许晓峰版电机拖动电子教案(全).ppt

电机与拖动电子教案 绪论 第一章直流电机 第二章直流电动机的电力拖动 第三章变压器 第四章三相异步电动机 第五章三相异步电动机的电力拖动 第六章同步电机 第七章驱动和控制微电机 第八章电力拖动系统中电动机的选择 电机与拖动电子教案 绪论 电机是利用电磁感应原理工作的机械 电机常用的分类方式有两种 一是按功能分 有发电机 电动机 变压器和控制电机四大类 二是按电机结构或转速分 有变压器和旋转电机 0 1电机及电力拖动系统概述 两种方法归纳如下 电机 变压器 直流电机 直流发电机 直流电动机 交流电机 控制电机 同步电机 同步发电机 同步电动机 异步电机 异步发电机 异步电动机 绪论 电机拖动系统是用电动机来拖动机械运行的系统 包括 电动机 传动机构 生产机械 控制设备和电源五个部分 它们之间的关系如下 电动机 绪论 本课程是自动化 电气工程及自动化 供用电技术方向 和农业电气化与自动化等专业的一门专业基础课 0 2本课程的性质 任务和内容 本课程的任务是让学生掌握电机的基本结构和工作原理 以及拖动系统的运行性能 分析计算 电机选择及试验方法 培养在电机及电力拖动方面分析和解决问题的能力 为今后学习和工作打下坚实的基础 本课程的内容有直流电机 直流电动机的电力拖动 变压器 三相异步电动机 三相异步电动机的电力拖动 同步电机 驱动和控制微电机 电动机的选择八个部分 绪论 电机与拖动是一门理论性很强的技术基础课 同时又具有专业课的性质 涉及的基础理论和实际知识面广 是电磁学 动力学 热力学等学科知识的综合 用理论分析电机及拖动的实际问题时 必须结合电机的具体结构 采用工程观点和分析方法 掌握基本理论的同时 还要注意培养实验操作技能和计算方法 0 3本课程的特点及学习方法 为了学好本门课程 必须做到以下几点 1 抓主要矛盾 有条件地略去一些次要因素 2 抓住重点 牢固掌握基本概念 基本原理和主要特性 3 要有良好的学习方法 运用对比或比较的方法 分析电机的共性和特点 加深对原理和性能的理解 4 理论联系实际 重视科学实验和工程实践 5 充分预习和复习 1 2直流电机电枢绕组简介 1 3直流电机的电枢反应 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 换向及改善换向方法 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 1 4直流电机的电枢电动势和电磁转矩 1 5直流电机的换向 1 6直流发电机 1 7直流电动机 1 1直流电机的基本工作原理与结构 思考题与习题 基本要求 1 掌握直流电机的基本工作原理 2 了解直流电机的基本结构和各部件的主要作用 3 明确直流电机的铭牌中主要额定数据及其含义以及在使用电机时应当注意的事项 4 理解单叠绕组和单波绕组各节距的计算方法 4 能够看懂并会绘制单叠绕组和单波绕组的展开图 了解各绕组的主要特点 5 了解电枢反应对电机的影响 6 掌握电枢电动势和电磁转矩的计算公式 7 理解直流发电机和直流电动机中电枢电动势和电磁转矩的性质 8 了解直流电机的换向过程和改善换向的方法 9 了解直流电机的各种励磁方式 10 掌握电磁功率的关系式 并理解直流电机中机电能量是可以彼此互相转换的 11 了解电机的可逆原理 了解如何判断一台电机是电动状态还是发电状态 12 掌握根据发电机惯例和电动机惯例的稳态运行基本方程式 13 掌握自励直流发电机的自励建压过程和条件 14 掌握直流发电机的运行特性 15 掌握他励直流电动机运行时电机内的功率关系 1 1 1直流电机的工作原理 1 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 直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械 当原动机驱动电机转子逆时针旋转时同 线圈abcd将感应电动势 如右图 导体ab在N极下 a点高电位 b点低电位 导体cd在S极下 c点高电位 d点低电位 电刷A极性为正 电刷B极性为负 当原动机驱动电机转子逆时针旋转后 如右图 与电刷A接触的导体总是位于N极下 与电刷B接触的导体总是位于S极下 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 导体ab在S极下 a点低电位 b点高电位 导体cd在N极下 c点低电位 d点高电位 电刷A极性仍为正 电刷B极性仍为负 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 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 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 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 与直流发电机相同 实际的直流电动机的电枢并非单一线圈 磁极也并非一对 当电枢旋转到右图所示位置时 直流电动机的工作原理示意图 1 1直流电机的基本工作原理和结构 1 1 2直流电机的主要结构 1 1 3直流电机的铭牌数据及主要系列 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 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 1 2 1直流枢绕组基本知识 1 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 第一节距 一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离 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 换向节距 同一元件首末端连接的换向片之间的距离 1 2 2 单叠绕组 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 单叠绕组的展开图 根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图 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 电刷位置应使感应电动势最大 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 单波绕组 单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等 展开图如下图所示 两个串联元件放在同极磁极下 空间位置相距约两个极距 沿圆周向一个方向绕一周后 其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置 单波绕组的并联支路图 单波绕组的特点 1 同极下各元件串联起来组成一条支路 支路对数为1 与磁极对数无关 2 当元件的几何形状对称时 电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线 支路电动势最大 3 电刷数等于磁极数 4 电枢电动势等于支路感应电动势 5 电枢电流等于两条支路电流之和 1 3 1直流电机的空载磁场 1 3直流电机的电枢反应 直流电机工作中 主磁极产生主磁极磁动势 电枢电流产生电枢磁动势 电枢磁动势对主极磁动势的影响称为电枢反应 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 每极的励磁磁动势为 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 空载时的气隙磁通密度为一平顶波 如下图 b 所示 空载时主磁极磁通的分布情况 如右图 c 所示 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 1 3 2直流电机负载时的负载磁场 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 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 1 3 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 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 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 2 当电刷不在几何中性线上时 1 4 1直流电机的电枢电动势 1 4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 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 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 大小 1 4 2直流电机的电磁转矩 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 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 1 5 1换向概述 1 5直流电机的换向 为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度 直流电机的某一个元件经过电刷 从一条支路换到另一条支路时 元件里的电流方向改变 即换向 电枢移到电刷与换向片2接触时 元件1的被短路 电流被分流 电刷与换向片1接触时 元件1中的电流方向如图所示 大小为 电刷仅与换向片2接触时 元件1中的电流方向如图所示 大小为 换向问题很复杂 换向不良会在电刷与换向片之间产生火花 当火花大到一定程度 可能损坏电刷和换向器表面 使电机不能正常工作 产生火花的原因很多 除了电磁原因外 还有机械的原因 此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象 元件从开始换向到换向终了所经历的时间 称为换向周期 换向周期通常只有千分之几秒 直流电机在运行中 电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程 1 5 2换向的电磁理论 换向元件中的电动势 自感电动势和互感电动势 换向元件 线圈 在换向过程中电流改变而产生的 切割电动势 在几何中性线处 由于电枢反应在存在 电枢反应磁密不为零 在换向元件中感应切割电动势 换向元件中的合成电动势为 根据楞次定律 自感电动势 互感电动势和切割电动势总是阻碍换向的 换向电动势 在几何中性线处 换向元件在换向磁场中感应的电动势 换向电动势是帮助换向的 换向元件中的电流 设两相邻的换向片与电刷的接触电阻分别是和 元件自身的电阻为 流过的电流为 元件与换向片间的连线电阻为 元件在换向时的回路方程 忽略元件电阻和元件与换向片间的连线电阻 并设电刷与换向片的接触总电阻为 则可推导出换向元件中的电流变化规律为 1 5 3改善换向的方法 除了直线换向外 延迟和超越换向时的合成电动势不为零 换向元件中产生附加换向电流 附加换向电流足够大时会在电刷下产生火花 还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良产生火花 改善换向一般采用以下方法 1 6 1直流发电机的励磁方式 1 6直流发电机 供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式 分为他励和自励两大类 自励方式又分并励 串励和复励三种方式 1 他励 直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给 他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同 即 2 并励 发电机的励磁绕组与电枢绕组并联 且满足 3 串励 励磁绕组与电枢绕组串联 满足 4 复励 并励和串励两种励磁方式的结合 电机有两个励磁绕组 一个与电枢绕组串联 一个与电枢绕组并联 1 6 2直流发电机的基本方程 如图规定各物理量的参考方向 一 电动势平衡方程 从方程式可见 直流发电机满足 二 转矩平衡方程 发电机轴上有三个转矩 原动机输入给的驱动转矩 电磁转矩和机械摩擦及铁损引起的空载转矩 转矩平衡方程为 直流发电机的励磁电流 三 励磁特性公式 每极气隙磁通 四 功率平衡方程 原动机输入给发电机的机械功率 电磁功率 电磁功率一方面代表电动势为的电源输出电流时发出的电功率 一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机械功率 电枢回路电阻及电刷与换向器表面接触电阻上的铜损耗 输出的电功率 自励发电机中还应减去励磁损耗 1 6 3他励发电机的运行特性 一 空载特性 定义 当 时 直流发电机的空载特性是非线性的 上升与下降的过程是不相同的 实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线 空载时 空载特性实质上就是 所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同 二 外特性 定义 当 时 由曲线可见 负载电流增大时 端电压有所下降 根据可知端电压下降有两个原因 一 在励磁电流一定情况下 负载电流增大 电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少 使电动势减少 二 电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加 使端电压下降 为什么低 三 调节特性 定义 当 时 由曲线可见 在负载电流变化时 若保持端电压不变 必须改变励磁电流 补偿电枢反应及电枢回路电阻压降对对输出端电压的影响 1 6 4并励发电机的自励条件和外特性 并励发电机的励磁是由发电机本身的端电压提供的 而端电压是在励磁电流作用下建立的 这一点与他励发电机不同 并励发电机建立电压的过程称为自励过程 满足建压的条件称为自励条件 一 自励条件 曲线1为空载特性曲线 曲线2为励磁回路总电阻特性曲线 也称场阻线 原动机带动发电机旋转时 如果主磁极有剩磁 则电枢绕组切割剩磁通感应电动势 在电动势作用下励磁回路产生 增大 场阻线变为曲线3时 称为临界电阻 若再增加励磁回路电阻 发电机将不能自励 如果励磁绕组和电枢绕组连接正确 励磁电流产生与剩磁方向相同的磁通 使主磁路磁通增加 电动势增大 增加 如此不断增长 直到励磁绕组两端的电压与相等 达到稳定的平衡工作点A 可见 并励直流发电机的自励条件有 二 空载特性 并励发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样 也是磁化曲线 由于励磁电压不能反向 所以它的空载特性曲线只在第一象限 思考题电机正转能自励 反转能自励吗 三 外特性 四 调节特性 并励发电机的电枢电流 比起他励发电机仅仅多了一个励磁电流 所以调节特性与他励发电机的相差不大 对并励发电机 除了像他励发电机存在的电枢反应去磁作用和电枢回路上的电阻压降使端电压下降外 还有第三个原因 由于上述两个原因使端电压下降 引起励磁电流减小 端电压进一步下降 并励发电机的外特性与他励发电机相似 也是一条下降曲线 1 7直流电动机 1 7 1直流电机的可逆原理 以他励电机为例说明可逆原理 把一台他励直流发电机并联于直流电网上运行保持电源电压不变 一台电机既可作为发电机运行 又可作为电动机运行 这就是直流电机的可逆原理 减少原动机的输出功率 发电机的转速下降 当转速下降到一定程度时 使得 此时电枢电流为零 发电机输出的电功率为零 原动机输入的机械功率仅用来补偿电机的空载损耗 继续降低原动机的转速 将有 电枢电流反向 这时电网向电机输入电功率 电机进入电动机状态运行 同理 上述的物理过程也可以反过来 电机从电动机状态转变到发电机状态 第1章直流电机 1 7 2直流电动机的基本方程 规定各物理量的参考方向如图 电动机的基本方程如下 1 7 3直流电动机的工作特性 1 转速特性 一 他励 并励 直流电动机的工作特性 定义 当 时 由方程式可得 忽略电枢反应的去磁作用 转速与负载电流按线性关系变化 2 转矩特性 转矩表达式 考虑电枢反应的作用 转矩上升的速度比电流上升的慢 定义 当 时 3 效率特性 由方程式可得 空载损耗为不变损耗 不随负载电流变化 当负载电流较小时效率较低 输入功率大部分消耗在空载损耗上 负载电流增大 效率也增大 输入的功率大部分消耗在机械负载上 但当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此时效率又变小 定义 当 时 二 串励直流电动机的工作特性 当负载电流较小时 电机磁路不饱和 每极气隙磁通与励磁电流呈线性关系 即 转速特性 转矩特性 当负载电流较大时 磁路饱和 串励电动机的工作特性与他励电动机相同 当负载电流为零时 电机转速趋于无穷大 所以串励电动机不宜轻载或空载运行 2 1电力拖动系统的运动方程和负载转矩特性 2 2他励直流电动机的机械特性 2 3他励直流电动机的起动 本章主要介绍电力拖动系统的运动方程 负载转矩特性 直流电动机的机械特性 起动 调速 制动等方法和物理过程 2 4他励直流电动机的制动 2 5他励直流电动机的调速 2 6串励直流电动机的电力拖动 思考题与习题 基本要求 1 掌握电力拖动系统的运动方程式及转矩 转速正方向的规定原则 2 了解各种典型负载的转矩特性及其特点 3 熟练掌握直流电动机的固有机械特性和人为机械特性 4 掌握电力拖动系统稳定运行的条件 会分析判断系统的稳定性 5 掌握直流电动机的起动方法 6 掌握能耗制动 反接制动 回馈制动的方法 特点 能量关系 制动过程中工作点变化情况 7 掌握各种制动状态下的机械特性 制动电流和制动电阻的计算 8 掌握他励直流电动机的调速方法和调速性能指标的含义 调速范围与静差率之间的关系 9 了解各种调速方法的优缺点 2 1电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性 电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态 系统的运动状态取决于作用在原动机转轴上的各种转矩 2 1 1电力拖动系统的运动方程式 一 运动方程式 根据如图给出的系统 忽略空载转矩 可写出拖动系统的运动方程式 其中为系统的惯性转矩 运动方程的实用形式 系统旋转运动的三种状态 1 当或时 系统处于静止或恒转速运行状态 即处于稳态 2 当或时 系统处于加速运行状态 即处于动态 3 当或时 系统处于减速运行状态 即处于动态 常把或称为动负载转矩 把称为静负载转矩 首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方向 然后规定 二 运动方程式中转矩正 负号的规定 1 电磁转矩与转速的正方向相同时为正 相反时为负 2 负载转矩与转速的正方向相同时为负 相反时为正 3 惯性转矩的大小和正负号由和的代数和决定 2 1 2负载的转矩特性 一 恒转矩负载特性 负载的转矩特性 就是负载的机械特性 简称负载特性 恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩与转速无关的特性 分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种 1 反抗性恒转矩负载 2 位能性恒转矩负载 二 恒功率负载特性 恒功率负载特点是 负载转矩与转速的乘积为一常数 即与成反比 特性曲线为一条双曲线 三 泵与风机类负载特性 负载的转矩基本上与转速的平方成正比 负载特性为一条抛物线 2 2他励直流电动机的机械特性 2 2 1机械特性的表达式 直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压 励磁电流 电枢回路电阻为恒值的条件下 即电动机处于稳态运行时 电动机的转速与电磁转矩之间的关系 由电机的电路原理图可得机械特性的表达式 称为理想空载转速 实际空载转速 2 2 2固有机械特性和人为机械特性 一 固有机械特性 当时的机械特性称为固有机械特性 二 人为机械特性 当改变或或得到的机械特性称为人为机械特性 由于电枢电阻很小 特性曲线斜率很小 所以固有机械特性是硬特性 1 电枢串电阻时的人为特性 保持不变 只在电枢回路中串入电阻的人为特性 特点 1 不变 变大 2 越大 特性越软 2 降低电枢电压时的人为特性 保持不变 只改变电枢电压时的人为特性 特点 1 随变化 不变 2 不同 曲线是一组平行线 3 减弱励磁磁通时的人为特性 保持不变 只改变励磁回路调节电阻的人为特性 特点 1 弱磁 增大 2 弱磁 增大 2 2 3机械特性求取 一 固有特性的求取 已知 求两点 1 理想空载点和额定运行 具体步骤 1 估算 2 计算 3 计算理想空载点 4 计算额定工作点 二 人为特性的求取 在固有机械特性方程的基础上 根据人为特性所对应的参数或或变化 重新计算和 然后得到人为机械特性方程式 2 2 4电力拖动系统稳定运行条件 处于某一转速下运行的电力拖动系统 由于受到某种扰动 导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态 如果系统能在新的条件下达到新的平衡状态 或者当扰动消失后系统回到原来的转速下继续运行 则系统是稳定的 否则系统是不稳定的 在点 系统平衡 扰动使转速有微小增量 转速由上升到 扰动消失 系统减速 回到点运行 扰动使转速有微小下降 由下降到 扰动消失 系统加速 回到点运行 电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是 在点 系统平衡 扰动使转速有微小增量 转速由上升到 系统加速 即使扰动消失 也不能回到点运行 扰动使转速有微小下降 由下降到 系统减速 即使扰动消失 也不能回到点运行 1 必要条件 电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点 即存在 2 3他励直流电动机的起动 电动机的起动是指电动机接通电源后 由静止状态加速到稳定运行状态的过程 起动瞬间 起动转矩和起动电流分别为 为了限制起动电流 他励直流电动机通常采用电枢回路串电阻或降低电枢电压起动 起动时由于转速为零 电枢电动势为零 而且电枢电阻很小 所以起动电流将达很大值 过大的起动电流将引起电网电压下降 影响电网上其它用户的正常用电 使电动机的换向恶化 同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构 一般直流电动机不允许直接起动 一 起动过程 2 3 1电枢回路串电阻起动 以三级电阻起动时电动机为例 二 分组起动电阻的计算 设对应转速n1 n2 n3时电势分别为Ea1 Ea2 Ea3 则有 b点 c点 d点 e点 f点 g点 比较以上各式得 在已知起动电流比 和电枢电阻前提下 经推导可得各级串联电阻为 6 计算各级起动电阻 1 估算或查出电枢电阻 2 根据过载倍数选取最大转矩对应的最大电流 3 选取起动级数 计算各级起动电阻的步骤 2 3 2降压起动 当直流电源电压可调时 可采用降压方法起动 起动时 以较低的电源电压起动电动机 起动电流随电源电压的降低而正比减小 随着电动机转速的上升 反电动势逐渐增大 再逐渐提高电源电压 使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上 保证按需要的加速度升速 降压起动需专用电源 设备投资较大 但它起动平稳 起动过程能量损耗小 因此得到广泛应用 2 4他励直流电动机的制动 当电磁转矩的方向与转速方向相同时 电机运行于电动机状态 当电磁转矩方向与转速方向相反时 电机运行于制动状态 2 4 1能耗制动 电动状态 如图所示 将开关S投向制动电阻上即实现制动 由于惯性 电枢保持原来方向继续旋转 电动势方向不变 由产生的电枢电流的方向与电动状态时的方向相反 对应的电磁转矩与方向相反 为制动性质 电机处于制动状态 制动运行时 电机靠生产机械的惯性力的拖动而发电 将生产机械储存的动能转换成电能 消耗在电阻上 直到电机停止转动 能耗制动时的机械特性为 电动机状态工作点 制动瞬间工作点 制动过程工作段 电动机拖动反抗性负载 电机停转 若电动机带位能性负载 稳定工作点 制动电阻越小 制动电流越大 选择制动电阻的原则是 能耗制动操作简单 但随着转速下降 电动势减小 制动电流和制动转矩也随着减小 制动效果变差 若为了尽快停转电机 可在转速下降到一定程度时 切除一部分制动电阻 增大制动转矩 改变制动电阻的大小可以改变能耗制动特性曲线的斜率 从而可以改变制动转矩及下放负载的稳定速度 越小 特性曲线的斜率越小 起始制动转矩越大 而下放负载的速度越小 其中为制动瞬间的电枢电动势 2 4 2反接制动 电压反接制动时接线如图所示 一 电压反接制动 开关S投向 电动 侧时 电枢接正极电压 电机处于电动状态 进行制动时 开关投向 制动 侧 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 反向的电枢电流产生反向的电磁转矩 从而产生很强的制动作用 电压反接制动 电压反接制动时的机械特性为 曲线如图中所示 工作点变化为 制动过程中 均为负 而 为正 表明电机从电源吸收电功率 表明电机从轴上吸收机械功率 表明轴上输入的机械功率转变为电枢回路电功率 可见 反接制动时 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 二 倒拉反转反接制动 倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载 电枢回路串入较大电阻后特性曲线 正向电动状态提升重物 A点 负载作用下电机反向旋转 下放重物 电机以稳定的转速下放重物D点 在电枢回路中串联一个较大的电阻 即可实现制动 工作点由A B C D CD段为制动段 第二章直流电动机的电力拖动 倒拉反转反接制动时的机械特性方程就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性方程 由于串入电阻很大 有 倒拉反转反接制动时的机械特性曲线就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性在第四象限的部分 倒拉反转反接制动时的能量关系和电压反接制动时相同 思考题 位能性以外的负载能否实现倒拉反转反接制动 0 2 4 3回馈制动 回馈制动时的机械特性方程与电动状态时相同 电动状态下运行的电动机 在某种条件下会出现情况 此时 反向 反向 由驱动变为制动 从能量方向看 电机处于发电状态 回馈制动状态 稳定运行有两种情况 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 电压反接制动带位能性负载进入第四象限 发生在动态过程中的回馈制动过程有以下两种情况 1 降压调速时产生的回馈制动 2 增磁调速时产生的回馈制动 回馈制动时由于有功率回馈到电网 因此与能耗和反接制动相比 回馈制动是比较经济的 2 5他励直流电动机的调速 电力拖动系统的调速可以采用机械调 电气调速或二者配合调速 通过改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速 通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速 电气调速方法 1 调压调速 2 电枢串电阻调速 3 调磁调速 改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性 使工作点发生变化 转速发生变化 调速前后 电动机工作在不同的机械特性上 他励直流电动机的转速为 2 5 1评价调速的指标 一 调速范围 二 静差率 相对稳定性 越小 相对稳定性越好 与机械特性硬度和n0有关 指负载变化时 转速变化的程度 转速变化小 稳定性好 D与 相互制约 越小 D越小 相对稳定性越好 在保证一定的 指标的前提下 要扩大D 须减少 n 即提高机械特性的硬度 三 调速的平滑性 越接近1 平滑性越好 当时 称为无级调速 即转速可以连续调节 调速不连续时 级数有限 称为有级调速 四 调速的经济性 在一定的调速范围内 调速的级数越多 调速越平滑 相邻两级转速之比 为平滑系数 主要指调速设备的投资 运行效率及维修费用等 2 5 2调速方法 一 电枢回路串电阻调速 未串电阻时的工作点 串电阻后 工作点由A A B 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 调速过程中电流和转速的变化情况 优点 电枢串电阻调速设备简单 操作方便 2 低速时特性曲线斜率大 静差率大 所以转速的相对稳定性差 3 轻载时调速范围小 额定负载时调速范围一般为D 2 4 损耗大 效率低 不经济 对恒转矩负载 调速前 后因增通不变而使电磁转矩和电枢电流不变 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 缺点 1 由于电阻只能分段调节 所以调速的平滑性差 二 降低电源电压调速 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 优点 1 电源电压能够平滑调节 可实现无级调速 2 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 3 无论轻载还是负载 调速范围相同 一般可达D 2 5 12 4 电能损耗较小 缺点 需要一套电压可连续调节的直流电源 三 减弱磁通调速 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 减弱磁通后 理想空载转速上升 曲线的斜率值增大 弱磁调速前 后的电枢电流和转速的变化情况 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 优点 由于在电流较小的励磁回路中进行调节 因而控制方便 能量损耗小 设备简单 调速平滑性好 弱磁升速后电枢电流增大 电动机的输入功率增大 但由于转速升高 输出功率也增大 电动机的效率基本不变 因此经济性是比较好 2 转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制 升速范围不可能很大 一般D 2 为了扩大调速范围 通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来 在额定转速以上 采用弱磁调速 在额定转速以下采用降压调速 缺点 1 机械特性的斜率变大 特性变软 2 5 3调速方式与负载类型的配合 容许输出 指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能输出的最大转矩和功率 充分利用 指在一定的转速下电动机的实际输出转矩和功率达到它的容许值 即电枢电流达到额定值 当电动机调速时 在不同的转速下 电枢电流能否总保持为额定值 即电动机能否在不同转速下都得到充分利用 这个问题与调速方式和负载类型的配合有关 以电机在不同转速都能得到充分利用为条件 他励直流电动机的调速可分为恒转矩调速和恒功率调速 电动机的容许输出功率与转速成正比 而容许输出转矩为恒值 恒转矩调速 电枢串电阻调速和降压调速时 磁通保持不变 若在不同转速下保持电流不变 即电机得到充分利用 容许输出转矩和功率分别为 减弱磁通调速时 磁通是变化的 在不同转速下若保持电流不变 即电机得到充分利用 容许输出转矩和功率别为 电动机的容许输出转矩与转速成反比 而容许输出功率为恒值 恒功率调速 为了使电动机得到充分利用 拖动恒转矩负载时 应采用恒转矩调速方式 拖动恒功率负载时 应采用恒功率调速方式 对风机类负载 三种方式都不是十分适合 但采用串电阻或降压调速比弱磁调速合适一些 他励电动机的降压调速属于恒转矩调速方式 因此只能拖动恒转矩负载 这种说法是否正确 为什么 2 6串励直流电动机的电力拖动 2 6 1串励电动机的机械特性 当磁路不饱和时 当磁路饱和时 磁通基本不变 机械特性与他励直流电动机的机械特性相似 磁路不饱和时的机械特性曲线AB段 磁路饱和时的机械特性曲线BC段 一 固有特性 固有特性是指当时的特性 具有以下特点 1 它是一条非线性的软特性 负载时转速降落很大 3 由于 起动和过载时电枢电流大 故串励电动机的起动转矩大 过载能力强 2 空载时 为无穷大 实际上 空载时存在剩磁 为有限值 但值也很大 飞车 现象 因此串励电动机不允许空载或轻载运行 二 人为特性 1 电枢串电阻的人为特性 串入电阻后 转速降增大 所以电枢串电阻的人为特性在固有特性的下方 且特性变得更软 2 降低电压的人为特性 降低电压时 理想空载转速下降 人为特性下移 电压下降后 电枢反电动势随之减少 转速必然减少 所以降低电压的人为特性位于固有特性下方 3 改变磁通的人为特性 改变磁通的方法是在励磁绕组上并联一个分流电阻 与固有特性相比 在电枢电流相等情况下 励磁电流减少 磁通减少 所以人为特性位于固有特性上方 2 6 2串励电动机的起动 调速与制动 一 起动与调速 串励电动机的调速也采用电枢串电阻 降压和弱磁三种方法 其中串电阻常用 弱磁用得较少 为了限制起动电流 串励电动机的起动方法与他励电动机一样 也采用电枢串电阻和降低电源电压起动 串励电动机若不考虑剩磁 理想空载转速为无穷大 因此不能有回馈制动 串励电动机的制动只有能耗和反接制动 二 制动 能耗制动分他励磁式和自励式 反接制动分电压反接和倒拉反转反转反接制动 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 基本要求 1 掌握变压器的基本工作原理 基本结构与额定值 2 通过对变压器空载时磁通 电动势的分析 掌握变压器的电动势 电压和磁通的关系 3 通过对变压器空载电流和空载损耗的分析 掌握励磁阻抗的物理意义 4 通过对变压器负载运行的分析 熟练掌握变压器的方程式 相量图和等效电路 5 通过实验 掌握变压器的参数测定方法 6 掌握标么值的概念与计算方法 7 熟练掌握变压器的运行性能及其计算方法 8 熟练掌握变压器联结组别的判定方法 9 掌握变压器并联运行的理想条件 10 了解自耦变压器 仪用互感器 电焊变压器和整流变压器的工作原理和特点 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 1 磁通有变化量 2 一 二次绕组的匝数不同 就能达到改变压的目的 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 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 用厚为0 35 0 5mm 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 四 油箱 三 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 连接发电机与电网的升压变压器 返回 三相干式变压器 接触调压器 电源变压器 环形变压器 控制变压器 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 二 额定值 此外 额定值还有额定频率 效率 温升等 是指一次侧所加的额定电压 是指一次侧加额定电压时二次侧的开路电压 在三相变压器中额定电压为线电压 3 2单相变压器的空载运行 3 2 1电磁关系 一 物理情况 二 各电磁量参考方向的规定 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 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 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 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 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 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 空载电流包含两个分量 一个是励磁分量 作用是建立磁场 另一个是铁损耗分量 主要作用是供铁损耗 3 空载电流波形 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 实际空载电流为非正弦波 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 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 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和频率 以及一次线圈的匝数 重要公式 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 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 空载时等效电路为 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 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 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 用图示负载运行时的电磁过程 3 3 2基本方程 一 磁动势平衡方程 或 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 用电流形式表示 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 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 不仅能改变电压 同时也能改变电流 3 3 3等效电路及相量图 一 折算 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 折算 将变压器的二次 或一次 绕组用另一个绕组 N2 N1 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 用一个等效的电路代替实际的变压器 折算后的方程式为 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 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 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 作相量图的步骤 假定带感性负载 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 思考题 作出变压器带上不同性质负载时的简化相量图 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 4 求出参数 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 3 4 2短路实验 1 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 2 接线图 3 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 5 参数计算 对T型等效电路 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 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 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 希望短路