第3章 磁路及應(yīng)用

第3章磁路及應(yīng)用磁路的基本物理量和定律變壓器三相異步電動(dòng)機(jī)學(xué)習(xí)要點(diǎn)3.1磁路的基本物理量1．磁感應(yīng)強(qiáng)度B磁感應(yīng)強(qiáng)度B是表示磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)弱及方向的物理量。B的大小等于通過(guò)垂直于磁場(chǎng)方向單位面積的磁力線數(shù)目，B的方向用右手螺旋定則確定。單位是特斯拉(T)。2．磁通Φ均勻磁場(chǎng)中磁通Φ等于磁感應(yīng)強(qiáng)度B與垂直于磁場(chǎng)方向的面積S的乘積，單位是韋伯(Wb)。3．磁導(dǎo)率μ磁導(dǎo)率μ表示物質(zhì)的導(dǎo)磁性能，單位是亨/米(H/m)。真空的磁導(dǎo)率非鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率與真空極為接近，鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于真空的磁導(dǎo)率。

相對(duì)磁導(dǎo)率μr：物質(zhì)磁導(dǎo)率與真空磁導(dǎo)率的比值。非鐵磁物質(zhì)μr近似為1，鐵磁物質(zhì)的μr遠(yuǎn)大于1。4．磁場(chǎng)強(qiáng)度H

磁場(chǎng)強(qiáng)度只與產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流以及這些電流分布有關(guān)，而與磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率無(wú)關(guān)，單位是安／米（A／m）。是為了簡(jiǎn)化計(jì)算而引入的輔助物理量。3.2鐵磁材料的磁性能高導(dǎo)磁性：磁導(dǎo)率可達(dá)102~104，由鐵磁材料組成的磁路磁阻很小，在線圈中通入較小的電流即可獲得較大的磁通。磁飽和性：B不會(huì)隨H的增強(qiáng)而無(wú)限增強(qiáng)，H增大到一定值時(shí)，B不能繼續(xù)增強(qiáng)。磁滯性：鐵心線圈中通過(guò)交變電流時(shí)，H的大小和方向都會(huì)改變，鐵心在交變磁場(chǎng)中反復(fù)磁化，在反復(fù)磁化的過(guò)程中，B的變化總是滯后于H的變化。鐵磁材料的類型：軟磁材料：磁導(dǎo)率高，磁滯特性不明顯，矯頑力和剩磁都小，磁滯回線較窄，磁滯損耗小。硬磁材料：剩磁和矯頑力均較大，磁滯性明顯，磁滯回線較寬。矩磁材料：只要受較小的外磁場(chǎng)作用就能磁化到飽和，當(dāng)外磁場(chǎng)去掉，磁性仍保持，磁滯回線幾乎成矩形。磁化曲線磁滯回線3．3磁路定律

3.3.1磁路歐姆定律稱為磁阻，表示磁路對(duì)磁通的阻礙作用。因鐵磁物質(zhì)的磁阻Rm不是常數(shù)，它會(huì)隨勵(lì)磁電流I的改變而改變，因而通常不能用磁路的歐姆定律直接計(jì)算，但可以用于定性分析很多磁路問(wèn)題。3.3.2電磁感應(yīng)定律

3.4變壓器3.4.1變壓器的工作原理原繞組匝數(shù)為N1，電壓u1，電流i1，主磁電動(dòng)勢(shì)e1，漏磁電動(dòng)勢(shì)eσ1；副繞組匝數(shù)為N2，電壓u2，電流i2，主磁電動(dòng)勢(shì)e2，漏磁電動(dòng)勢(shì)eσ2。1．電壓變換原繞組的電壓方程：副繞組的電壓方程：忽略電阻R1和漏抗Xσ1的電壓，則：k稱為變壓器的變比。2．電流變換由U1≈E1=4.44N1fΦm可知，U1和f不變時(shí)，E1和Φm也都基本不變。因此，有負(fù)載時(shí)產(chǎn)生主磁通的原、副繞組的合成磁動(dòng)勢(shì)（i1N1+i2N2）和空載時(shí)產(chǎn)生主磁通的原繞組的磁動(dòng)勢(shì)i0N1基本相等，即：空載電流i0很小，可忽略不計(jì)。3．阻抗變換設(shè)接在變壓器副繞組的負(fù)載阻抗Z的模為|Z|，則：Z反映到原繞組的阻抗模|Z'|為：(1)同極性端的標(biāo)記(2)同極性端的測(cè)定毫安表的指針正偏1和3是同極性端；反偏1和4是同極性端。U13=U12－U34時(shí)1和3是同極性端；U13=U12＋U34時(shí)1和4是同極性端。3.4.2變壓器線圈極性測(cè)定3.4.3特殊變壓器1．自耦變壓器特點(diǎn)：副繞組是原繞組的一部分，原、副壓繞組不但有磁的聯(lián)系，也有電的聯(lián)系。2．儀用互感器(1)電流互感器：原繞組線徑較粗，匝數(shù)很少，與被測(cè)電路負(fù)載串聯(lián)；副繞組線徑較細(xì)，匝數(shù)很多，與電流表及功率表、電度表、繼電器的電流線圈串聯(lián)。用于將大電流變換為小電流。使用時(shí)副繞組電路不允許開(kāi)路。(2)電壓互感器：電壓互感器的原繞組匝數(shù)很多，并聯(lián)于待測(cè)電路兩端；副繞組匝數(shù)較少，與電壓表及電度表、功率表、繼電器的電壓線圈并聯(lián)。用于將高電壓變換成低電壓。使用時(shí)副繞組不允許短路。3.5三相異步電動(dòng)機(jī)3.5.1三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)異步電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)基本部分組成。定子是固定部分，轉(zhuǎn)子是轉(zhuǎn)動(dòng)部分。為了使轉(zhuǎn)子能夠在定子中自由轉(zhuǎn)動(dòng)，定子、轉(zhuǎn)子之間有0.2~2mm的空氣隙。定子主要用來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，它由定子鐵芯、定子繞組、機(jī)殼等組成。轉(zhuǎn)子主要用來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組構(gòu)成。1.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生把三相定子繞組接成星形接到對(duì)稱三相電源，定子繞組中便有對(duì)稱三相電流流過(guò)。3.5.2三相異步電動(dòng)機(jī)的基本原理結(jié)論：(1)在對(duì)稱的三相繞組中通入三相電流，可以產(chǎn)生在空間旋轉(zhuǎn)的合成磁場(chǎng)。(2)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向與電流相序一致。電流相序?yàn)锳-B-C時(shí)磁場(chǎng)順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；電流相序?yàn)锳-C-B時(shí)磁場(chǎng)逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。(3)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速(同步轉(zhuǎn)速)與電流頻率有關(guān)，改變電流頻率可以改變磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速。對(duì)兩極(一對(duì)磁極)磁場(chǎng)，電流變化一周，則磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周。同步轉(zhuǎn)速no與磁場(chǎng)磁極對(duì)數(shù)p的關(guān)系為：2.三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理靜止的轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并在形成閉合回路的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，其方向用右手定則判定。轉(zhuǎn)子電流在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中受到磁場(chǎng)力F的作用，F(xiàn)的方向用左手定則判定。電磁力在轉(zhuǎn)軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向一致。電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其轉(zhuǎn)速n總是稍低于同步轉(zhuǎn)速no，因而稱為異步電動(dòng)機(jī)。又因?yàn)楫a(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的電流是電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的，所以也稱為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的差值與同步轉(zhuǎn)速之比稱為轉(zhuǎn)差率，用s表示，即：轉(zhuǎn)差率是異步電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)。異步電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)差率約為1%~9%。3.5.3三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動(dòng)一、起動(dòng)1．直接起動(dòng)直接起動(dòng)是利用閘刀開(kāi)關(guān)或接觸器將電動(dòng)機(jī)直接接到額定電壓上的起動(dòng)方式，又叫全壓起動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：起動(dòng)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：起動(dòng)電流較大，將使線路電壓下降，影響負(fù)載正常工作。適用范圍：電動(dòng)機(jī)容量在10kW以下，并且小于供電變壓器容量的20％。2．降壓起動(dòng)Y-Δ換接起動(dòng)：在起動(dòng)時(shí)將定子繞組連接成星形，通電后電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)再換接成三角形。適用范圍：正常運(yùn)行時(shí)定子繞組是三角形連接，且每相繞組都有兩個(gè)引出端子的電動(dòng)機(jī)。優(yōu)點(diǎn)：起動(dòng)電流為全壓起動(dòng)時(shí)的1／3。缺點(diǎn)：起動(dòng)轉(zhuǎn)矩均為全壓起動(dòng)時(shí)的1／3。自耦降壓起動(dòng)：利用三相自耦變壓器將電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中的端電壓降低，以達(dá)到減小起動(dòng)電流的目的。自耦變壓器備有40％、60％、80％等多種抽頭，使用時(shí)要根據(jù)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求具體選擇。繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組串入附加電阻后，既可以降低起動(dòng)電流，又可以增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。二、調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：1．變極調(diào)速通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的定子繞組所形成的磁極對(duì)數(shù)p來(lái)調(diào)速。因磁極對(duì)數(shù)只能是按1、2、3、…、的規(guī)律變化，所以用這種方法調(diào)速，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能連續(xù)、平滑地進(jìn)行調(diào)節(jié)。2．變頻調(diào)速通過(guò)變頻器把頻率為50Hz工頻的三相交流電源變換成為頻率和電壓均可調(diào)節(jié)的三相交流電源，然后供給三相異步電動(dòng)機(jī)，從而使電動(dòng)機(jī)的速度得到調(diào)節(jié)。變頻調(diào)速屬于無(wú)級(jí)調(diào)速，具有機(jī)械特性曲線較硬的特點(diǎn)。3．變轉(zhuǎn)差率調(diào)速通過(guò)改變轉(zhuǎn)子繞組中串接調(diào)速電阻的大小來(lái)調(diào)整轉(zhuǎn)差率實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速的，又稱為變阻調(diào)速。調(diào)速電阻的接法與起動(dòng)電阻相同。這種方法只適用于繞線式異步電動(dòng)機(jī)。三、反轉(zhuǎn)因?yàn)槿喈惒诫妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向是由旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向決定的，而旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向取決于定子繞組中通入三相電流的相序。因此，要改變?nèi)喈惒诫妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向非常容易，只要將電動(dòng)機(jī)三相供電電源中的任意兩相對(duì)調(diào)，這時(shí)接到電動(dòng)機(jī)定子繞組的電流相序被改變，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向也被改變，電動(dòng)機(jī)就實(shí)現(xiàn)了反轉(zhuǎn)。四、制動(dòng)1．能耗制動(dòng)電動(dòng)機(jī)定子繞組切斷三相電源后迅速接通直流電源。感應(yīng)電流與直流電產(chǎn)生的固定磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，起到制動(dòng)作用。特點(diǎn)：是制動(dòng)準(zhǔn)確、平穩(wěn)，但需要額外的直流電源。2．反接制動(dòng)電動(dòng)機(jī)停車時(shí)將三相電源中的任意兩相對(duì)調(diào)，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)改變方向，電磁轉(zhuǎn)矩方向也隨之改變，成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。注意：當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近為零時(shí)，要及時(shí)斷開(kāi)電源防止電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。特點(diǎn)：簡(jiǎn)單，制動(dòng)效果好，但由于反接時(shí)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)加快，因而電流較大。對(duì)于功率較大的電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)必須在定子電路（鼠籠式）或轉(zhuǎn)子電路（繞線式）中接入電阻，用以限制電流。3．發(fā)電反饋制動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方向相反，從而限制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，起到了制動(dòng)作用。因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速時(shí)，有電能從電