电机与拖动(职业技术学院).doc

_第 1 章 磁 路1.1 磁场的基本物理量1.2 物质的磁性能1.3 磁路的基本定律1.4 铁心线圈电路1.1 磁场的基本物理量电流的磁场 i直导线电流的磁场 右手螺旋定则：大拇指方向表示导线电流方向四指回转方向表示磁感线方向 i 线圈电流的磁场四指回转方向表示线圈电流方向大拇指方向表示线圈内部磁感线方向1. 磁通 单位：Wb2. 磁感应强度 B单位：T 在均匀磁场中：3. 磁场强度 H 单位：A/m H 与 B 的区别： H I，与介质的性质无关。 B 与电流的大小和介质的性质均有关。4. 磁导率 m 单位：H / m。真空中的磁导率：0 = 4107 H / m 1.2 物质的磁性能 按磁导率分类：非磁性物质、磁性物质。一、非磁性物质 m m 0 1. 顺磁物质（如空气）：m 略大于 m 0 。2. 反磁物质（如铜）： m 略小于 m 0 。二、 磁性物质1. 高导磁性 铸钢： m 1 000 m 0 硅钢片： m ( 6 000 7 000) m 0坡莫合金：m 比 m 0 大几万倍。（1） 磁性物质内部存在着很多很小的“磁畴”。磁畴（磁化前）磁畴（磁化后） （2）磁性物质的高导磁性被广泛应用于变压器 和电机中。2. 磁饱和性m 常数（1） 磁化曲线（BH曲线）起始磁化曲线 BHH 0abcdB = f (H)B =m0H3. 磁滞性B的变化总是滞后于H的变化按磁滞回线的不同，磁性物质可分为 (1) 硬磁物质 BH 曲线宽，Br 大、Hc 大。 用于制造永磁铁。(2) 软磁物质 BH 曲线窄， Br 小、Hc 小。 用于制造变压器、电机和电器等的铁心。(3) 矩磁物质 BH 曲线形状接近矩形， Br 大、Hc 小。 用于计算机中，作记忆单元。1.3 磁路的基本定律us主磁通漏磁通磁路i一、 磁路欧姆定律1.恒定磁通的磁路欧姆定律c Ac lc0A0l0+ui铁心中：气隙中：全电流定律:二、磁路基尔霍夫定律1.磁路基尔霍夫第一定律312 = 0 任一闭合面： S = 02. 磁路基尔霍夫第二定律 F1F2 =H dl = H dl 1.4 铁心线圈电路一、 直流铁心线圈电路励磁 电压与电流的关系: U=IR线圈的功率：P = R I2 二、 交流铁心线圈电路1. 电磁关系u = Riees 的磁路为非线性磁路。 设 F = Fm sint则 e =Nw Fm cost = Em sin(w t 90) (E = 4.44 f Nm) Fs 的磁路为线性磁路。 漏电感：漏电抗： 漏磁电动势： 2. 功率关系 有功功率: P = UI cosj = PCu + PFe= RI2 + ( Ph + Pe )(1) 磁滞损耗 Ph (2) 涡流损耗 Pe 铜损耗使线圈发热，铁损耗使铁心发热。 减小铁损耗的方法： 使用软磁材料减小Ph 。 增大铁心的电阻率，减小涡流及其损耗 。用很薄的硅钢片叠成铁心，减小涡流及其损耗 。3. 等效电路第二章 变压器的运行原理与特性2 .1 变压器的空载运行一、空载运行的物理现象： 1. 空载运行：是指变压器原绕组接到额定电压、额定频率的电源上，副绕组开路时的运行状态。主磁通：漏磁通：2.物理现象：主磁通和漏磁通在性质上的不同： 1）由于铁磁材料有饱和现象，所以主磁路的磁阻不是常数，主磁通与建立它的电流之间呈非线性关系。而漏磁通的磁路大部分是非铁磁材料组成，所以漏磁路的磁阻基本上是常数，漏磁通与产生它的电流呈线性关系 2）主磁通在原、副绕组中均感应电动势，当副方接上负载时便有电功率向负载输出，故主磁通起传递能量的作用。而漏磁通仅在原绕组中感应电动势，不能传递能量，仅起压降作用。因此，在分析变压器和交流电机时常将主磁通和漏磁通分开处理。3.正方向的规定： 从理论上讲，正方向可以任意选择，因各物理量的变化规律是一定的，并不依正方向的选择不同而改变。但正方向规定不同，列出的电磁方程式和绘制的相量图也不同。在电机方向的学科中通常按习惯方式规定正方向，称为惯例。具体原则如下： 1）在负载支路，电流的正方向与电压降的正方向一致，而在电源支路，电流的正方向与电动势的正方向一致2）磁通的正方向与产生它的电流的正方向符合右手螺旋定则 3）感应电动势的正方向与产生它的磁通的正方向符合右手螺旋定则电压u1,u2的正方向表示电位降低，电动势e1,e2的正方向表示电位升高。在原方，u1由首端指向末端，1从首端流入。当u1与1同时为正或同时为负时，表示电功率从原方输入，称为电动机惯例。在副方，u2和2的正方向是由e2的正方向决定的，即2沿e2的正方向流出。当u2和2同时为正或同时为负时，电功率从副方输出，称为发电机惯例。 4、空载时的电磁关系： 1）电动势与磁通的关系： 假定主磁通按正弦规律变化，即 =msint 根据 根据电磁感应定律和对正方向规定，一、二次绕组中感应电动势的瞬时值为 ： 式中：注意：从上面的表达式中我们可以看出， 电 动势总是滞后与产生的他的磁通90。 2）电动势平衡方程式： 根据对正方向的规定，可以得到空载时电动势平衡方程式：将漏感电动势写成压降的形式 ：式中 Z1=R1+ 1原绕组的漏阻抗。对于电力变压器，空载时原绕组的漏阻抗压降I0Z1很小，其数值不超过U1的0.2%，将I0Z1忽略，则上式变成：在副方，由于电流为零，则副方的感应电动势等于副方的空载电压，即：3）变压器的变比： 在变压器中，原、副绕组的感应电动势E1和E2之比称为变压器的变比，用 表示，即：上式表明，变压器的变比等于原、副绕组的匝数比。当变压器空载运行时，由于U1E1 ，U20E2，故可近似地用空载运行时原、副方的电压比来作为变压器的变比，即对于三相变压器，变比是指原、副方相 电动势之比，也就是额定相电压之比。 4、空载电流： 变压器空载运行时原绕组中的电流 0主要用来产生磁场，又称为励磁电流，所以对于这个电流我们要重点看一下： 1）当不考虑铁心损耗时，励磁电流是纯磁化电流，用 来表示。由于磁路有饱和现象，磁化电流 与产生它的磁通之间的关系是非线性的。当磁通按正弦 规律变化时，励磁电流为尖顶波，根据谐 波分析方法，尖顶波可分解为基波和3、5、7次谐波。除基波外，三次谐波分量最大。这就是说，由于铁磁材料磁化曲线的非线性关系，要在变压器中建立正弦波磁通，励磁电流必须包含三次谐波分量。2.2 变压器的负载运行在前面我们通过分析了解了变压器的空载运行情况，当变压器原方接入交流电源，副方接上负载时的运行方式称为变压器的负载运行。一、负载运行时的物理情况：即从空载电流 0变为负载时的电流 1。原 绕组的磁动势也从空载磁动势F0变为 F1=I1N1。负载时的主磁通m就是由原、副绕组的合成磁动势产生的，即: F1+ F 2= F m。于是变压器在负载时的电磁关系重新达到平衡。二、电动势平衡方程式：在原方，电动势平衡方程式为在副方，电动势平衡方程式为：式中，Z2 =R2+ j ,副绕组的漏阻抗，R2 分别为副绕组的电阻和漏电抗。三、负载运行时的磁动势平衡方程式：负载运行时的磁动势平衡方程式可写为： F1+F2=F0或： I1N1+I2N2=I0N1将上式进行变化，可得： F1=F0+（-F2） 或：I1=I0+（-N2/N1I2）=I0+（-I2/K） 这说明变压器负载运行时通过磁动势平衡，使原、副方的电流紧密地联系在一起，副方通过磁动势平衡对原方产生影响，副方电流的改变必将引起原方电流的改变，电能就是这样从原方传到了副方。四、变压器参数的折算： 由于原、副绕组的匝数，原、副绕组的感应电动势12，这就给分析变压器的工作特性和绘制相量图增加了困难。为了克服这个困难，常用一假想的绕组来代替其中一个绕组，使之成为变比k=的变压器，这样就可以把原、副绕组联成一个等效电路，从而大大简化变压器的分析计算。这种方法称为绕组折算。折算后的量在原来的符号上加一个上标号“”以示区别。折算的本质：在由副方向原方折算时， 由于副方通过磁动势平衡对原方产生影响，因此，只要保持副方的磁动势不变，则变压器内部电磁关系的本质就不会改变。即折算前后副方对整个回路的电磁关系的影响关系不能发生变化！副方各量折算方法如下：1）副方电流的折算值 2）付方电动势的折算值： 于折算前后主磁通和漏磁通均未改变，根据电动势与匝数成正比的关系可得3）付方漏阻抗的折算值：根据折算前后副绕组的铜损耗不变的原则，的：五、折算后得基本方程式、等效电路和相量图：1、基本方程式：2、等效电路：3、相量图：六、等效电路图的简化2.3 变压器参数的测定变压器等效电路中的各种电阻、电抗或阻抗如Rk、xk、Rm、xm等称为变压器的参数，它们对变压器运行能有直接的影响。所以，我们有必要看一下各种参数是如何测定得通过实验的方法。一、空载实验：试验目的:测定变压器的空载电流I0、变比k、 空载损耗p0及励磁阻抗Zm=Rm+jxm。空载试验接线： 注意：为了便于测量和安全起见，通常在低压侧加电压，将高压侧开路。 实验过程：外加电压从额定电压开始在一定范围内进行调节 实验目的：在电压变化的过程中，记录相应的空载电流，空载损耗，作出相应的曲线，找出当电压为额定时相对应的空载电流和空载损耗，作为计算励磁参数得依据。 结论：在空载情况下，我们可以从前面所学的空载等效电路图中看出，空载时，Z0=Z1+Zm=（R1+j）+（Rm+jm）。通常RmR1，m，故可认为Z0 Zm=Rm+jm，于是：注意：1.由于励磁参数与磁路的饱和程度有关，故应取额定电压下的数据来计算励磁参数。2.对于三相变压器，按上式计算时U1、I0、p0均为每相值。但测量给出的数据却是线电压、线电流和三相总功率，3.此时的空载损耗p0为铁耗.。由于空载试验是在低压侧进行的，故测得的激磁参数是折算至低压侧的数值。如果需要折算到高压侧，应将上述参数乘2。这里是变压器的变化，可通过空载试验求出：二、短路实验： 实验过程：将变压器的副边直接短路，副边的电压等于零，称为变压器短路运行方式。 实验方法：为便于测量，通常在高压侧加电压，将低压侧短路。短路试验将在降低电压下进行，使Ik不超过1.2I1N。实验目的：在不同的电压下测出短路特性曲线Ik=f(Uk)、pk=f（Uk），如图所示，根据额定电流时的pk、Uk值，可以计算出变压器的短路参数注意：1.短路时，从短路的等效电路图可以看出，此时的短路损耗以铜耗为主 2.因电阻会随着温度发生变化，所以，我们的所得值要换算到标准工作温度下75度：Rk75 =Rk （对铜导线而言） l Rk75= Rk （对铝线 ）2.4 标 幺 值在工程计算中，各物理量往往不用实际值表示，而采用相应的标幺值来进行表示： 标么值=实际值/基值通常取各量的额定值作为基值。 采用标幺值的优点：1.采用标么值可以简化各量的数值，并能直观地看出变压器的运行情况。 2.采用标么值计算，原、副方各量均不需要折算 3.用标么值表示，电力变压器的参数和性能指标总在一定的范围之内，便于分析比较。 例如短路阻抗Zk*=0.040.175，空载电流 I0*=0.020.10。4.采用标么值，某些不同的物理量具有相同的数值。 Z k*=UKN*2.5 变压器的运行特性一、电压变化率：这是电压变化率的定义式计算公式 2、简化公式：通过向量图的我们可以将电压变化率得求解公式进行简化。U= 100 =Rk*cos2+xk*sin2100% ：称为变压器的负载系数 ，由此，当U1=U1N，cos 2 =常数时，我们可以作出相应的U2随着I2变化的U2=f(I2)曲线：此外，需要注意的是：当负载为感性时 上式说明，电压变化率与负载的大小 （值）成正比。在一定的负载系数下， 漏阻抗（阻抗电压）的标么值越大，电压变化率也越大。此外，电压变化率还与负载的性质，即功率因角数 2的大小和正负有关。 二、变压器的损耗和效率： 1、变压器的功率关系： 变压器原边从电网吸收电功率P1，其中很小部分功率消耗在原绕组的电阻上(pcu1=mI12R1)和铁心损耗上(pFe=mI02Rm)。其余部分通过电磁感应传给副绕组，称为电磁功率PM。副绕组获得的电磁功率中又有很小部分消耗在副绕组的电阻上(pcu2=mI22R2)，其余的传输给负载，即输出功率:这样，变压器的功率关系可表示如下：所以变压器的效率为：2、效率的求解：1）以按给定负载条件直接给变压器加负载，测出输出和输入有功功率就可以计算出来。这种方法称为直接负载法 2）电力变压器可以应用间接法计算效率， 间接法又称损耗分析法。其优点在于无需给变压器直接加负载，也无需运用等效电路计算，只要进行空载试验和短路试验，测出额定电压时的空载损耗p0和额定电流时的短路损耗pkN就可以方便地计算出任意负载下的效率。在应用间接法求变压器的效率时通常作如下假定：1.忽略变压器空载运行时的铜耗，用额定电压下的空载损耗p0来代替铁耗pFe，即pFe=p0，它不随负载大小而变化，称为不变损耗； 2.忽略短路试验时的铁耗，用额定电流时的短路损耗pkN来代替额定电流时的铜耗。但需要注意的是：不同负载时的铜耗与负载系数的平方成正比，当短路损耗pk不是在IK=IN时测的，则pkN=(IN/IK)2PK。3. 不考虑变压器副边电压的变化，即认为U2=U2N不变，这样便有P2=mU2I2 cos2=mU2NI2N(I2/I2N)cos2 = SN cos 2 这样，效率的公式可变为： = *100% 以上的假定引起的误差不大（不超过0.5），却给计算带来很大方便，电力变压器规定都用这种方法来计算效率。3.效率特性： 上式说明，当负载的功率因数cos