第6章 电机与电器,本章介绍常用的电工设备，变压器、电动机和各种低压电器的工作原理和使用。这些电工设备不仅有电路的分析问题，同时还有磁路的问题，只有同时掌握电路和磁路的基本理论，才能对电工设备作全面的分析。,6.1 磁路与变压器,在电工设备中常用磁性材料做成一定形状的铁心，通常把线圈绕在铁心上。当线圈中通过电流时，产生的磁通绝大部分通过铁心构成的闭合路径。这种人为造成的磁通的闭合路径，称为磁路。,6.1 磁路与变压器,直流电机磁路,交流接触器的磁路,6.1.1 磁路的基本知识,1.磁路的基本物理量,（1）磁感应强度B,磁感应强度B又称为磁通密度，是表示磁场内某点磁场强弱及方向的物理量。它是一个矢量，磁场的方向与励磁电流的方向有关，可用右手螺旋定则来表示。,磁感应强度B的单位是特斯拉（T）,（2）磁通,磁感应强度B(如果不是均匀磁场，则取B的平均值)与垂直于磁场方向的面积S的乘积，称为该面积的磁通。,或,磁通的单位是韦伯(Wb),（3）磁导率,磁导率是表示物质磁性能的物理量，用来表示物质导磁能力大小的物理量。磁导率的单位是亨利每米（H/m）。自然界的物质按导磁率的大小可分为非磁性材料和磁性材料。,6.1.1 磁路的基本知识,相对磁导率,或,是真空的磁导率,H/m,6.1.1 磁路的基本知识,（4）磁场强度,磁场强度是为了方便计算不同磁性材料磁场时所引用的一个物理量，也是矢量。磁场强度只与产生磁场的电流以及这些电流的分布情况有关。磁场强度的单位是安培每米（A/m）。,磁场强度与磁感应强度B的关系,或,2.磁性材料的磁性能,磁性材料主要的是指铁、镍、钻及其合金以及铁氧体等，其磁导率很高，是制造变压器、电机等各种电工设备的主要材料。在分析磁路,首先要了解磁性材料的磁性能。,6.1.1 磁路的基本知识,（1）高导磁性,磁性材料的磁导率很高， 1，可达数百乃至数万。这就使它们具有被强烈磁化（呈现磁性）的特性。,（2）磁饱和性,磁性材料所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限增强，当外磁场增大到一定值时，这时外磁场再加强，磁化磁场的强度也不会增加了，这表明磁化已经达到饱和值。,6.1.1 磁路的基本知识,（3）磁滞性,当铁心线圈中通有交流电时，铁 心就受到交变磁化。在电流变化一次 时，磁感应强度B随磁场强度H而变化 的关系如图所示。,称为剩磁感应强度,称为矫顽磁力,6.1.1 磁路的基本知识,根据磁滞性的不同，可将磁性材料分为软磁性材料和硬磁性材料,软磁性材料的磁滞回线较窄，剩磁和矫顽磁力都较小,硬磁性材料的特点是磁滞回线较宽，剩磁和矫顽磁力都较大,6.1.1 磁路的基本知识,由于磁滞现象的存在，可将磁性材料在交变磁化过程中产生了磁滞损耗，它会使铁心发热。磁滞损耗的大小与磁滞回线的面积成正比。,涡流在铁心中流动会使铁心发热，由涡流而引起的损耗叫涡流损耗。在交流励磁时为了减小涡流损耗，通常将铁心做成叠片状以减小涡流的路径。例如变压器、电动机等的铁心都做成叠片状。,3.磁场的基本定律,（1）全电流定律,全电流定律是计算磁场的基本定律，在磁场中沿任何闭合回线，磁场强度的矢量的线积分等于穿过该闭合回线所包围面积电流的代数和,计算电流代数和时，与绕行方向符合右螺旋定则的电流去正号，反之取负号。,6.1.1 磁路的基本知识,6.1.1 磁路的基本知识,当闭合回线上各点的磁场强度相等且其方向与闭合回线的切线方向一致，则全电流定律可简化为,由于电流和闭合回线绕行方向符合右螺旋定则，线圈有 匝，即电流穿过回线 次,称为磁动势，单位是安培（A）。,6.1.1 磁路的基本知识,在磁路中我们定义一个对应的物理量磁阻 ，它对磁通起阻碍作用，磁阻与磁路的平均长度 ，磁路截面积及磁路材料的磁导率有关,磁路的磁动势、磁通及磁阻之间的关系为,上式与电路中的欧姆定律类似，因此称为磁路欧姆定律。,6.1.2 铁心线圈电路,把线圈绕在铁心便构成铁心线圈，根据线圈励磁电源的不同，可分为直流铁心线圈和交流铁心线圈。,1.电磁关系,主磁通：,漏磁通：,主磁感应电动势为,漏磁感应电动势为,6.1.2 铁心线圈电路,由基尔霍夫电压定律，可得铁心线圈的电压方程式为,由于线圈电阻上的电压为、漏磁电动势与主磁电动势相比较都非常小，故可忽略不计有：,6.1.2 铁心线圈电路,设,有,主磁感应电动势的有效值,在忽略线圈电阻与漏磁通的条件下，主磁通的幅值与线圈外加电压有效值的关系为,6.1.2 铁心线圈电路,2.功率损耗,交流铁心线圈中的功率损耗有两部分，一部分是线圈电阻上的功率损耗；另一部分是铁心中的功率损耗 。,线圈电阻上的功率损耗,铜损,铁心中的功率损耗,铁损,交流铁芯线圈总的功率损耗可表示为,6.1.3变压器,1.变压器分类,(1) 电力变压器,(2) 特种电源变压器,(3) 专用变压器,2 .变压器的结构,变压器由铁心和绕阻两部分组成。铁心变压器的磁路部分，多用厚度0.350.55mm的硅钢片叠成。结构不同可分为心式与壳式两种,6.1.3变压器,3.变压器的工作原理,变压器由闭合铁心和绕在铁心上的两个绕组构成，接电源的绕组称为一次绕组（原绕组），接负载的绕组称为二次绕组（副绕组），变压器的名称用T表示。,6.1.3变压器,（1）空载运行和电压变换,一、二次绕组感应电动势的有效值为,由于采用铁磁性材料作磁路，漏磁很小，可以忽略。空载电流很小，一次绕组上的压降也可以忽略。一、二次绕组的端电压近似等于一、二次绕组电动势，,所以一、二次绕住的电压之比为,结论：改变匝数比，就能改变输出电压。,6.1.3变压器,（2）负载运行和电流变换,变压器的二次绕组接上负载，称为负载运行。,一、二次绕组的电阻和铁心的磁滞损耗、涡流损耗都会损耗一定的能量，但该能量通常远小于负载消耗的能量，可以忽略。这样，可以认为变压器输入功率等于负载消耗的功率，即,可得,一、二次绕组电流之比等于其匝数之比的倒数。,6.1.3变压器,6.1.3变压器,（3）阻抗变换作用,等效阻抗模为,可以用不同的匝数比把实际负载变换为所需要的比较合适的数值，这种做法通常称为阻抗匹配。,6.1.3变压器,6.1.3变压器,6.1.3变压器,4.常用变压器及额定值,（1）自耦变压器,（2）自耦调压器,（3）三相电力变压器,6.1.3变压器,（4）变压器的额定值,额定电压,额定电流,额定容量,额定频率,（5）变压器的外特性,100,（6）变压器的功率损耗与效率,6.2 三相交流异步电动机,6.2.1三相异步电动机的构造和转动原理,1、三相异步电动机的结构,6.2.1三相异步电动机的构造和转动原理,（1）三相异步电动机定子结构,异步电动机的定子主要由机座、定子铁心和定子绕组构成,6.2.1三相异步电动机的构造和转动原理,（2）三相异步电动机转子结构,异步电动机的转子主要由转轴、转子铁心和转子绕组构成异步电动机转子绕组按结构不同可分为笼型和绕线型两种。,鼠笼式转子,6.2.1三相异步电动机的构造和转动原理,绕线转子异步相电动机的转子如图所示。它的转子绕组也是对称的三相绕组，且接成星形。,绕线转子异步相动机和笼型异步电动机虽然在转子结构上不同，但它们的工作原理是一样的。绕线转子异步电动机的转子结构比笼型导步电动机的转子结构复杂，但它可以通过3个集电环外接电阻以满足电动机起动和调速的要求。,6.2.1三相异步电动机的构造和转动原理,2、三相异步电动机的工作原理,当摇动磁极时，发现转子跟着磁极一起转动，摇得快，转子也转得快；摇得慢，转子转动的也慢，反摇，转子马上反转。,从这个演示实验中得出两点启示：第一，有一个旋转磁场；第二，转子跟着磁场旋转。因此，在三相异步电动机中，只要有一个旋转磁场和一个可以自由转动的转子就可以了。,6.2.1三相异步电动机的构造和转动原理,（1）旋转磁场的产生,6.2.1三相异步电动机的构造和转动原理,（2）.磁场的方向,只要将同三相电源连接的三根导线中的任意两根的一端对调位置旋转磁场就反转 。,6.2.1三相异步电动机的构造和转动原理,6.2.1三相异步电动机的构造和转动原理,（3）.旋转磁场的极数,旋转磁场的极数与每相绕组的串联个数有关，以上为每相有一个绕组，能产生一对磁极（p为极对数）。当每相有两个绕组串联，产生的旋转磁场具有两对极（ p =2）。,6.2.1三相异步电动机的构造和转动原理,（4）.旋转磁场的转速,旋转磁场的转速决定于磁极数。旋转磁场的转速为,(5).电动机的转动原理,U1,U2,V2,W1,V1,W2,感应电动势 E20,电磁力F,(3).转差率,电动机转子的转向与旋转磁场相同。但转子的转速不能与旋转磁场的转速相同，如果两者相等，则转子与旋转磁场之间就没有相对运动了，因而转子导条就不切割磁力线，转子电动势和转子电流及电磁力和电磁转矩就不存在了。这样转子就不会继续以的转速旋转，因此转子转速与旋转磁场转速之间必须要有差值，这就是异步电动机名称的由来。旋转磁场的转速常称为同步转速。 用转差率s来表示转子转速与磁场转速相差的程度,转差率是异步电动机的一个重要物理量，转子转速越接近同步转速，转差率越小。,转差率约为1% 9%。,6.2.1三相异步电动机的构造和转动原理,6.2.2 三相异步电动机的电磁转矩和机械特性,1.三相交流异步电动机的磁通与转子电流,磁通最大值,转子绕组内所产生的感应电动势（有效值）,转子感应电动势的频率,6.2.2 三相异步电动机的电磁转矩和机械特性,引入转差率可得,设,转子内所产生的感应电动势值,转子绕组的电抗,6.2.2 三相异步电动机的电磁转矩和机械特性,转子电路电流为,转子电路的功率因数,异步电动机转子电流和转子电路的功率因数都是转差率s的函数。,6.2.2 三相异步电动机的电磁转矩和机械特性,6.2.2 三相异步电动机的电磁转矩和机械特性,6.2.2 三相异步电动机的电磁转矩和机械特性,2.转矩公式,设,6.2.2 三相异步电动机的电磁转矩和机械特性,3.机械特性,研究机械特性的目的是为了分析电动机的运行性能。,6.2.2 三相异步电动机的电磁转矩和机械特性,4.三个重要转矩,（1）额定转矩,（2）最大转矩,过载系数,（3）起动转矩,6.2.3三相异步电动机的使用,1.三相异步电动机的铭牌数据,（1）额定容量:,轴上输出的机械功率,（2）额定电压,电动机外施电源电压,（3）额定电流,电机的母线电流,（4）额定转速,电动机在额定运行状态下运行时转子的转速,（5）额定频率,我国规定工频为50Hz,6.2.3三相异步电动机的使用,2.电动机的选择,（1）容量的选择,（2）电压的选择,（3）转速的选择,3.电动机起动,为了减小异步电动机的起动电流，有时也为了提高或减小起动转矩，需采用适合的起动方法。 由于异步电动机的转子有两种结构型式，因此，这两种电动机起动的方法有所不同，鼠笼式异步电动机的起动有直接起动和降压起动，绕线式异步电动机则采用转子串接电阻起动等方法。,6.2.3三相异步电动机的使用,（1）鼠笼式异步电动机的起动,直接起动：直接起动是利用闸刀开关或接触器将电动机定子绕组直接接到具 有额定电压的交流电源上，这种起动方法称为直接起动或全压起动。,降压起动：可采用降压起动来降低起动电流。鼠笼式异步电动机降压起动可以使起动电流减小，但是同时电动机的起动转矩也减小，所以这种起动方法只适用于对起动转矩要求不高的生产机械。,6.2.3三相异步电动机的使用,星形-三角形（Y）换接起动,-换接起动的电路图,Y-换接起动接线图,自耦降压起动：自耦降压起动是利用三相自耦变压器将电动机在起动过程中的端电压降低。,6.2.3三相异步电动机的使用,绕线式电动机的起动：在转子电路中接入大小适当的起动电阻，就可达到减小起动电流的目的，同时起动转矩也提高了。,FU,4.电