电工电子技术全套ppt课件

1.1电路的概念,1.2电路的主要物理量,1.3电路的基本元件及其特性,1.4基尔霍夫定律,1.5电路的基本分析方法,直流电路,1.6直流一阶电路的过渡过程,第1章,1.1电路的概念,1.1.1电路组成及其作用,1.1.2电路模型,一、电路的组成,电路：电路是电流流通的路径，是为实现某种功能而将若干电气设备和元器件按一定方式连接起来的整体。,组成：电源、负载和中间环节。,1.1.1电路组成及其作用,电源:提供电能的设备，如发电机、电池、信号源等。负载:指用电设备，如电灯、电动机、洗衣机等。中间环节:把电源和负载连接起来，通常是一些导线、开关、接触器、保护装置等。,日光灯实际电路,二、电路的作用,电力系统中：,电路可以实现电能的传输、分配和转换。,电子技术中：,电路可以实现电信号的传递、存储和处理。,实际电路的分析方法,用仪器仪表对实际电路进行测量，把实际电路抽象为电路模型，用电路理论进行分析、计算。,一、理想电路元件,实际的电路是由一些按需要起不同作用的元件或器件所组成，如发电机、变压器、电动机、电池、电阻器等，它们的电磁性质是很复杂的。,1.1.2电路模型,电容,电感,电压源,电流源,电阻,用于构成电路的电工、电子元器件或设备统称为实际元件。,例如：一个线圈在有电流通过时,消耗电能（电阻性）,产生磁场储存磁场能量（电感性）,忽略R,为了便于分析与计算实际电路，在一定条件下常忽略实际部件的次要因素而突出其主要电磁性质，把它看成理想电路元件。,理想电路元件,将实际电路中的元件用理想电路元件表示，称为实际电路的电路模型。,电源,负载,负载,实体电路,S,中间环节,电路模型,与实体电路相对应的电路图称为实体电路的电路模型。,二、电路模型,电路模型,检验学习结果,2.基本的理想电路元件有几个？各用什么符号表示？,1.什么是电路？一个完整的电路包括哪几部分？各部分的作用是什么？,3.电路中引入电路模型的意义何在？,1.2电路的主要物理量,1.2.1电流,1.2.2电压与电动势,1.2.3电位,1.2.4电能和电功率,一、电流定义,带电粒子或电荷在电场力作用下的定向运动形成电流。单位时间内流过导体截面的电荷量定义为电流强度。,二、电流的单位,A（安培）、mA(毫安）、A（微安）,1.2.1电流,1A=1000mA,1mA=1000A,三、电流的实际方向,正电荷运动的方向。(客观存在）,电流的方向可用箭头表示,也可用字母顺序表示(),大小和方向不随时间变化的电流称为恒定电流。,量值和方向作周期性变化且平均值为零的时变电流，称为交流电流。,1.2.2电压与电动势,一、电压,电场力把单位正电荷从一点移到另一点所做的功。,单位：,定义：,V（伏特）、kV（千伏）、mV(毫伏）,实际方向：,由高电位端指向低电位端。,也可用字母顺序表示,也可用+，-号表示。,电压的方向可用箭头表示,+u-,定义：,电源力把单位正电荷从“-”极板经电源内部移到“+”极板所做的。,单位：,二、电动势,V（伏特）、kV（千伏）、mV(毫伏）,实际方向：,由低电位端指向高电位端,电动势的方向用+，-号表示，,也可用箭头表示。,U=E,电流、电压的参考方向,解题前在电路图上标示的电压、电流方向称为参考方向。,对一个元件，电流参考方向和电压参考方向可以相互独立地任意确定，但为了方便起见，常常将其取为一致，称关联方向;如不一致，称非关联方向。,关联参考方向下：U=IR,非关联参考方向下：U=IR,如果采用关联方向，在标示时标出一种即可。如果采用非关联方向，则必须全部标示。,为什么要在电路图中标示参考方向？,参考方向是为了给方程式中各量前面的正、负号以依据,定义：电场力把单位正电荷从一点移到参考点所做的功。,单位：,V（伏特）、kV（千伏）、mV(毫伏）,（电路中电位参考点：接地点，Vo=0）,1.2.3电位,例:如图（a）所示，E1=12V，E2=3V，R1=R2=R3=3，I1=3A，I2=2A，I3=1A，以a点和b点为参考点，分别求Va，Vb，Vc，Vd及Uab，Uad和Uca。,解：,（1）以b为参考点，则Vb=0。,故有,Va=I3R3=13=3V，Vc=E1=12V，Vd=-E2=-3V,所以,Uab=Va-Vb=3V，Uad=Va-Vd=3-(-3)=6V，Uca=Vc-Va=12-3=9V；,（2）以a为参考点，则Va=0。,Vb=-I3R3=-(13)=-3V，Vc=I1R1=33=9V，Vd=-I2R2=-(23)=-6V,故有,所以,Uab=Va-Vb=0-(-3)=3V，Uad=Va-Vd=0-(-6)=6V，Uca=Vc-Va=9-0=9V。,计算表明，当选取不同的参考点，电路中的各点电位不同，但电压相同。,电能的转换是在电流作功的过程中进行的，因此电能的多少可以用功来量度。,式中电压的单位为伏特【V】，电流单位为安培【A】，时间的单位用秒【s】时，电能（或电功）的单位是焦耳【J】。,日常生产和生活中，电能（或电功）也常用度作为量纲：1度=1KWh=KVAh=1000W3600S=3.6106J,一、电能,1.2.4电能和电功率,功率单位时间内电流所作的功称为电功率，用“P”表示。,功的单位为焦耳，时间单位为秒时，电功率的单位是“瓦”,1W=10-3KW,电阻在t时间内消耗的电能：,1kWh（1千瓦小时称为1度）,若P0，电路实际吸收功率，元件为负载；,若P0，吸收10W功率。（b）关联方向，P=UI=5(2)=10W，P0，吸收10W功率。,例:,例:求图示各元件的功率并区分器件的性质.（a）关联方向，P=UI=12(5)=60W，P0吸收能量,P0时的uc(t)和i(t)。,解：,求初值,求终值,时间常数,代入公式,终值,初值,时间常数,10,0,10,-500t,同理,得：,也可以这样算,时间常数的求法？,例：,时间常数的求法：,RC电路：,时间常数为=R0*C,R0为独立源失效后,从C两端看进去的等效电阻,R0,本例中,RL电路：,时间常数为=L/R0,R0,1.6.3RL电路过渡过程,求如下电路换路后的时间常数,求如下电路换路后的时间常数,R0=?,R0=?,5k,5k,求:电感电压,已知：K在t=0时闭合，换路前电路处于稳态。,解：,1.先求出,2.造出,等效电路，求出电路初值。,例：,3.求稳态值,t=时等效电路,4.求时间常数,5.将三要素代入通用表达式得过渡过程方程,6.画过渡过程曲线（由初始值稳态值）,2.1正弦交流电的表示方法,2.2单一参数的交流电路,2.3电阻、电感、电容元件的串联电路,2.4阻抗的串联与并联,2.5电路中的谐振,正弦交流电路,2.6三相交流电路,第2章,2.1正弦交流电的表示方法,2.1.1正弦交流电的瞬时值表示法,2.1.2正弦交流电的相量表示法,引言,随时间按正弦规律变化的交流电压、电流称为正弦电压、电流。,正弦交流电路的表示方法有瞬时值表示法和相量表示法。,正弦量：,正弦电压、电流等物理量统称为正弦量。,规定电流参考方向如图,正半周：电流实际方向与参考方向相同,负半周：电流实际方向与参考方向相反,+,振幅,角频率,初相角,正弦量的三要素,2.1.1正弦交流电的瞬时值表示法,一、周期、频率、角频率,描述正弦量变化快慢的参数：,周期(T):变化一个循环所需要的时间，单位(s)。,频率(f):单位时间内的周期数单位(Hz)。,角频率():每秒钟变化的弧度数，单位(rad/s)。,三者间的关系示为：,f=1/T,我国和大多数国家采用50Hz作为电力工业标准频率(简称工频)，少数国家采用60Hz。,瞬时值:正弦量任意瞬间的值称为瞬时值，用小写字母表示i、u、e,振幅:正弦量在一个周期内的最大值，用带有下标m的大写字母表示:Im、Um、Em,有效值：一个交流电流的做功能力相当于某一数值的直流电流的做功能力，这个直流电流的数值就叫该交流电流的有效值。用大写字母表示：I、U、E,二、瞬时值、幅值、有效值,描述正弦量数值大小的参数：,振幅Im,同一时间T内消耗的能量,=,=,消耗能量相同,=,即：,则有：,有效值与幅值的关系推导如下：,以电流为例：设同一个负载电阻R，分别通入周期电流i和直流电流I。,设,代入,整理得：,或,同理：,熟记：,可见,周期电流有效值等于它的瞬时值的平方在一个周期内的积分取平均值后再开平方，因此有效值又称为方均根值。,相位：,三、相位、初相、相位差,正弦量：,称为正弦量的相位角或相位。它表明了正弦量的进程。,初相：,t=0时的相位角称为初相角或初相位。,（用的角度表示）,相位差：同频率正弦量的相位角之差或是初相角之差，称为相位差，用表示。,若所取计时时刻（时间零点的选择）不同，则正弦量初相位不同。,i,u,设正弦量：,i和u的相位差为：,如果：,称I超前u角。,如果：,称i滞后u角(如图示）。,相位差等于i和u的初相之差，与时间t无关。,同频率的正弦量才能比较相位；相位差和初相都规定不得超过180。,注意,如果:,其特点是：当一正弦量的值达到最大时，另一正弦量的值刚好是零。,称i与u同相位,简称同相。,如果:,称i与u正交。,如果:,称i与u反相。,同相,正交,反相,当两个同频率的正弦量计时起点改变时，它们的初相位角改变，但相位差不变。,注意,已知的交流电，求它的周期和角频率。,已知,试求电压有效值。,解：,解：,例：,例：,已知工频电压有效值U=220V，初相；工频电流有效值I=22A，初相，求其瞬时值表达式以及它们的相位关系。,工频电的角频率：,电压瞬时值表达式为：,电流瞬时值表达式为：,相位差为：,所以电压超前电流，二者相位关系为正交。,例：,解：,求：,已知相量，求瞬时值。,已知两个频率都为1000Hz的正弦电流其相量形式为：,解：,例：,正弦量的函数式表示：,正弦量的波形图表示：,求和：,求和：,为简化计算采用一种新的表示方法：相量表示法（用复数表示正弦量）,2.1.2正弦交流电的相量表示法,一、复数,1、复数及其表示,设A为复数则：,A=a+jb,（代数式）,其中：a称为复数A的实部，b称为复数A的虚部。,为虚数单位,在复平面上可以用一向量表示复数A，如右图：,a,A,b,模,幅角,复数的几种形式：,（指数式）,（三角式）,（极坐标式）,2、复数运算（熟记公式）,加减运算：,设,则,乘法运算：,设,则,除法运算：,A=a+jb,（代数式）,则,3、旋转因子,（模为1，辐角为的复数）,一个复数乘以,等于把其逆时针旋转角。,相当于把A逆时针旋转90度,A,称为旋转因子,相量,（用复数表示正弦量）,正弦量具有幅值、频率和初相位三个要素，,但在线性电路中各部分电压和电流都是与电源同频率的正弦量，计算过程中可以不考虑频率。,（用复数表示正弦量）,相量,故计算过程中一个正弦量可用幅值和初相角两个特征量来确定。,如：,一个复数由模和幅角两个特征量确定。,一个正弦量具有幅值、频率和初相位三个要素。,在分析计算线性电路时，电路中各部分电压和电流都是与电源同频率的正弦量，因此，频率是已知的，计算时可不必考虑。,角频率不变,设有正弦电流,复数,比较得：,即：一个正弦量与一个复数可以一一对应。所以可以借助复数计算完成正弦量的计算。,比照复数和正弦量，正弦量可用复数来表示。,（最大值相量）,（有效值相量）,相量和复数一样，可以在复平面上用矢量来表示，表示相量的图称为相量图。,例：,画出相量图。,解：,相量图,只有同频率的正弦量才能画在同一相量图上,注意,正弦量与相量是对应关系，而不是相等关系。,但,例：,求：,解:（1）,用相量表示,（2）,用相量进行计算,（3）,把相量再表示为正弦量,注意：,1.只有对同频率的正弦周期量，才能应用对应的相量来进行代数运算。,2.只有同频率的正弦量才能画在同一相量图上。,3.正弦量与相量是对应关系，而不是相等关系（正弦交流电是时间的函数）。,4.可推广到多个同频率的正弦量运算。,基尔霍夫定律的相量形式,2.2单一参数的交流电路,2.2.1电阻电路,2.2.2电感电路,2.2.3电容电路,2.2.1电阻电路,1.电压、电流关系,设：,则,或,设在电阻元件的交流电路中，电压、电流参考方向如图示。,电阻的电压与电流瞬时值、有效值、最大值都满足欧姆定律。,瞬时值,最大值、有效值,2.电压电流的相位关系,u、i同相,u,i,3.电压电流的相量关系,相量图,2.2.2电感电路,设：,则,设在电感元件的交流电路中，电压、电流参考方向如图示。,电感的电压与电流有效值、最大值满足欧姆定律形式。,瞬时值,最大值、有效值,1.电压、电流关系,感抗(),当L一定时,线圈的感抗与频率f成正比。频率越高，感抗越大，在直流电路中感抗为零，可视为短路。,2.电压电流的相位关系,u超前i,e,相量图,3.电压电流的相量关系,2.2.3电容电路,设：,则,设在电容元件的交流电路中，电压、电流参考方向如图示。,电容的电压与电流有效值、最大值满足欧姆定律形式。,瞬时值,最大值、有效值,1.电压、电流关系,当C一定时,电容的容抗与频率f成反比。频率越高，感抗越小，在直流电路中容抗为无限大，可视为开路。,容抗(),2.电压电流的相位关系,i超前u,相量图,3.电压电流的相量关系,2.3电阻、电感、电容元件串联电路,2.3.1电压三角形,2.3.2阻抗三角形,2.3.3功率三角形,2.3.4功率因数的提高,2.3.1电压三角形,电压电流参考方向如图所示。,1.瞬时值,设：,则：,根据KVL可列出,相量模型,2.相量,jXC,R,jXL,相量图,3.有效值,电压三角形,2.3.2阻抗三角形,电路的阻抗(),欧姆定律的相量形式,其中：,模：,阻抗角：,阻抗三角形,：电压与电流之间的相位差角，由电路参数R、L、C确定。,电流与电压同相，电路呈阻性。,电压超前电流，电路呈电感性；,电流超前电压，电路呈电容性；,阻抗角：,大于零时的相量图,例:R、L、C串联交流电路如图所示。已知R=30、L=254mH、C=80F，。求：电流及各元件上的电压瞬时值表达式。,解:,注意：,各元件上的电压为,瞬时值表达式为,有功，无功，视在功率的关系：,有功功率:P=UIcosj单位：W,无功功率:P=UIsinj单位：var,视在功率:S=UI单位：VA,功率三角形,阻抗三角形,电压三角形,3.视在功率(表观功率),反映电气设备的容量。,2.无功功率Q,表示交换功率的最大值,var(乏),1.有功功率P,P=UIcosj(W),表示电路真正消耗的功率,2.3.3功率三角形,功率三角形和阻抗三角形一样，都不是相量图，但它们给出了各功率、各阻抗之间的数量关系。,在R、L、C串联电路中，只有耗能元件R上产生有功功率P；储能元件L、C不消耗能量，但存在能量吞吐，吞吐的规模用无功功率Q来表征；电路提供的总功率常称作视在功率S，三者之间的数量关系遵循功率三角形中所示。,负载消耗多少有功功率由负载的阻抗角决定。,P=Scosj,cosj=1,P=S,cosj=0.7,P=0.7S,一般用户为感性负载异步电动机、日光灯,(1)电源的利用率降低。电流到了额定值，但功率容量还有,(2)线路压降损耗和能量损耗增大。I=P/(Ucosj),客观事实,功率因数低带来的问题,j1,2.3.4功率因数的提高,在负载两端并联电容，提高功率因数,分析:,j1,j2,并联电容后,原感性负载取用的电流不变,吸收的有功无功都不变，即负载工作状态没有发生任何变化。由于并联电容的电流领先总电流，从相量图上看,UI的夹角减小了,从而提高了电源端的功率因数cos,解决办法,原负载,新负载,并联电容后，原负载的任何参数都没有改变！,补偿容量的确定,代入,综合考虑，提高到适当值为宜(0.9左右)。,补偿后电流？补偿后功率因数？,补偿容量也可以用功率三角形确定：,思考：能否用串联电容提高cosj?,单纯从提高cosj看是可以，但是负载上电压改变了。在电网与电网连接上有用这种方法的，一般用户采用并联电容。,功率因数提高后，线路上电流减少，就可以带更多的负载，充分利用设备的能力。,再从功率这个角度来看:,并联C后，电源向负载输送的有功UILcosj1=UIcosj2不变，但是电源向负载输送的无功UIsinj2UILsinj1减少了，减少的这部分无功就由电容“产生”来补偿，使感性负载吸收的无功不变，而功率因数得到改善。,已知：f=50Hz,U=380V,P=20kW,cosj1=0.6(滞后)。要使功率因数提高到0.9,求并联电容C。,例.,解：,2.4阻抗的串联与并联,2.4.1阻抗的串联,2.4.2阻抗的并联,2.4.1阻抗的串联,在正弦交流电路中,阻抗用复数形式表示,阻抗的串联与并联的分析方法与电阻的串联与并联的分析方法相同。,n个阻抗串联：,两个阻抗串联电路的分压公式：,两个阻抗并联时，等效阻抗为：,分流公式为：,2.4.2阻抗的并联,n个电阻并联：,对一无源二端网络，端口电压相量与电流相量之比，定义为该网络的阻抗Z。,例:如图所示电路。已知R1=3、R2=8，XC=6、XL=4，。求：各支路电流及总电流的瞬时值表达式。,解:,+,相量模型,2.5电路中的谐振,2.5.1串联谐振,2.5.2并联谐振,2.5.1串联谐振,在含有电阻、电感和电容的交流电路中，若电路中的电流与电源电压同相，电路呈电阻性，称这时电路的工作状态为谐振。,谐振现象,谐振,串联谐振：在串联电路中发生的谐振。,并联谐振：在并联电路中发生的谐振。,1.谐振条件,即:,电压与电流同相,电路中发生串联谐振。,2.谐振频率,谐振角频率,3.串联谐振电路特点,谐振频率,特性阻抗,（1）,总阻抗值最小Z=R;,最大;,（2）,（3）电路呈电阻性，电容或电感上的电压可能高于电源电压。,品质因数,在串联谐振时,UL和UC是Q倍的电源电压，可能会损坏设备。在电力系统中应避免发生串联谐振。而串联谐振在无线电工程中有广泛应用。,应用举例：无线电接收设备的输入调谐电路如图。,信号,接收天线,可调电容,各电台信号（频率不同）,2.5.2并联谐振,谐振频率,1.谐振条件,可得,一般线圈电阻RXL(忽略R）得：,线圈,2.并联谐振电路的特点：,（1）电压一定时，谐振时电流最小；,（3）电路呈电阻性，支路电流可能会大于总电流。,（2）总阻抗最大；,通过对电路谐振的分析，掌握谐振电路的特点，在生产实践中，应该用其所长，避其所短。,2.6三相交流电路,2.6.1三相电源及其连接形式,2.6.2三相负载的连接形式,2.6.3三相电路的功率,目前电力工程上普遍采用三相制供电，由三个幅值相等、频率相同（我国电网频率为50HZ），彼此之间相位互差120o的正弦电压所组成的供电相系统。,三相制供电比单相制供电优越,在发电方面：三相交流发电机比相同尺寸的单相交流发电机容量大。,在输电方面：如果以同样电压将同样大小的功率输送到同样距离，三相输电线比单相输电线节省材料。,在用电设备方面：三相交流电动机比单相电动机结构简单、体积小、运行特性好等等。因而三相制是目前世界各国的主要供电方式。,三相交流发电机主要组成部分：,磁极,三相绕组,n,单相绕组,（是转动的，亦称转子）,三相绕组的三相电动势幅值相等,频率相同,彼此之间相位相差120。,+,+,+,铁心,绕组,2.6.1三相电源及其连接形式,电枢（是固定的，亦称定子）：定子铁心内圆周表面有槽，放入三相电枢绕组。,三相电源是由三相发电机产生的频率相同、幅值相等、相位互差120的三相对称正弦电压。,三相交流电压出现正幅值（或相应零值）的顺序称为相序。在此相序为1-2-3-1称为顺相序。在电力系统中一般用黄、绿、红区别1、2、3三相。,也可用相量表示：,120,120,120,三相电压相量图,对称正弦量特点为：,频率相同、幅值相等、相位互差120的三相电压称为对称正弦电压。,一、Y形联接,N,中点或零点,把发电机三相绕组的末端联接成一点。而把始端作为与外电路相联接的端点。这种联接方式称为电源的星形联接。,火线,中线(零线),火线,火线,线电压,相电压,目前，我国供电系统线电压380V，相电压220V。,三相四线制,线、相电压关系式,相量图,线电压的有效值用表示,相电压的有效值用Up表示。由相量图可知它们的关系为:,二、形联接,发电机三相绕组依次首尾相联，引出三条线，称为三角形联接。,交流电路中的用电设备，大体可分为两类：一类是需要接在三相电源上才能正常工作的叫做三相负载,如果每相负载的阻抗值和阻抗角完全相等，则为对称负载，如三相电动机。另一类是只需接单相电源的负载，它们可以按照需要接在三相电源的任意一相相电压或线电压上。对于电源来说它们也组成三相负载，但各相的复阻抗一般不相等，所以不是三相对称负载。如照明灯。,2.6.2三相负载的连接形式,一、Y形联接,N,每相负载中的电流为:,中性线中的电流为:,若负载对称，即,对称负载相量图,对称负载可以去掉中线。,三相交流电动机,如果三相负载对称,中线中无电流,故可将中线除去,而成为三相三线制系统。如果三相负载不对称,中线上就有电流IN通过,此时中线是不能被除去的,否则电气设备不能正常工作。,解:相电压,中线电流为,例:图中电源电压对称，线电压U=380V，负载为电灯组，每相电灯（额定电压220V）负载的电阻400。试计算：求负载相电压、相电流；(2)如果1相断开时，其他两相负载相电压、相电流；(3)如果1短路时，其他两相负载相电压、相电流；(4)如果采用了三相四线制，当1相断开、短路时其他两相负载相电压、相电流。,解：（1）负载对称时，可以不接中线，负载的相电压与电源的相电压相等（在额定电压下工作）。,(2)如果1相断开时，其他两相负载相电压、相电流；,(3)如果1短路时，其他两相负载相电压、相电流；,超过了的额定电压，灯将被损坏。,(4)如果采用了三相四线制，当1相断开、短路时其他两相负载相电压、相电流。,因有中线，其余两相未受影响，电压仍为220V。但1相短路电流很大将熔断器熔断。,中线上不允许接开关或熔断器,中线的作用是什么？,二、形联接,每相负载中的电流为:,各线电流为:,若负载对称，即,对称负载相量图,例:如图所示的三相三线制电路中,各相负载的复阻抗Z=(6+j8),外加线电压380V,试求正常工作时负载的相电流和线电流。,式中,每相阻抗为：,则线电流为：,解：由于是对称电路,所以每相相电流为：,三相负载采用何种联接方式由负载的额定电压决定。,当负载额定电压等于电源线电压时采用三角形联接；,当负载额定电压等于电源相电压时采用星形联接。,注意,一、有功功率,三相总的有功功率等于各相功率之和。,当负载对称时，三相总功率为,当对称负载是星形联接时，,当对称负载是三角形联接时，,是相电压与相电流的相位差角,对称不论负载是何种联接方式总功率为：,是相电压与相电流的相位差角,2.6.3三相电路的功率,二、无功功率,三相总的无功功率等于各相功率之和。,当负载对称时，三相总功率为:,三、视在功率,当负载对称时，三相总功率为:,三相总的视在功率,例:三相对称负载(),接在线电压上,试求负载为星形（）接法和三角形（）接法时,三相电路的总有功功率。,解：,则三相总功率为：,（1）接,（2）接,3.1磁路的基本知识,3.2交流铁芯线圈电路,3.3变压器,磁路与变压器,第3章,3.4常用变压器,电工设备中常见的磁路及铁心线圈,铁心,3.1磁路的基本知识,一、磁路的概念,1.磁感应强度B(磁通密度)：是表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量。,均匀磁场磁场内各点的B大小相等，方向相同。,单位：T（特斯拉）,方向：与电流之间用右螺旋定则确定。,（该点磁场作用于1米长、1安电流的导体上的力）,4.磁场强度H定义：H=B/,3.磁导率,相对磁导率r=/0对于铁磁材料r=102105,单位：A/m(安/米),铁磁材料广泛应用在变压器、电机、电工仪表等。,真空磁导率0=4107H/m（亨/米）,对于均匀磁场F=BS,F-标量单位：Wb（韦伯）,2.磁通F等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积。,二、铁磁材料,根据导磁性能的不同,自然界的物质可分为两大类：一类称为为铁磁材料，另一类为非铁磁材料。,相对磁导率r：,相对磁导率r：,物质磁导率与真空磁导率的比值。,真空的磁导率：,三、磁路欧姆定律,磁通势：F=NI单位A(安）,单位H-1(每亨）,磁路欧姆定律：,铁心磁路,铁心磁路,磁通势：励磁电流和线圈匝数的乘积。,磁路磁阻：,磁路磁阻：,磁路与电路各物理量的对应关系,磁通势：F,磁路,电路,电动势：E,磁通:,电流:I,磁路磁阻：,电路电阻:,磁路欧姆定律：,电路欧姆定律：,（不是常数）,F,F,0,0,磁通随磁通势变化曲线,空心线圈,铁心线圈,磁饱和,3.2交流铁芯线圈电路,i,u,+,主磁通,e,e,漏磁通,一、电磁关系,感应电动势的有效值：,设：=msint,=Nmcost=Emsin(t-90),感应电动势的有效值：,当电源频率和线圈匝数一定时，只要电压U不变,就要求磁通m不能变。,ue,R和e很小,UE=4.44fNm,由KVL：u=iRee,二、功率损耗,铁心线圈的功率损耗=,铜损+,铁损,线圈导线电阻产生的损耗,铜损：,铁损：,（在铁心中产生的感应电流而引起的损耗）,磁滞损耗（铁心反复磁化时所消耗的功率）,涡流损耗,为了减少铁心损耗，变压器、电机等电器设备中铁心通常用厚度为0.35mm或0.5mm硅钢片叠装而成。,铁磁材料反复磁化时，内部磁畴的极性取向随着外磁场的交变来回翻转，在翻转的过程中，由于磁畴间相互摩擦而引起的能量损耗称为磁滞损耗。,磁滞损耗,铁磁材料反复磁化时，内部磁畴的极性取向随着外磁场的交变来回翻转，在翻转的过程中，由于磁畴间相互摩擦而引起的能量损耗称为磁滞损耗。,磁滞损耗,涡流在铁芯中造成的热量损耗。,涡流损耗,为减小涡流损耗，常用硅钢片叠压制成电机电器的铁芯。,1.为什么说磁路欧姆定律只能用于定性分析？,2.磁滞损耗和涡流损耗是怎么产生的？如何减小这两种损耗？,变压器可以变换电压、电流和阻抗的功能。应用非常广泛。,电力系统：变压器用于改变供电系统的电压。,电子线路：变压器用于改变电压、耦合电路、传送信号和实现阻抗的匹配等。,还有一些特殊变压器（如：自耦变压器、电流互感器等）及专用变压器（如：电焊变压器、整流变压器等）。,按相数分:单相、三相和多相变压器。,分类：,按用途分:电力变压器，特殊用途变压器。,按结构分:心式变压器、壳式变压器。,按冷却方式分:自冷变压器、油冷变压器。,3.3变压器,其它部件:油箱、冷却装置、保护装置等,壳式变压器,变压器主要组成部分,变压器铁心:硅钢片叠压而成,变压器绕组:原边(一次线圈、高压绕组),副边(二次线圈、低压绕组),心式变压器,线圈,铁心,铁心,线圈,1、铁心,一、变压器的结构,2、绕组,变压器的绕圈通常称为绕组。在变压器中，接到高压电网的绕组称为高压绕组，接到低压电网的绕组称为低压绕组。,按照高压绕组和低压绕组的相互位置和形状的不同，绕组可以分为同心式和交叠式两种。,壳式变压器绕组和铁心的结构示意图,低压绕组,高压绕组,同心式绕组,交叠式绕组,低压绕组,高压绕组,变压器的绕组,二、变压器的工作原理,其中N1为一次绕组的匝数，一次绕组也称为原绕组或原边。N2为二次绕组的匝数，二次绕组也称为副绕组或副边。,e1,变压器原理示意图,e1,主磁通,1,N1,2,原绕组,副绕组,变压器符号,变压器变比,E2=4.44fN2m,1.空载运行,变压器空载：,E1=4.44fN1m,e1,e1,N1,变压器带载工作时,2.负载运行,变压器接负载：,U1E1=4.44fN1m,变压器接负载后,副边磁势也产生磁通,主磁通为合成磁通。,电源电压U1没有变,变压器接负载后,主磁通m不变。,（空载电流很小）,N1I1=N2I2,结论,有效值,3.阻抗变换,Z1,负载阻抗,结论,在电子线路和通信工程中，常用变压器来实现阻抗的匹配。,三、变压器的额定值和运行特性,1.变压器的额定值,（1）额定电压（V、KV）,U2N原绕组加U1N时，副绕组的开路电压。,U1N原绕组的额定电压。,三相变压器为线电压。,（2）额定容量（VA、KVA）,三相变压器,单相变压器,（3）额定电流（A）,I2N副绕组的额定电流。,I1N原绕组的额定电流。,三相变压器为线电流。,（4）额定频率fN,额定频率fN是指变压器应接入的电源频率，我国电力系统的标准频率为50Hz。,（5）型号,例:某收音机输出变压器的原线圈匝数N1=600匝，N2=30匝，接有阻抗为16扬声器（匹配），现要改接成4扬声器，问二次线圈匝数为多少才能匹配？,解：原变比,电压变化率,2.变压器的外特性,（电压变化率越小越好，一般在5%左右）,变压器外特性,当电源电压U1和负载功率因数一定时，的关系曲线称为变压器的外特性。,损耗,铜损,效率,电力变压器=(9099)%,3.变压器的功率损耗与效率,铁损PFe与Bm、f有关,例:有一单相容量为10kVA、额定电压3300/220V的变压器。问：（1）变压器的变比；原、副边额定电流是多少？（2）副边接220V、40W的白炽灯，如变压器在额定状态下运行，可接多少盏？（3）如果副边接的是220V、40W、cos=0.45的日光灯可接多少盏？,解：,（3）,每盏灯电流,（2）,每盏灯电流,（1）,1.为什么变压器的铁心要用硅钢片叠成？用整块的铁心行不行？,变压器能否用来变换直流电压？如果将变压器接到与额定电压相同的直流电源上，会有输出吗？会产生什么后果？,有一台220110V的变压器，可否把变压器原绕组绕2匝，副绕组绕1匝来满足变比的要求？为什么？,3.4常用变压器,一、自耦变压器和调压器,滑动头,原理图,接零线,接火线,(1)原、副边不能对调使用，否则可能会烧坏绕组，甚至造成电源短路。(2)接通电源前，应先将滑动触头调到零位，接通电源后再慢慢转动手柄，将输出电压调至所需值。,使用自耦调变压器时应该注意：,二、小功率电源变压器,小功率电源变压器：在各种仪器设备中提供所需电源电压的变压器，一般容量和体积都较小。,小功率电源变压器,变压器线圈极性的测定,如果变压器有两个相同的原边，串联时可接于高压，并联时可接于低压，但接线时一定要注意同极性端。,1.同极性端（同名端）：当电流从同极性端流入时，两线圈产生的磁通方向相同。,1、3为同名端,1、4为同名端,正确的串联接法,同名端标注,2.同名端的测定,（1）直流法（三“正”法）,电流表正指，1、3为同名端,（2）交流法,1、3为同名端,1、4为同名端,三、三相电力变压器,在电力系统中，用来变换三相交流电压，输送电能的变压器称为三相电力变压器。,三相电力变压器,三相变压器的接法,三相电力变压器的额定容量为：,三相变压器的原、副边绕组可以根据需要分别接成星形或三角形，三相电力变压器的常见连接方式有Y.yn(Y/Y0星形连接有中线)和Y.d(Y/星形三角形连接)，如图所示。,有一带有负载的三相电力变压器，其额定数据如下：SN=100kVA，U1N=6000V，U2N=U20=400V，f=50Hz，绕组接成Yyn，由试验测得，PFe=600W，额定负载时的Pcu=2400W。试求：(1)变压器的额定电流。(2)满载和半载时的效率。,(2)满载时和半载时的效率分别为,解：(1)由得,例：,四、仪用互感器,仪用互感器按用途不同可分为电压互感器和电流互感器两种。,1、电压互感器,外形及结构原理如图所示。,电压互感器用来扩大测量交流电压的量程。,通常电压表的表盘上直接标出被测的电压值。,注意,测量时副绕组电路不允许短路，否则，副边会有很大的电流，危及设备及人身安全。,被测电流,电流互感器用来扩大测量交流电流的量程。,通常电流表的表盘上直接标出被测的电流值。,测量时副绕组电路不允许开路，否则，副边会有很高的感应电动势，危及设备及人身安全。,注意,2、电流互感器,1.自耦变压器与普通变压器相比，有何特点？,3.调压器用毕后为什么必须调回零点？如果错误地把电源电压220V接到调压器的输出端，试分析会出现什么问题？,2.为什么在运行时，电压互感器二次侧不允许短路？而电流互感器的二次侧不能开路？,4.1三相异步电动机的结构及转动原理,4.2三相异步电动机的电磁转矩与机械特性,4.3三相异步电动机的控制,4.4三相异步电动机的铭牌数据,异步电动机,第4章,4.1三相异步电动机的结构及转动原理,4.1.1三相异步电动机的结构,4.1.2三相异步电动机的工作原理,异步电动机是把交流电能转变为机械能的动力机械，广泛应用于工业（如：机床、纺织机械、起重机、矿山机械等）、农业（脱粒机、粉碎机、水泵及加工机械等）、家用电器（电风扇、空调、洗衣机、电冰箱及小功率电动工具等）。,电动机,发电机,电机,直流电机,交流电机,同步电机,异步电机（笼型、绕线型）,特殊电机,三相异步电机,单相异步电机,本章重点介绍三相异步电机。,三相异步电机,接线盒,转轴,4.1.1三相异步电动机的结构,机座,定子铁心,定子绕组,接线盒,端盖,罩壳,风扇,转子,此外，还有端盖、轴承、风扇等部件。,转轴,主要部件是由定子和转子两大部分组成。,三相异步机的结构,转子,1.定子三相异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组组成。,定子绕组,机座,铁心,定子铁心冲片,U1,U2,三相定子绕组,（U相）,2.转子,根据转子绕组结构的不同分为：,三相异步电动机的转子是由转子铁心、转子绕组和转轴组成。,转子铁心冲片,铁心,转子绕组,转轴,笼型转子,去掉铁心后的转子导条,（转子铁心槽内嵌有铸铝导条）,笼型转子,绕线型转子,（转子铁心槽内嵌有三相绕组）,鼠笼式转子,绕线式转子,4.1.2三相异步电动机的工作原理,异步电动机模型,1.旋转磁场的产生,三相异步电动机的定子铁心中放入三相定子绕组。,定子绕组,U1,U2,V1,V2,W1,W2,定子绕组Y接,接入三相对称电源。,t=0iu=0iv为负值iw为正值,t=0,360,240,120,t=120,t=240,t=360,N,S,N,N,N,S,S,S,空间相差120角的三相绕组，通入对称三相电流时，产生的是一对磁极的旋转磁场，磁场的旋转方向与绕组中电流的相序一致。,如果改变流入三相绕组的电流相序,就能改变旋转磁场的旋转方向，三相异步电动机的旋转方向也就跟着改变。,如果电流的相序为U-V-W-U则旋转磁场为顺时针方向。,n1,2.磁场的旋转方向,与绕组中电流的相序一致U-V-W-U。,t=0,360,240,120,t=240,绕组中电流的相序为U-W-V-U，磁场逆时针旋转。,把三相异步电动机的三根线任意调换两根与电源相接，电动机旋转方向反向。,t=360,旋转磁场的磁极对数p与取决于三相定子绕组的结构和连接方式。,3.旋转磁场的磁极对数p,4.旋转磁场的转速n0,(转/每分）,电源频率,电动机的磁极对数,+,转子转速n,旋转的磁场可以带动转子同方向旋转,异步电动机原理图,转子,定子,磁场转速n1,n,三相异步电动机转子在旋转磁场的作用下转动起来，其转向与旋转磁场的转向相同。,磁场转速n1,转子,感应电动势(电流),5.电动机的转动原理,n=(1s)n1,转差率：,0s,sN=0.010.06,例一台额定转速为1450r/min的三相异步电动机，求：额定转差率。,解：,因为sN=0.010.06，所以该电动机为4极电机，旋转磁场转速为1500r/min。,某三相异步电动机额定转速（即转子转速）n=950r/min，试求工频情况下电动机的额定转差率及电动机的磁极对数。,磁极对数,额定转差率为：,由于电动机的额定转速接近于同步转速，所以可得电动机的同步转速,例：,4.2三相异步电动机的电磁转矩与机械特性,4.2.1三相异步电动机的电磁转矩,4.2.2三相异步电动机的机械特性,4.2.1三相异步电动机的电磁转矩,电动机的电磁转矩是由转子电流的有功分量和定子旋转磁场相互作用产生的。,电磁转矩的大小与转子电流的有功分量(I2a)、旋转磁场的强弱(0)成正比。,与电动机结构有关的常数,转子回路的功率因数,电磁转矩与电动机参数之间的关系：,电动机结构常数,U1电动机电源电压，电源电压波动对电动机的转矩影响很大。,R2电动机转子绕组电阻。,X20电动机转子不转时，转子绕组的漏抗。,S电动机的转差率。,4.2.2三相异步电动机的机械特性,S,Tem,1,0,Tem=f(S),TN额定转矩,Tm最大转矩,Tst起动定转矩,电动机的电磁转矩与转差率之间的关系,当U1、R2、X20为固定值时，,机械特性:,电动机的电磁转矩与转速之间的关系曲线。,Tem=f(S),n=f(Tem),三相异步电动机的机械特性,稳定运行时，电动机轴上输出的转矩等于负载转矩TemT2,稳定运行区域：AB段当负载转矩发生变化时，电动机能自动调节到新的稳定运行状态。,1.额定转矩TN,电动机额定运行时的转矩,PN单位：千瓦（kW）,nN单位：转每分（r/min）,TN单位：牛米（Nm）,例:有两台功率相同的异步电动机，一台PN=7.5kW，nN=962r/min，UN=380V，另一台PN=7.5kW，nN=1450r/min，UN=380V，求电动机额定转矩。,解:第一台,第二台,2.最大转矩Tm,令,代入得:,smR2而与U1无关,TmU12而与R2无关,3.起动定转矩Tst,过载能力(最大转矩倍数),Y系列三相异步电动机T22.2,起动瞬间n=0，s=1,当负载转矩T25.75不允许接起动。,（2）Y-换接起动,不能采用Y-换接起动。,例:已知一台PN=10kW，IN=20A，UN=380V，nN=1450r/min,接三相笼型电动机，由手册查得：Ist/IN=7，Tst/TN=1.4，拟半载起动,电源容量为200kVA,试选择适当的起动方法,并求此时的起动转矩和起动电流。,解:,（3）自耦补偿器起动,由题意,设：自耦变压器的变比为Ka,变压器抽头为,（抽头置于60%位置）,4.3.2电动机的制动控制,1.能耗制动,调节制动电流,能耗制动的特点：,制动准确、平稳、能量消耗小。但制动力较弱,且需要有直流电源。,固定磁场n1=0,制动原理,2.反接制动,制动原理,将电源的任意两相对调，产生反向旋转磁场，产生制动转矩。,方法简单，制动效果好，但能耗大。,特点：,制动限流电阻,3.回馈制动,电动机转速n大于旋转磁场转速n1。如起重机重物下放时。,电动机处于发电运行状态。,特点：,4.3.3电动机的调速控制,调速方法,变频调速（笼型电动机）,变极调速（笼型电动机）,变转差率调速（绕线型电动机）,电动机的转速与电源频率、电机磁极对数、转差率有关。,1.变极调速,电源频率不变，改变电动机的磁极对数p调速。,有级调速,P=2,定子绕组接线,电机磁场情况,P=1,U1,U2,2.变频调速,改变频率（f1)调整电动机的转速，属无级调速，调速性能好，但需有一套专用变频设备。,3.变转差率调速,在绕线式电动机转子绕组中串入可调电阻R,可改变s和n。,可实现小范围无级调速，但能耗大，效率低，广泛应用于起重设备。,特点：,4.4三相异步电动机的铭牌数据,铭牌的作用：向使用者简要说明电动机的一些额定数据和使用方法。,例：某电动机铭牌数据如下。,三相异步电动机型