清华大学电机原理及拖动彭鸿才

电机原理及拖动,茂名学院自动化系叶伟,国家规划教材,东北大学彭鸿才主编,机工板,3、学习方法：要注意它既有基础理论的学习，又有结合工程实际综合应用的性质。要逐渐地培养学员的工程观点，掌握工程问题的处理方法。,本课程的性质、任务及学习方法,1、性质：在工业电气自动化专业中，电机原理及拖动是一门十分重要的专业基础课或称技术基础课。,2、任务：我们所从事的专业决定了我们是从使用的角度来研究电机的。因此，我们着重分析各种电机的工作原理和运行特性，而对电机设计和制造工艺涉及得不多。但对电机的结构还要有一定深度的了解。,目录,第一章直流电机原理第二章电力拖动系统的动力学基础第三章直流电动机的电力拖动第四章变压器第五章三相异步电动机原理第六章三相异步电动机的电力拖动第七章同步电动机第八章控制电机第九章电力拖动系统中电动机的选择,第一章直流电机原理1.1直流电机的用途、结构及工作原理,一、直流电机的用途,1.直流电动机的用途:在工业生产中,利用电动机的轴上转矩拖动生产机械,对产品进行加工.,2.直流发电机的用途:作为电源设备,二、直流电机的结构,1.静止部分(1)主磁极:由极身和极掌组成,固定在磁轭(机座)上.在磁极上套入激磁绕组(线圈).主磁极总是偶数,且N极和S极相间出现.极掌对激磁绕组起支撑作用,且使磁通在气隙中有较好的分布波形.,(2)换向极:它位于相邻两主磁极之间,构造与主磁极相似,其作用是为了消除在运行过程中换向器产生的火花.,(3)机座:一般把厚钢板弯成圆筒形,然后再焊成机座,也可采用铸钢件.其作用一方面是作为各磁极间的磁路,故又称为磁轭,另一方面机座作为电机的机械支架,主磁极和换向极就固定在磁轭上.,(4)端盖:附有轴承的端盖安装在机座上以支持电枢,它可以保持电枢表面和极掌表面相隔一个气隙,使电枢可以自由旋转.,(5)电刷装置:电刷是由石墨做成的导电块,将它套入刷握内,用弹簧以一定压力将电刷压在换向器的表面上.在电枢旋转时可以保持电刷固定不动.电刷的作用是使电枢绕组和外电路接通,同时通过换向器进行电流的换向.,2.转动部分,(1)电枢铁心:电枢铁心由0.5毫米厚且冲有齿和槽的硅钢片迭成.铁心钢片沿轴向迭装,以降低电枢铁心在磁场中旋转时所产生的磁滞和涡流损耗,从而提高电机的效率.电枢铁心一方面作为电机磁路的一部分,另一方面便于将电枢绕组安装在电枢铁心的槽内,起着固定电枢绕组的作用.,(2)电枢绕组:电枢绕组是电机产生感应电势和电磁转矩以实现机电能量转换的重要部件.绕组是由绝缘的圆形或矩形铜线绕成,嵌放于电枢铁心的槽中.必须采用层间绝缘和绕组与铁心槽避之间的槽绝缘.,(3)换向器:其作用是使电枢绕组的绕组元件中的电流进行方向的交换,起着电流换向作用.电枢绕组元件的引线就焊在换向片上.,3.气隙在极掌和电枢之间有一空气隙.气隙是电机的重要组成部分,它的大小和形状对电机性能有很大的影响.,(1)转轴和轴承:转子必须有转轴,以便电机和生产机械或原动机进行联接传递转矩和功率.中小型电机一般采用滚动轴承,大容量电机,采用支架式滑动轴承.,4.其他部分,(2).通风装置:作用是冷却电机.,为了说明方便,作下列规定:(1)N导体和S导体:在N极下的导体称为N导体;在S极下的导体称为S导体.(2)符号和符号:导体中电势(电流)的方向进入纸面时用表示;导体中电势(电流)的方向由纸面出来时用表示.,三、直流电机的基本工作原理,1.直流发电机的基本工作原理,基本原理:由于导体切割了磁力线,因而在导体内将产生感应电动势.根据右手定则,N导体中电势方向为;而S导体中电势方向为;即二者方向相反.N导体和S导体在交换(a和b位置),但是,b1和b2极性是恒定的,即b1恒为正,b2恒为负,故在电刷两端输出脉动的直流电压.,综上所述:线圈中的交变电势已变成刷间直流电压.通过换向器使电刷b1仅能接通S导体,而S导体的电势方向恒为故电刷b1的极性恒为正;同理电刷b2的极性恒为负.,2.直流电动机的基本工作原理,通过换向器的作用，使与电源负极相接的电刷仅能接通S导体，故S导体中的电流方向恒为流出纸面，而与电源正极相接电刷仅能接通N导体，电流流入纸面。故电机恒逆转。,a、b导体中电流方向如左所示，由左手定则可知S导体和N导体受力均为逆时针方向,因而使电枢逆时针方向旋转.,发电机:由主磁极产生的气隙磁通与电枢绕组切割而产生电势.,电动机:电枢电流与气隙磁通相互作用而产生电磁转矩.,1.2直流电机的空载磁场,wf一个主磁极上激磁绕组的匝数；If激磁绕组中的激磁电流；Rm该段的磁组；磁通量,主磁通所经磁路:两个气隙、两个电枢齿、一个电枢轭、两个主磁极铁心和一个主磁极轭等五段。由磁路中的欧姆定律：wfIf=Rm,说明:当I较小时磁路的磁阻为气隙磁阻且为常数,故If与是线性的If较大时铁心饱和,磁阻加大增加变慢If与为非线性关系.电机的饱和程度对电机的性能有很大的影响.,气隙磁密的概念：是指穿过气隙进入电枢表面或由电枢表面出来的磁通。因而气隙磁密实际上是指电枢表面的磁通密度。气隙磁密=主磁极作用产生部分+电枢磁势作用部分主磁极磁势单独作用（电枢电流为零时）：气隙在极掌下大致是均匀的。但在极尖以外时，主磁通所经气隙加大，磁密减小，并在两主磁极中间的几何中线上下降为零。,二、主磁极磁势产生的气隙磁密在空间的分布,一、概述电机的电枢绕组是电机的主要组成部件。电机必须通过电枢绕组与气隙磁场相互作用才能实现能量转换。绕组类型：（1）单迭绕组；（2）复迭绕组；（3）单波绕组；（4）复波绕组；（5）混合绕组。其中，单迭和单波绕组是最基本的直流电枢绕组，是了解其他绕组的基础。二、单迭绕组1有关技术名词（1）极轴线：它是将主磁极平分为左右两部分的直线。,1.3直流电机的电枢绕组,（2）极距：它是相邻两主磁极极轴线之间的距离，在相邻主磁极之间，与上述距离大小相等的距离，也叫极距。（3）几何中线：是在相邻两极轴线之间并且与这两极轴线等距离的直线，两相邻主磁极以几何中线为轴作位置上的对称分布。以nn表示。,2.单迭绕组元件单迭绕组由迭绕组元件按一定规律排列联接而成.绕组元件实际上是一个线圈,可以是多匝,也可以的单匝的.绕组元件结构原理:a1b1及a2b2部分称为元件边,用后端匝a1ma2及前端匝b1nb2将元件边联结起来,使两元件边中电势在元件中迭加.端线c1d1及c2d2称为引线,d1为元件的首端,d2为末端.元件的首端和末端分别焊接在不同的换向上.a1b1称为第一元件边,右边a2b2称为第二元件边.,3.单迭绕组展开图,图中四个方框代表四个主磁极,相同极性的两个电刷均用导线并联后引往出线端.四个电刷均安放在相应的四个主磁极的极轴线处的换向片上,电刷宽度等于一个换向片宽.电枢铁心槽数、元件数以及换向片数均相等且为16。元件的第一元件边嵌在槽的上层上层边；而元件的第二元件边总是嵌在槽的下层下层边。上层边用实线表示，下层边用虚线表示。以元件上层边所在槽的号码作为该元件的号码。元件联接次序表：123456789101112131415161,号码上打“.”的,表示被电刷短路的元件.当元件的两元件边的距离恰是一个极距时,由于电刷放在极轴线处的换向片上,故被电刷短接的元件的两个元件边正处在两相邻几何中线上.,.,4.绕组电路分析:元件2、3、4电势方向相同组成一个支路，元件6、7、8电势方向相同组成一个支路，但方向与2、3、4组成支路电势相反。元件10、11、12与2、3、4支路电势方向相同故将电刷A1、A2接在一起；14、15、16与6、7、8支路电势方向相同故将B1、B2接在一起，引出正、负两个电极。并联支路图:每个主磁极下的元件串联成一条支路,共有四条并联支路a=b=p,输出电流Ia=2aia,a为并联支路数、ia为去路电流；p为主磁极对数；b为电刷对数。,电枢反应:电枢磁动势对主磁极所建立的气隙磁场的影响。电枢磁动势不仅与电枢电流大小有关，它还受电刷位置的影响。一、电枢磁动势与电枢磁场二极直流电机电刷在几何中性线上时的电枢磁场分布图。几点说明：1.因电刷接触的换向片与几何中性线处的导体相连,故把电刷画在几何中性线处的导体上.2.绕组只画一层,都在电枢表面上.3.电流方向以电刷为分界线.4.电枢磁场以电刷为极轴线,电刷处磁势最强,主磁极的极轴线处电枢磁势为零.电枢磁势与主磁极磁势正交,称交轴电枢磁势.,1.4直流电机的电枢反应,把电枢圆周从电刷处切开展成直线并以主磁极轴线与电枢表面的交点为空间坐标的起点,这点的电枢磁动势为零.电枢磁动势沿空间的分布:电枢线负荷-电枢圆周表面单位长度上的安培导体数.A=应用全电流定律,有Hl=2Ax认为总磁势全部降在两段气隙上2Fax=2Ax即Fax=Ax磁密Bax=0Hax=0Fax/,Nia,D,二、电刷位于几何中性线上时的电枢反应此时电枢磁动势刚好与主磁极磁动势正交，故称这电枢反应为交轴电枢反应。电机合成磁场Bx=B0 x+Bax正方向规定：磁力线进入转子为负,出来为正.所以,主磁极磁通密度在N极下为负,在S极下为正.可知:磁场波形发生了畸变.(1)发电机:前极尖增磁,后极尖去磁.(2)电动机:前极尖去磁,后极尖增磁.如不考虑磁路饱和,则增去磁量相等总磁通量不变.(3)物理中线移到m-m,当磁路饱和时因磁势和磁通密度之间不再成线性关系在磁场相加的区域磁密下降.所以交轴电枢反应总有一些去磁作用.三、电机上偏离几何中性线时的电枢反应电枢磁势分为两部分：交轴磁势和顺轴磁势。_Fa=Faq+Fad当发电机顺旋转方向移动电刷或电动机逆移时顺轴电势Fad去磁，反之顺轴电势助磁。右图为发电机电刷顺移或电动机电刷逆移后的电枢反应。,一、直流电机的电枢电动势电枢电势是指电机正常工作时电枢绕组切割气隙磁通产生的刷间电动势。刷间电动势等于其中一条支路的电动势。推导过程:设绕组为整距元件,电刷在几何中线上.如电枢绕组总导体数为N,并联电路数为2a则绕组每条支路的导体数为N/(2a).如每根导体的平均电动势eav,则支路电动势即刷间电动势,N一根导体的平均电动势为eav=BavlVBav-为一个极下的平均磁密,Bav=,Ea=,1.5直流电机的电枢电动势与电磁转矩,导体切割磁场的速度v用每分钟转速表示有V=2pn/60所以,Ea=(N/2a)2pn/60=(pN/60a)n=Cen这是一个十分重要的公式,式中Ce=pN/(60a)为电动势常数,是一个决定于电机结构的参数.电枢电动势与每极磁通成正比,与转速正比.B-wb(韦伯)n-r/min(每分钟.转)Ea-V(伏特),二、直流电机的电磁转矩电磁转矩：电枢导体在磁场中受力所形成的总转矩。先求每根导体平均受力fav=Bavia-导体有效长度ia-导体电流每根导体平均转矩为Tav=BaviaD-电枢直径电枢总转矩为T=N=CTIaIa为电枢电流ia=Ia/(2a)单位为A(安培);CT=pN/(2a)是与电机结构有关的常数,称为转矩常数.单位Nm,CT=9.55Ce,D2,Ia,一、直流发电机的分类1.他励直流发电机:励磁电流由另外的独立直流电源供给.2.自励直流发电机:它用自已发出的电给自已的励磁绕组励磁.(1)并励发电机：它的励磁绕组跨接在电枢两端,与电枢并联.(2)串励发电机励磁绕组与电枢串联,励磁电流就是电枢电流.(3)复励发电机:既有并励绕组又有串励绕组.励磁消耗的功率一般只占直流发电机额定功率的1%3%,1.6直流发电机,二、直流发电机的基本方程式三大平衡方程式：电压平衡、转矩平衡、功率平衡。（一）电压平衡方程式U=EaIaRaU-电枢电压Ra-电枢回路总电阻(二)转矩平衡方程式Ia方向和Ea一致.当发电机稳定运行时T1=T+T0T1为原动机拖动转矩.T为发电机电磁转矩.T0为空载转矩.,(三)功率平衡方程式P1=PM+p0P1为原动机从轴上送入直流发电机的机械功率.PM为电磁功率.P0空载损耗功率.P0=pm+pFe+pspm:机械摩擦损耗pFe:铁损耗ps:附加损耗电磁功率多数转为电功率P2因PM=T=CTIa=,P2=PMpCu即电枢输出功率P2为电磁功率PM减去电枢回路的电阻铜损耗pCu由电压平衡方程U=EaIaRa得UIa=EaIaI2aRa即综合后得P1=P2+pCu+pm+pFe+ps=P2+p直流发电机功率流程图注:没有把励磁功率计算在P1之内.,P2=PMpCu,三、他励直流发电机特性研究条件：保持转速n不变且等于额定转速nN.三个物理量：电枢电压U、电枢电流Ia、励磁电流If(一）空载特性U=f(If)n=c.Ia=0因Ea=Cen,Ce和n为常数，所以Ea与成正比。即U=f(If)曲线与磁化曲线=f(If)形状相同。U,发电机的额定电压工作点一般选在开始饱和的弯曲处C点，当If=0时，U0，这是剩磁所致称为剩磁电压Us=2%4%UN,(二）外特性U=f(Ia)n=c=nN常数If=常数调励磁If和负载Ia。使U=UN，电机工作在额定状态调Ia测U得外特性U=f(Ia)曲线是一条略微向下倾斜的曲线U=EaIaRaUIaIaRaU国家标准规定：用发电机由额定状态过渡到空载时的电压升高对额定电压的比率表示电压变化率U%=U%=5%10%常数。,四、并励直流发电机（一）并励直流发电机的自励条件（1）发电机必须有剩磁，如果无剩磁，必须用另外的直流电源充磁。（2）励磁绕组并联到电枢两端，线端的接法应与旋转方向配合，以使励磁电流产生的磁场方向与剩磁的磁场方向一致。（3）励磁回路的总电阻必须小于临界电阻。在建立正常电枢电压的过程中，励磁电流If一直在上升励磁回路电压平衡方程为：,Uo=,在A点之前Uo-Rfif0if当达到A点时，U0=RfIf,Lfdif/dt=0,If不再变化，电压稳定在A点，发电机能建立起正常电压。（二）外特性n=常数、励磁回路总电阻不变时U=f(I)关系曲线。并励比它励电机外特性下降得快原因有三：（1）电阻压降（2）电枢反应去磁（3）UIf磁路退饱和，导致励磁电流下降电压降低，使负载电流不再增加反而减小。,1.7直流电动机一、直流电机的可逆原理一台直流电机，在满足一定条件下它可以作发电机运行，也可以作为电动机运行。称为可逆性原理。过程分析：发电机状态到电动机状态的过渡。假设开始时发电机向直流电网供电，电网电压U恒定不变。各量方向如图所示。发电机中电流与电势方向一致，电机的电磁转矩T为顺时针方向。与原动机拖动转矩T1方向相反。U稳定运行时T1=T+T0电动势EaU电流顺电动势方向流向电网。能量关系：T1EaIaUia机械功率电功率输出电功率,当撤掉原动机后nEaIaT稳定运行时T=T0+Tm反电势Ea（物理中线与几何中线之夹角）四、火花、环火及补偿绕组换向不良电刷下产生火花，严重时影响电机工作。环火是处于最大磁密处的元件电压出现最大值，在元件连接的两个换向片间产生电弧短路而形成环火。补偿绕组与电枢绕组串联以消除电枢反应进而消除环火。,第二章电力拖动系统的动力学基础,第一节典型生产机械化的运动形式及转矩一、电力拖动系统的基本概念电力拖动:以电动机为原动机拖动生产机械运转的拖动方式.电力拖动系统:由电动机、机械传动机构、生产机械的工作机构、电动机的控制设备以及电源等五部分组成的综合机电装置。,二、典型生产机械的运动形式和转矩（一）运动形式1、单轴旋转系统特征：电动机的转子与负载轴通过联轴器连接在一起。所有运动运动部分均以同一转速旋转。如通风机。2、多轴旋转系统特征：各轴转速不同，主轴转速比电动机转速低。电动机转子通过皮带轮和减速机与主轴相连接。如车床。3、多轴旋转和平移运动系统特征：负载既有旋转运动又有平移运动。如起重机的起重小车。4、多轴旋转和升降运动系统特征：负载既有旋转又有升降运动。如起重机的提升机构。,（二）生产机械的转矩性质两种类型：1、摩擦力产生的转矩-反抗性转矩特点-转矩方向总是与旋转方向相反。2、重力作用产生的转矩-位能性转矩特点-作用方向与生产机械的旋转方向无关电力拖动系统的运动规律的分析主要研究作用在电动机轴上的转矩与电动机转速变化之间的关系n=f(T).分析方法：先对单轴运动系统进行分析，得出一般规律对多轴运动系统，则通过折算等效成单轴运动系统后再运用单轴运动系统的规律。,第二节电力拖动系统和运动方程式一、单轴电力拖动系统的运动方程式作用在电机轴上的转矩:电动机的电磁转矩T电动机的空载转矩T0生产机械转矩TmT0+Tm=TL为电动机的负载转矩,为轴的角速度.J为对转轴的总转动惯量J=JR+Jm.根据力学刚体转动定律及各量参考方向得转动方程式,转矩单位为Nm;J为Kgm2;为rad/s该式是研究电力拖动系统各种运转状态的基础。在工程计算中，常用n代替；用飞轮力矩GD2代替J。其关系为m-转动部分的质量，kg;G-转动部分的重力，N；-转动部分的回转半径，m;D-回转直径，m;g-重力加速度，取g=9.81m/s2运动方程式变为实用形式GD2总飞轮惯量T-TL=Td为动态转矩,Td=0,dn/dt=0,电动机以恒定转速旋转或静止不动.称静止状态.Td0,dn/dt0-系统处于加速状态Td0,n0方向一致,T为拖动转矩,Tnn原因U、Ra+Rc均为常数条件下，TIa=T/CT,在第二象限内：n0,且nn0,所以Ea0,且EaU,电枢电流成为阻碍运动的制动转矩。Ia与Ea方向一致，电机输出能量，电源吸收能量。在第三象限内：n0,电机反转，Ea0,变为与U同方向二、固有机械特性及人为机械特性（一）固有机械特性条件：U=UN、=N、R=Ra即为额定参数时,表达式如T=TN时nN=n0-nN称nN为额定转速降因电枢电阻Ra很小,所以nN很小故固有特性属于硬特性。,为一条略微向下倾斜的直线,（二）人为机械特性当人为改变参数U、电枢外串电阻Rc时的机械特性三种人为机械特性：1.电枢串电阻的人为机械特性,外串电阻的机械特性方程式特点：理想空载转速不变且与外串电阻无关，外串电阻越大特性斜率越大，特性越软。2.改变电源电压的人为机械特性R=Ra,=N,调UUN(只能在额定电压以下调节)特点:理想空载转速与电源电压成正比,各条特性相互平行,If,机械特性方程式3.减弱气隙磁通的人为机械特性U=UN,R=Ra,调TLnIa(T)当上升到C点时T=TL达到新的平衡,此时n=nc当于拢消失,系统将由C到DA回到原工作点.故该系统能稳定运行.A点是稳定的工作点.,可以证明,一个电力拖动系统能稳定运行的充分必要条件是:1、电动机的机械特性与负载的机械选择性必须相交，在交点处T=TL，实现了转矩平衡。2、在交点处（dT/dt）(dTL/dt)=0不符合第二个条件,系统不能稳定运行.如负载减小转速增加,T增加最终损坏电机.,第二节他励直流电动机的起动和反转一、他励直流电动机的起动起动电动机时，应当先给电动机的励磁绕组加入额定励磁电流，以便在气隙中建立额定磁通，然后再接通电枢回路。电动机一般不允许把电枢直接接到额定电压的电源上即直接起动。以防电机烧坏和机械损坏。IN，故必须把起动电流限制在允许范围之内。一般最大允许电流为(1.52)IN,间接起动的两种方法:1、降压起动，2、串电阻起动（一）降压起动降压起动方法在起动过程中能量损耗小,起动平稳,便于实现自动化,但需要一套直流电源,增加了设备投资.,(二)电枢回路串电阻起动串电阻是为了限制起动电流不超过允许值.以Rst或rst表示.电枢回路中应串入的起动电阻值为,起动过程中应分段逐步切除起动电阻.最终全部切除Rst,电动机运行在自然特性上.(三)起动电阻的计算各级起动电阻的计算,应以在起动过程中最大起动电流I1及切换电流I2不变为原则.常取令I1/I2=称为起动电流比.因切换前后瞬间电枢电阻压降相等,即I2RST3=I1Rst2或Rst3=Rst2I2Rst2=I1Rst1Rst2=Rst1I2Rst1=I1RaRst1=Ra,推广到一般情况,如起动级数为m,则计算起动电阻时可能有以下两种情况:1.起动电阻级数m尚未确定步骤:(1)根据电动机铭牌数据估算Ra.(2)根据生产机械对起动时间、平稳性以及电动机的最大允许电流，确定I1及I2并计算Rstm及,要求起动时间短时，取较大的I1；要求起动转矩平稳、起动冲击小时，需要较多的起动级数，这时应取较小的值。（3）由Ra、Rstm及，按下式计算起动级数：（4）由m/求出新的/(5)计算各段起动电阻rst1=Rst1-Ra=/Ra-Ra=(/-1)Rarst2=Rst2-Rst1=/Rst1-Rst1=/rst1,推广到一般情况:2.起动级数m已知这时可根据电动机最大允许电流确定I1并计算如I2过大或过小,说明级数m确定得不合理,应减小或增加级数.最后按第(5)计算各段起动电阻.,二、他励直流电动机的反转电动机反向运转电磁转矩T必须反向。而T=CTIa故方法有二1.电枢反向接线图2.机械特性3.机械特性方程式,第三节他励直流电动机的调速一.电动机调速的基本概念调速机械调速:改变传动机构的速比,属有级调速电气调速:人为地改变电动机的参数从机械特性上,改变工作点,电动机的转速就能改变两种情况:1.负载变但机械特性不变,2.负载不变而变电机参数,几个术语:基速:电动机的额定转速nN,上调速:额定转速nN以上的调速,下调速:基速以下的调速.无级调速:电机的转速可平滑地加以调节.有级调速:不能平滑调节,只能给出几种速度.二.他励直流电动机的调整方法由机械特性方程式,(一)电枢串电阻调速U=UN,=N调Rc特点:1.各条特性有相同的理想空载转速n02.在额定负载下,能提供的最高转速为额定nN故属基速以下调节.且为有级调速.3.串电阻越大,稳定转速越低.4.若为恒转矩负载,则稳定运行时T=TL电枢电流Ia=T/CTN=常数,即与转速无关.缺点:1.不能实现无级调速,2.能耗大效率低.3.特性软,转速的稳定性差.,(二)降低电源电压调速Rc=0,=N,调UUN机械特性方程式特点:1.各条特性互相平行,2.在负载相同时转速降n相同且均与固有特性相同,即3.对恒转矩负载Ia=C,与转速无关.铜耗为与转速无关且数值很小,故效率高.,n=,4.能实现平滑无级高速该调速方法是基速以下调速,能提供的最高转速为电动机的额定转速nN,由于能实现平滑无级调速,特性硬,转速的稳定性好,故是一种性能优越的调速方法,广泛应用于要求较高的系统中.(三)减弱磁通调速U=UN,R=Ra,调0,输出功率制动状态T0,电功率PM=EaIa=TT故电动机开始反转,直到TL=T在D点稳定运行.此时Ea以反向与UN共同产生制动转矩与TL相抗衡.,由于电动势反接制动可以在第四象限稳定运行所以是制动运行状态.主要用于起重机提升机构低速下放重物.电动势反接制动时电动机输入的机械能是由位能负载减少的位能提供.四、回馈制动（一）他励直流电动机回馈制动的基本概念电动状态时：电动机从电源输入电功率UIa0,即,电源输出能量,电动机吸收能量.并供给机械负载.能量从电源侧流向电动机,回馈制动状态时:Ia改变方向,电磁转矩也由原拖动转矩变为制动转矩.UIaU1(BC段)到C点时U1=Ea,Ia=0回馈制动过程结束.CD段又回到电动状态,D点为稳定工作点.,(三)位能负载下放重物时的回馈制动被吊在空中的重物,在松开机械闸后反向起动电动机,五、他励直流电动机四象限运行的分析方法电动机的固有机械特性及人为机械特性位于直角坐标的四个象限之中在、象限内为电动状态。、象限内为制动状态。A，B，C，D，E为电动机的工作点。新状态：（1）停车（2）在新的工作点上稳定运行。,第五节电力拖动系统的过渡过程一、电力拖动系统的过渡过程的一般概念电力拖动系统的过渡过程是指拖动系统从一个稳定状态到另一个稳定状态中间的过程。产生原因：系统中存在机械惯性和电磁惯性，即飞轮力矩和电感、电容储能元件。研究的问题：求电力拖动系统的动态特性，即T、n、Ia等随时间变化的规律。方法：建立系统的微分方程式并求解。,直流他励电动机微分方程组：为了满足生产机械对过渡过程的不同要求，需要对电力拖动系统过渡过程的规律进行分析，以正确地选择及合理使用电力拖动装置，提高生产率、质量，减轻劳动强。,二、他励直流电动机拖动系统过渡过程的数学分析（一）机械过渡过程的一般表达式1.转速的变化规律n=f(t)系统运动方程式为电动机的机械特性方程式,变为标准型:它的通解为C由初始条件确定,当t=0时,n=ni得C=ni-ns代入后得n的解析式,2.电磁转矩的变化规律T=f(t)3.电枢电流的变化规律Ia=f(t)由T=CTIa得,(二)机械过渡过程解析式的讨论1.n=f(t)T=f(t)Ia=f(t)三式具有相同的形式,都有两个分量,即稳态分量和自由分量(动态分量).按指数规律变化,起始于初始值,终止于稳态值.,2.过渡过程时间的长短取决于TM的大小.3.初始值、稳态值和机电时间常数是决定机械过渡过程的三个要素。可由机械特性求得，再利用机械过渡过程的解析式计算过渡过程曲线。4.过渡过程时间的计算:达到稳态值的时间:理论上为t=,实算取t=4TM,达到某一数值时所需时间:n=nx所需时间T=Tx或Ia=Ix时所经时间或三、起动的过渡过程（一）起动过渡过程曲线的计算串电阻起动时（一级）：初始转速ni=0，初始转矩Ti=Tst；稳定转速ns=na，Ts=TL机电时间常数,把三要素代入相关式得：（三）逐级切除电阻时过渡过程的计算1.n=f(t)曲线的计算以三级起动为例第一级:初始转速ni1=0,稳定转速为ns1斜率故机电时间常数,解析式第一级经历的时间为nx1为切除第一级起动电阻瞬间电动机的转速.,n,T,t,t,n,tst1,tst2,tst3,tst,tst1,tst2,tst3,tst,ns,ns2,ns1,nx1,nx2,任意级:转速解析式各段时间通式:2.T=f(t)曲线的计算,四、能耗制动过渡过程（一）拖动反抗性恒转矩负载能耗制动机械特性与负载机械特性交于C点视C点为假想的稳定工作点。满足了TL=常数的条件。实际能耗制动的起始点为B点，到坐标原点0结束。,0,t0,起始值：ni=nA，Ti=TB0)(T0)0C段并未出现,故对应的过渡过程用虚线表示.过渡过程时间t0的计算:将t0时n=0代入n=f(t),注意:利用以上公式计算时,nc及TB应代负值.(二)拖动位能性恒转矩负载与反抗性负载相同.所需时间为t0.D点为稳定工作点0D段的过渡过程初始值为n=0,T=0;稳态值为n=nD0,T=TL2,代入一般公式,C,t0,TL2,TB,B0,得到:注:上式中的时间t是从t=t0算起的.所需时间为t=4TM.过渡过程总时间为两段所需时间之和,即t=t+4TM五、反接制动过渡过程（一）拖动反抗性恒转矩负载1.如只用于停车而不需要反转.当过渡过程进行到n=0时,应立即断电抱闸.,过渡过程为BE(C)段.起始点:ni=nA,Ti=TBC点为虚稳定点:ns=nC0,TTL,tt0),2.如反接制动用于电动机反转过渡过程分成两段:第一段:BE,计算方法与反接制动停车同.第二段:ED,D点为稳定运行工作点,起始值ni=0,Ti=TE0,稳态值ns=nD,Ts=TL机电时间常数TM不变.式中时间t的起算点为t0总时间为:,t0+4TM,解析式,(二)拖动位能性恒转矩负载D点为稳定运行工作点分两段组成:1.从BE与反抗性负载反接制动停车时相同.2.从ED,初始点为E(ni=0,Ti=TE0),n,A,B,E,D,C,TL1,TL2,t0,n,t,BE,ED,解析式:T的起始点为t0六、过渡过程中的能量损耗（一）过渡过程能量损耗的一般情况总损耗p=p0+pCua，其中铜损pCua=Ia2RaIa在过渡过程中较大，故pCua占比重大可认为ppCua。,假定：1.=N.2.U=常数.3.电枢回路总电阻为Ra1=Ra+Rc.4.电动机为理想空载,即TL=T0+Tm=0.在拖动系统的过渡过程中,电动机电压方程电枢回路电感小可怱略故有:电磁功率EaIa=T;输入功率UIa=而T-TL=Jd/dt,TL=0,故电磁转矩T=Jd/dt,于是有:设过渡过程从t1时刻到t2时刻,相应由1到2,则该段的能量损耗为:表明:过渡过程中的能量损耗仅取决于J、0及开始和终了时的1、2，与过渡过程的时间无关。,（二）理想空载起动过程中的能量损耗特性1：初始1=0，终止2=0能耗说明：输入到电枢回路的能量J02有一半消耗掉了，另一半转变为系统的动能贮存起来。（三）理想空载能耗制动过程的能量损耗,T,0,0,-0,1,2,3,特性2：电机与电网没有能量转换关系A=0初始1=0，终止2=0,能耗A=（四）理想空载反接制动过程中的能量损耗特性3：初始1=0x1rmr1从而Z0Zm,二、短路试验用于测量变压器的铜损耗，并据测得数据计算变压器的短路参数Zk、rk、xk。方法及注意事项：1、短路试验常在高压进行。即将低压侧短路，在高压侧加电压并测量电压、电流和功率。2、用调压器由零开始上调直到电流达到额定时止。测量并记录Uk、Ik和pk。3、此时I0很小，故铁损耗小可忽略。测得的功耗为绕组上的铜耗。,计算公式式中各量为每相的数值绕组换算到750时的阻值为实验时的室温.阻抗换算后变为短路试验可以在高压侧进行也可以在低压侧进行高压侧和低压侧的参数值符合折算规律.,额定短路电压UkN=I1NZk刚好等于变压器额定工作时的阻抗压降,是变压器的一个重要数据,标在变压器的铭牌上,用标么值表示.标么值=实际值/基值.一般选额定值为基值.符号:在右上角加“*”号,如U1*当选U1N为电压基值、ZN=U1N/I1N为阻抗基值时，即额定短路电压的标么值与短路阻抗的标么值相等。在变压器铭牌上标和是一致的。,第五节变压器的运行特性,运行特性是指外特性U2=f(I2)及效率=f(I2)一、外特性与电压调整率外特性不仅与漏阻抗和负载电流有关，而且与负载的性质有关。外特性是在一次电压和负载性质不变时，输出电压随负载变化的关系曲线。即U1=C，cos2=C。纯电阻性负载特性较平直；电感性负载电压下降较纯电阻时大；电容性负载特性上翘。,电压调整率：U1=C，cos2=C时，二次侧空载电压与负载电压之差对空载电压的比值，常用百分数表示，也可用标么值表示。百分数表示折算到一次侧电压调整率与短路阻抗、负载电流及负载性质有关。计算公式如下：,设U为电压调整率如带额定负载时I1=I1N，有用标么值表示则有如电流不为额定值，并定义I1/I1N=为负载系数，则,电压调整率除与负载及短路参数有关以外，还与负载性质有关。常用电力变压器=1，cos2=0.8时,二、变压器的效率与效率特性变压器输出有功功率与输入有功功率之比称为变压器的效率，用符号表示，有将输出功率用损耗表示,式中铁损耗pFep0，铜损耗额定负载时有任意负载下有又如不计负载电流引起的二次侧端电压的变化，代入原式中得对三相变压器，p0、pkN和SN均为三相之值。,变压器的效率特性曲线最大时的条件为：可变损耗等于不变损耗即或一般变压器多设计成m=0.5-0.6时效率最高,这时pkN为p0的3-4倍.由于变压器并不经常满载运行,铜损耗随昼夜和季节的变化而变化,铁损耗只要投入运行就基本保持不变,因此把铁损耗设计小些是合理的.,m,第六节三相变压器,注:前述的单相变压器的基本方程式、等效电路、相量图以及各项性能的分析完全适用于三相变压器。由于负载对称，故取一相按单相分析。一、三相变压器的磁路系统两类：各相磁路互不相关，如组式变压器；各相磁路相互关联，如心式变压器。1.三相组式变压器由三个独立的单相变压器组成,磁路各相彼此无关,自成回路.优点:制造运输方便,备用变压器容量小.缺点:占地面积大、所用硅钢片多、成本高。,磁路系统图2.三相心式变压器磁路结构特点:三相磁路相互关联,每相磁通都要经过另两相磁路闭合.,二、三相变压器的电路-绕组联结图联结组：用来表示变压器一次和二次侧对应电动势的相位关系。（一）三相绕组的联结法主要有三种类型：星形联结、三角形联结和曲折形联结。符号表示：高压绕组用大写Y、D和Z表示，低压绕组分别用小写y、d和z表示。高压绕组的首端分别用大写字母U1、V1、W1表示，尾端以U2、V2、W2表示。低压绕组的首端用小写字母u1、v1、w1表示，尾端以u2、v2、w2表示,绕组联结的三种类型示意图,顺序:u1u2-v1v2-w1w2u1u2-w1w2-v1v2,(二)单相变压器联结组由于一次绕组和二次绕组套在同一铁心柱上,交链一个主磁通,所以一次和二次绕组电动势的相位关系只有两种:1.同相,2.反相,即相位差1800.决定因素:1.绕组绕制方向,2.首尾端标号的标法.四种具体情况:(1)绕向相同,标号也相同(2)绕向相同,标号位置不同(3)绕向不同,标号位置相同(4)绕向不同,标号位置也不同,图1同相位,结论:单相变压器一次和二次绕组的电动势的相位是同相还是相反,决定于两绕组的首端(或尾端)是否是同名端,如是同名端则电动势相位相同,如不是同名端,电动势相位相反,差180.变压器的联结组:用时钟表示法来表示一次绕组和二次绕组对应的相位关系.使一次绕组电动势相量指向时钟表面的“12”,这时对应的二次绕组电动势相量指向时钟的几,就是第几组.注:单相变压器是相电势之相位关系,三相变压器是线电压之相位关系.,(三)三相变压器联结组几点说明:1.同一相一次绕组和二次绕组电动势的相位关系,用是否为同名端来判断.符号-在首(尾)端处打“.”2.三相变压器的一次绕组和二次绕组的联结方式用Y,y、Y，d、D，y、D，d、Z.等标号表示.其中大写字母表示一次绕组的联结法,小写字母表示二次绕组的联结法.3.一次侧的线电动势相量指向时钟的12(视为分针)相应二次侧的线电动势相量指向时钟的几点(视为时针)就称为第几联结组.,具体情况如下:1.Y,y联结,Y,y4和Y,y8联结组:Y,y4联结组:将Y,y0联结组二次侧标号改成:w1,u1,v1Y,y8联结组:将Y,y0联结组二次侧标号改成v1,w1,u1这时,注意:在推移的过程中,二次侧的相序不能改变必须与一次侧相序保持一致.Y,y10和Y,y2联结:Y,y10联结:将Y,y6二次推移为w1,u1,v1则Eu1v1相位引前于EU1V1600Y,y2联结:将Y,y6二次推移为V1,w1,u1则Eu1v1相位滞后于EU1V1600,时针指向2点钟.,2.Y,d联结(1)Y,d11联结:一次不变,二次三角形的联结顺序为u1u2-v1v2-w1w2,(2)Y,d1联结组,(3)Y,d3联结组把Y,d11二次u、v、w推移为w、u、v。即二次线电势顺时针旋转1200（由原11点转到现在3点）（4）Y，d7联结组把Y,d3二次w、u、v推移为v、w、u。则相量由原3点转到现在的7点。,（5）Y，d5联结组把Y，d11二次同名端改标法，其它不变则二次相量顺时针转1800即由原11点转到5点。（6）Y，d9联结组把Y，d5联结组二次推移为w、u、v即可。,三、三相变压器绕组联结方式和磁路系统对电动势波形的影响在三相变压器中，励磁电流I0和波形为尖顶波还是正弦波，取决于三相绕组的联结方式。I0为尖顶波E（）为正弦波；I0为正弦波E（）为平顶波（含有三次谐波）或为正弦波。一次绕组为YN或D联结时I0为尖顶波；一次绕组为Y,y时三相变压器组(各相磁路独立)=1+3使e的峰值过大不利绝缘,结论:1.Y,y联结中存在的问题(1)e中含有较大的三次谐波的成份,即为平顶波,且对绝缘不利(组式和壳式);(2)e中只有很小的三次谐波成份,但铁损加大效率降低.,一次绕组为Y,d联结,如为三相心式变压器Y,y,2.三相变压器只要有一侧联结成三角形,就不存在Y,y联结中所出现的问题.即三次谐波分量带来的问题.四、Y，yn联结与Y，y联结基本一样，在三铁心柱变压器中可以采用，在三相变压器组中不宜采用。,第七节特殊变压器一、自耦变压器是一种单绕组变压器。特点:二次绕组是一次绕组的一部分,u1u2部分为公共部分.数量关系:变比,I12=I2N-I1N额定容量:自耦变压器的优点:节省原材料、体积小、重量轻、安装运输方便、价格低、损耗小、效率高。缺点：一次和二次绕组有电的联系，故低压方用电设备的绝缘强度及过电压保护均需按高压方考虑。,二、电流互感器是用于测量的变压器。把电网大电流变换为适于测量的量级，一般为5A。特点：1.一次匝数少，二次匝数多属升压变压器。2.二次直接接电流表(内阻很小)相当于短路.3.普通变压器属恒电压器件,而电流互感器属恒电流器件(一次侧串联在被测电路中),即一次电流为常数不受二次电流的影响.测量原理:由知如I0很小则,I0越小计算出的I2误差也越小.具体办法是减少铁心磁通密度.使用注意事项:1.为了安全,二次侧应牢固地接地.2.二次侧不允许开路.在换接电流表时要先按下短路开关,以防二次绕组开路.3.二次绕组回路接入的阻抗不能超过允许值,否则会使电流互感器的精度下降.,三、整流变压器作为整流装置的电源变压器，用来把电网电压转换成整流装置所需的电压。（一）单相半波整流电路中的变压器1.输出的直流平均电压2.一、二次电流有效值3.一,二次侧容量,(二)单相桥式整流电路中的变压器利用系数均为0.815,利用系数:直流输出功率对各容量之比.一次侧为0.372,二次侧为0.286,平均利用系数0.324,第五章三相异步电动机原理,第一节异步电动机的用途、结构及其本工作原理一、异步电动机的用途发电机（主要用途）交流电机同步电机电动机（变频调速）异步电机电动机（有多种调速方法）同步和异步：看转子转速与旋转磁场转速是否相同，相同为同步机，相异为异步机。,异步电动机应用最为广泛：显著优点：结构简单、价格低廉、运行可靠、坚固耐用并有较好的工作特性。主要缺点：功率因数稍差。二、三相异步电动机的结构由定子和转子组成，定转间有气隙（小好）。按转子结构不同分笼型和绕线转子两种。定子同。（