電機(jī)控制(含電磁關(guān)系)

1、電機(jī)與電氣控制技術(shù)對(duì)我就電機(jī)控制很有幫助的一個(gè)參考資料15.1 磁路與變壓器電能的應(yīng)用遍及城鄉(xiāng)，大量的用電設(shè)施（如：電機(jī)、變壓器、電磁鐵、電工測(cè)量?jī)x表等）中，鐵磁性元件的應(yīng)用占有相當(dāng)大的比重。因此，除電路與電路分析外，磁路以及電磁關(guān)系的分析也是電工技術(shù)中的重要基礎(chǔ)。本節(jié)所研究的磁路基礎(chǔ)與變壓器，也是電機(jī)和其它一些電氣設(shè)備的基礎(chǔ)，我們將以電磁鐵與電磁繼電器為例，介紹磁路及其電磁關(guān)系的應(yīng)用。變壓器是一種靜止的電磁裝置，也是輸配電中不可缺少的設(shè)備，它對(duì)電能的經(jīng)濟(jì)傳輸、靈活分配與安全使用具有重要的意義。它不僅主要用來(lái)改變電壓，也可以用來(lái)改變電流，改變阻抗或在控制系統(tǒng)中變換傳遞信號(hào)。我們將以一般用途的電

2、力變壓器為主，研究其基本原理與運(yùn)行特性，還將對(duì)特殊用途的變壓器作介紹。15.1.1 磁路基礎(chǔ)與磁路基本定律lKMi 1 磁路基礎(chǔ)磁路是由鐵心與線圈構(gòu)成的讓磁通集中通過(guò)的閉合回路，如圖15-1所示。描述磁路及磁場(chǎng)的基本物理量：磁感應(yīng)強(qiáng)度B，磁場(chǎng)強(qiáng)度H，磁通量及磁導(dǎo)率，物理中已學(xué)過(guò)，不再贅述。圖15-1 磁路構(gòu)成磁路的重要材料是鐵磁性材料，鐵磁性材料的磁性能與損耗是分析磁路所必須熟知的。鐵磁性材料主要有鑄鋼、硅鋼片、鐵及其與鈷鎳的合金、鐵氧體等，它們?cè)谕獯艌?chǎng)的作用下將被強(qiáng)烈地磁化，使磁場(chǎng)顯著增強(qiáng)，可以把絕大部分磁力線集中在其內(nèi)部和一定的方向上。高導(dǎo)磁性、磁飽和性和磁滯性是鐵磁性材料的三大主要性能。

3、高導(dǎo)磁性即其相對(duì)磁導(dǎo)率很大（數(shù)千以至數(shù)萬(wàn)之大），且隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H的不同而變化，這是由于構(gòu)成鐵磁性材料的微觀分子團(tuán)具有磁疇結(jié)構(gòu)（關(guān)于磁疇的概念物理學(xué)中已有詳述）。利用優(yōu)質(zhì)的磁性材料可以實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流小，磁通足夠大的目的，可以使同一容量的電機(jī)設(shè)施的重量和體積大大減輕和減小。磁飽和性即磁性材料的磁化磁場(chǎng)B（或）隨著外磁場(chǎng)H（或I）的增強(qiáng)，并非無(wú)限地增強(qiáng)，而是當(dāng)全部磁疇的磁場(chǎng)方向都轉(zhuǎn)向與外磁場(chǎng)一致時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B不再增大，達(dá)到飽和值。亦即鐵磁性材料的磁化曲線是非線性的，如圖15-2所示。為了盡可能大地獲得強(qiáng)磁場(chǎng)，一般電機(jī)鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度常設(shè)計(jì)在曲線的拐點(diǎn)a附近。badH(i)HCBrB()e f0hcg0

4、bHaBB1BB0圖15-2 磁性材料的磁化曲線 圖15-3 鐵磁材料的磁滯回線磁滯性則主要表現(xiàn)在當(dāng)磁化電流為交變電流使磁性材料被反復(fù)磁化時(shí)，磁化曲線為封閉曲線，稱為磁滯回線。如圖15-3所示，回線具有對(duì)稱性，Bm為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，當(dāng)磁化電流減小使H為0時(shí)，B的變化滯后于H，有剩磁B r。為消除剩磁，須加反向磁場(chǎng)H c，稱為矯頑磁力。產(chǎn)生磁滯現(xiàn)象的原因是鐵磁材料中磁分子在磁化過(guò)程中彼此具有摩擦力而互相牽制。由此引起的損耗叫磁滯損耗。不同的鐵磁性材料，其磁滯回線的面積不同（物理學(xué)上可證明，單位體積的鐵磁材料因磁滯性引起的損耗正比于回線的面積）形狀也不同。據(jù)此可將鐵磁材料分為三大類，第一大類是軟磁

5、性材料，其回線呈細(xì)長(zhǎng)條形，B r小，H c也小，磁導(dǎo)率高，易磁化也易退磁，常用作交流電器的鐵心，如硅鋼片、坡莫合金、鑄鋼、鑄鐵、軟磁鐵氧體等；第二大類是硬磁性材料，回線呈闊葉形狀，B r較大，H c也較大，常在揚(yáng)聲器、傳感器、微電機(jī)及儀表中使用，是人造永久磁鐵的主要材料，如鎢鋼、鈷鋼等；還有一種回線呈矩形形狀的鐵磁材料，B r大，但H c小，稱為矩磁性材料，可以在電子計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中用作磁芯等記憶性元件。常見(jiàn)的鐵磁性材料見(jiàn)表15-1。表15-1 常用鐵磁材料 類別材料maxBr（T）Hc（A/m）鑄 鐵2000.4750.5008001040硅鋼片8000100000.8001.2003264坡

6、莫合金2000020000001.100 1.400424碳 鋼0.8001.10024003200鈷 鋼0.7500.950720020000鐵鎳鋁鈷合金1.1001.35040000520002 磁路基本定律(1) 磁路的歐姆定律磁路的歐姆定律是磁路中最基本的定律。如圖15-1所示的磁路叫均勻磁路，即材料相同截面相等的磁路。這種磁路中各點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H大小相等，據(jù)磁場(chǎng)的安培環(huán)路定理（環(huán)路見(jiàn)圖15-1中）： 即而 令 則 （15-1）式中Rm與成反比，反映對(duì)磁通的阻礙作用，稱為磁阻，單位為（H-1）。F=IN是產(chǎn)生的原因，稱為磁動(dòng)勢(shì)，單位為（A）。因此，仿電路歐姆定律的含義，可將稱為磁流。式（

7、15-1）便叫磁路的歐姆定律。與電路歐姆定律相比較，形式相似。并且I/S=J為電流密度，/S=B又稱為磁流密度。但有一點(diǎn)需說(shuō)明的是電路中的電阻是耗電能的，而磁阻Rm是不耗能的。(2) 磁路的克希荷夫定律非均勻磁路的環(huán)路磁壓定律S0S1l1S11 l2S2I2 一般形式的磁路，材料不一定相同，或截面不等，有的還具有極小的空氣隙，如電機(jī)的磁路、繼電器的磁路等，這樣的磁路稱為非均勻磁路。圖15-4便可看作一個(gè)串聯(lián)的非勻磁路，它具有繼電器磁路的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。對(duì)于這樣的磁路，H分段均勻則 （15-2）可寫作：圖4-5 分支并聯(lián)磁路1234KM12式中又常稱作磁路的磁壓降，所以（15-2）式便為非勻磁路的

8、環(huán)路磁壓定律，類似于電路的KVL定律。分支磁路的磁流定律（類似于KCL）對(duì)于圖15-5所示的磁路形式據(jù)磁場(chǎng)的高斯定理。 則有 （15-3） 這便是類似于KCL的分支磁流定律。圖15-5 分支并聯(lián)磁路(3) 磁路的分析與計(jì)算在計(jì)算電機(jī)、電器等的磁路時(shí)，一般預(yù)先給定鐵心的磁通密度（即磁感應(yīng)強(qiáng)度）B，然后按照所給的磁通及磁路各段的尺寸和材料去求產(chǎn)生預(yù)定磁通所需的磁動(dòng)勢(shì)F=IN。磁路歐姆定律從形式上看，可以解決磁路的計(jì)算問(wèn)題，但由于磁導(dǎo)率一般并非常數(shù)，它隨勵(lì)磁電流而變，所以不能直接用歐姆定律去計(jì)算。下面以非勻磁路圖15-4的分析與計(jì)算為例，介紹其求解磁動(dòng)勢(shì)的一般步驟。 由于各段磁路的截面不同，而磁通相

9、同，因此各段磁路中的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bi=/Si，由此求得B 1、B 2、及B 0，其中計(jì)算B 0時(shí)的截面S 0 時(shí)，因很小，可以也取鐵心截面S 2。 據(jù)各段磁路材料的磁化曲線B=f（H），查得與上述B i對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)度H i。其中空氣隙或其它非鐵磁材料的磁場(chǎng)強(qiáng)度H 0=B 0/0=B 0/4×10-7（A/m）可以直接計(jì)算。 計(jì)算各段磁路的磁壓，即、。 利用式（15-2）求出磁動(dòng)勢(shì)IN。15.1.2 鐵心線圈與電磁鐵1鐵心線圈的電磁關(guān)系鐵心線圈的電磁關(guān)系有兩種，一種是用直流來(lái)勵(lì)磁，另一種是用交流勵(lì)磁。直流勵(lì)磁的鐵心線圈，磁通恒定、電流I的大小只與線圈電阻R有關(guān)，功率損耗也只有I 2R，即所

10、謂銅損。而交流鐵心線圈的電磁關(guān)系與功率損耗等是比較復(fù)雜的。它也是變壓器與交流電機(jī)的基礎(chǔ)。圖15-6所示的交流鐵心線圈，其磁動(dòng)勢(shì)iN產(chǎn)生的磁通大部分通過(guò)鐵心閉合，還有一小部分通過(guò)空氣而閉合，前者稱為主磁通或工作磁通，后者稱為漏磁通，這兩個(gè)磁通都要在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即主磁電動(dòng)勢(shì)e和漏磁電動(dòng)勢(shì)，其電磁關(guān)系可表示如下：（注意v1為電壓方向（電壓降即：上+下-），e1為電動(dòng)勢(shì)方向（電壓升即：下+上-）圖15-6 交流鐵心線圈的電磁關(guān)系 其中=N/i=常數(shù)，叫漏電感。而主磁通全部通過(guò)鐵心，與不存在線性關(guān)系，故其L不是常數(shù)。下面定量研究其電磁關(guān)系。設(shè)主磁通= 則，其中0，主要是由鐵心的磁滯性所致。則：

11、式中 其有效值： （15-4）考慮其相位關(guān)系，還可為 （15-5）其中 定義稱為漏感抗，并考慮其相位關(guān)系，可有： （15-6）考察交流鐵心線圈的電路關(guān)系，由KVL可得： （15-7）代入（15-6）式可有： （15-8）通常，線圈內(nèi)阻R和漏感抗都很小，與E比較可忽略不計(jì)，則： （15-9）而交流鐵心線圈的功率損耗，除銅損PCu=I2R外，還有鐵心被反復(fù)磁化而產(chǎn)生的所謂鐵損PFe。鐵損是由磁滯性和鐵心中渦流產(chǎn)生的。磁滯損耗PFe1物理學(xué)中已有證明：?jiǎn)挝惑w積中的磁滯損耗正比于磁滯回線的面積。它將引起鐵心發(fā)熱，故交流電器的鐵心常采用軟磁性材料。硅鋼便是回線面積狹小的磁性材料，為交流電機(jī)與變壓器常用的

12、鐵心材料。渦流損耗PFe2是由交變電流在鐵心內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電流而引起的鐵心發(fā)熱，渦流損耗的大小，不僅與單片鐵心的截面大小有關(guān)，而且與鐵心材料的電阻率與交變電流的頻率有關(guān)，為了減小渦流損耗，在順磁場(chǎng)方向上的鐵心采用彼此絕緣的薄迭形式，為增大鐵心電阻率，常在鋼片中加入半導(dǎo)體材料（如：硅、硒等），而對(duì)于高頻交流場(chǎng)合，常使用鐵粉芯鐵心以減小渦流損耗。當(dāng)然，渦流也有它有用的一面，如感應(yīng)加熱裝置、高頻冶煉爐等便是利用渦流的熱效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。綜上所述，交流鐵心線圈的有功功率（功率損耗）為：P=VIcos=I2RCu+PFe其中PFe的大小與鐵心中磁感應(yīng)強(qiáng)度B 的平方成正比，故B的選擇不宜過(guò)大。R即線圈內(nèi)阻。實(shí)用

13、中，也可將鐵損等效為一個(gè)電阻RFe，其值為RFe=PFe /I 2，這樣，鐵心線圈等效電阻 便為：R=RCuRFe。2電磁鐵利用鐵心線圈通電吸合銜鐵或其它零件，斷電便釋放的一類電磁裝置，是交、直流鐵心線圈最簡(jiǎn)單的應(yīng)用。如電磁起重機(jī)、電磁吸盤、電磁式離合器、電磁繼電器和接觸器等，雖說(shuō)它們作用各異，但均屬于電磁鐵類裝置。此類裝置主要分為鐵心、線圈及銜鐵三部分，它們的結(jié)構(gòu)形式通常有圖15-7所示的幾種。F123FF321F123（a） （b） （c）1線圈 2鐵心 3銜鐵圖15-7 電磁鐵的幾種型式此類裝置的主要參數(shù)之一是它的吸力，吸力的大小與氣隙的截面積SO及氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度B0的平方成正比。牛頓

14、（N） （15-10）式中，BO的單位是特斯拉（T），SO的單位是平方米（m2）。交流電磁鐵中磁場(chǎng)是交變的，設(shè) 則吸力為 =式中是吸力的最大值。我們?cè)谟?jì)算時(shí)只考慮吸引力的平均值。牛頓 （15-11）由式（15-11）可知，吸力在零與最大值Fm之間脈動(dòng)（圖15-8）。因而銜鐵以兩倍電源頻率在顫動(dòng)，引起噪音，同時(shí)觸頭容易損壞。為了消除這種現(xiàn)象，可在磁極的部分端面上套一個(gè)分磁壞（圖15-9）。于是在分磁壞（或稱短路環(huán)）中便產(chǎn)生感應(yīng)電流，以阻礙磁通的變化，使在磁極兩部分中的磁通1與2之間產(chǎn)生一相位差，因而磁極各部分的吸力也就不會(huì)同時(shí)降為零，這就消除了銜鐵的顫動(dòng)，當(dāng)然也就除去了噪音。t0Fm f12圖1

15、5-8 交流電磁鐵的吸力 圖15-9 分磁環(huán)在交流電磁鐵中，為了減小鐵損，它的鐵心是由鋼片疊成。而在直流電磁鐵中，鐵心是用整塊軟鋼制成的。交直流電磁鐵除有上述的不同外，在使用時(shí)我們還應(yīng)該知道，它們?cè)谖线^(guò)程中電流和吸力的變化情況也是不一樣的。在直流電磁鐵中，勵(lì)磁電流僅與線圈電阻有關(guān)，不因氣隙的大小而變。但在交流電磁鐵的吸合過(guò)程中，線圈中電流（有效值）變化很大。因?yàn)槠渲须娏鞑粌H與線圈電阻有關(guān)，還與線圈感抗有關(guān)。在吸合過(guò)程中，隨著氣隙的減小，磁阻減小，線圈的電感增大，因而電流逐漸減小。因此，如果由于某種機(jī)械障礙，銜鐵或機(jī)械可動(dòng)部分被卡住，通電后銜鐵吸合不上，線圈中就流過(guò)較大電流而使線圈嚴(yán)重發(fā)熱，甚

16、至燒毀。這點(diǎn)必須注意。例15-1 有一直流電磁鐵如圖15-10所示，它的鐵心上繞有4000匝線圈，鐵心和銜鐵的材料是鑄鋼，其磁化曲線見(jiàn)圖15-11。由于漏磁，通過(guò)銜鐵橫截面的磁通只有鐵心中磁通的90%。如果銜鐵正處在圖中所示位置時(shí)，鐵心中磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.6T，試求此時(shí)線圈中電流和電磁鐵的吸力。解：由圖15-11的磁化曲線查出，與鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B1=1.6T相對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為H1=5×103A/m0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0×103A/mB 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10×103A/mHcbaabc

17、 T 1.81.61.41.21.00.80.60.40.20.2cml130cmS18cm2l210cmS28cm2 a-鑄鐵， b-鑄鋼， c-硅鋼片 圖15-10 例15-1電磁鐵 圖15-11 部分鐵磁質(zhì)的磁化曲線則電磁鐵鐵心中的磁通為1=B1S1=1.6×8×10-4=12.8×10-4Wb空氣隙中和銜鐵中的磁通為O=2=90%1=0.9×12.8×10-4=11.52×10-4Wb如果空氣隙的橫截面積與銜鐵的橫截面積相等，則空氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度和銜鐵中的磁感應(yīng)強(qiáng)度也相等，即T由圖15-11查得銜鐵中的磁場(chǎng)強(qiáng)度為H 2=3.

18、3×103A/m空氣隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度為A/m因此，由式（15-2）可列出4000I=5×103×30×10-2+3.3×103×10×10-2+1.15×102×0.2×10-2×2=1500+330+4600解之，可得I=1.61A由式（15-10）可求出電磁鐵的吸力N例15-2 圖15-12是一拍合式交流電磁鐵，其磁路尺寸為：c=4cm，=7cm。鐵心由硅鋼片疊成。鐵心和銜鐵的橫截面都是正方形，每邊長(zhǎng)度a=1cm。勵(lì)磁線圈電壓為交流220V。今要求銜鐵在最大空氣隙=1cm（平均值）時(shí)

19、須產(chǎn)生吸力50N，試計(jì)算線圈匝數(shù)和該時(shí)的電流值。計(jì)算時(shí)可忽略漏磁通，并認(rèn)為鐵心和銜鐵的磁阻與空氣隙相比可以不計(jì)。解：按已知吸力求Bm（空氣隙中的和鐵心中的可認(rèn)為相等）。由 得： T計(jì)算線圈匝數(shù)：求初始勵(lì)磁電流：aalcA15.1.3 變壓器結(jié)構(gòu)與原理概述 變壓器在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門中應(yīng)用極為廣泛，它 圖15-12 例15-2電磁鐵的基本原理也是異步電動(dòng)機(jī)和其它一些電氣設(shè)備的 基礎(chǔ)，其主要功用是將某一電壓值的交流電壓轉(zhuǎn)換為同頻率的另一電壓值的交流電壓。還可用來(lái)改變電流、變換阻抗或在控制系統(tǒng)中變換傳遞信號(hào)。 1用途及分類為了適應(yīng)不同的使用目的和工作條件，變壓器的類型很多。一般按變壓器的用途分類，也可按

20、照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、相數(shù)多少、冷卻方式等進(jìn)行分類。按用途分類，變壓器可分為：（1）電力變壓器：升壓變壓器、降壓變壓器、配電變壓器等。（2）儀用變壓器：電壓互感器，電流互感器。（3）特殊變壓器：電爐變壓器、電焊變壓器、整流變壓器等。（4）試驗(yàn)用變壓器：高壓變壓器和調(diào)壓器等。（5）電子設(shè)備及控制線路用變壓器：輸入、輸出變壓器，脈沖變壓器、電源變壓器等。按繞組的多少、變壓器可分為雙繞組、三繞組、多繞組以及自耦（單繞組）變壓器；根據(jù)變壓器的鐵心結(jié)構(gòu)，又分芯式變壓器與殼式變壓器；按相數(shù)的多少，分為單相變壓器、三相變壓器和多相變壓器等。按冷動(dòng)方式分，有用空氣冷卻的干式變壓器和用變壓器油冷卻的油浸式變壓器等。作為電

21、能傳輸過(guò)程中使用的電力變壓器，其傳輸過(guò)程如圖15-13所示。110kV 35kV 10kV 380V 用戶發(fā)電廠 一次變電所 二次變電所 配電區(qū)發(fā)電機(jī) 升壓變壓器 降壓變壓器 降壓變壓器 配電變壓器圖15-13 電能傳輸過(guò)程示意為了減小線路損耗，采用高壓輸電到遠(yuǎn)途用電區(qū)，常用的高壓輸電電壓有110kV、220kV、300kV、400kV、500kV和750kV。為了靈活分配和安全用電的需要，又用降壓變壓器分配到各工廠用戶，通常低電壓有220V、380V、660V。變壓器種類雖繁多，但它們的基本結(jié)構(gòu)，作用原理和分析它們的方法仍是相同的。2工作原理簡(jiǎn)述V1V21 2KM圖15-14為一最簡(jiǎn)單的原理

22、變壓器，它由一個(gè)作為電磁鐵的鐵心和繞在鐵心柱上的兩個(gè)或兩個(gè)以上的繞組組成。其中接電源的繞組叫原繞組（又稱初級(jí)繞組、一次繞組），接負(fù)載的繞組稱為副繞組（又稱次級(jí)繞組、二次繞組）。圖15-14 變壓器原理圖變壓器的工作原理是以鐵心中集中通過(guò)的磁通為橋梁的典型的互感現(xiàn)象，原繞組加交變電流產(chǎn)生交變磁通，副繞組受感應(yīng)而生電。它是電磁電轉(zhuǎn)換的靜止電磁裝置。3基本結(jié)構(gòu)一般的電力變壓器主要由鐵心、線圈（即繞組）、冷卻裝置三大部分組成，鐵心和線圈是變壓器的主體，又叫做器身。圖15-15為三相油浸式電力變壓器的結(jié)構(gòu)示意。從鐵心與繞組的相對(duì)位置看，變壓器有芯式和殼式兩種。繞組包著鐵心的叫芯式變壓器、鐵心包著繞組的叫

23、殼式變壓器，如圖15-16所示。單相或三相電力變壓器多為芯式，小容量的單相變壓器常制成殼式。1-鐵心, 2-線圈, 3-油箱, 4-冷卻管,5-冷卻管法蘭盤, 6-鐵心夾緊螺絲,7-小車, 8-低壓套管, 9-高壓套管, (a)芯式 (b)殼式10-儲(chǔ)油柜, 11-油位表.圖15-15 三相變壓器結(jié)構(gòu)示意圖 圖15-16 變壓器器身結(jié)構(gòu)鐵心是變壓器的磁路部分，由鐵心柱和鐵軛兩部分組成，繞組套在鐵心柱上，鐵軛的作用是使磁路閉合，為了減少交變磁通在鐵心中產(chǎn)生的渦流和磁滯損耗，鐵心用含硅5%左右、厚0.350.5毫米的硅鋼片疊成，硅鋼片兩面涂有絕緣漆，使之相互絕緣，硅鋼片一般均為交疊式裝配，疊裝次序

24、如圖15-17中數(shù)字所示。這樣裝配可以減小接縫間氣隙，降低磁阻，可減小空載勵(lì)磁電流，同時(shí)也增加了鐵心柱與鐵軛間的機(jī)械聯(lián)系，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。鐵心柱的截面有矩形與階梯形兩種，如圖15-18所示，容量較大的變壓器鐵心截面做成圓內(nèi)接的階梯形，容量越大階梯數(shù)越多，這樣可以充分利用線圈內(nèi)的圓形空間，增大鐵心柱的有效截面，減小漏磁通。小容量變壓器一般采用矩形截面。控制用小型或微型變壓器一般以坡莫合金做鐵心。135層135層 246層246層（a）單相芯式 （b）三相芯式 （c）單相殼式圖15-17 硅鋼片疊裝方法 （a）同心式 （b）交迭式 圖15-18 鐵心截面形狀 圖15-19 高、低壓線圈的安裝方式 變壓器

25、的高、低壓繞組在鐵心柱上有同心式和交迭式兩種安裝方式。同心式繞組一般為低壓線圈在內(nèi)，高壓線圈在外，便于絕緣，如圖15-19（a）所示。交迭式繞組是把高、低壓線圈分成若干部分，每部分呈盤狀，沿鐵心柱交錯(cuò)套裝，如圖15-19（b）所示，這種安裝方式比較牢固，但絕緣比較復(fù)雜，我國(guó)電力變壓器一般都采用同心式。變壓器的冷卻方式可分為：（1）干式自然冷卻或風(fēng)冷；（2）油浸自然冷卻；（3）油浸風(fēng)冷，帶有吹風(fēng)裝置；（4）油浸強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻，即用油泵強(qiáng)迫油循環(huán)，把油抽出送到冷卻器冷卻后送回油箱。中小型電力變壓器大都采用油浸自然冷卻式，變壓器油是從石油中提煉出來(lái)的絕緣油，圖15-20 油浸式變壓器外形既是絕緣介質(zhì)

26、，又是散熱媒介，通過(guò)油的對(duì)流作用把線圈及鐵心上的熱量帶給油箱表面，散發(fā)到空氣中，圖15-20便為常見(jiàn)的油浸式變壓器外形。 4銘牌數(shù)據(jù)變壓器的銘牌上主要記載著變壓器的型號(hào)、額定容量、額定電壓、額定電流、額定頻率、相數(shù)、接線方式、冷卻方式等。變壓器的額定值主要有：（1）額定容量S N變壓器在額定工作條件下輸出能力的保證值。（2）額定電壓V1N和V2N原邊額定電壓V1N是在正常運(yùn)行時(shí)原邊允許接入的電壓；副邊額定電壓V2N是V1N作用時(shí)的副邊空載電壓。對(duì)于三相變壓器，額定電壓指線電壓，單位為V或kV。（3）額定電流I1N和I2N變壓器在額定容量情況下，各繞組長(zhǎng)期允許通過(guò)的電流，單位為A。對(duì)單相變壓器：

27、 對(duì)三相變壓器： 注意：三相變壓器的I1N和I2 N均指線電流。此外，額定運(yùn)行時(shí)變壓器的效率，溫升，頻率等數(shù)據(jù)也是額定值。15.1.4 單相變壓器及其運(yùn)行特性e2 v20v1 e1KMi10S 1變壓器的空載運(yùn)行ZL空載狀態(tài)的變壓器如圖15-21所示，由于其輸出電流2=O，故其原繞組中的電磁關(guān)系與交流鐵心線圈完全一樣，且副繞組中只有互感電動(dòng)勢(shì)e 2，沒(méi)有漏磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其原副邊電路方程為：（注意所有方向均為參考方向， v1為電壓方向（電壓降即：上+下-），e1為電動(dòng)勢(shì)方向（電壓升即：下+上-），假若線圈繞組方向相同，由于兩線圈內(nèi)磁鏈方向相反，所以電動(dòng)勢(shì)方向正好相反）圖15-21 變壓器的空載運(yùn)

28、行（15-12） 其中 為原繞組漏感抗。且 忽略空載運(yùn)行時(shí)變壓器的銅損（I1010%I1N）與漏磁則 (15-13)稱為變壓器的變壓比，又稱基本變比,它表明變壓器的電壓與繞組匝數(shù)成正比。2變壓器的有載運(yùn)行特性v1 KMi1e11N1 N2 v2i2e2變壓器副邊接上負(fù)載的狀態(tài)叫變壓器的有載運(yùn)行狀態(tài)，如圖15-22所示。接上負(fù)載后副繞組中就有電流2流過(guò)，ZL故其不僅要在副繞組中產(chǎn)生壓降2R2，而且還將在副繞組周圍產(chǎn)生漏磁通，進(jìn)而圖15-22 變壓器的有載運(yùn)行產(chǎn)生漏磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。則其電路方程為：原邊 副邊 （15-14）負(fù)載 其中 為副繞組的漏感抗此時(shí)鐵心中的主磁通實(shí)際是由1N1和2N2共同產(chǎn)生的

29、（滿足楞次定律），與空載時(shí)較之，當(dāng)輸入電壓不變時(shí)都有： （15-15）故鐵心中主磁通的大小基本不變，則產(chǎn)生該磁通的磁動(dòng)勢(shì)也應(yīng)保持恒定，即： （15-16）ZLX1X2R1R2此式稱為磁動(dòng)勢(shì)平衡方程，可理解為的一部分用于建立主磁通，另一部分用于補(bǔ)償。將與代入（15-14）式，則有(15-17) 圖15-23 變壓器的等效電路圖可將有載運(yùn)行的變壓器等效為圖15-23所示的電磁路形式，這樣分析起來(lái)方便，且忽略漏磁與銅損時(shí)便為一個(gè)理想變壓器。下面介紹變壓器的運(yùn)行特性。 （1）變壓器的輸出特性（外特性）在輸入電壓不變的情況下，變壓器輸出電壓V2關(guān)于負(fù)載大小及性質(zhì)的關(guān)系V2=f（I2）稱為變壓器的外特性。

30、一般情況下，其輸出特性如圖15-24所示，功率因數(shù)（感性）愈低，輸出電壓下降愈多，副邊電流達(dá)到額定值I2N時(shí)的電壓變化率表作： （15-18）一般電力變壓器的電壓變化率5%。V2I2I2NV2O0（容性）（阻性）（感性）P2M0圖15-24 變壓器的外特性 圖15-25 變壓器的效率曲線（2）變壓器的功耗與效率變壓器的功率損耗包括銅損與鐵損兩部分，其中銅損隨負(fù)載電流的變化而變化，叫作可變損耗；鐵損包括磁滯損耗和渦流損耗兩部分，它僅與主磁通相關(guān)，電源 電壓不變時(shí)，基本不變，故也基本不變,稱為不變損耗。變壓器的效率即輸出功率P2占輸入功率P1的百分比，故其為： （15-19）其大小關(guān)于P2的關(guān)系曲

31、線如圖15-25所示，可以證明，當(dāng)=時(shí)，其效率最大（這一特點(diǎn)同樣適用于電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)，是電磁類用電設(shè)施的共性）。大型電力變壓器額定負(fù)載時(shí)的效率可高達(dá)97%以上。3變壓器的變流與變阻抗作用實(shí)際應(yīng)用的變壓器，其銅損與漏磁都很小，可以忽略不計(jì)，故其不單具有最基本的變壓作用： （15-20）還具有變流與變阻抗作用由磁動(dòng)勢(shì)平衡方程（15-16）式，空載電流I10，只有額定電流I1N的百分之幾，故I10N1可以忽略，則有：其大小有關(guān)系： （15-21）即原副繞組中電流與其匝數(shù)成反比，這便是其變流作用。關(guān)于變壓器的變阻抗作用，是電子技術(shù)中的一種典型應(yīng)用，即阻抗匹配。意即為使某一V2V1V1I1|ZL |ZL

32、 |I2I1特定負(fù)載從信號(hào)源中獲取最大功率，常在其前面配置一個(gè)變壓器，使其滿足的匹配條件。為負(fù)載配置變壓器后的等效阻抗，為信號(hào)源內(nèi)阻抗。又稱的折算阻抗，如圖15-26所示，亦即將折算到原邊時(shí)的等效阻抗。圖15-26 變壓器的折算阻抗示意圖 由圖15-26 則 （15-22）RLR0這就是所謂變壓器的變阻抗作用，只要配備的變壓器變比合適，便可使信號(hào)源提供最大功率給負(fù)載。例15-3 圖15-27中交流信號(hào)源E=120V，RO=800，負(fù)載電阻為RL=8的揚(yáng)聲器，(1) 若RL折算到原邊的等效電阻，求變壓器的變比和信號(hào)源的輸出功率；(2) 若將負(fù)載直接與信號(hào)源連接時(shí)， 圖15-27 例15-3電路圖

33、信號(hào)源輸出多大功率？解：（1）由 則變比 信號(hào)源的輸出功率 （2）直接接負(fù)載時(shí) 可以證明：阻抗匹配情況下，負(fù)載中電流增大了5倍多。yØAYØØ BØ bzØZØØ CØ cxØXØØ AØ aBC15.1.5 其它變壓器和變壓器繞組的極性 1三相變壓器電力變壓器都是三相制的，三相變壓器在電力系統(tǒng)中占據(jù)著特殊重要的地位。三相變壓器一般采用芯式，其原理結(jié)構(gòu)如圖15-28所示，原繞組的首末端分別為A、B、C和X、Y、Z，副繞組的首末端用a、b、c和x、y、z表示。三相繞組的聯(lián)接方式

34、有多種，常用的有Y/YO和Y/，圖15-29即為這兩種接法的接 圖15-28 三相芯式變壓器結(jié)構(gòu)圖線情況與電壓關(guān)系。ACBacbACBacb圖15-29 三相變壓器的常用聯(lián)接方式2 特殊變壓器除了傳輸能量的電力變壓器外，尚有多種特殊用途的變壓器，它們雖然結(jié)構(gòu)與外形不盡相同，但基本原理完全一樣，下面介紹幾種常見(jiàn)的特殊變壓器。(1)自耦變壓器（調(diào)壓器）這是一種實(shí)驗(yàn)室常用的變壓器，它只有一個(gè)繞組，副繞組是原繞組的一部分，其原理電路如圖15-30所示。所不同的是由于兩邊共用一個(gè)繞組，故繞組的線徑需考慮同時(shí)滿足兩邊電流的需要，較粗些；兩邊有直接連接的電關(guān)系，故36V以下，也不可認(rèn)為是安全電源。其外形結(jié)構(gòu)

35、如圖15-31所示，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)手輪便可自由滑動(dòng)N2的動(dòng)觸點(diǎn)a，連續(xù)地調(diào)節(jié)其輸出電壓與電流。a 3ZLN1N2AX x 42115-30 自耦調(diào)壓器原理電路 圖15-31 自耦調(diào)壓器外形(2) 互感器為了測(cè)量交流高電壓與大電流等電參量，輸配電裝置的配置盤（板）上需為測(cè)量?jī)x表配用互感器，電壓互感器與電流互感器是常用的兩種特殊變壓器。下面以電流互感器為例，簡(jiǎn)介其應(yīng)用。電流互感器是利用變壓器的變流作用，來(lái)擴(kuò)大電流表的測(cè)量量程的，其原理電路及其符號(hào)如圖15-32所示。為保證安全，副繞組一端與互感器外殼都必須接地。另外，副繞組側(cè)切不可開(kāi)路，除會(huì)有危險(xiǎn)高壓外，負(fù)載電流I1將使互感器鐵心嚴(yán)重發(fā)熱，導(dǎo)致退磁并燒毀

36、。鉗形電流表是電流互感器的一種變形應(yīng)用，如圖15-33所示，它可以不必?cái)嚅_(kāi)電路就可在線測(cè)量線路中電流。AI1 I2 N1 N2 負(fù)載N1 AI2 I1 圖15-32 電流互感器的理電路及符號(hào) 圖15-33 鉗形電流表（3）電焊變壓器用于金屬焊接的電焊變壓器結(jié)構(gòu)如圖15-34所示，它是利用副邊短路產(chǎn)生電弧熔化金屬焊條與被焊件而實(shí)現(xiàn)焊接的。其外特性如圖15-35所示。焊接電流小焊接電流大021I2·可調(diào)電抗器 電源變壓器 V2 活動(dòng)鐵芯 V1 圖15-34 電焊變壓器示意圖 圖15-35 電焊變壓器外特性其中動(dòng)鐵心是為調(diào)節(jié)焊接電流而設(shè)置的（請(qǐng)同學(xué)自己分析，抽出動(dòng)鐵心時(shí)，焊接電流增大還是減

37、少，為什么？）。另外，為保證焊接人員的安全,輸出空載電壓V20應(yīng)小于60V。3變壓器繞組的極性及其測(cè)定在使用變壓器或者其它有磁耦合的互感線圈、特別是多繞組情況時(shí)，要注意線圈的正確聯(lián)接，不慎接錯(cuò)，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致線圈被燒毀。如圖15-36所示的兩線圈，若其屬于變壓器的同一邊時(shí)，串聯(lián)聯(lián)接只能是2與4連（或1與3連），若1與4連（或2與3連）則其產(chǎn)生的兩磁通等值反向，互相抵消。繞組中將因電流過(guò)大而把變壓器燒毀。即使是并聯(lián)聯(lián)接，也有上述現(xiàn)象發(fā)生。而若線圈匝數(shù)不相同時(shí)，除并聯(lián)聯(lián)接使用不允許外，串聯(lián)聯(lián)接也會(huì)有兩磁通相加或相減之別，使其輸出電壓不同。為此，我們?yōu)榫€圈定義所謂同極性端，并以記號(hào)“·”標(biāo)注。

38、定義為：（多）繞組產(chǎn)生同向磁通時(shí)對(duì)應(yīng)的電流流入端（或出端），稱為繞組的同極性端（俗稱同名端）。如圖15-36中的1和4便為同名端（當(dāng)然2和3也是）。這樣，當(dāng)電流由同名端流入（或流出）時(shí)，產(chǎn)生的磁通方向相同；由異名端流入（或流出）時(shí)，磁通相消。當(dāng)然，只要繞組的繞向已知，同名端極易判定，但是，已經(jīng)制成的變壓器或電機(jī)，從外部已無(wú)法辯認(rèn)其具體的繞向，又不允許拆開(kāi)，這就需要設(shè)法測(cè)定其同極性端了。下面介紹兩種常用的測(cè)定方法。V1234mA1234+S1234 （a）交流法 （b）直流法圖15-36 同極性端 圖15-37 同極性端的測(cè)定法（1）交流法將兩個(gè)繞組1-2和3-4的任意兩端（如2和4）聯(lián)接在一起

39、，在其中一個(gè)繞組兩端加一個(gè)較小的交流電壓，用交流電壓表分別測(cè)量1、3和3、4兩端的電壓V13及V34，如圖15-37（a）所示。若V13=V12+V14，則1和4同名；若V13=|V12-V34|，則1和3同名。（2）直流法直流法測(cè)繞組同名端的電路如圖15-37（b）所示，閉合s之瞬，若mA表正擺，則1、3同名；若mA表反擺，則1、4同名。（兩法原因如何，請(qǐng)同學(xué)自析之） 15.1.6小型變壓器的設(shè)計(jì)與計(jì)算一般工頻（50HZ）范圍工作的電源變壓器、安全行燈變壓器和控制用變壓器等小型單相變壓器的設(shè)計(jì)與計(jì)算大致有六部分內(nèi)容：V1 N1V4I4I2I3I1V3V2N2N3N41、 計(jì)算變壓器的輸出總視

40、在功率S2；2、 計(jì)算變壓器的輸入視在功率S1及輸入電流I1和額定容量；3、 確定變壓器鐵心截面積SFe及選用硅鋼片尺寸；4、 計(jì)算各繞組的匝數(shù)Ni；5、 計(jì)算各繞組的導(dǎo)線直徑di和選擇導(dǎo)線；6、 計(jì)算繞組的總尺寸，并核算鐵心窗口面積。 圖15-38 小型單相變壓器 下面以圖15-38為例，介紹其設(shè)計(jì)與計(jì)算步驟：一、根據(jù)負(fù)載的實(shí)際需要，求出變壓器輸出的總視在功率S2 S2=V2I2+V3I3+VnIn式中V2、V3Vn為副邊各繞組電壓，單位為V；I2、I3In為副邊各繞組電流，單位為A。二、變壓器輸入視在功率S1及輸入電流I1和額定容量S S1=式中為變壓器的效率。其大小與變壓器的功率有關(guān)，可

41、參考表15-2中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 表15-2 變壓器效率與功率的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)功率（VA） 20 20-50 50-100 100-200 200效率（%） 70-80 80-85 85-90 90-95 95輸入電流I1 I1=1.11.2式中V1為原邊電壓；1.11.2為考慮變壓器空載電流時(shí)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，容量越大，其值越大。變壓器的額定容量一般取原、副邊容量之和的平均值，即 S=三、確定變壓器鐵心截面積SFe和選用硅鋼片尺寸小型單相變壓器的鐵心多采用殼式結(jié)構(gòu)，鐵心的幾何尺寸如圖15-39所示。它的中柱截面積SFe與變壓器功率有關(guān)，一般可按下面的經(jīng)驗(yàn)公式?jīng)Q定： SFe=KAHhacdSFeba式中SFe

42、的單位用m2；K為與硅鋼片質(zhì)量有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。質(zhì)量越好，K值越小。一般選在1.01.5之間。而S是指額定容量。由于硅鋼片之間的絕緣與間隙，實(shí)際鐵心截面積略大于計(jì)算值。鐵心厚度b與舌寬a之比，應(yīng)在12 圖15-39 小型變壓器硅鋼片尺寸之間。四、計(jì)算每個(gè)繞組的匝數(shù)由VE=4.44fNm=4.44fNBmSFe可以導(dǎo)出每伏所需要的匝數(shù)為 NO=式中NO的單位為匝/V；Bm為鐵心柱磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值，單位為T，一般冷軋硅鋼片Bm取1.21.4T；熱軋硅鋼片取1.01.2T；普通鐵皮的Bm在0.7T以下。這樣，每個(gè)繞組的匝數(shù)分別為 N1=V1 NO； N2=1.05V2NO， N3=1.05V3NO，式

43、中1.05是考慮副繞組內(nèi)部的阻抗壓降而增加的匝數(shù)系數(shù)。 五、計(jì)算各繞組導(dǎo)線的直徑di 導(dǎo)線直徑可以按下式計(jì)算 Ii=Sij式中 Ii為繞組電流，單位為A；Si為導(dǎo)線截面積，單位為mm2；di為導(dǎo)線直徑，單位為mm；j為電流密度，單位A/mm2。則 di=上式中電流密度一般選用j=23A/mm2，短時(shí)工作的變壓器可取j=45A/mm2。 根據(jù)計(jì)算的直徑di查圓導(dǎo)線規(guī)格表，選出標(biāo)稱直徑接近而稍大的標(biāo)準(zhǔn)漆包線。六、計(jì)算繞組的總尺寸，校核鐵心窗口面積變壓器線圈需繞在框架上，根據(jù)已知的繞組匝數(shù)、線徑、絕緣厚度等計(jì)算出的繞組總厚度應(yīng)小于鐵心窗口寬度c，否則，應(yīng)重新計(jì)算或選鐵心才行。鐵心選定后，自制線圈框架

44、（略），線圈框架長(zhǎng)度應(yīng)等于窗口高度h。線圈在框架兩端約有10%不繞線。因此，框架的有效長(zhǎng)度為 h/=0.9（h-2）mm計(jì)算各繞組每層可繞匝數(shù)Nn 式中 Kp為排繞系數(shù)。按線徑粗細(xì)，一般選在1.051.15之間； d/n為包括絕緣厚度在內(nèi)的導(dǎo)線直徑。每組繞組需繞的層數(shù)m為 m=則原繞組的總厚度B1為 B1=m1（d/1+1）+r1式中 1為層間絕緣厚度。導(dǎo)線直徑在0.2mm以下的，采用每一層厚為0.020.04mm的白玻璃紙即可；0.2mm以上的，采用厚為0.050.08mm的絕緣紙；再粗的導(dǎo)線，可采用厚為0.12mm的絕緣紙。 r1是繞組間絕緣厚度。是指原、副繞組間的絕緣層。當(dāng)電壓在500V

45、以下時(shí)，可用厚為0.12mm的絕緣紙或用23層白玻璃紙夾一層聚酯薄膜。 同理，計(jì)算出各個(gè)副繞組的厚度Bi所有繞組的總厚度為 B=（BO+B1+B2+B3+）（1.11.2）式中BO為繞組框架的厚度，單位為mm；1.11.2為疊繞系數(shù)。如果Bc時(shí)，即可進(jìn)行繞組的繞制。否則，需重選鐵心，重新計(jì)算。15.2 異步電動(dòng)機(jī)15.2.1 電機(jī)概述電機(jī)主要是完成機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的機(jī)械，依其功能劃分可分為發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)。從原理上講，同一電機(jī)既可作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，稱為電機(jī)的可逆性。按產(chǎn)生或消耗的是什么形式的電能，又可分為直流電機(jī)和交流電機(jī)。交流電機(jī)又有同步與異之分，單相與三相之別；直流電機(jī)則

46、按勵(lì)磁方式的不同有他勵(lì)與自勵(lì)之分，自勵(lì)包括串勵(lì)、并勵(lì)和復(fù)勵(lì)三種。此外，還有用于轉(zhuǎn)換與傳遞信號(hào)的，作為執(zhí)行、檢測(cè)和解算元件的微特小電機(jī)，這類電機(jī)也交直流均有，統(tǒng)稱為控制電機(jī)。絕大多數(shù)電機(jī)是旋轉(zhuǎn)電機(jī)，也有少數(shù)是作直線運(yùn)動(dòng)的。旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)相類似，均由固定不動(dòng)的定子，可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子和定轉(zhuǎn)子間空氣隙三部分組成，一般定、轉(zhuǎn)子都由鐵心和繞組構(gòu)成。交流電機(jī)中的同步電機(jī)，因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)昂貴（同容量的異步機(jī)價(jià)格只為同步機(jī)的1/10），轉(zhuǎn)速恒定不可調(diào)，可使，一般常作發(fā)電機(jī)用。而異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（重量只有同容量直流機(jī)的1/3），操作方便，運(yùn)行可靠，造價(jià)便宜，調(diào)速較易，維修方便，常作為電動(dòng)機(jī)使用，在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，交流異步電動(dòng)機(jī)約占85%以上。直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，笨重，造價(jià)較