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电机学 电机的定义电机的分类及作用电机中的基本电磁关系电机中的铁磁材料特性磁路基本定律及计算方法电机的机电能量转换过程7 总结 使用中的变压器 水轮发电机 电动机 汽轮发电机组 返回 返回 返回 变压器电动势 变压器电动势的方向可根据楞次定律来判断 运动电动势 1 所有非导磁材料的磁导率均为常数 接近真空磁导率2 铁磁材料的磁导率远大于非导磁材料的磁导率3 铁磁材料的磁导率在较大范围内变化 铁磁材料是非线性的 H m oa段 H较弱 B缓慢增加 ab段 H较强 B迅速增加 bc段 H继续加强 B增加变慢 饱和段 c 段 H继续加强 B增加缓慢 深度饱和段 P18 19 公式中各量纲见P20 磁路基本定律 欧姆定律 磁路的欧姆定律 磁阻 磁导 磁路的基尔霍夫第一定律 定律内容 穿出 或进入 任一闭和面的总磁通量恒等于零 或者说 进入任一闭合面的磁通量恒等于穿出该闭合面的磁通量 这就是磁通连续性定律 磁路的基尔霍夫第二定律 定律内容 沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁路磁位降的代数和 磁路和电路的比拟仅是一种数学形式上的类似 而不是物理本质的相似 求 励磁磁动势F2 P33 P34 电磁转矩和电磁功率在机电能量转换中起重要用 而它们都是通过气隙磁场的作用而产生 总结 第一节磁路的基本定律 机电能量转换的媒介是磁场 磁场的路径称为磁路 在工程中 通常将磁场问题简化为磁路问题 电机是进行机电能量转换的装置 一 磁场的几个常用量 磁感应强度 又称磁通密度 B 表征磁场强弱及方向的物理量 单位 Wb m2 磁通量 垂直穿过某截面积的磁力线总和 单位 Wb 磁场强度H 计算磁场时引用的物理量 B H 单位 A m 磁通所通过的路径称为磁路 二 磁路的概念 三 磁路的基本定律 1 安培环路定律 沿任何一条闭合回线L 磁场强度H的线积分等于该闭合回线所包围的电流的代数和 如果在均匀磁场中 沿着回线L磁场强度H处处相等 则 2 磁路的欧姆定律 作用在磁路上的磁动势F等于磁路内的磁通量 乘以磁阻Rm 磁通量 等于磁通密度乘以面积 磁场强度等于磁通密度除以磁导率 于是 3 磁路的基尔霍夫定律 1 磁路的基尔霍夫电流定律 或 2 磁路的基尔霍夫电压定律 磁路和电路有相似之处 却要注意有以下几点差别 1 电路中有电流I时 就有功率损耗 而在直流磁路中 维持一定磁通量 铁心中没有功率损耗 2 电路中的电流全部在导线中流动 而在磁路中 总有一部分漏磁通 3 电路中导体的电阻率在一定的温度下是恒定的 而磁路中铁心的导磁率随着饱和程度而有所变化 4 对于线性电路 计算时可以用叠加原理 而在磁路中 B和H之间的关系为非线性 因此计算时不可以用叠加原理 第二节常用铁磁材料及其特性 一 铁磁物质的磁化 在外磁场的作用下 磁畴顺着外磁场方向转向 排列整齐 显示出磁性 二 磁化曲线和磁滞回线 1 起始磁化曲线 将一块未磁化的铁磁材料进行磁化 当磁场强度H由零逐渐增加时 磁通密度B将随之增加 用B f H 描述的曲线就称为起始磁化曲线 2 磁滞回线 剩磁 当H从零增加到Hm时 B相应地从零增加到Bm 然后再逐渐减小H B值将沿曲线ab下降 当H 0时 B值并不等于零 而是Br 这就是剩磁 磁滞回线 当H在Hm和 Hm之间反复变化时 呈现磁滞现象的B H闭合曲线 称为磁滞回线 3 基本磁化曲线 对同一铁磁材料 选择不同的Hm反复磁化 得到不同的磁滞回线 将各条回线的顶点连接起来 所得曲线称为基本磁化曲线 三 铁磁材料 1 软磁材料 2 硬磁材料 四 铁心损耗 1 磁滞损耗 材料被交流磁场反复磁化 磁畴相互摩擦而消耗的能量 2 涡流损耗 铁心内部由于涡流在铁心电阻上产生的热能损耗 3 铁心损耗 磁滞损耗和涡流损耗之和 第三节直流磁路的计算 磁路计算正问题 给定磁通量 计算所需的励磁磁动势 磁路计算逆问题 给定励磁磁势 计算磁路内的磁通量 磁路计算正问题的步骤 1 将磁路按材料性质和不同截面尺寸分段 2 计算各段磁路的有效截面积Ak和平均长度lk 3 计算各段磁路的平均磁通密度Ak Bk k Ak 4 根据Bk求出对应的Hk 5 计算各段磁位降Hklk 最后求出F Hklk 磁路计算逆问题 因为磁路为非线性的 用试探法 第四节交流磁路的特点 交流磁路除了会在铁心中产生损耗外 还有以下两个效应 1 磁通量随时间变化 在励磁线圈中产生感应电动势 2 磁饱和现象会导致电流 磁通和电动势波形畸变 本章作业 1 1 1 7 本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理 讨论直流电机的磁场分布 感应电动势 电磁转矩 电枢反应及影响 从应用角度分析直流发电机的运行特性和直流电动机的工作特性 第二章直流电机 2 1概述 与异步电动机相比 直流电动机的结构复杂 使用和维护不如异步机方便 而且要使用直流电源 2 1 1直流电机的主要结构 2 1直流电机的基本工作原理和结构 主磁极 换向磁极 电刷装置 机座 端盖 电枢铁心 电枢绕组 换向器 转轴 轴承 直流电机 具体结构参看P46 2 1 2直流电机的工作原理 2 1直流电机的基本工作原理和结构 一 直流发电机工作原理 右图为直流发电机的物理模型 N S为定子磁极 abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈 线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢 线圈的首末端a d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上 转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的 2 1 2直流电机的工作原理 2 1直流电机的基本工作原理和结构 一 直流发电机工作原理 当原动机驱动电机转子逆时针旋转后 如右图 电刷A接触的导体总是位于N极下 和电刷B接触的导体总是位于S极下 2 1 2直流电机的工作原理 2 1直流电机的基本工作原理和结构 一 直流发电机工作原理 可见 和电刷A接触的导体总是位于N极下 和电刷B接触的导体总是位于S极下 因此电刷A的极性总是正的 电刷B的极性总是负的 在电刷A B两端可获得直流电动势 实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈 线圈分布在电枢铁心表面的不同位置 按照一定的规律连接起来 构成电机的电枢绕组 磁极也是根据需要N S极交替旋转多对 2 1 2直流电动机的工作原理 2 1直流电机的基本工作原理和结构 二 直流电动机工作原理 把电刷A B接到直流电源上 电刷A接正极 电刷B接负极 此时电枢线圈中将电流流过 如右图 直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械 在磁场作用下 N极性下导体ab受力方向从右向左 S极下导体cd受力方向从左向右 该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩 当电磁转矩大于阻转矩时 电机转子逆时针方向旋转 2 1 2直流电动机的工作原理 2 1直流电机的基本工作原理和结构 二 直流电动机工作原理 原N极性下导体ab转到S极下 受力方向从左向右 原S极下导体cd转到N极下 受力方向从右向左 该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩 线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转 当电枢旋转到右图所示位置时 同直流发电机相同 实际的直流电动机的电枢并非单一线圈 磁极也并非一对 2 1 3直流电机的铭牌数据 2 1直流电机的基本工作原理和结构 2 1 3直流电机的铭牌数据 2 1直流电机的基本工作原理和结构 此外 电机铭牌上还标有其它数据 如励磁电压 出厂日期 出厂编号等 电机运行时 所有物理量与额定值相同 电机运行于额定状态 电机的运行电流小于额定电流 欠载运行 运行电流大于额定电流 过载运行 长期欠载运行将造成电机浪费 而长期过载运行会缩短电机的使用寿命 电机最好运行于额定状态或额定状态附近 此时电机的运行效率 工作性能等比较好 空载时直流电机的磁场 提前介绍 P62 2 2 1直流枢绕组基本知识 2 2直流电机的电枢绕组简介 元件 构成绕组的线圈称为绕组元件 分单匝和多匝两种 元件的首末端 每一个元件均引出两根线与换向片相连 其中一根称为首端 另一根称为末端 极距 相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离 用表示 叠绕组 指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分 整个绕组成折叠式前进 波绕组 指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来 象波浪式的前进 2 2 1直流枢绕组基本知识 2 2直流电机的电枢绕组简介 合成节距 连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离 第一节距 一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离 第二节距 连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离 单叠绕组 单波绕组 yk yk 单叠绕组元件的连接 2 2 2单叠绕组 2 2直流电机的电枢绕组简介 单叠绕组的特点是相邻元件 线圈 相互叠压 合成节距与换向节距均为1 即 单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里 构成绕组的所有元件取出来画在一张图里 展示元件相互间的电气连接关系及主磁极 换向片 电刷间的相对位置关系 2 2 2单叠绕组 2 2直流电机的电枢绕组简介 根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图 下图 单叠绕组的的特点 1 同一主磁极下的元件串联成一条支路 主磁极数与支路数相同 2 电刷数等于主磁极数 电刷间电动势等于并联支路电动势 3 电枢电流等于各支路电流之和 参看P59 2 3直流电机的磁场 2 3 1 2 3 2直流电机的空载磁场 右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图 当励磁绕组的串联匝数为 流过电流为 每极的励磁磁动势为 详细参见P62 2 3 2直流电机的空载磁场 直流电机中 主磁通是主要的 它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩 而漏磁通没有这个作用 它只是增加主磁极磁路的饱和程度 在数量上 漏磁通比主磁通小得多 大约是主磁通的20 空载时 励磁磁动势主要消耗在气隙上 当忽略铁磁材料的磁阻时 主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状 磁极中心及附近的气隙小且均匀 磁通密度较大且基本为常数 靠近极尖处 气隙逐渐变大 磁通密度减小 极尖以外 气隙明显增大 磁通密度显著减少 在磁极之间的几何中性线处 气隙磁通密度为零 无齿电枢表面的气隙磁密分布 直流电机的化曲线 为了感应电动势或产生电磁转矩 直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通 空载时 气隙磁通与空载磁动势或空载励磁电流的关系 称为直流电机的空载磁化特性 如右图所示 为了经济 合理地利用材料 一般直流电机额定运行时 额定磁通设定在图中A点 即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置 2 3 3直流电机的电枢磁场 直流电机带上负载后 电枢绕组中有电流 电枢电流产生的磁动势称为电枢磁动势 电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化 右图为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分布情况 假设励磁电流为零 只有电枢电流 由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况 电枢磁动势为交轴磁动势 2 3 3直流电机负载时的负载磁场 2 3直流电机的电枢反应 如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布 则电枢磁动势在气隙圆周方向空间分布呈三角波 如图中所示 由于主磁极下气隙长度基本不变 而两个主磁极之间 气隙长度增加得很快 致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型 如图中所示 2 3 4直流电机的电枢反应 2 3直流电机的电枢反应 当励磁绕组中有励磁电流 电机带上负载后 气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果 电枢磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应 电枢反应与电刷的位置有关 1 当电刷在几何中性线上时 将主磁场分布和电枢磁场分布叠加 可得到负载后电机的磁场分布情况 如图 a 所示 2 3 4直流电机的电枢反应 2 3直流电机的电枢反应 主磁场的磁通密度分布曲线 电枢磁场磁通密度分布曲线 两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线 2 3 4直流电机的电枢反应 2 3直流电机的电枢反应 由图可知 电刷在几何中性线时的电枢反应的特点 2 对主磁场起去磁作用 1 使气隙磁场发生畸变 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合 负载后由于电枢反应的影响 每一个磁极下 一半磁场被增强 一半被削弱 物理中性线偏离几何中性线角 磁通密度的曲线与空载时不同 磁路不饱和时 主磁场被削弱的数量等于加强的数量 因此每极量的磁通量与空载时相同 电机正常运行于磁化曲线的膝部 主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高 铁心磁阻增大 增加的磁通少些 因此负载时每极磁通略为减少 即电刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性质 直流电机的电枢电动势 2 3 5直流电机的电枢电动势和电磁转矩 产生 电枢旋转时 主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势 大小 性质 发电机 电源电势 与电枢电流同方向 电动机 反电势 与电枢电流反方向 P72 可见 直流电机的感应电动势与电机结构 气隙磁通及转速有关 直流电机的电磁转矩 2 3 5直流电机的电枢电动势和电磁转矩 产生 电枢绕组中有电枢电流流过时 在磁场内受电磁力的作用 该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩 大小 性质 发电机 制动 与转速方向相反 电动机 驱动 与转速方向相同 P73 可见 制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比 二 直流电机的电磁转矩当直流电机带上负载时 电枢绕组中就有电流流过 载流的电枢绕组在气隙磁场中将受到电磁力作用而产生电磁转矩 电磁力的大小可以利用电磁力定律来计算 假定电刷放在几何中性线上 元件为整距 则一个极下载流导体的电流方向均相同 另外 每个极下的气隙磁场 除极性不同外 其分布情况也相同 因此 只要计算一根导体在一个磁极范围内气隙磁场中所受到的平均电磁力和电磁转矩 然后再乘以总导体数 就可得到作用在整个电枢上的电磁转矩 2 4 1直流发电机的基本特性 2 4 1直流发电机的基本特性 2 4 1直流发电机的基本特性 2 4 1直流发电机的基本特性 2 4 1直流发电机的基本特性 2 4 1直流发电机的基本特性 2 4 1直流发电机的基本特性 2 4 1直流发电机的基本特性 2 4 1直流发电机的基本特性 2 4 1直流发电机的基本特性 2 4 1直流发电机的基本特性 2 4 1直流发电机的基本特性 2 4 1直流发电机的基本特性 2 4 2直流发电机的运行特性 1 了解直流电动机的励磁方式 掌握其特点2 掌握直流电动机的基本方程式3 掌握直流电动机的工作特性4 掌握直流电动机的机械特性5 掌握直流电动机的起动和调速方法6 了解直流电动机的制动 本节主要内容 2 5直流电动机的基本特性 直流电动机具有良好的起动性能和调速性能 广泛应用于对起动和调速性能要求高的场合 直流电动机按励磁方式可分为 他励 并励 串励和复励四种 2 5直流电动机的基本特性 1直流电机的可逆原理 直流电机 直流电机的可逆原理 一台电机既可作为发电机运行 又可作为电动机运行 感应电动势 发电作用 电磁转矩 电动作用 发电机 主电动势反转矩电动机 反电动势主转矩 原动机Ea U电负载 电源Ea U机械负载 发电机 电动机 2 5直流电动机的基本特性 2 5 1直流电动机的基本方程式 2 5直流电动机的基本特性 一 电压平衡方程式 2直流电动机的基本方程式 二 功率平衡方程式 2 5直流电动机的基本特性 2直流电动机的基本方程式 三 转矩平衡方程式 稳态运行转矩方程 动态运行转矩方程 2 5直流电动机的基本特性 2 5 2直流电动机的工作特性 定义 U UN If IfN 并励 时 转速n 电磁转矩Tem 效率 与电枢电流Ia 或输出功率P2 的关系 即n f Ia Tem f Ia f Ia 或n f P2 Tem f P2 f P2 的关系曲线 并励电动机试验接线图 工作特性因励磁方式而异 可计算求得 但大多用实验方法确定 2 5直流电动机的基本特性 一 并励电动机的工作特性 转速调整率 1 转速特性 U UN 常数 If IfN 常数时 n f Ia 的关系曲线 励磁回路不允许断开 2 5直流电动机的基本特性 一 并励电动机的工作特性 2 转矩特性 U UN 常数 If IfN 常数时 Tem f Ia 的关系曲线 考虑去磁 曲线有所下降 2 5直流电动机的基本特性 一 并励电动机的工作特性 3 效率特性 U UN 常数 If IfN 常数时 f Ia 的关系曲线 可变损耗 不变损耗时 效率最高 2 5直流电动机的基本特性 一 并励电动机的工作特性 2 5直流电动机的基本特性 二 串励电动机的工作特性 1 转速特性 U UN 常数 n f Ia 的关系曲线 U UN 常数时 转速n 电磁转矩Tem 效率 与电枢电流Ia 或输出功率P2 的关系曲线 串励电动机试验接线图 2 5直流电动机的基本特性 二 串励电动机的工作特性 1 转速特性 串励电动机绝对不允许空载运行 以避免发生 飞速 现象 2 转距特性 Tem f Ia 2 5直流电动机的基本特性 直流发电机与直流电动机的区别 转矩平衡方程 功率平衡方程 特性 2 5直流电动机的基本特性 2 5 3直流电动机的机械特性 定义 U UN 常数时 励磁和电枢回路电阻保持不变时 转速n与电磁转矩Tem的关系n f Tem Rj为串入电枢回路的调节电阻 用于改变机械特性的形状 Rj 0时为自然机械特性 Rj 0为人工机械特性 2 5直流电动机的基本特性 并励直流电动机的机械特性 机械特性接近于一水平线 称为硬特性 反之特性软 2 5直流电动机的基本特性 2 5 3直流电动机的机械特性 串励直流电动机的机械特性 软特性 因为转矩增大 电枢增大 磁通增大 内阻压降均增大 故转速下降很快 2 5直流电动机的基本特性 2 5 3直流电动机的机械特性 2 6直流电力传动 二 电动机组稳定运行的条件 典型负载的机械特性n f TL 1 恒转矩负载 TL const 2 风机类负载 TL n2 3 恒功率负载 PL const 下垂的机械特性 2 6直流电力传动 二 电动机组稳定运行的条件 上翘的机械特性 稳定条件 2 6直流电力传动 二 电动机组稳定运行的条件 2 6 2直流电动机的起动 起动的基本要求 起动转矩足够大 起动电流限制在允许范围内 起动时间短 符合生产技术要求 起动设备简单 经济 安全 可靠 起动过程 直流电动机接电源后 转速从零达到稳定转速的过程 大电流对电网的影响 电网电压下降 影响其他用电设备 电机绕组发热 受大电磁力的冲击 2 6直流电力传动 起动瞬间 起动的根本原则 足够大的电磁转矩 限制起动电流 起动时的磁场 磁通最大 励磁回路调节电阻为零 常用起动方法 全压起动 电枢回路串变阻器起动 降压起动 2 6直流电力传动 一 全压起动 直接加额定电压起动优点 操作简单 无需另加设备缺点 冲击电流大 电源电压会突然降低 影响其他用电设备 产生很大的冲击电磁力和转矩应用 适用于容量很小的电动机 2 6直流电力传动 2 6 2直流电动机的起动 二 电枢回路串变阻器起动 在电枢回路串可变电阻 以限制起动电流 待转速上升后 逐步切除起动电阻损耗增加 不经济 2 6直流电力传动 2 6 2直流电动机的起动 三 降压起动 开始时 降低端电压 随着转速的升高 逐步提高电枢电压 并使电枢电流限制在一定范围内 采用他励优点 起动电流小 起动过程平滑 能量损耗少 缺点 需要一套专用的直流发电机或整流电源 投资费用大 实例 发电机 电动机组 整流器 电动机组 2 6直流电力传动 2 6 2直流电动机的起动 2 6 3直流电动机的调速 调速方法 1 改变励磁电流 主磁通 调速 2 改变串入电枢回路中的电阻调速 3 改变电枢端电压调速 2 6直流电力传动 一 改变励磁电流调速 优点 设备简单 调节方便 能耗小 效率基本不变 经济性好 调速平滑 可实现无级调速缺点 只能向上单方向调节 转速高时 换向性能差 机械特性的斜率变大 特性变软 机械特性 理想空载转速增大 斜率增大 2 6直流电力传动 2 6 3直流电动机的调速 一 改变励磁电流调速 调速过程 2 6直流电力传动 2 6 3直流电动机的调速 一 改变励磁电流调速 调速过程 调节磁场前工作点 弱磁瞬间工作点A A 弱磁稳定后的工作点 2 6直流电力传动 2 6 3直流电动机的调速 一 改变励磁电流调速 调速过程 减弱磁通调速前 后转速变化曲线 减弱磁通前 后的电枢电流变化曲线 结论 磁场越弱 转速越高 因此电机运行时励磁回路不能开路 2 6直流电力传动 2 6 3直流电动机的调速 优点 设备简单 操作方便 缺点 只能向下单方向调节 低速时 机械特性很软 调速范围不大 稳定性差 负载变化时 转速调整率变大 速度调节不平滑 属有级调速 电阻消耗的能量大 调速时效率低 效率与转速成正比 机械特性 理想空载转速不变 斜率增大 二 改变串入电枢回路的电阻调速 2 6直流电力传动 2 6 3直流电动机的调速 2 6 3直流电动机的调速 适用于恒转矩调速对恒转矩负载 调速前 后因增通不变而使Tem和Ia不变 输入功率不变 输出功率却随转速的下降而下降 减少的部分被串联电阻消耗了 调速过程 二 改变串入电枢回路的电阻调速 2 6直流电力传动 调速过程 二 改变串入电枢回路的电阻调速 未串电阻时的工作点 串电阻Rj1后 工作点由A A B 2 6直流电力传动 2 6 3直流电动机的调速 调速过程 二 改变串入电枢回路的电阻调速 调速过程电流变化曲线调速前 后电流不变 调速过程转速变化曲线 结论 带恒转矩负载时 串电阻越大 转速越低 2 6直流电力传动 2 6 3直流电动机的调速 优点 电源电压能够平滑调节 可实现无级调速 调速前后的机械特性的斜率不变 硬度较高 负载变化时稳定性好 无论轻载还是负载 调速范围相同 电能损耗较小 缺点 只能向基速下单方向调节 需要一套电压可连续可调的直流电源 较复杂 机械特性 理想空载转速减小 斜率不变 是一组平行直线 三 改变电枢端电压调速 2 6直流电力传动 2 6 3直流电动机的调速 适用于恒转矩调速对恒转矩负载 调速前 后因增通不变而使Tem和Ia不变 调速过程 三 改变电枢端电压调速 2 6直流电力传动 2 6 3直流电动机的调速 调速过程 三 改变电枢端电压调速 调速压前工作点A 降压瞬间工作点 稳定后工作点 降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似 调速过程中转速和电枢电流 或转矩 随时间变化的曲线也相似 2 6直流电力传动 2 6 3直流电动机的调速 2 6 4直流电动机的制动 分类 机械制动和电磁制动 电磁制动 定义 使电动机产生一个与旋转方向相反的电磁转矩 阻碍电动机转动 特点 产生的转矩大 易于控制 操作方便 方法 能耗制动 反接制动 回馈制动 2 6直流电力传动 2 6 4直流电动机的制动 一 能耗制动 保持励磁电流的大小及方向不变 电动机从电网脱离接至制动电阻RL 实际上是一台向制动电阻供电的他励直流发电机 轴上的机械能转化成电能 全部消耗于电枢回路的电阻上 并励电动机能耗制动接线图 2 6直流电力传动 2 6 4直流电动机的制动 一 能耗制动 特点 1 操作简单 停车准确2 能耗制动产生的冲击电流不会影响电网 3 低速时制动转矩小 停转慢 4 动能大部分都消耗在制动转矩上 机械特性 2 6直流电力传动 2 6 4直流电动机的制动 二 反接制动 电枢回路串入制动电阻后 接上极性相反的电源电压 电枢回路内产生反向电流 进而产生反向制动电磁转矩 从电源输入的电功率和从轴上输入的机械功率转变成的电功率一起消耗在电枢回路电阻上 1 正转反接 并励电动机反接制动接线图 2 6直流电力传动 2 6 4直流电动机的制动 二 反接制动 1 正转反接 特点 1 可以很快使机组停机 2 需要加入足够的电阻 限制电枢电流 3 转速至零时 需切断电源 机械特性 2 6直流电力传动 2 6 4直流电动机的制动 三 回馈制动 发电机制动 回馈制动过程中 有功功率回馈电源 从电能消耗看 回馈制动是最经济的一种制动方式 转速高于理想空载转速是回馈制动运行状态的重要特点 当电动机转速高于理想空载转速 即n n0时 电枢电动势Ea大于电枢电压U 电机进入发电状态 电磁转矩起制动作用 限制转速上升 电动机向电源回馈电能 2 6直流电力传动 2 6 4直流电动机的制动 形式 三 回馈制动 发电机制动 稳定运行 1 电压反接制动带位能性负载进入第四象限 2 电车下坡时 运行转速超过理想空载转速 进入第二象限 当电车下坡时 运行转速可能超过理想空载转速 进入第二象限 2 6直流电力传动 作业 2 7 11 27 40 51 简述 直流伺服电机 直流测速发电机内容 第三章变压器 变压器是一种常见的电气设备 在电力系统和电子线路中应用广泛 变压器的主要功能有 在能量传输过程中 当输送功率P UIcos 及负载功率因数cos 一定时 电能损耗小 节省金属材料 经济 概述 U I P I Rl I S 电力工业中常采用高压输电低压配电 实现节能并保证用电安全 具体如下 变压器的分类 变压器的结构 变压器的磁路 变压器的电路 变压器的结构 1 变压器的型号 变压器的铭牌和技术数据 变压器额定值 额定电压U1N U2N变压器二次侧开路 空载 时 一次 二次侧绕组允许的电压值 额定电流I1N I2N变压器满载运行时 一次 二次侧绕组允许的电流值 额定容量SN传送功率的最大能力 容量SN 输出功率P2 一次侧输入功率P1 输出功率P2 注意 变压器几个功率的关系 单相 效率 变压器运行时的功率取决于负载的性质 变压器额定值 3 1变压器的工作原理 一次 二次绕组互不相连 能量的传递靠磁耦合 1 空载运行情况 1 电磁关系 一次侧接交流电源 二次侧开路 空载时 铁心中主磁通 是由一次绕组磁通势产生的 2 带负载运行情况 1 电磁关系 一次侧接交流电源 二次侧接负载 有载时 铁心中主磁通 是由一次 二次绕组磁通势共同产生的合成磁通 2 电压变换 设加正弦交流电压 有效值 同理 主磁通按正弦规律变化 设为则 1 一次 二次侧主磁通感应电动势 根据KVL 变压器一次侧等效电路如图 2 一次 二次侧电压 对二次侧 根据KVL 结论 改变匝数比 就能改变输出电压 式中R2为二次绕组的电阻 X2 L 2为二次绕组的感抗 为二次绕组的端电压 变压器空载时 式中U20为变压器空载电压 故有 3 电流变换 一次 二次侧电流关系 有载运行 可见 铁心中主磁通的最大值 m在变压器空载和有载时近似保持不变 即有 不论变压器空载还是有载 一次绕组上的阻抗压降均可忽略 故有 由上式 若U1 f不变 则 m基本不变 近于常数 空载 有载 或 结论 一次 二次侧电流与匝数成反比 或 1 提供产生 m的磁势 磁势平衡式 空载磁势 有载磁势 3 1 2变压器的外特性与效率 1 变压器的外特性 当一次侧电压U1和负载功率因数cos 2保持不变时 二次侧输出电压U2和输出电流I2的关系 U2 f I2 U20 一次侧加额定电压 二次侧开路时 二次侧的输出电压 一般供电系统希望要硬特性 随I2的变化 U2变化不大 电压变化率约在5 左右 电压变化率 2 变压器的效率 为减少涡流损耗 铁心一般由导磁钢片叠成 变压器的损耗包括两部分 铜损 PCu 绕组导线电阻的损耗 涡流损耗 交变磁通在铁心中产生的感应电流 涡流 造成的损耗 铁损 PFe 变压器的效率为 一般 95 负载为额定负载的 50 75 时 最大 输出功率 输入功率 当电流流入 或流出 两个线圈时 若产生的磁通方向相同 则两个流入 或流出 端称为同极性端 1 同极性端 同名端 或者说 当铁心中磁通变化时 在两线圈中产生的感应电动势极性相同的两端为同极性端 同极性端用 表示 增加 同极性端和绕组的绕向有关 3 1 3变压器绕组的极性 当三相变压器的原边和副边绕组均以一定的接法现接 带上三相对称负载 原边加上对称的三相电压时 因为三相对称电压本身大小相等 相位互差1200 因此求得一相的电压 电流 其它两相按对称关系求出 3 2三相变压器 一 组式变压器三个独立的单相变压器组成 在电路上互相联接 三相磁路互相完全独立 各相主磁通有各自的铁心磁路 互不影响 各相铁芯 磁通 磁阻等一致 3 2 1三相变压器磁路 二 芯式变压器 具有共同铁芯 中柱 中间铁芯柱 磁通为三相磁通之和 对称时中柱磁通为零 可省去 又称三相三铁芯柱式变压器 三相铁芯式变压器 平面 磁路不完全对称 各相If不完全相同 但相差很小 忽略区别 3 2 1三相变压器磁路 三 连接组 1 高 低压绕组中电动势相位关系 单相绕组 单相变压器中 高压绕组首端为 A 末端为 X 低压绕组首端为 a 末端为 x 原 副绕组被同一主磁通 交链 感应电动势在任一瞬间原边绕组一端点为高电位 副边绕组也有一端点为高电位 这两个端点为 同名端 3 2 1三相变压器磁路 3 2 2三相变压器绕组的联接法和联接组 1 三相变压器连接法 高压绕组首端由A B C表示 末端由X Y Z表示 低压绕组首端由a b c表示 末端由x y z表示 一相绕组末端与另一相绕组首端相连 依次得到一闭合回路 为三角形连接 有顺 逆之分 3 2 2三相变压器绕组的联接法和联接组 分析 P147 148Yy0 yd11连接组 3 2 3三相变压器的并联运行 负荷容量很大 一台变压器不能满足要求 负荷变化较大 用多台变压器并联运行可以随时调节投入变压器的台数 可以减少变压器的储备容量 3 3特殊变压器 1 自耦变压器 手柄 接线柱 2 自耦变压器的工作原理 1 电压关系忽略漏阻抗 则 2 电流关系 公共绕组的电流 在降压变压器中 I1 I2 在升压变压器中 I1 I2 3 功率关系变压器容量 SN U2NI2N U1NI1N S2 U2I2 在降压变压器中 U2 I I1 U2I U2I1 Si St 在升压变压器中 S1 U1I1 U1 I I2 U1I U1I2 Si St 降压变压器升压变压器感应功率Si传导功率St U2IU1IU2I1U1I2 在SN一定时 k越接近1 Si越小 St所占比例越大 经济效果越显著 2 仪用互感器 一 电压互感器 ku 国产互感器 U2N 100V使用注意 二次绕组禁止短路 二次绕组与铁心必须接地 空载运行的降压变压器 电压互感器 3 3特殊变压器 E2 二 电流互感器 N1很小 短路运行的升压变压器 ki 国产互感器 I2N 5A使用注意 二次绕组禁止开路 开路时 I2 0 I1不变 一次绕组工作电压较高时 二次绕组与铁心必须接地 2 10仪用互感器 二次侧不能短路 以防产生过流 2 铁心 低压绕组的一端接地 以防在绝缘损坏时 在二次侧出现高压 使用注意事项 被测电压 电压表读数 N1 N2 2 电压互感器 实现用低量程的电压表测量高电压 被测电流 电流表读数 N2 N1 二次侧不能开路 以防产生高电压 2 铁心 低压绕组的一端接地 以防在绝缘损坏时 在二次侧出现过压 使用注意事项 3 电流互感器 实现用低量程的电流表测量大电流 3 1变压器的基本工作原理和结构 3 2单相变压器的空载运行 3 3单相变压器的负载运行 3 4变压器的参数测定 3 5标么值 3 6变压器的运行特性 3 7三相变压器 3 8变压器的并联特性 变压器是一种静止电器 它通过线圈间的电磁感应 将一种电压等级的交流电能转换成同频率的另一种电压等级的交流电能 3 1变压器的基本工作原理和结构 3 1 1基本工作原理和分类 一 基本工作原理 变压器的主要部件是铁心和套在铁心上的两个绕组 两绕组只有磁耦合没电联系 在一次绕组中加上交变电压 产生交链一 二次绕组的交变磁通 在两绕组中分别感应电动势 只要一 二次绕组的匝数不同 就能达到改变压的目的 3 1变压器的基本工作原理和结构 3 1 1基本工作原理和分类 二 分类 按用途分 电力变压器和特种变压器 按绕组数目分 单绕组 自耦 变压器 双绕组变压器 三绕组变压器和多绕组变压器 按相数分 单相变压器 三相变压器和多相变压器 按铁心结构分 心式变压器和壳式变压器 按调压方式分 无励磁调压变压器和有载调压变压器 按冷却介质和冷却方式分 干式变压器 油浸式变压器和充气式变压器 3 1变压器的基本工作原理和结构 3 1 2基本结构 一 铁心 变压器的主磁路 为了提高导磁性能和减少铁损 用0 35mm厚 表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成 变压器的电路 一般用绝缘铜线或铝线绕制而成 油浸式变压器的器身浸在变压器油的油箱中 油是冷却介质 又是绝缘介质 油箱侧壁有冷却用的管子 散热器或冷却器 将线圈的高 低压引线引到箱外 是引线对地的绝缘 担负着固定的作用 二 绕组 三 油箱 四 绝缘套管 此外 还有储油柜 吸湿器 安全气道 净油器和气体继电器 3 1变压器的基本工作原理和结构 3 1 3型号与额定值 一 型号 型号表示一台变压器的结构 额定容量 电压等级 冷却方式等内容 表示方法为 如OSFPSZ 250000 220表明自耦三相强迫油循环风冷三绕组铜线有载调压 额定容量250000kVA 高压额定电压220kV电力变压器 3 1变压器的基本工作原理和结构 3 1 3型号与额定值 二 额定值 三者关系 此外 额定值还有额定频率 效率 温升等 3 2单相变压器的空载运行 3 2 1电磁关系 一 空载运行时的物理情况 3 2单相变压器的空载运行 3 2 1电磁关系 一 空载运行时的物理情况 1 性质上 与成非线性关系 与成线性关系 2 数量上 占99 以上 仅占1 以下 3 作用上 起传递能量的作用 起漏抗压降作用 主磁通与漏磁通的区别 二 各电磁量参考方向的规定 一次侧遵循电动机惯例 二次侧遵循发电机惯例 强调 磁通与产生它的电流之间符合右手螺旋定则 电动势与感应它的磁通之间符合右手螺旋定则 3 2单相变压器的空载运行 3 2 1电磁关系 三 感应电动势分析 1 主磁通感应的电动势 主电动势 设 则 有效值 相量 同理 二次主电动势也有同样的结论 可见 当主磁通按正弦规律变化时 所产生的一次主电动势也按正弦规律变化 时间相位上滞后主磁通 主电动势的大小与电源频率 绕组匝数及主磁通的最大值成正比 213 3 2单相变压器的空载运行 3 2 1电磁关系 三 感应电动势分析 2 漏磁通感应的电动势 漏电动势 漏电动势也可以用漏抗压降来表示 即 根据主电动势的分析方法 同样有 由于漏磁通主要经过非铁磁路径 磁路不饱和 故磁阻很大且为常数 所以漏电抗很小且为常数 它不随电源电压负载情况而变 3 2单相变压器的空载运行 3 2 2空载电流和空载损耗 一 空载电流 1 作用与组成 2 性质和大小 性质 由于空载电流的无功分量远大于有功分量 所以空载电流主要是感性无功性质 也称励磁电流 空载电流包含两个分量 一个是励磁分量 作用是建立磁场 产生主磁通 无功分量 另一个是铁损耗分量 作用是供变压器铁心损耗 有功分量 大小 与电源电压和频率 线圈匝数 磁路材质及几何尺寸有关 用空载电流百分数I0 来表示 3 2单相变压器的空载运行 3 2 2空载电流和空载损耗 一 空载电流 3 波形 由于磁路饱和 空载电流与由它产生的主磁通呈非线性关系 当磁通按正弦规律变化时 空载电流呈尖顶波形 当空载电流按正弦规律变化时 主磁通呈尖顶波形 实际空载电流为是正弦波 但为了分析 计算和测量的方便 在相量图和计算式中常用正弦的电流代替实际的空载电流 216 3 2单相变压器的空载运行 3 2 2空载电流和空载损耗 二 空载损耗 对于已制成变压器 铁损与磁通密度幅值的平方成正比 与电流频率的1 3次方成正比 即 空载损耗约占额定容量的0 2 1 而且随变压器容量的增大而下降 为减少空载损耗 改进设计结构的方向是采用优质铁磁材料 优质硅钢片 激光化硅钢片或应用非晶态合金 变压器空载时 一次侧从电源吸收少量的有功功率 用来供给铁损和绕组铜损 由于和均很小 所以 即空载损耗近似等于铁损 3 2单相变压器的空载运行 3 2 3空载时的电动势方程 等效电路和相量图 一 电动势平衡方程和变比 1 电动势平衡平衡方程 1 一次侧电动势平衡方程 忽略很小的漏阻抗压降 并写成有效值形式 有 则 可见 影响主磁通大小的因素有电源电压 电源频率和一次侧线圈匝数 3 2单相变压器的空载运行 3 2 3空载时的电动势方程 等效电路和相量图 一 电动势平衡方程和变比 1 电动势平衡平衡方程 2 二次侧电动势平衡方程 2 变比 定义 对三相变压器 变比为一 二次侧的相电动势之比 近似为额定相电压之比 具体为 Y d接线 D y接线 3 2单相变压器的空载运行 3 2 3空载时的电动势方程 等效电路和相量图 二 空载时的等效电路和相量图 1 等效电路 一次侧的电动势平衡方程为 基于表示法 感应的也用电抗压降表示 由于在铁心中引起 所以还要引入一个电阻 用等效 即 空载时等效电路为 3 2单相变压器的空载运行 3 2 3空载时的电动势方程 等效电路和相量图 二 空载时的等效电路和相量图 1 等效电路 由于 所以有时忽略漏阻抗 空载等效电路只是一个元件的电路 在一定的情况下 大小取决于的大小 从运行角度讲 希望越小越好 所以变压器常采用高导磁材料 增大 减小 提高运行效率和功率因数 3 2单相变压器的空载运行 3 2 3空载时的电动势方程 等效电路和相量图 二 空载时的等效电路和相量图 2 相量图 根据前面所学的方程 可作出变压器空载时的相量图 1 以为参考相量 2 与同相 滞后 3 滞后 4 5 3 2单相变压器的空载运行 小结 1 一次侧主电动势与漏阻抗压降总是与外施电压平衡 若忽略漏阻抗压降 则一次主电势的大小由外施电压决定 2 主磁通大小由电源电压 电源频率和一次线圈匝数决定 与磁路所用的材质及几何尺寸基本无关 3 空载电流大小与主磁通 线圈匝数及磁路的磁阻有关 铁心所用材料的导磁性能越好 空载电流越小 4 电抗是交变磁通所感应的电动势与产生该磁通的电流的比值 线性磁路中 电抗为常数 非线性电路中 电抗的大小随磁路的饱和而减小 3 3单相变压器的负载运行 3 3 1负载运行时的电磁关系 变压器一次侧接在额定频率 额定电压的交流电源上 二次接上负载的运行状态 称为负载运行 3 3单相变压器的负载运行 3 3 2基本方程 一 磁动势平衡方程 空载时 由一次磁动势产生主磁通 负载时 产生的磁动势为一 二次的合成磁动势 由于的大小取决于 只要保持不变 由空载到负载 基本不变 因此有磁动势平衡方程 或 用电流形式表示 表明 变压器的负载电流分成两个分量 一个是励磁电流 用来产生主磁通 另一个是负载分量 用来抵消二次磁动势的作用 电磁关系将一 二次联系起来 二次电流增加或减少必然引起一次电流的增加或减少 3 3单相变压器的负载运行 3 3 2基本方程 一 磁动势平衡方程 负载运行时 忽略空载电流有 表明 一 二次电流比近似与匝数成反比 可见 匝数不同 不仅能变电压 同时也能变电流 二 电动势平衡方程 根据基尔霍夫电压定律可写出一二次侧电动势平衡方程 3 3单相变压器的负载运行 3 3 3等效电路及相量图 一 折算 折算 将变压器的二次 或一次 绕组用另一个绕组来等效 同时对该绕组的电磁量作相应的变换 以保持两侧的电磁关系不变 目的 用一个等效的电路代替实际的变压器 折算原则 1 保持二次侧磁动势不变 2 保持二次侧各功率或损耗不变 方法 将二次侧折算到一次侧 3 3单相变压器的负载运行 3 3 3等效电路及相量图 一 折算 折算后的方程式为 3 3单相变压器的负载运行 3 3 3等效电路及相量图 二 等效电路 根据折算后的方程 可以作出变压器的等效电路 T型等效电路 近似等效电路 3 3单相变压器的负载运行 3 3 3等效电路及相量图 二 等效电路 简化等效电路 由简化等效电路可知 短路阻抗起限制短路电流的作用 由于短路阻抗值很小 所以变压器的短路电流值较大 一般可达额定电流的10 20倍 3 3单相变压器的负载运行 3 3 3等效电路及相量图 三 相量图 作相量图的步骤 对应T型等效电路 假定变压器带感性负载 3 3单相变压器的负载运行 3 3 3等效电路及相量图 三 相量图 作相量图的步骤 假定变压器带感性负载 对应简化等效电路 由等效电路可知 根据方程可作出简化相量图 3 4变压器的参数测定 3 4 1空载实验 一 目的 通过测量空载电流和一 二次电压及空载功率来计算变比 空载电流百分数 铁损和励磁阻抗 二 接线图 三 要求及分析 1 低压侧加电压 高压侧开路 3 4变压器的参数测定 3 4 1空载实验 三 要求及分析 5 空载电流和空载功率必须是额定电压时的值 并以此求取励磁参数 6 若要得到高压侧参数 须折算 7 对三相变压器 各公式中的电压 电流和功率均为相值 4 求出参数 3 4变压器的参数测定 3 4 2短路实验 一 目的 通过测量短路电流 短路电压及短路功率来计算变压器的短路电压百分数 铜损和短路阻抗 二 接线图 三 要求及分析 1 高压侧加电压 低压侧短路 3 同时记录实验室的室温 4 由于外加电压很小 主磁通很少 铁损耗很少 忽略铁损 认为 3 4变压器的参数测定 3 4 2短路实验 5 参数计算 对T型等效电路 6 温度折算 电阻应换算到基准工作温度时的数值 8 对三相变压器 各公式中的电压 电流和功率均为相值 7 若要得到低压侧参数 须折算 四 短路电压 短路时 当短路电流为额定值时一次所加的电压 称为短路电压 记作 短路电压也称为阻抗电压 3 4变压器的参数测定 3 4 2短路实验 四 短路电压 短路电压常用百分值表示 短路电压的大小直接反映短路阻抗的大小 而短路阻抗又直接影响变压器的运行性能 从正常运行角度看 希望它小些 这样可使副边电压随负载波动小些 从限制短路电流角度 希望它大些 相应的短路电流就小些 3 5标么值 标么值 就是指某一物理量的实际值与选定的同一单位的基准值的比值 即 一 定义 二 基准值的确定 1 通常以额定值为基准值 2 各侧的物理量以各自侧的额定值为基准 线值以额定线值为基准值 相值以额定相值为基准值 单相值以额定单相值为基准值 三相值以额定三相值为基准值 3 3 5标么值 三 优点 3 折算前 后的标么值相等 线值的标么值 相值的标么值 单相值的标么值 三相值的标么值 1 额定值的标么值为1 2 百分值 标么值 100 4 某些意义不同的物理量标么值相等 四 缺点 标么值没有单位 物理意义不明确 3 6变压器的运行特性 3 6 1电压变化率 用相量图可以推导出电压变化率的表达式 定义 是指一次侧加50Hz额定电压 二次空载电压与带负载后在某功率因数下的二次电压之差 与二次额定电压的比值 即 电压变化率是表征变压器运行性能的重要指标之一 它大小反映了供电电压的稳定性 由表达式可知 电压变化率的大小与负载大小 性质及变压器的本身参数有关 3 6变压器的运行特性 3 6 1电压变化率 3 6变压器的运行特性 为了保证二次端电压在允许范围之内 通常在变压器的高压侧设置抽头 并装设分接开关 调节变压器高压绕组的工作匝数 来调节变压器的二次电压 3 6 2电压调整 分接开关有两种形式 一种只能在断电情况下进行调节 称为无载分接开关 这种调压方式称为无励磁调压 另一种可以在带负荷的情况下进行调节 称为有载分接开关 这种调压方式称为有载调压 中 小型电力变压器一般有三个分接头 记