電磁感應(yīng)原理及應(yīng)用(2015內(nèi)部培訓(xùn)第二講)

1、電磁感應(yīng)原理及應(yīng)用 VFE VFE A. 電磁現(xiàn)象 B.電機(jī)原理 C.變壓器原理 D. 互感器 E.電機(jī)小知識(shí) 目錄 CONTENTS VFE 電磁現(xiàn)象 奧斯特、法拉第、安培1 VFE VFE 電磁現(xiàn)象 1電生磁 1820年，奧斯特（丹麥）發(fā)現(xiàn)了電流磁效應(yīng)現(xiàn)象，即：電生磁現(xiàn)象 VFE 電磁現(xiàn)象 1電生磁 N=LI 磁通 電感 電流 匝數(shù) VFE 電磁現(xiàn)象 1電生磁 均勻變化的電場(chǎng)產(chǎn)生_的磁場(chǎng)； 直流電流產(chǎn)生_磁場(chǎng)； 正弦變化的電場(chǎng)產(chǎn)生_的磁場(chǎng)； 正弦電流產(chǎn)生_磁場(chǎng)。 變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)； VFE 電磁現(xiàn)象 電可以生磁，那么，磁能否生電呢？ VFE 電磁現(xiàn)象 2磁生電 1821年，在奧斯特發(fā)現(xiàn)電

2、流磁效應(yīng)之后，法拉第（英國）作出“磁生電”的大 膽預(yù)測(cè)，經(jīng)過10年努力，終于于1831年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，開啟了人類的電 氣化時(shí)代！ VFE 電磁現(xiàn)象 E=-n(/t) 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 線圈匝數(shù) 磁通時(shí)間 2磁生電 電磁感應(yīng)定律 VFE 電磁現(xiàn)象 2磁生電 穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì) 導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì) 變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)； 均勻變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生_的電場(chǎng)； 正弦變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生_的電場(chǎng)。 VFE 電磁現(xiàn)象 3安培力 （法國）安培發(fā)現(xiàn)： 載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到力的作用， 力與磁場(chǎng)及電流的方向符合左手定則 F=ILBsin VFE 變壓器原理 磁通、電壓、電流2 VFE VFE

3、變壓器 1變壓器原理 1 2 1 2 d e= - N dt d e= - N dt 重要公式： VFE 變壓器 1變壓器原理 1 2 1 2 d e= - N dt d e= - N dt 重要公式： 應(yīng)用：電壓變換 VFE 變壓器 1變壓器原理 1 2 1 2 d e= - N dt d e= - N dt 重要公式： 應(yīng)用：電流變換 VFE 變壓器 1變壓器原理 1 2 1 2 d e= - N dt d e= - N dt 重要公式： 應(yīng)用：阻抗變換 VFE 變壓器 1變壓器原理 1 2 1 2 d e= - N dt d e= - N dt 重要公式： VFE 變壓器 2變壓器小知識(shí)

4、 變壓器的磁通由電壓決定還是由電流決定？ VFE 變壓器 2變壓器小知識(shí) 變壓器的空載電流波形為何不是正弦波？ VFE 變壓器 2變壓器小知識(shí) 變壓器的空載電流波形呈現(xiàn)尖頂波 VFE 變壓器 2變壓器小知識(shí) 變壓器的負(fù)載運(yùn)行與空載運(yùn)行為何電流波形不同？ VFE 變壓器 2變壓器的鐵損和銅損 變壓器的鐵損決定于磁通的大小，變壓器的磁通取決于一次電壓， 與負(fù)載無關(guān)。 變壓器空載運(yùn)行時(shí)，二次開路，無損耗，一次電流很小，銅損可忽 略不計(jì)，因此， 變壓器空載輸入功率變壓器鐵損 變壓器的損耗主要包括鐵損和銅損。 VFE 變壓器 2變壓器的鐵損和銅損 變壓器的一次和二次繞組中都有一定的電阻，當(dāng)電流流過繞組時(shí)

5、，就要產(chǎn)生 損耗，稱為銅損或I2R損耗。 銅損一般通過短路試驗(yàn)獲取。短路試驗(yàn)方法如下： 將變壓器高壓側(cè)短路，低壓側(cè)從零開始加電壓，逐漸加到低壓側(cè)電流為額定 電流。此時(shí)低壓側(cè)所加電壓與額定電壓之比的百分?jǐn)?shù)稱為短路阻抗，也稱阻抗電 壓。 變壓器短路試驗(yàn)時(shí)，繞組兩端電壓（短路阻抗）很低，因此，鐵損很小，變 壓器的輸入功率主要為銅損。 獲取銅損及短路阻抗是變壓器短路試驗(yàn)的主要目的。 更多相關(guān)知識(shí)請(qǐng)閱讀“變壓器的損耗和效率” VFE 變壓器 2變壓器小知識(shí) 判斷題： 變壓器短路試驗(yàn)時(shí)，短路電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于額定電流 VFE 變壓器 2變壓器的空載試驗(yàn)功率因數(shù) 為什么變壓器空載運(yùn)行的功率因數(shù)很低？ VFE 變壓

6、器 2變壓器的短路試驗(yàn)功率因數(shù) 電力變壓器的短路試驗(yàn)功率因數(shù)非常低！ 某些大型電力變壓器短路阻抗較高，約為左右，也就是說，短路試驗(yàn) 時(shí)，視在功率約為額定容量的。而變壓器的額定銅損非常小，也就是短路 試驗(yàn)的有功功率非常小，即：功率因數(shù)非常低。事實(shí)上， GB/T6451-2008油浸式電力變壓器的技術(shù)參數(shù)規(guī)定的： 1.5MVA240MVA三相三繞組有載調(diào)壓電力變壓器的短路功率因數(shù)約為. .。 VFE 互感器 負(fù)荷、比差、角差3 VFE VFE 互感器 1定義 互感器原理與變壓器相同，是一種特殊用途的變壓器。 依據(jù)用途，互感器分為電壓互感器和電流互感器。 VFE 互感器 2小知識(shí) 互感器主要參數(shù)：

7、額定一次電壓/電流： 額定二次電壓/電流：100V/5A 額定二次負(fù)荷：？VA 準(zhǔn)確度等級(jí)：0.001、0.002、0.005、0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5 0.001S、0.002S、0.005S、0.01S、0.02S、0.05S、0.1S、0.2S、0.5S VFE 互感器 2小知識(shí) 電壓互感器和電流互感器都是變壓器。所不同的是前者關(guān)注電壓、后 者關(guān)注電流。 為什么電壓互感器不能短路運(yùn)行，而電流互感器不能 開路運(yùn)行？ VFE 互感器 2小知識(shí) 為什么互感器低頻時(shí)候更容易飽和？ VFE 互感器 2小知識(shí) 為什么互感器測(cè)量小信號(hào)誤差會(huì)增大？ VFE 互感器 2小知識(shí)

8、為什么互感器的誤差與二次負(fù)荷有關(guān)？ VFE 電機(jī)原理 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、安培力4 VFE VFE 電機(jī) 1法拉第發(fā)電機(jī) VFE 電機(jī) 2直流發(fā)電機(jī) 直流發(fā)電機(jī)線圈上流過的是交流電，對(duì)外輸出經(jīng)換向器整流為直流電； 電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，輸出電壓越高，因此，直流發(fā)電機(jī)也用作測(cè)速元件。 VFE 電機(jī) 3直流電動(dòng)機(jī) 黃色導(dǎo)體受到向上的電磁力 藍(lán)色導(dǎo)體受到向下的電磁力 線圈順時(shí)針旋轉(zhuǎn) VFE 電機(jī) 3直流電動(dòng)機(jī) 導(dǎo)體無電流，無電磁力 在慣性的作用下，繼續(xù)旋轉(zhuǎn) VFE 電機(jī) 3直流電動(dòng)機(jī) 藍(lán)色導(dǎo)體受到向上的電磁力 黃色導(dǎo)體受到向下的電磁力 線圈繼續(xù)順時(shí)針旋轉(zhuǎn) VFE 電機(jī) 3直流電動(dòng)機(jī) 導(dǎo)體無電流，無電磁力 在慣性的作用

9、下，繼續(xù)旋轉(zhuǎn) 直流電機(jī)外部提供的是直流電，轉(zhuǎn)子線圈中流過的是交流電。 對(duì)于采用電力電子器件供電的電機(jī)而言，交流電機(jī)與直流電機(jī) 的界限開始變得模糊！ VFE 電機(jī) 直流電機(jī)的電刷和換向器可不可以去掉？ VFE 電機(jī) 3感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中擺放一個(gè)閉合轉(zhuǎn)子線圈。 轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 線圈閉合，產(chǎn)生感應(yīng)電流 載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到力的作用，旋轉(zhuǎn) 這就是鼠籠式異步電機(jī)！ VFE 電機(jī) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速=定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速？ VFE 電機(jī) 3感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)360轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)345 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)15 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)總共旋轉(zhuǎn)360 S：轉(zhuǎn)差率 n：同步轉(zhuǎn)速，定子磁場(chǎng) 旋轉(zhuǎn)速度 n1：轉(zhuǎn)

10、子機(jī)械轉(zhuǎn)速 VFE 電機(jī) 如何產(chǎn)生定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)？ VFE 電機(jī) VFE 電機(jī) VFE 電機(jī) 上述旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，施加正弦交流電也剛好經(jīng)歷一個(gè)周期，稱為 1對(duì)磁極。 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)還可以采用多對(duì)磁極產(chǎn)生，當(dāng)極對(duì)數(shù)為p時(shí)，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周， 正弦交流電需要p個(gè)周期。 假設(shè)正弦波的頻率為f。 同步轉(zhuǎn)速n=60f/p。 f為50Hz時(shí)： 1對(duì)極（兩極）電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為3000r/min。 2對(duì)極（四極）電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為1500r/min。 3對(duì)極（六極）電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為1000r/min。 4對(duì)極（八極）電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為750r/min。 30對(duì)極（60極）電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為100r/min VFE 電機(jī)

11、感應(yīng)式電機(jī)啟動(dòng)瞬間，轉(zhuǎn)差率s=1，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)高速切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，轉(zhuǎn)子感 應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較大，轉(zhuǎn)子電流較大，定子電流跟著增大。 如何減小啟動(dòng)電流？ VFE 電機(jī) 4繞線式異步電機(jī) 轉(zhuǎn)子不閉合，而是通過滑環(huán)將轉(zhuǎn)子繞組引出，啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組串接電阻，減小 啟動(dòng)電流，同時(shí)，還可以增大轉(zhuǎn)子功率因數(shù)，合適阻值的電阻還可以提高啟動(dòng)轉(zhuǎn) 矩！ 這就是繞線式異步電機(jī)！ VFE 電機(jī) 可否人為控制轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速度（n-n1）？ VFE 電機(jī) 5雙饋異步電機(jī) 轉(zhuǎn)子通過頻率可調(diào)的交流電，即可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速度，即可控 制轉(zhuǎn)速（也可以理解為控制轉(zhuǎn)差率）！ 這就是雙饋異步電機(jī)！ VFE 電機(jī) 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)轉(zhuǎn)

12、軸的旋轉(zhuǎn)速度為零，會(huì)是什么樣子？ VFE 電機(jī) 6同步電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)子通過直流電，使轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速為零；定子磁極旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 將與磁極轉(zhuǎn)速相同！ 這就是同步電機(jī)！ VFE 電機(jī) 7直流電機(jī)、異步電機(jī)、同步電機(jī)小結(jié) 上述三種電機(jī)的原理有一個(gè)共同點(diǎn)： 定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用下，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力！ 定子恒定磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子電磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力；轉(zhuǎn)子電刷和換向器及時(shí)改變轉(zhuǎn)子 磁極方向，使其繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。 直流電機(jī) VFE 電機(jī) 7直流電機(jī)、異步電機(jī)、同步電機(jī)小結(jié) 上述三種電機(jī)的原理有一個(gè)共同點(diǎn)： 定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用下，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力！ 定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出電流，感應(yīng)電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)

13、；定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作 用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)； 由于定子磁場(chǎng)是旋轉(zhuǎn)的，使轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)始終受到相同方向的作用力，并且力矩相對(duì)恒定，轉(zhuǎn) 矩特性好，有轉(zhuǎn)差率。 異步電機(jī) VFE 電機(jī) 5直流電機(jī)、異步電機(jī)、同步電機(jī)小結(jié) 上述三種電機(jī)的原理有一個(gè)共同點(diǎn)： 定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用下，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力！ 轉(zhuǎn)子采用直流電勵(lì)磁，產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)。定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速！ 同步電機(jī) VFE 電機(jī) 磁鐵可以與磁鐵相互作用，也可以吸引無磁性的鐵，轉(zhuǎn)子能 不能不用線圈？ VFE 電機(jī) VFE 電機(jī) VFE 電機(jī) VFE 電機(jī) 這就是開關(guān)磁阻電機(jī)！ 8開關(guān)磁阻電機(jī) VFE 電機(jī)小知識(shí) 轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)

14、速、功率5 VFE VFE 電機(jī) 1鐵芯 為了加強(qiáng)磁場(chǎng)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子都采用高導(dǎo)磁材料（硅鋼片）制作成的鐵芯。 導(dǎo)體在變化磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生渦流效應(yīng)，為了減小渦流損耗，一方面鐵芯采用電阻率 較高的硅鋼，減小渦流電流。 為了進(jìn)一步減小渦流，將鐵芯制作成許多精密疊加的薄片，薄片之間絕緣，這樣 可以縮小渦流范圍。 VFE 電機(jī) 2轉(zhuǎn)速 直流電機(jī)電壓越高，電流越大，安培力越大，轉(zhuǎn)速越快； 交流電機(jī)轉(zhuǎn)速等于或接近旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，由供電頻率及極對(duì)數(shù)決定。 改變供電頻率的調(diào)速方式稱為變頻調(diào)速，改變極對(duì)數(shù)的調(diào)速方式稱為變極調(diào)速。 VFE 電機(jī) 3轉(zhuǎn)矩 單相交流電機(jī)的輸入瞬時(shí)功率是波動(dòng)值，輸出轉(zhuǎn)矩有脈動(dòng)； 三相交流電機(jī)的三相瞬時(shí)功率是恒定值，輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定。 VFE 電機(jī) 4啟動(dòng)電流 電機(jī)啟動(dòng)瞬間，轉(zhuǎn)子靜止，相當(dāng)于一臺(tái)變壓器，定子是初級(jí)線圈，轉(zhuǎn)子是次級(jí)線 圈。 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)高速切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，產(chǎn)生很大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)子電流。 轉(zhuǎn)子電流增大，定子電流隨之增大。 降壓?jiǎn)?dòng)是減小磁場(chǎng)，減小轉(zhuǎn)子電流，進(jìn)而減小定子電流。 變頻啟動(dòng)是降低磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度，降低切割磁力線的速度，減小轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和 轉(zhuǎn)子電流，進(jìn)而減小定子電流。 VFE 電機(jī) 5空載功率因數(shù) 異步電機(jī)空載時(shí)，輸入電流主要用于勵(lì)磁，而勵(lì)磁不消耗能量，無功功率占主體 ，功率因數(shù)較低，而空載電流較大。 同步電機(jī)勵(lì)磁不由定子繞組提供，