顾绳谷电机及拖动基础第四版课件完整.ppt

绪论 电机、电力拖动的基本概况,关于能量 关于电机 关于本课程,绪论,一、关 于 能 量,1. 能量的运动方式,风能,变换,一种形式,另一种形式,2. 能量的基本存在形式,机械能,电能,热能,核能,磁能,光能,关于能量,化学能,二、关 于 电 机,一种能量变换 装置,集电能、磁能 和机械能 为一体,一种典型的机电一体化 设备,可控性 越来越强,关于电机,电机的应用分类,电动方式 消耗电能 发电方式 产生电能,二、关 于 电 机,关于本课程(一),三、关 于 本 课 程,专业目的 研究电机，对其实施预想的控制（后续课程：运动控制系统）,预备知识 电路原理（电动势，电势平衡，复阻抗，电路的相量分析） 电磁学（电磁效应） 运动力学（力矩，运动状态）,学习内容 电动势，电势平衡，电磁转矩，相量图及其分析； 工作特性，机械特性，机械负载，功率损耗，有功功率，无功功率； 空载运行，负载运行，电机起动，电动运行，制动运行；,三、关 于 本 课 程,学习方式 以物理 概念领先，数学描述随后； 突出主要知识点，以点 带面； 注意知识的持续 性、关联 性； 摈弃“按例解题”学习模式，建立独立的、发散的 和思辩的 思维方式；,教与学 课堂教学：参与和互动； 成绩评价体系：,课堂记录,实验记录,作业记录,理论考试,四部分,60%左右,40%左右,关于本课程(二),第一章 磁路,基本定律及物理概念 磁场与电流 磁路与电路,第一章 磁路,1-1 磁路的基本定律,一、（电）磁场存在的基本要素,磁场源，励磁源，励磁电流 磁路，磁通路径,二、（电）磁场的基本物理量,磁通 描述 通过一定横截面积的磁力线总数 符号 类型 矢量 量纲 Wb ； 1 Wb = 108 lines 磁感应强度 ，磁通密度 描述 通过单位面积的磁力线数量 符号 B ；B = / A(面积) 类型 矢量 量纲 Wb/m2,面积A,磁力线,单位面积,1-1磁路的基本定律（一）,磁势（磁动势） 描述 衡量磁场源的基本强度 符号 F F = i N 类型 矢量 量纲 Aturn(安匝) 磁场强度 描述 在单位长度的磁力线上磁场源所分配的励磁磁势大小 符号 H B = H 类型 矢量 量纲 T（特斯拉） 或 A / m 或 Aturn / m 磁导率 描述 衡量指定物质导磁能力大小的物理量 符号 类型 标量 量纲 H / m 在真空介质中 o= 4 10-7 H/m,1-1 磁路的基本定律,1-1磁路的基本定律（三）,提示： 磁势不仅与流过电流载体的安培强度有关，还与电流载体围绕磁路的匝数有关,提示： 此量纲称为：亨每米,1-1 磁路的基本定律,1-1磁路的基本定律（四）,三、磁与电的联系,磁场与电流 安培环路定律 P 7 右手定则,+ _,绕组 N 匝,磁性铁心 ,横截面A,铁心平均长度 lc,i,磁势的大小： F = i N = Hclc,磁路的基本定律（六）,1-1 磁路的基本定律,磁路与电路 磁路欧姆定律 P 7 磁路与电路的区别 P 9,+ _,V,R,I,F,+ _,Rm,电路 磁路,思考（一）,1-1 磁路的基本定律,磁导率 （H/m）的量纲 H是即电感量的量纲，解释 1H 的物理含义是什么?预测电磁元件的电感量受哪些参量的影响？ 在假定每种磁介质的 为常数的前提下，如何解释磁导率 （H/m）的物理意义？试写出可能的物理描述。, 思考题 ,常用的铁磁材料及其特性,1-2 常用的铁磁材料及其特性,一、铁磁物质的磁化,很多铁磁材料在常态下不显磁性，只有通过外磁场的激励，才表现出很强的磁性。,一般用于电机的铁磁材料其Fe=(2000 6000)0，因而采用铁磁材料构成磁路铁心，再由电场激励磁场成为产生电机电磁场的必然途径。,、铁磁材料的磁化特性,1-2 常用的铁磁材料及其特性,二、铁磁材料的磁化特性,三、铁磁材料的分类和损耗,1-2 常用的铁磁材料及其特性,三、铁磁材料的分类和损耗,铁心损耗 P12 磁滞损耗：铁心的磁能热耗散 涡流损耗：铁心的电热损耗,第二章 直流电机,原理与构造 基本物理量与工作特性 数学描述,第二章 直流电机,一、直流电动机的电磁力运动现象（左手定则）,2-1 工作原理及结构,2-1工作原理及结构,ax 、by段虽然有电流，由于其平行于磁力线，无切割运动，故不会产生感应力而影响旋转运动,通电后，导体ab段受到向左的电磁力作用，导体ab段受到向右的电磁力作用，整个导体框产生以虚线为轴心得逆时针旋转运动。,换向器连续转动,2-1 工作原理及结构,外电源固定极性电流,三维图示,2-1 工作原理及结构,2-1工作原理及结构,2-1 工作原理及结构,直流电源,左手定则,瞬间 旋转运动,换向器,持续 旋转运动,输出转矩,产生 电磁转矩,直流电动机的能量变换途径：,2-1 工作原理及结构,二、直流发电机的电磁感应现象（右手定则）,恒定磁场，运动的导体（单方向运动）,借助换向器，保证输出为直流电压,直流电源,右手定则,交变 感应电势,换向器,直流 感应电势,输入转矩,产生 感应电势,2-1工作原理及结构,2-1,电动运行,发电运行,2-1 工作原理及结构,直流电机电气原理图,2-1 工作原理及结构,三、直流电机的基本结构,机械结构,定子部分,转子部分,主磁极 换向极 机座 电刷装置,电枢铁心 电枢绕组 换向器,电气结构,励磁回路,电枢回路,主磁极 换向极 电刷装置,电枢绕组 换向器,三、直流电机结构,2-1工作原理及结构,电枢（绕组）,电刷,换向器,电源接线端,机械连结轴,主磁极，励磁绕组,2-1 工作原理及结构,2-3直流电机的绕组结构特征,直流电机电枢绕组的基本结构特征,2-3 直流电机的绕组,为产生足够的电磁力或发电电动势 需要将均匀分布的多个电枢线圈相互并串联，形成绕组。,单绕组结构: 优：增加线圈数量，在旋转一周过程中始终有一个绕组产生均衡的电磁力或发电电势。 劣：任何时刻只有一个绕组产生电磁效应，结构利用率低，效能差。,多绕组结构,该绕组结构工作时有几条电流支路？图示状态的电流路径如何，以绕组端排序表示。,多绕组结构: 绕组 1-2，3-4，5-6，7-8 共四组。 利用换向片将绕组端 1和8，3和2 ，4和5，6和7 永久短接。 优：通过绕组串并联，增加通电线圈的数量（匝数），大大提高了在旋转一周过程中产生的电磁力或发电电势。,2-3 直流电机的绕组,多对极励磁,N,N,S,S,极对数： P=2,2-3 直流电机的绕组,多对励磁极结构:,2-4 直流电机的励磁方式和磁场,并励方式,他励方式,串励方式,2-4励磁方式,复励方式,一、直流电机的基本励磁结构,空载和负载励磁状态,2-4 直流电机的励磁方式和磁场,二、直流电机的空载励磁状态 P30,直流电机的空载状态定义：无负载的运行状态 主磁通取决于励磁电流强度,三、直流电机的负载励磁状态 P32,直流电机的负载达到一定强度后，其电枢电流的励磁作用不可忽略 电枢反应：去磁作用,2-6 感应电动势和电磁转矩,在电机的物理量中： 感应电动势 主要的电气特征量 电磁转矩 主要的机械特征量,一、感应电动势 Ea,量纲：伏特 无论导体是否带电，只要按一定方向切割磁力线，导体都将产生感应电动势。 直流电机的感应电动势,；Ce 电动势常数 Ea = Ce n ； 合成磁通 ；n 电机转速,2-6感应电动势和电磁转矩,P=2的直流电动机感应电动势分析,2-6 感应电动势和电磁转矩,元件的指定支路边电流变化波形,电枢空间位置与电角度的关系,由于磁极与换向电刷的配合,使电枢元件边的电流极性与磁极极性总保持相对一致性。当电流相角度发生半周变化即时，元件边切割的磁通也正好发生半周变化即。,电角度,2-6 感应电动势和电磁转矩,P=1：,设定电枢绕组每一边支路经过磁通变化半个周期时，需要的时间为t：,P=2：,导出P38 (2-18)式,2-6 感应电动势和电磁转矩,求t时间内最后感应电势平均值，最后考虑电枢绕组总有效元件电势总量值。 式2-21,感应电动势,推导线索,电磁感应定律,单位绕组以速度n旋转时的平均感应电动势,考虑总量,2-6 感应电动势和电磁转矩,电磁转矩,二、电磁转矩 Tm,2-6 感应电动势和电磁转矩,量纲：牛顿米 具有矢量特征（顺反两种方向）。 直流电机的电磁转矩,； 合成磁通 Tm = CM Ia ；CM 转矩常数 ；Ia 电机电枢电流,推导线索,电磁力定律 单个元件所受电磁力,；Ny 每个元件的匝数,电磁转矩,元件所受电磁转矩,2-6 感应电动势和电磁转矩,；Da 电枢转轴直径,每极下的电磁转矩,由于每个磁极下的磁通为,电磁转矩,电枢（P对磁极）总电磁转矩为,2-6 感应电动势和电磁转矩,电磁转矩 Tem 的大小与每极磁通和电枢电流的乘积成正比, 思考 当电枢回路电流为零时，是否能确定Ea为零？ 当机转速为零时，是否能断定 Tem 为零？,机电能量的关系,三、机电能量的关系,2-6 感应电动势和电磁转矩,EaIa： 通过电磁感应输送到电机的电功率 Tem：通过电枢转轴输送的机械功率,2-7直流电机的运行原理,2-7 直流电机的运行原理,一、描述运行规律的一般数学表达,1. 电动势平衡方程式(以电枢回路为主),电动运行状态 发电运行状态,电 动 运 行,思考,一台直流电机，励磁磁场恒定，电枢电阻 Ra=1，当作为电动机稳定运行时，外加 Ua=200V直流电压，电枢电流为10A；当作为发电机运行时，外力拖动其稳定运行于同一转速，发电输出电流为 20A。 估算其输出的发电电压 UF =？,转矩平衡方程式,2. 转矩平衡方程式,电动运行状态 发电运行状态,2-7 直流电机的运行原理,电 动 运 行,能量平衡方程式,2-7 直流电机的运行原理,3. 能量平衡方程式(以电动机为例 ),电功率,机械功率,转速特性,2-7 直流电机的运行原理,二、直流电动机的工作特性,电机为使用者提供的典型运行规律 P4345 定义：在U = UN，If = IfN，电枢回路无外串电阻时，电动机的 n，Tem， = f ( P2 或 Ia )关系。,转速特性 (以并励电动机为例 ) n= f ( Ia ),转速特性的特殊工作点,2-7 直流电机的运行原理,n0：电机在电枢电流为0时的转速，称为电机在该工作条件下的理想空载转速。,当 n = nN Ia = IN时：电机工作在额定工作点。,转矩特性,2-7 直流电机的运行原理, 思考 电动机处于稳定空载运行时，大致在该特性的哪个位置点？,转矩特性 (以并励电动机为例 ) Tem= f ( Ia ),效率特性,效率特性 (以并励电动机为例 ) = f ( Ia ),2-7 直流电机的运行原理,思考题,2-7 直流电机的运行原理,（并励）直流电动机工作特性,第八章 动力学基础,第八章 电力拖动系统的动力学基础,运动方程式 负载转矩特性,8-1 运动方程式,8-1 电力拖动系统的运动方程式,一、电力拖动系统的一般结构,电网电源,受控电源,电动机,机械负载,二、运动方程式,直线运动： 旋转运动：,；J = GD2/4g,运动方程式,电动机运动方程式：,8-1 电力拖动系统的运动方程式,运动方程与运动状态,T = TZ 时，dn/dt = 0，稳定运动，无加速度，稳态 T TZ 时，dn/dt 0，加速运动，正加速度，动态 T TZ 时，dn/dt 0，减速运动，负加速度，动态,二维坐标系的建立,8-4 生产机械的负载转矩特性,确立描述转矩与转速函数的二维坐标系：主体物自身转矩（力矩）与其旋转速度的特性关系。,n,负载特性,8-4 生产机械的负载转矩特性,电动机负载：通过电动机的转子主轴向电动机施加阻力转矩作用的物理主体称为电动机的负载 负载转矩特性：指从电动机一侧观察到的负载转矩与转速的函数关系（负载自身机械特性关于纵轴的投影）,一、恒转矩负载特性,特点： 指负载转矩大小恒定，与转速的大小无关； 代表： 位能负载，反作用负载等； 描述： Tz = 常数,反作用负载,位能负载,负载特性,8-4 生产机械的负载转矩特性,二、恒功率负载特性,特点： 负载转矩越大，转速越低；反之，转速越高； 代表： 机床负载等； 描述： Tz = K/n,恒功率负载,通风机负载,三、通风机负载特性,特点： 负载转矩与转速的平方成正比； 代表： 风扇负载等； 描述： Tz = Kn2,思考题,8-4 生产机械的负载转矩特性, 思考 用直流发电机作电动机（他励）的负载： 该负载特性具有什么特征？试画出特性示意图； 若要求在同样转速下的负载强度增加1倍（忽略速度受负载强度变化的影响），该如何调整发电机回路的参数？负载特性如何变化？试画出特性示意图。,F,n,+ U _,+ Ea _,n,Kd,RF,Kf,+ Uf _,Rf,D,A1,n,第九章 直流电动机的电力拖动,他励电动机的机械特性 他励电动机的启动分析和应用 他励电动机的的制动分析和应用,8-1 机械特性,9-1 他励直流电动机的机械特性,一、电动机机械特性的定义和数学描述,；R = R + Ra,电动机机械特性： n = f (T)； T = Td+ To(电动运行) 一般情况下可忽略空载损耗转矩 To， T Td,机械特性,由于 CT = 9.55Ce,特殊工作点： 理想工作点，（0， no） 实际工作点，（Io，no） 额定工作点，（IN，nN）,9-1 他励直流电动机的机械特性,显然，机械特性是描述电动机在一定工作条件下稳态运转能力(转速指标)与负载强度的关系,负斜率变化趋势,磁场恒定的条件下,Tem可由Ia替代,人为机械特性,电枢串联电阻的机械特性： U = UN， = N，R = R +Ra,固有机械特性 在 U = UN， = N，R = 0的条件下,二、固有机械特性和人为机械特性,9-1 他励直流电动机的机械特性,人为机械特性 人为改变电机外部工作条件：,习题解答,改变电枢电源的机械特性： = N，R = Ra ,改变U的大小,9-1 他励直流电动机的机械特性,n,Ia,o,理想空载点,U=U1,U=U2,U=U3,n,Ia,o,理想空载点,=1, = 2, = 3,改变励磁强度的机械特性： U = UN，R = Ra ,改变的大小,理想空载点,理想空载点,稳定运行自学,9-1 他励直流电动机的机械特性,三、电力拖动稳定运行的条件,电动机的稳定运行，即稳态： dn/dt = 0 或 T = Tz,电动机从一个稳定工作点过渡到另一个稳定工作点的过程称为暂态： dn/dt 0 或 T Tz,阅读P25-27页，判断下述电动机带负载运行时能否工作在稳定状态，标明可以稳定运行的工作点。其中绿色曲线为电动机机械特性，兰色曲线为负载特性。,图例,9-1 他励直流电动机的机械特性,稳定运行条件,9-1 他励直流电动机的机械特性,稳定运行的充要条件,第一负载点 (Tz1，n1),第二负载点 (Tz2，n2),必要条件： 当 Tz1突变为 Tz2 (Tz2 Tz1) dn/dt 0 n E I T 直到 T = Tz2 dn/dt = 0 n = n2,当负载变化后,机械特性与负载特性仍有交点,稳定运行条件,9-1 他励直流电动机的机械特性,充分条件：当 U1突变为 U2 (U2 U1) I T T Tz dn/dt 0 直到 T = Tz dn/dt = 0 n = n2,当 U2又变回到 U1 (U2 U1) I T T Tz dn/dt 0 直到 T = Tz dn/dt = 0 n = n1,分析前提： 电枢的电气惯性 大大小于机械惯性,电动机机械特性具有： 交点以上同一速度有TTz,9-2 启动问题,一、他励直流电动机的安全起动要求,9-2 他励直流电动机的起动,问题的存在 在电枢回路中：,忽略 L，起动时，Ea = 0:,结果 ia 往往过大,超越电气和机械强度的极限,改善方案：降压启动 电阻分压分级起动 可变电源降压起动,直流电动机1.5KW，220V，8.7A，0.8，1450rpm,275A 8.7A,起动方法,9-2 他励直流电动机的起动,负载点 (Tz，nz),电枢电阻分级起动： 第一级 s1，s2，s3 开路 第二级 s1 闭合，s2，s3 开路 第三级 s1，s2 闭合，s3 开路 第四级 s1，s2，s3 闭合,转折点 (T2，0）,转折点 (T1，n1）,案例, 案例 已知：U = 200v，Ce = 0.2v/rpm，Ra = 1 要求：电动机从 n=0 开始起动，每增加300rpm切换一次起动电阻，尽可能使每次切换后的最大加速电流为10A，直到完全除掉外串电阻，使电动机稳定运行于空载点（Io = 1A）。 设计各级分级电阻； 画出起动过程的机械特性 n = f(Ia)(并标注各转折点坐标)； 画出电动机电枢回路原理图，说明分级控制步骤。,9-2 他励直流电动机的起动,案例解析1,在约定工作条件下 电动机理想空载转速：,实际空载转速：,9-2 他励直流电动机的起动,参考解答：,(1A，995rpm),(0A，1000rpm),案例解析2,设第一级总电阻为 R1 (含Ra)，切换后分别为 R2，R3，R4 对应外串电阻为R1，R2，R3，R4,9-2 他励直流电动机的起动,此后电机加速，当转速达到300rpm时：,一般认为：动态过程中，电枢电流的响应远快于转速的响应 电机通电后，第一级总电阻为 R1,案例解析4,9-2 他励直流电动机的起动,切换电阻由R1R2，速度不变，电流增加再次达10A：,此后电机加速，当转速达到 600 rpm 时：,案例解析5,9-2 他励直流电动机的起动,切换电阻由R2R3，速度不变，电流增加再次达10A：,此后电机加速，当转速达到 900 rpm 时：,案例解析6,9-2 他励直流电动机的起动,切换电阻由R3R4，速度不变，电流增加再次达10A：,此后速度已没有300 rpm的增加余地，为保证切除最后一级外串电阻时电流能达到10A，切换点的坐标如何确定？,案例解析7,9-2 他励直流电动机的起动,切出最后一级电阻时，速度应等于自然特性在 Ia=10A 点：,切换点电流 I4：,最后，电机进入自然特性直至稳定于（1A, 995 rpm）,(1A，995rpm),案例解析3,n 900 600 300,Iz 10A Ia,o,（7, 300）,（5.7, 600）,（2.5,900）,（1 ,995）,（5 ,950）,9-2 他励直流电动机的起动,9-3 制动,9-3 他励直流电动机的制动,一、电机制动状态的定义,当电磁转矩 T 与转速 n 方向相反时，电机处于制动状态,提示： 制动过程不一定是减速过程 制动过程是外部机械能进入电机转变为电能的过程,二、电机制动状态的分类,能耗制动,回馈制动,反接制动,电枢反接 制动,转速反接 制动,能耗制动,9-3 他励直流电动机的制动,能耗制动,应用：减速，刹车或抑制速度 案例：当 K左端，电动运行，T与 n 同向,当 K右端，U = 0 n，Ea大小、方向不变 T与 n 反向，处于制动运行，,能耗制动,9-3 他励直流电动机的制动,由于机械能最终转变为电功率以 Ia2(Ra+Rz) 方式消耗掉，所以称之为能 耗 制 动,机械特性方程,提示： 特性为斜率等于 （Ra+Rz）/Ce 的斜线 最大制动转矩 T1可调节,o Iz1 Iz2 Ia,案例二,9-3 他励直流电动机的制动,案例分析,如图：电动机在两种不同强度的反作用负载下稳定运行，若配以相同能耗制动电阻Rz，能否判断两者停车的快慢？,负载1,负载2,反接制动,9-3 他励直流电动机的制动,反接制动,应用：吊车重物下放等 案例： 电动运行，R= 0，重物向上提升； 制动运行， R 增大，使 T Tz，重物下放。,Ra,制动机械特性,n,_ +,转速反向的反接制动,Ia,反接制动,9-3 他励直流电动机的制动,提示： 由于速度n反向,使T与n方向相反,称为转速反向的反接制动; 由于Ea极性改变,电枢同时吸收外部输入的机械功率和电源输入的电功率,Ra,Ra+R,o Iz Ia,n no,下放工作点,能耗制动案例分析,9-3 他励直流电动机的制动,案例分析,假定，直流电动机驱动电梯稳速上升时为正运转，稳速下降时（采用反接制动）为负运转。,试绘出电梯下降时反接制动机械特性示意图； 如需减慢下降速度，应如何调整制动参数？ 能否利用能耗制动实现停车？,反接制动案例,9-3 他励直流电动机的制动,案例分析,已知起重机直流电动机工作条件：Ce = 0.5v/rpm U = 200v，以 n=360rpm 的速度稳定提升货物，其等效位能负载为 Iz = 50A。 当需要以同样速率下放同样的货物时，需配置的转速反接制动电阻 R=？ 当货物下放到位时需稳定停车，试设计电气停车方案。,反接制动案例分析1,9-3 他励直流电动机的制动,Ra,Ra+R,o Iz Ia,n no,下放工作点,堵转点,反接制动案例分析2,9-3 他励直流电动机的制动,电动提升时,制动下放时,制动停车时,9-3 他励直流电动机的制动,电枢反接的反接制动,案例： 电动运行，开关 K 掷左，R= 0; 制动运行，R 增大，开关 K 掷左，电动机产生反向电流，制动并反转。,Ia, +,应用：正反双向运转拖动系统,Ia,电枢反接机械特性,提示： 由于电枢电源反接导致电流Ia反向,使T与n方向相反,称为电枢反接的反接制动; 由于U 极性突然改变,电枢回路出现两个电动势源电势叠加，必须加入较大制动电阻限制制动电流.,n no -no,Ra,T1 o Iz Ia,9-3 他励直流电动机的制动,回馈制动,9-3 他励直流电动机的制动,制动机械特性,制动电流,应用设计：,9-3 他励直流电动机的制动,一个电动机控制系统，恒定磁通，通过改变电枢电源极性实现电机正反方向。采用2套三相全控桥电路向电枢供电： 1. 设计合理的电枢供电电路； 讨论可控电源的控制方式； 分析电机从正转到反转的 电路工作过程。,回馈制动,9-3 他励直流电动机的制动,回馈制动,电动,制动,电动,电机控制问题： 能否稳定下坡行驶？,负载分析,9-3 他励直流电动机的制动,负载分析： 如何判断水平前行和下坡时负载机械特性？,条件约定： 路面摩擦阻力为理想反作用负载（恒转矩负载） 由车体质量决定的位能负载大于摩擦阻力的作用,回馈制动机械特性,9-3 他励直流电动机的制动,当水平电动前行时： 反作用负载与驱动转矩平衡,当下坡前行时： 合成负载（位能、反作用负载）,回馈制动机械特性,9-3 他励直流电动机的制动,制动机械特性,制动电流,回馈制动机械特性,9-3 他励直流电动机的制动,Ia,Ia,提示： 由于电枢反电动势超过电枢电源大小，导致电流Ia反向,使T与n方向相反,并出现电能回馈电源现象，称为回馈制动; 在电动机工作条件不变的情况下，回馈时的运行速度高于理想空载转速no.,思考,9-3 他励直流电动机的制动, 思考题 ,若要求下坡时的行进速度保持与水平行进的速度不变，如何考虑制动控制策略？假定使用三相桥式相控变流电路为电枢供电，试利用机械特性示意图进行说明。,第三章 变压器,第三章 变压器,电磁结构、工作原理 空载运行 基本方程式,电机与变压器,电磁能,电磁能,铁心与绕组 铁心：由具有高磁导率材料构成的闭合磁路 绕组：交流电能（或信号）由一次（初级）绕组输入，由二次（次级）绕组输出。,2-1 结构与原理,3-1 结构与原理,一、电气结构与工作原理,u1,u2 ZF, 思考 复阻抗 ZF= a + jb ，其中参量a、b各有什么物理含义？,结构与原理,3-1 结构与原理,理想变压器： 一次绕组： 二次绕组：,二、变压器的分类 P53,电力变压器 特种变压器, 思考 假设变压器一、二次绕组显纯感性，忽略所有非线性因素，标注电路在稳态工作二次绕组的输出 i2、u2 的瞬时极性。,思考题,+ u1 ,u2 R,3-1 结构与原理,i1,i2,控制变压器,习题解答,3-1 结构与原理,u10，i10及电路的纯感性特征； 确立电路工作时段 t1 t2； Di1 /dt 0，d /dt 0及的方向为顺时针； 二次绕组感生电流产生的磁通方向阻碍的变化； 判断出 i2， u2 的方向。,e1,2-2空载运行,3-2 单相变压器的空载运行,一、空载运行的物理分析,其中存在少量只与一次绕组交链的，经过非磁性物质（空气或绝缘油）的漏磁通 1,N1 N2,空载运行,当一次绕组施加电压u1,；i0 一次绕组空载电流 ；e1 一次绕组漏磁通对应的电动势 ；r1 一次绕组电阻,变压器总磁通量： = m + 1,3-2 单相变压器的空载运行,感应电动势和主磁通 近似假定： m = msint 则：,；Im 励磁电流 ；I 磁化（励磁）电流 ；IFe 铁耗电流,感应电动势和主磁通,3-2 单相变压器的空载运行,空载电流分析 实际空载时，铜耗 Pcu1相对很小，若忽略则有：,一般由于 I IFe， I 是 Im 的主要分量,推导见 P57,如何转换为相量图？,漏电抗的引入,3-2 单相变压器的空载运行,如何将电磁效应表达为由电气参数组成的方程式？,3-2 单相变压器的空载运行,漏磁通与漏电抗,漏磁通与漏电抗,；定义 x1为一次绕组的漏电抗，以表征漏磁通对一次绕组的电磁效应。,电势平衡式、相量图,二、空载运行的电势平衡式、相量图和等效电路,P65,3-2 单相变压器的空载运行,在假定漏电抗为 x1 的前提下，推算与二次绕组非耦合的等效阻抗,其中，将 Z1= r1+jx1 认定为考虑一次绕组的电阻r1一次绕组漏阻抗,等效电路,3-2 单相变压器的空载运行,进一步定义 对应的阻抗 Zm 为耦合于二次绕组的励磁电流和磁通 由 （铁耗分量）和 （励磁分量）组成,定义： 一次绕组的感应电动势,；其中复阻抗 Zm = rm + jxm,重新表达电势平衡关系：,相量图及等效电路,3-2 单相变压器的空载运行,相量图 （忽略铜耗） 等效电路,思考题,3-2 单相变压器的空载运行, 思考 ,1. 当不忽略一次绕组的电阻r1时，P58(2-16)式是否适用？,2. 利用等效电路模型说明变压器空载运行时电源的功率分配情况.,2-3 基本方程式,3-3 单相变压器的基本方程式,一、负载后的电磁变化,物理分析,3-3 单相变压器的基本方程式,I1 增量与输出电流I2的关系：,；磁通势变化总量为 0 ；总磁势不变 ；一、二次绕组磁通势变化量相量和为 0 ；一、二次绕组电流增量的关系,基本方程式,二、负载时的基本方程式,3-3 单相变压器的基本方程式,磁动势平衡方程,电动势平衡方程,rm xm,r1 x1,r2 x2,rm xm,ZF,一次回路 二次回路,3-4 等效电路,3-4 单相变压器的等效电路及相量图,一、目的,等效电路：便于工程计算的无电磁隔离的单纯电路,二、绕组归算,归算原则：归算前的磁势平衡关系和能量平衡关系保持不变,归算方法：将二次（或一次）绕组的匝数换算成一次（或二次）绕组的匝数,归算结果：将一个匝数与一次绕组相等，电磁效应与二次绕组相同的并联绕组去代替实际的二次绕组 N 2 = N1,归算电动势与电压 由（3-15）式知，,绕组归算,3-4 单相变压器的等效电路及相量图,归算电流 保持二次绕组折算前后磁动势不变：,归算阻抗 保持二次绕组折算前后有功功率、无功功率不变：,等效电路,三、等效电路,3-4 单相变压器的等效电路,由于感生电动势折算后相等，从电气效应的角度看，可将磁路屏蔽掉，直接连接一、二次绕组。,简化等效电路,三、简化等效电路,3-4 单相变压器的等效电路,P66, 思考 ,1. 一台单相变压器分两组输入端，额定电压分别为380/220伏，额定频率为50Hz，试问： 1) 如误将220伏端接在380伏电源上，会有什么情况发生？ 2) 如果电源电压正常，电源频率提高20%，xm，I0，PFe将如何变化？ 3) 如果将变压器接在直流电源上，会有什么情况发生？,思考,3-4 单相变压器的等效电路,在变换功率一定的前提下： 1) 变压器的励磁电抗 xm宜大还是宜小？ 2) 若变压器用空气心而不是铁心，xm如何变化？若增大一次绕组匝数， xm如何变化？,第四章 三相异步电动机的基本原理,结构和工作原理 基本物理量,4-1 三相异步电动机原理,4-1 三相异步电动机工作原理,一、旋转磁场,直流电动机：静止磁场 + 外部输入电流 异步电动机：旋转磁场 + 内部感生电流,三相定子绕组,互差120o空间分布,A B C,A,B,C,三相电源,互差120o正弦励磁电流,iA,iC,iB,iA,iB,iC,4-1 三相异步电动机工作原理,单极旋转磁场,iA,iB,iC,360o,4-1 三相异步电动机工作原理,显然，由于三相交流相电流所在的三相绕组的对称分布规律，产生的合成磁通（或磁势）为旋转的。,4-1 三相异步电动机工作原理,那么，旋转磁场的 速度 能否确定？,当绕组产生的极对数大于1时 P = 2,多极绕组旋转磁场,旋转的定子磁场,显然：旋转磁场的速率与励磁电流频率有关。,4-1 三相异步电动机工作原理,S,S,N,N, t = 0o, t = 120o,电磁感应现象,二、电磁感应现象,4-1 三相异步电动机工作原理,显然，P = 2 时励磁电流变化一个周期，磁场旋转 0.5 周。,静止的转子绕组被旋转磁场的磁力线切割 （右手定则 断定感生电流方向）； 拇指导体运动方向 四指感生电流方向 掌心朝向磁场 N 极,S N,S N,称之为同步转速,感生电流与磁场作用产生电磁力（左手定则断定电磁力方向）。 拇指导体受力方向 四指导体电流方向 掌心朝向磁场N极,no与n的大小关系如何?,转差率,4-1三相异步电动机工作原理,三、转差率概念,转子转速（即电动机转速）n 与同步磁场转速 no 的比率关系,S 称为异步电动机的转差率,在电动运行时，由于n no ，所以 0 s 1,四、结构 P98,转子绕线式：结构较复杂，成本较高；易于控制。应用面窄 转子鼠笼式: 制造成本低，寿命长，易维护；控制复杂。应用广泛,9-2 铭牌数据,4-2 三相异步电动机的铭牌数据,额定功率：标准工况下输出的机械功率 额定电压：定子绕组的标准线电压 额定电流：定子绕组的标准线电流 额定频率：定子绕组的励磁电源标准频率 额定转速：标准工况下的转速,问题讨论, 思考 从异步电动机的运行原理看，电动运行时是否一定存在 n no ?电动时是否可能有n = no ？ 如何使异步电动机正反运转？试设计一简单电路实现对转向的控制。 列举异步电动机与变压器、直流电动机在运行原理方面的异同之处；,4-2 三相异步电动机的铭牌数据,第五章 三相异步电动机的基本工作原理,旋转磁动势 等效电路 基本方程式,5-1 电磁过程,5-1 三相异步电动机运行时的电磁过程,一、异步电动机负载运行的物理状况,空载时：,由于空载时 n0 n，,负载时：,负载后，电机出现两个相对独立的励磁磁通势F1、F2，且均为运动的。,F2的方向,5-1 三相异步电动机运行时的电磁过程,F2与 F1如何相互作用？,F2的旋转方向,1,2,转子相对运动方向,F2的方向,5-1 三相异步电动机运行时的电磁过程,2,转子磁场 2 也旋转120o 但转子感应电流（电势）的角速度小于120o, 思考 如上例中定子电流频率50Hz，则转子感应电流的频率是多少？电机转速是多少？,假定当定子磁场 1 旋转120o时，转子空间位置旋转90o：,答案,5-1 三相异步电动机运行时的电磁过程,转子电流频率： =（30o/120o）*50Hz=12.5Hz 电机