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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 变压器的铭牌和技术数据 1 变压器的型号 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 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 二 芯式变压器 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 1 自耦变压器 3 3特殊变压器 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 作业 4 35 36 异步电机 异步电动机异步发电机同步电机 同步发电机同步电动机 第四章交流电机绕组的基本理论 引入 同步 与 异步 的概念 同步交流发电机原理图 P 1 结合下图引入 电角度 及 交流频率 的概念 同步交流发电机原理图 P 2 转子 1 绕组产生的电动势 磁动势 接近正弦波 谐波分量少 2 三相绕组的感应电动势对称3 一定导体数下 产生尽可能大的基波电动势 4 1交流绕组的基本要求 一 基本要求 电气要求 2交流绕组的基本概念 交流绕组的定义 感应交流电的绕组叫交流绕组同步电机电枢绕组和异步电机定子 转子绕组结构相同 因此统称为 交流电机绕组 简称为交流绕组 1交流绕组的基本概念 对交流绕组的要求 1 良好的导电性能 2 一定导体数下 获得较大的基波电动势和基波磁动势 3 在三相绕组中 对基波而言 三相电动势必须对称 即三相的幅值相等而相位互差120度电角度 并且三相的阻抗也要求相等 4 电动势和磁动势波形力求接近正弦波 为此要求电动势和磁动势中的谐波分量尽量小 5 用铜量少 绝缘性能和机械强度可靠 散热条件好 6 制造工艺简单 检修方便 1交流绕组的基本概念 关于交流绕组的基本概念 实用的交流绕组是分布地嵌在定子槽内的许多线圈组成 一个线圈有Nc匝 每匝有两根导体 线圈的直线部分放在槽里 因它切割气隙磁场产生感应电动势 故称有效边 露在槽外的前后端连接线 称为端部 它不切割气隙磁场 仅起连接有效边的作用 1交流绕组的基本概念 关于交流绕组的基本概念 1 电角度 槽间角 因磁场每转过一对磁极时 导体的基波电动势变化一个周期 在电路理论中 定义一个期为360度时间电角度或2 电弧度 所以把一对极所张的空间角度称为360度空间电角度或空间电弧度 若电机有P对极 则整个定子内圆有p 360 电角度 而在几何学中把一个圆周的空间角度称为360度机械角度 所以电角度 1和机械角度 的关系应为 机械角 槽间角 1交流绕组的基本概念 关于交流绕组的基本概念 2 每极每相槽数q三相电机中 为了保持电气上的对称 每相绕组所占的槽数应该相等 并且均匀分布 因此 要形成2p个极的电机 应将定子总槽数Z分为2p个等分 每极下的槽数为z 2p 每极下的槽数再按m相分 一般m 3 所以每极每相槽数为 1交流绕组的基本概念 关于交流绕组的基本概念 3 相带每极下一相绕组所占的宽度称为相带 相带用电角度表示 由于每极每相所占的槽数为q 而槽间角为 1 对于三相绕组 一个相带所占的电角度为 称为60度相带绕组 1交流绕组的基本概念 关于交流绕组的基本概念 4 极距 沿电枢表面相邻两个磁极轴线之间的距离称为极距 极距有三种表示法 1 用电枢圆周长表示 单位为米或厘米 2 用电枢槽数表示 单位为槽 极 1交流绕组的基本概念 5 节距y一个线圈两有效边之间的距离称为节距 一般用槽数表示 如图所示线圈 若它的一个边放在第1槽 另一个边放在第10个槽 则节距y 9 为了使线圈电动势最大或接近最大 线圈的节距应等于或近于极距 整距绕组 y 短距绕组 y 端接较长 较少采用 单层绕组 一个槽中放一个元件边 双层绕组 一个槽中放两个元件边 单层绕组和双层绕组 均匀原则 每个极域内的槽数 线圈数 要相等 各相绕组在每个极域内所占的槽数应相等 对称原则 三相绕组的结构完全一样 但在电机的圆周空间互相错开120电角度 电势相加原则 线圈两个圈边的感应电势应该相加 线圈与线圈之间的连接也应符合这一原则 如线圈的一个边在N极下 另一个应在S极下 二 交流绕组的构成原则 交流绕组 同心式绕组 链式绕组 交叉链式绕组 等元件式整距叠绕组 交流绕组的形式 4 2三相单层绕组 分极分相将总槽数按给定的极数均匀分开 N S极相邻分布 并标记假设的感应电势方向 实例 Z 24 槽 m 3 相 2p 4 极 的单层叠绕组 基本步骤 每极每相槽数 将每个极域的槽数按三相均匀分开 三相在空间错开120电角度 分极分相 2 连线圈和线圈组将一对极域内属于同一相的两个线圈边连成一个线圈 共有q个线圈 将一对极域内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组 共有多少个线圈组 以上连接应符合电势相加原则 连线圈和线圈组 线圈组连接 3 连相绕组 绕组串联连接 1 串联连接 2 并联连接 绕组并联连接 将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组 接法或Y接法 4 连三相绕组 三相绕组连接 实例 Z1 36 2p 4 整距 m 3双层叠绕组 1 分极分相 将总槽数按给定的极数均匀分开 N S极相邻分布 并标记假设的感应电势方向 将每个极域的槽数按三相均匀分开 三相在空间错开120电角度 4 3三相双层绕组 每极每相槽数 36槽内导体感应电动势的相量图即槽电动势星形图 槽电势星形图 根据给定的线圈节距连线圈 上层边与下层边合一个线圈 以上层边所在槽号标记线圈编号 将同一极域内属于同一相的某两个线圈边连成一个线圈 共有q个线圈 为什么 将同一极域内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组 共有多少个线圈组 以上连接应符合电势相加原则 2 连线圈和线圈组 将A相的2p个线圈组连成一相绕组 标记首尾端 串联与并联 依照电势相加原则 最大并联支路数a 2p按照同样的方法构造其他两相 3 连A相绕组 将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组 4 连三相绕组 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 1 2 3 10 11 12 19 20 21 28 29 30 A相绕组的连接 P190 等元件式整距单层叠绕组 同心式绕组 双层叠绕组 感应电势随时间变化的波形和磁感应强度在空间的分布波形相一致 只考虑基波磁场时 感应电势为正弦波 一 导体中的感应电势 感应电势的波形 说明相位关系 磁场转过一对极 导体中的感应电势变化一个周期 磁场旋转一周 转过p 电机的极对数 对磁极 转速为n r min 的电机 每秒钟转过 pn 60 对极 导体中感应电势的频率f pn 60 Hz 问题 四极电机 要使得导体中的感应电势为50Hz 转速应为多少 感应电势的频率 感应电势的大小 导体感应电势最大值 导体与磁场的相对速度 磁感应强度峰值和平均值之间的关系 感应电势最大值 感应电势的有效值 绕组中均匀分布着许多导体 这些导体中的感应电势有效值 频率 波形均相同 但是他们的相位不相同 导体感应电势小结 整距线圈中的感应电势 二 线圈中的感应电势 线圈的两个有效边处于磁场中相反的位置 其感应电势相差180电角度 整距线圈的感应电势 考虑到线圈的匝数后 线圈的两个有效边在磁场中相距为y1 其感应电势相位差是180 电角度 短距线圈中的感应电势 短距角 短距线圈的感应电势 短距系数 短距系数小于1 故短距线圈感应电势有所损失 但短距可以削弱高次谐波 y1 每对极下属于同一相的q个线圈 构成一个线圈组 图中q 3每个线圈的感应电势由两个线圈边的感应电势矢量相加而成 整个线圈组的感应电势由所有属于该组的导体电势矢量相加 三 线圈组的感应电势 矢量式 分布系数 线圈组的电势 线圈组的感应电势 四 相绕组的电动势 单层绕组的相电势 单层绕组每对极每相q个线圈 组成一个线圈组 共p个线圈组 若p个线圈组全部并联则相电势 线圈组的电势若p个线圈组全部串联则相电势 p倍线圈组电势实际线圈组可并可串 总串联匝数 相电势 双层绕组每对极每相有2q个线圈 构成两个线圈组 共2p个线圈组 这2p个线圈组可并可串 总串联匝数 双层绕组的电势 双层绕组要考虑到短距系数 为绕组系数 三相绕组由在空间错开120电角度对称分布的三个单相绕组构成 三相相电势在时间上相差120度电角度 三相线电势与相电势的关系 三角形接法 线电势 相电势 星形接法 三相绕组的电势 正弦分布的以转速n旋转的旋转磁场 在三相对称交流绕组中会感应出三相对称交流电势 感应电势的波形同磁场波形 为正弦波 感应电势的频率为f pn 60 Hz 相电势的大小为 绕组系数 三相绕组电势总结 短距系数 分布系数 一 主极磁场产生 次谐波的性质 极对数为基波的 倍 极距为基波的1 随主极一起以同步转速在空间移动 即 谐波频率 谐波电动势的有效值 为 次谐波的磁通量 为 次谐波的绕组系数 相电动势和线电动势大小 相电动势的有效值 线电动势的有效值 三相绕组接成Y或 对于对称的三相系统 各相电动势的三次谐波时间上同相 幅值相等 Y连接 三次谐波互相抵消 连接 三次谐波形成环路 E 3完全消耗 线电动势 二 谐波的弊害 高次谐波 对于发电机 电动势波形变坏 降低供电质量 本身杂散损耗增大 效率下降 温升增高 高次谐波电流产生的磁场对通讯电路的干扰输电线路可能电感和电容的谐振产生过压 三 削弱谐波电势的方法 根据 减小或可降低谐波 1 采用短距绕组 适当地选择线圈的节距 使得某一次谐波的短距系数等于或接近零 达到消除或减弱该次谐波的目的 主极形状 短距绕组往往采用 主要考虑同时减小5次 7次谐波 2 采用分布绕组 就分布绕组来说 每极每相槽数q越多 抑制谐波电动势的效果越好 但q增多 意味总槽数增多 电机成本提高 采用分布绕组 4 6交流绕组建立的磁动势和气隙磁场 电势的分析前提同步 感应电机磁场简化 sin 电流 气隙 不饱和 4 6单相绕组的磁动势 脉振磁动势一 单个整距集中绕组的磁动势 改变旋转磁场转向的方法 调换任意两相电源线 改变相序 旋转磁场 当某相电流达到最大值时 旋转磁势的波幅刚好转到该相绕组的轴线上 旋转磁势的转向 由超前电流的相转向滞后电流的相 见动画演示 同步转速的概念 电源频率f 50Hz 旋转磁势的转速为某些固定值 如二极电机为3000r min 这些固定的转速叫同步转速 同步转速 见动画演示 4 6交流绕组的磁势 圆形和椭圆形旋转磁场 作业 15 19 第五章异步电机 5 2三相异步电动机的电磁转矩与机械特性 5 3三相异步电动机的启动 调速和制动 5 1三相异步电动机的结构与工作原理 交流电动机 电动机 直流电动机 鼠笼式 异步机 他励 异励 串励 复励 鼠笼式异步交流电动机授课内容 基本结构 工作原理 机械特性 控制方法 电动机的分类 同步机 绕线式 5 1三相异步电动机的结构及工作原理 三相异步机的结构 转子 5 1 1三相异步机的结构 转子 在旋转磁场作用下 产生感应电动势或电流 三相定子绕组 产生旋转磁场 异步电动机的工作原理 旋转磁场的产生 U V W V W 异步机中 旋转磁场代替了旋转磁极 电流出 电流入 U 5 1 2 5 1 2异步电动机的工作原理 异步电动机的转动原理 1 转子电动势和转子电流 2 电磁转距和转子旋转方向 定子绕组通入电流后 产生旋转磁场 与转子绕组间产生相对运动 由于转子电路是闭合的 产生转子电流 根据左手定则可知在转子绕组上产生了电磁力 电磁力分布在转子两侧 对转轴形成一个电磁转距T 电磁转距的作用方向与电磁力的方向相同 因此转子顺着旋转磁场的旋转方向转动起来 5 1 2异步电动机的工作原理 异步电动机的转动原理 3 转子转速和转差率 转子转速n与旋转磁场的转速n1的方向一致 但不能相等 应保持一定的转差 n1又称为同步转速 常用转差率s来表示n与n1相差的程度 即 4 异步电动机带负载运行 轴上加机械负载 轴阻力 转速 转子与旋转磁场相对切割速度 转子感应电流 输入电流 此种接法下 合成磁场只有一对磁极 则极对数为1 又称两极机 即 当磁极对数P 1时 一个电流周期 旋转磁场在空间转过360 n1称为同步转速 当P 1时 5 电动机的极对数 极数和转速 5 1 2异步电动机的工作原理 异步电动机的转动原理 异步电机运行中 转差为旋转磁场同步转速与电动机转速之差 转差率S的概念 转差率S为 由 转子感生电流的频率 转子感生电流频率 例1 三相异步电动机p 3 电源f1 50Hz 电机额定转速nN 960r min 求 转差率s 转子电动势的频率f2 同步转速 转差率 5 2三相异步电动机的等效电路及参数 等效电路 一相 主磁通产生的感应电动势 转子电路 定子电路 5 2 1 5 2 2 三相异步电动机的主要运行参数 定子感应电动势E1的频率与定子电流同频 即 1 2 转子电流频率 旋转磁场与转子间的相对转速为 3 主磁通 旋转磁场与定子间相对转速为n1 4 5 6 转子电流 转子功率