个交流铁心线圈此时的变压器就相当于是一个交流铁心线圈升压变压器升压变压器 U1 U2降压变压器降压变压器 U1 U2u1i0N1i0主磁通主磁通dtdNe11dtdNe22-+i0-+-+-+u1e2u20i2=0ZLe1电磁量之间的关系电磁量之间的关系一次绕组一次绕组 u1-e111EUE1=4.44fN1mU1E1=4.44fN1m二次绕组
14、二次绕组 E2=4.44fN2m一次绕组一次绕组 U1E1=4.44fN1m二次绕组二次绕组 E2=4.44fN2m空载状态空载状态u20 e2U20E2=4.44fN2m变电压作用变电压作用KNNEEUU2121201-+i0-+-+-+u1e2u20i2=0ZLe1变比变比 KKNNEEUU2121201电源电压电源电压U1固定固定,改变一、二次绕组的匝数改变一、二次绕组的匝数N1和和N2，即，即可得到不同数值的二次绕组电压可得到不同数值的二次绕组电压U2，实现变换电压的目，实现变换电压的目的的变压器铭牌上的额定电压变压器铭牌上的额定电压 用分数表示的用分数表示的一、二次绕组一、二次绕组的
15、电压数值的电压数值U1N和和U2N 。其中。其中U2N即为一次绕组加入即为一次绕组加入额额定电压定电压U1N后，后，二次绕组的空载（开路）二次绕组的空载（开路）电压电压例如例如6000400V （K=15）变压器在负载状态下运行，且达到满载时，变压器在负载状态下运行，且达到满载时，二次绕组的二次绕组的电压电压U2较较U2N通常降低（通常降低（35）%（二）负载运行状态（二）负载运行状态-变电流作用变电流作用u1ZL-+-+e1i1i2e2-+u2-+二次绕组接入负载二次绕组接入负载,产生产生二次绕组二次绕组电流电流i2,向向负载输出电负载输出电功率功率 空载电流空载电流i0的作用只是产生主磁通
16、，又称励磁的作用只是产生主磁通，又称励磁电流，数电流，数值很小，只占额定电流的百分之几值很小，只占额定电流的百分之几1.1.变压器的变电流作用变压器的变电流作用此时，一次绕组电流必定增加，由空载电流此时，一次绕组电流必定增加，由空载电流i0增加为增加为i1 负载运行时，负载运行时，主磁通主磁通由由一、二次一、二次绕组的磁通势绕组的磁通势N1i1和和N2i2共同作用产生共同作用产生 (N1i1+N2i2)u1ZL-+-+e1i1i2e2-+u2-+根据公式（根据公式（3-13）U1E1=4.44fN1m当当U1、f、N1固定不变时，固定不变时，m也将固定不变也将固定不变由于空载运行和负载运行时主
17、磁通基本不变，所以产生由于空载运行和负载运行时主磁通基本不变，所以产生它们的它们的激励激励N1i0和（和（N1i1+N2i2）应该近似相等）应该近似相等N1i1+N2i2 N1i0N1i1+N2i2 N1i0相量表示式相量表示式012211INININ磁通式平衡方程磁通式平衡方程变换变换2021201)(IIINNII21221INNII可得可得瞬时值表示式瞬时值表示式1I负载运行时一次绕组电流负载运行时一次绕组电流 由两部分组成由两部分组成励磁分量励磁分量0I与负载电流成正比与负载电流成正比,但相位相反但相位相反数值很小数值很小,可以近似略去可以近似略去负载分量负载分量2I有效值表示式有效值
18、表示式221211IKINNIKNNII11221或或变电流作用变电流作用 在在额定工作状态额定工作状态下下,一、二次绕组额定一、二次绕组额定电流之比等于其变比电流之比等于其变比K的倒数的倒数2.变压器的外特性和电压调整率变压器的外特性和电压调整率外特性外特性U2=f(I2)条件条件 保持电源电压保持电源电压U1、负载的、负载的功率因数功率因数2=cos2不变不变U2I2U20I2N0U2感性负载的外特性感性负载的外特性%100%20220UUUUU%表示供电电压的稳定性表示供电电压的稳定性一般电力变压器的一般电力变压器的U%在在3%5%之间之间电压调整率电压调整率 变压器从空载（变压器从空载
19、（I2=0）到额定工作状态）到额定工作状态（I2N），二次绕组电压变化量与空载电压），二次绕组电压变化量与空载电压U20之比之比U2I2U20I2N0U2等效负载阻抗等效负载阻抗LZ（三）变压器的变换阻抗作用（三）变压器的变换阻抗作用ZLLZ2I-+-1U2U1I1ILZiU+-U1 E1=4.44fN1mU2 E2=4.44fN2m2211UNNU22LIUZ负载阻抗负载阻抗一次侧等效负载阻抗一次侧等效负载阻抗11LIUZ变换化简变换化简L222221212221L)(ZKIUNNINNUNNZ1221NNII公式公式(3-19)(3-19)ZLLZ2I-+-1U2U1I1ILZiU+-阻抗
20、匹配阻抗匹配 在电子电路中在电子电路中,为了使负载得到最大功率为了使负载得到最大功率 输出输出,要求负载的要求负载的阻抗与信号源的阻抗之间满足确定的阻抗与信号源的阻抗之间满足确定的要求要求以下详见例题以下详见例题3-3 p130变压器变换阻抗作用的应用变压器变换阻抗作用的应用 阻抗匹配阻抗匹配3-5 变压器的额定值变压器的额定值一一.额定电压额定电压U1N和和U2N二二.额定电流额定电流I1N和和I2N三三.额定容量额定容量SNSN=U2NI2N二次绕组的额定视在功率二次绕组的额定视在功率单位单位 VA或或K VAN1N1N121N112N2N2NIUINNUNNIUS四四.额定频率额定频率
21、fN例题例题3-1 自学自学例题例题3-2 p129解解(1)一次绕组的额定电流一次绕组的额定电流A03.3330010103N1NN1USI二次绕组的额定电流二次绕组的额定电流A45.4522010103N2NN2USI(2)每盏日光灯的电流每盏日光灯的电流A41.044.022040cosUPI变压器满载时可接入的日光灯数变压器满载时可接入的日光灯数11041.045.45N2II盏盏例题例题3-3信号源信号源RL+-UIR0(1)扬声器直接与信号源连接扬声器直接与信号源连接A056.081006L0RRUIW025.08056.02L2RIP负载获得的功率负载获得的功率(2)负载获得最大
22、功率的条件负载获得最大功率的条件0LRR R0利用变压器的变换阻抗作用利用变压器的变换阻抗作用1I2I+-U信号源信号源RL0L2LRRKR代入数据代入数据10082K53.38100K变压器一次绕组的电流变压器一次绕组的电流A03.01001006L01RRUI负载得到的功率负载得到的功率W09.010003.02L21RIP6.3025.009.0PP实现阻抗匹配实现阻抗匹配3-8 特殊用途的变压器特殊用途的变压器一一.自耦变压器自耦变压器特点特点 输出电压可以根据需要连续、均匀的调节输出电压可以根据需要连续、均匀的调节结构结构 只有一个绕组，绕组上有一个滑动抽头只有一个绕组，绕组上有一个
23、滑动抽头 -+mN1N2-+2U1UaN2N1+-a1U2U一、二次侧共用一个绕组，一、二次绕组既有磁的耦一、二次侧共用一个绕组，一、二次绕组既有磁的耦合，又有电的直接联系合，又有电的直接联系-+mN1N2-+2U1UaN2N1+-a1U2U一次绕组加入电源电压一次绕组加入电源电压U1 工作磁通工作磁通m一、二次绕一、二次绕组中产生组中产生E1、E2KNNEEUUfNEfNE2121201m22m1144.444.4空载时空载时KNNEEUU2121201略去绕组内部导线电阻等的影响，负载状态下略去绕组内部导线电阻等的影响，负载状态下KNNUU2121可用于升压可用于升压 N2 N1安全操作安全操作 正确接线正确接线外壳接地外壳接地 本本 章章 结结 束束
