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1、 电电 机机 学学第一章第一章 导论导论1.电机的定义电机的定义2.电机的分类及作用电机的分类及作用3.电机中的基本电磁关系电机中的基本电磁关系4.电机中的铁磁材料特性电机中的铁磁材料特性5.磁路基本定律及计算方法磁路基本定律及计算方法6.电机的机电能量转换过程电机的机电能量转换过程7.7. 总结总结电机：依据电磁感应定律和电磁力定律实现电机：依据电磁感应定律和电磁力定律实现机电能量转换和信号传递与转换的装置机电能量转换和信号传递与转换的装置什么是什么是电机？电机？泛指所有实施电能泛指所有实施电能生产、传输、使用生产、传输、使用和电能特性变换的和电能特性变换的机械或装置机械或装置电机的定义电机
2、的定义电机的分类电机的分类电机电机静止的电气设备静止的电气设备变压器变压器旋转电机旋转电机交流电机交流电机直流电机直流电机直流发电机直流发电机直流电动机直流电动机同步电机同步电机异步电机异步电机同步发电机同步发电机同步电动机同步电动机异步电动机异步电动机异步发电机异步发电机使用中的变压器使用中的变压器水轮发电机水轮发电机电动机电动机汽轮发电机组汽轮发电机组电机类型电机类型电能的生产、传输和分配电能的生产、传输和分配返返 回回返返 回回驱动生产装置和机械驱动生产装置和机械控制系统和智能化装置的重要元件控制系统和智能化装置的重要元件返返 回回电机的作用电机的作用 电电 机机电能的生产、传输和分配电
3、能的生产、传输和分配控制系统和智能化装置的重要元件控制系统和智能化装置的重要元件驱动生产机械和装置驱动生产机械和装置发电机、变压器发电机、变压器电电 动动 机机控制电机控制电机电机中的基本电磁定律电机中的基本电磁定律1.全电流定律全电流定律电机中的基本电磁定律电机中的基本电磁定律2.电磁感应定律电磁感应定律变压器电动势运动电动势电机中的基本电磁定律电机中的基本电磁定律 变变 压压 器器 电电 动动 势势 变压器电动势的方向可根据楞次定律来判断变压器电动势的方向可根据楞次定律来判断运运 动动 电电 动动 势势eBv电机中的基本电磁定律电机中的基本电磁定律电机中的基本电磁定律电机中的基本电磁定律3
4、.电磁力定律电磁力定律Bfi铁磁材料的特性铁磁材料的特性铁磁材料包括铁铁磁材料包括铁、钴钴、镍以及它们的合金镍以及它们的合金1.1.铁磁材料的导磁率铁磁材料的导磁率1.1.所有非导磁材料的磁导率所有非导磁材料的磁导率均为常数，接近真空磁导率均为常数，接近真空磁导率2.2.铁磁材料的磁导率远大于铁磁材料的磁导率远大于非导磁材料的磁导率非导磁材料的磁导率3.3.铁磁材料的磁导率在较大铁磁材料的磁导率在较大范围内变化，铁磁材料是非范围内变化，铁磁材料是非线性的线性的H/m铁磁材料的特性铁磁材料的特性在外磁场的作用下，铁磁材料内部的磁筹重在外磁场的作用下，铁磁材料内部的磁筹重新排列，使得内部磁效应不能
5、抵消，因而在新排列，使得内部磁效应不能抵消，因而在宏观上对外显示磁性。宏观上对外显示磁性。铁磁材料的特性铁磁材料的特性铁磁材料磁化过程铁磁材料磁化过程oaoa段：段：H H较弱，较弱，B B缓慢增加缓慢增加abab段：段：H H较强，较强，B B迅速增加迅速增加bcbc段：段：H H继续加强，继续加强，B B增加增加变慢（饱和段）变慢（饱和段）c c段：段：H H继续加强，继续加强，B B增增加缓慢（深度饱和段）加缓慢（深度饱和段）铁磁材料的特性铁磁材料的特性2.2.磁滞与磁滞损耗磁滞与磁滞损耗磁滞损耗：磁滞损耗：P1819铁磁材料的特性铁磁材料的特性3.3.涡流与涡流损耗涡流与涡流损耗4.4
6、.交流铁心损耗交流铁心损耗铁磁材料的特性铁磁材料的特性公式中各量纲见公式中各量纲见P20磁路基本定律及计算方法磁路基本定律及计算方法磁磁 路路 基基 本本 定定 律律 欧姆定律欧姆定律基尔霍夫第一定律基尔霍夫第一定律基尔霍夫第二定律基尔霍夫第二定律磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律 A AN Ni i磁阻磁阻磁导磁导磁路的基尔霍夫第一定律磁路的基尔霍夫第一定律A AN Ni i定律内容定律内容: 穿出穿出(或进入或进入)任一闭和面的总磁通量恒等于零任一闭和面的总磁通量恒等于零(或者说，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
7、磁通连续性定律。这就是磁通连续性定律。磁路的基尔霍夫第二定律磁路的基尔霍夫第二定律定律内容定律内容: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。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。 磁路基本定律及计算方法磁路基本定律及计算方法磁路与电路的主要区别磁路与电路的主要区别电路电路磁路磁路电阻率恒定电阻率恒定导磁率变化导磁率变化电压、电流线性电压、电流线性磁势、磁通非线性磁势、磁通非线性不存在饱和现象不存在饱和现象有磁路饱和有磁路饱和磁路和电路的比拟仅是一种数学形式上的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。类似、而不是物理本质的相似。 电路电路磁
8、路磁路电流电流I I磁通磁通电动势电动势E E磁动势磁动势F F电压降电压降IEIE磁压降磁压降R Rm m电阻电阻R R磁阻磁阻R Rm m电导电导g g1/R1/R磁导磁导m m=1/R=1/Rm m基尔霍夫第一定律基尔霍夫第一定律i i0 0基尔霍夫第一定律基尔霍夫第一定律0 0基尔霍夫第二定律基尔霍夫第二定律U Ue e基尔霍夫第二定律基尔霍夫第二定律HlHlNINI欧姆定律欧姆定律I IU/RU/R欧姆定律欧姆定律U Um m/ /R Rm m磁路基本定律及计算方法磁路基本定律及计算方法铁心磁路计算铁心磁路计算是电机分析和设计过程中的一项重要工作是电机分析和设计过程中的一项重要工作已
9、知磁通确已知磁通确定磁动势定磁动势已知磁动势已知磁动势确定磁通确定磁通磁路基本定律及计算方法磁路基本定律及计算方法1.串联磁路计算串联磁路计算将磁路分段，保证每段磁路的均匀性将磁路分段，保证每段磁路的均匀性计算每段磁路的截面积和等效长度计算每段磁路的截面积和等效长度根据给定磁通，确定每段磁路磁密根据给定磁通，确定每段磁路磁密由磁密确定每段磁路的磁场强度由磁密确定每段磁路的磁场强度计算每段磁路的磁压降计算每段磁路的磁压降由基尔霍夫第二定律计算磁动势由基尔霍夫第二定律计算磁动势磁路基本定律及计算方法磁路基本定律及计算方法计算实例计算实例已知数据：已知数据：1.硅钢片的磁化曲线硅钢片的磁化曲线2.铁
10、心尺寸：铁心尺寸：3.气隙尺寸：气隙尺寸：4.线圈砸数：线圈砸数：N5005.给定磁通：给定磁通：计算数据：计算数据： 1.1.励磁磁动势励磁磁动势F F 2.2.励磁电流励磁电流I I 磁路基本定律及计算方法磁路基本定律及计算方法将磁路分为铁心段和气隙段将磁路分为铁心段和气隙段铁心段的磁场强度，由磁化曲线查得：铁心段的磁场强度，由磁化曲线查得：磁路基本定律及计算方法磁路基本定律及计算方法第二类问题求解：给定磁动势大小，求磁通和磁密第二类问题求解：给定磁动势大小，求磁通和磁密假定一个磁通值，计算出相应得磁动势，迭代完成假定一个磁通值，计算出相应得磁动势，迭代完成假定一个磁通假定一个磁通计算出磁
11、动势计算出磁动势FF重新假定重新假定YN磁路基本定律及计算方法磁路基本定律及计算方法2.并联磁路计算并联磁路计算将磁路分段，保证每段磁路的均匀性将磁路分段，保证每段磁路的均匀性计算每段磁路的截面积和等效长度计算每段磁路的截面积和等效长度列出节点方程和电压方程求解列出节点方程和电压方程求解确定每段磁路磁密和磁场强度确定每段磁路磁密和磁场强度计算磁动势计算磁动势 磁路基本定律及计算方法磁路基本定律及计算方法计算实例计算实例已知数据：已知数据：求：求：励磁磁动势励磁磁动势F F2 2 磁路基本定律及计算方法磁路基本定律及计算方法 磁路分段磁路分段3.交流磁路的特点交流磁路的特点磁路基本定律及计算方法
12、磁路基本定律及计算方法1.交流磁路存在磁滞损耗和涡流损耗交流磁路存在磁滞损耗和涡流损耗2.交流磁路中电压平衡关系中比直流磁交流磁路中电压平衡关系中比直流磁路多了感应电动势路多了感应电动势3.交流磁路存在交流磁通，电流的波形交流磁路存在交流磁通，电流的波形和相位问题和相位问题电机中的机电能量转换过程电机中的机电能量转换过程1.理想模型理想模型2.实际机电能量转换系统实际机电能量转换系统电机中的机电能量转换过程电机中的机电能量转换过程发电机发电机电动机电动机电机中的机电能量转换过程电机中的机电能量转换过程P33电机中的机电能量转换过程电机中的机电能量转换过程P34电机中的机电能量转换过程电机中的机
13、电能量转换过程电磁转矩和电磁功率在机电能量转换中起重要电磁转矩和电磁功率在机电能量转换中起重要 用，用，而它们都是通过气隙磁场的作用而产生而它们都是通过气隙磁场的作用而产生电磁功率电磁功率电磁转矩电磁转矩总总 结结第一节第一节 磁路的基本定律磁路的基本定律 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为磁路。在工程中，通常将磁场问题简化为磁路问题。磁路问题。电机是进行机电能量转换的装置电机是进行机电能量转换的装置 一一. 磁场的几个常用量磁场的几个常用量磁感应强度（又称磁通密度）磁感应强度（又称磁通密度）B 表征磁场强弱表征
14、磁场强弱及方向的物理量。单位：及方向的物理量。单位：Wb/m2磁通量磁通量 垂直穿过某截面积的磁力线总和。垂直穿过某截面积的磁力线总和。 单位：单位：Wb 磁场强度磁场强度H 计算磁场时引用的物理量。计算磁场时引用的物理量。 B=H ，单位：单位：A/m磁通所通过的路径称为磁路磁通所通过的路径称为磁路 二二. . 磁路的概念磁路的概念三、磁路的基本定律三、磁路的基本定律1 1、安培环路定律、安培环路定律 沿任何一条闭合回线沿任何一条闭合回线L，磁场强度，磁场强度H的线积分等于该闭合回线的线积分等于该闭合回线所包围的电流的代数和所包围的电流的代数和 如果在均匀磁场中，沿着回线如果在均匀磁场中，沿
15、着回线 L 磁场强度磁场强度H 处处相等，则处处相等，则2 2、磁路的欧姆定律、磁路的欧姆定律 作用在磁路上的磁动势作用在磁路上的磁动势 F 等于磁路内的磁通量等于磁路内的磁通量 乘以乘以磁阻磁阻 Rm磁通量磁通量等于磁通密度乘以面积等于磁通密度乘以面积 磁场强度等于磁场强度等于磁通密度除以磁导率磁通密度除以磁导率 于是于是3、磁路的基尔霍夫定律、磁路的基尔霍夫定律（1）磁路的基尔霍夫电流定律）磁路的基尔霍夫电流定律或或（2）磁路的基尔霍夫电压定律）磁路的基尔霍夫电压定律磁路和电路有相似之处，却要注意有以下几磁路和电路有相似之处，却要注意有以下几点差别：点差别：1）电路中有电流）电路中有电流I
16、 时，就有功率损耗；而在直流磁路时，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。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）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。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）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。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）对于线性电路，计算时可以用叠加原理；而在磁路 中，中，B和和H之间的关系为非线性，因此计算时不可以
17、之间的关系为非线性，因此计算时不可以 用叠加原理。用叠加原理。第二节第二节 常用铁磁材料及其特性常用铁磁材料及其特性 一、铁磁物质的磁化一、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。列整齐，显示出磁性。二、磁化曲线和磁滞回线二、磁化曲线和磁滞回线1、起始磁化曲线、起始磁化曲线 将一块未磁化的铁磁将一块未磁化的铁磁材料进行磁化，当磁场强材料进行磁化，当磁场强度度H由零逐渐增加时，磁由零逐渐增加时，磁通密度通密度B将随之增加。用将随之增加。用B=f (H)描述的曲线就称为描述的曲线就称为起始磁化曲线。起始磁化曲线。2
18、、磁滞回线、磁滞回线剩磁剩磁当当H从零增加到从零增加到Hm时，时，B相应地从零增加到相应地从零增加到Bm；然后再逐渐减小；然后再逐渐减小H，B值将值将沿曲线沿曲线ab下降。当下降。当H=0 时，时，B值并不等于零，而是值并不等于零，而是Br。这。这就是剩磁。就是剩磁。磁滞回线磁滞回线当当H在在Hm和和 Hm之间反复变化之间反复变化时，呈现磁滞现时，呈现磁滞现象的象的BH闭合曲线，称为磁滞闭合曲线，称为磁滞回线。回线。3、基本磁化曲线、基本磁化曲线 对同一铁磁材料，选择不同的对同一铁磁材料，选择不同的Hm反复磁化，得到不同反复磁化，得到不同的磁滞回线。将各条回线的顶点连接起来，所得曲线称为的磁滞
19、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。基本磁化曲线。三、铁磁材料三、铁磁材料1、软磁材料、软磁材料2、硬磁材料、硬磁材料四、铁心损耗四、铁心损耗1、磁滞损耗、磁滞损耗材料被交流磁场反复磁化，磁畴相互摩材料被交流磁场反复磁化，磁畴相互摩 擦而消耗的能量。擦而消耗的能量。2、涡流损耗、涡流损耗铁心内部由于涡流在铁心电阻上产生的铁心内部由于涡流在铁心电阻上产生的 热能损耗。热能损耗。3、铁心损耗、铁心损耗磁滞损耗和涡流损耗之和。磁滞损耗和涡流损耗之和。第三节第三节 直流磁路的计算直流磁路的计算 磁路计算正问题磁路计算正问题给定磁通量，计算所需的励磁磁动势给定磁通量，计算所需的励磁
20、磁动势磁路计算逆问题磁路计算逆问题给定励磁磁势，计算磁路内的磁通量给定励磁磁势，计算磁路内的磁通量磁路计算正问题的步骤：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；）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）计算各段磁路的有效截面积Ak和平均长度和平均长度lk；3）计算各段磁路的平均磁通密度）计算各段磁路的平均磁通密度Ak ，Bk=k/Ak；4）根据）根据Bk求出对应的求出对应的Hk；5）计算各段磁位降）计算各段磁位降Hklk，最后求出，最后求出 F= Hklk。磁路计算逆问题磁路计算逆问题因为磁路为非线性的，用试探法因为磁路为非线性的，用试探法。第四
21、节第四节 交流磁路的特点交流磁路的特点 交流磁路除了会在铁心中产生损耗外，还有以下两交流磁路除了会在铁心中产生损耗外，还有以下两个效应：个效应：1 1）磁通量随时间变化，在励磁线圈中产生感应电磁通量随时间变化，在励磁线圈中产生感应电动势。动势。2 2）磁饱和现象会导致电流、磁通和电动势波形畸磁饱和现象会导致电流、磁通和电动势波形畸变。变。本章作业：本章作业：1.11.7 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。第二章第二章 直流电机直流电机2.1 概述概述与异步电动机相比，
22、直流电动机的结构复杂，使与异步电动机相比，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。用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。直流电机的优点：直流电机的优点：（1）调速性能好）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。调速范围广，易于平滑调节。（2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。（3）易于控制。）易于控制。应用：应用：（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。速范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。）用蓄电池做电源的地方
23、，如汽车、拖拉机等。（3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具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定子转子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P462.1.2 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
24、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
25、、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
26、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额定条件下电机所能提供的功率指电刷间输出的额定电功率发电机指轴上输出的机械功率电动机发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机出线端的平均电压在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速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
27、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。对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式励磁方式空载时直流电机的磁场空载时直流电机的磁场( (提前介绍提前介绍) )P622.2.1 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
28、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。：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。第一节距第一节距 ： 一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。第二节距第二
29、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：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个元件的上层边间的距离。单叠单叠绕组绕组单单波绕组波绕组ykyk单叠绕组元件的连接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
30、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。 参看参看P592.3 直流电机的磁场 2.3.12.3.2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：详细参见详细参见P622.3.2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%。磁力线
31、由N极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入S极，再经定子铁轭回到N极主磁通主磁通主磁路磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路漏磁通漏磁通漏磁路 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
32、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
33、 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
34、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
35、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)(电动势常数为电机的结构常数其中可见，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
36、质性质: : 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。为电机的转矩常数，有其中二、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
37、.4.1 2.4.1 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.4.1 2.4.1 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.4.1 2.4.1 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.4.1 2.4.1 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.4.1 2.4.1 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.4.1 2.4.1 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.4.1 2.4.1 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.4.1 2.4.1 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.4.1 2.4.1 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.4.1 2.4.1 直
38、流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.4.1 2.4.1 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.4.1 2.4.1 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.4.1 2.4.1 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性 2.4.2 直流发电机的运行特性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l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l直流电动机
39、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l直流电机l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。l感应电动势“发电作用” 电磁转矩“电动作用”l发电机： 主电动势 反转矩 电动机： 反电动势 主转矩原动机 EaU 电负载电源 EaU 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
40、电动机的基本特性2.5.2 直流电动机的工作特性l定义：UUN，IfIfN（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 nf(Ia), Tem f(Ia), f(Ia)或nf(P2), Tem f(P2), f(P2)的关系曲线并励电动机并励电动机 试验接线图试验接线图l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、并励一、并励电动电动机的工作特性机的工作特性转速调整率 1 1、转转速特性：速特性：UUN 常数，IfIfN 常数时，nf(Ia)的关系曲线Ian励磁回路励磁回路不允许断开！不允许断开！2.5 直流
41、电动机的基本特性一、并励电动机的工作特性2、转矩特性： UUN 常数，IfIfN 常数时，Temf(Ia)的关系曲线IaTe考虑去磁， 曲线有所下降。2.5 直流电动机的基本特性一、并励一、并励电动电动机的工作特性机的工作特性3 3、效率特性：、效率特性： UUN 常数，IfIfN 常数时，f(Ia)的关系曲线Ia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、并励一、并励电动电动机的工作特性机的工作特性2.5 直流电动机的基本特性二、串励二、串励电动电动机的工作特性机的工作特性1 1、转转速特性：速特性： UUN 常数， nf(Ia),的关系曲线UUN常数时，转速n、电磁转
42、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串励电动机 试验接线图试验接线图 2.5 直流电动机的基本特性二、串励二、串励电动电动机的工作特性机的工作特性1 1、转转速特性：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 2、转转距特性：距特性： Temf(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转矩平衡方程衡方程功率平功率平衡方程衡方程特性特性：空载特性空载特性：外特性：外特性：调整特性：调整特性：转速特性转速特性：转矩特性转矩特性：效率特性效率特性：2.5 直流电动机的基本特性2.5.3 2.5.3 直流直流电动电动机的
43、机械特性机的机械特性l定义：UUN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nf(Tem)Rj为串入串入电枢回路的枢回路的调节电阻，用于改阻，用于改变机械特性的形状。机械特性的形状。Rj =0时为时为自然机械特性自然机械特性，Rj0为为人工机械特性人工机械特性。 2.5 直流电动机的基本特性l l并励直流电动机的机械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，机械特性接近于一水平线，称为硬特性。反之特性软称为硬特性。反之特性软2.5 直流电动机的基本特性2.5.3 2.5.3 直流直流电动电动机的机械特性机的机械特性l l串励直流电动机的机械特性串励直流电动机的
44、机械特性软特性：软特性：因为转矩增大，电枢增因为转矩增大，电枢增大，磁通增大，内阻压大，磁通增大，内阻压降均增大，故转速下降降均增大，故转速下降很快很快 2.5 直流电动机的基本特性2.5.3 2.5.3 直流直流电动电动机的机械特性机的机械特性2.6 直流电力传动二、二、电动电动机机组稳组稳定运行的条件定运行的条件l l典型负载的机械特性典型负载的机械特性nf(TL)（1 1）恒转矩负载：）恒转矩负载： T TL L = = constconst（2 2）风机类负载：）风机类负载：T T L Ln n2 2（3 3）恒功率负载：）恒功率负载：P P L L= = constconstl下垂的
45、机械特性的机械特性2.6 直流电力传动二、二、电动电动机机组稳组稳定运行的条件定运行的条件l上翘的机械特性的机械特性l稳定条件2.6 直流电力传动二、二、电动电动机机组稳组稳定运行的条件定运行的条件2.6.2 直流电动机的起动l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。l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l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l起动瞬间：l起动的根本原则：足够大的电磁转矩 限制起动电流l起动时的磁场：磁通最大（励磁
46、回路调节电阻为零）l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，
47、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l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l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；l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
48、流调速l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l调速过程：A BTMTLA调节磁场前工作点弱磁瞬间工作点AA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l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tt=t0n结论结论：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l优点：设备简单，操作方便。l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
49、量大，调速时效率低，效率与转速成正比。l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l适用于恒转矩调速l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。l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l调速过程：二、改变串入电枢回路的电阻调速nTMTLRan0n1A0ABn2Ra+Rj1未串电阻时的工作点串电阻Rj1后,工作点由AAB2.6 直流电力传动2.6.3 直流电动机的调速l调速过程：二、改变串入
50、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tt=t0n2n1Ia1ianian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l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。l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。l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l适用于恒转矩调速l对恒转矩负载，调速前、后
51、因增通不变而使Tem和Ia不变。l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l调速过程：三、改变电枢端电压调速TMTLAAB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l分类：机械制动和电磁制动l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、
52、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， 并励电动并励电动并励电动并励电动机能耗制机能耗制机能耗制机能耗制动接线图动接线图动接线图动接线图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
53、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、正转反接并励电动并励电动机反接制机反接制动接线图动接线图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nn0时，电
54、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l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：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简述：直流伺服电机、直流测速发电机内容第三章第三章 变压器变压器 变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电
55、子线路中应用广泛。子线路中应用广泛。变电压：变电压：电力系统电力系统 变阻抗：变阻抗：电子线路中的阻抗匹配电子线路中的阻抗匹配变电流：变电流：电流互感器电流互感器 变压器的主要功能有变压器的主要功能有变压器的主要功能有变压器的主要功能有： 在能量传输过程中，当输送功率在能量传输过程中，当输送功率P =UI cos 及及负载功率因数负载功率因数cos 一定时：一定时：电能损耗小电能损耗小节省金属材料（经济）节省金属材料（经济）概述概述U I P = I RlI S 电力工业中常采用高压输电低压配电，实现节能电力工业中常采用高压输电低压配电，实现节能电力工业中常采用高压输电低压配电，实现节能电力工
56、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：并保证用电安全。具体如下：并保证用电安全。具体如下：并保证用电安全。具体如下： 发电厂发电厂10.5kV输电线输电线220kV升压升压仪器仪器36V降压降压实验室实验室380 / 220V降压降压变电站变电站 10kV降压降压降压降压变压器的分类变压器的分类电压互感器电压互感器电压互感器电压互感器 电流互感器电流互感器电流互感器电流互感器 按用途分按用途分按用途分按用途分电力变压器电力变压器电力变压器电力变压器 ( (输配电用输配电用输配电用输配电用) )仪用变压器仪用变压器仪用变压器仪用变压器 整流变压器整流变压器整流变压器整流变
57、压器 按相数分按相数分按相数分按相数分三相变压器三相变压器三相变压器三相变压器 单相变压器单相变压器单相变压器单相变压器 按制造方式按制造方式按制造方式按制造方式壳式壳式壳式壳式心式心式心式心式变压器符号变压器符号变压器符号变压器符号变压器的结构变压器的结构变压器的磁路变压器的磁路绕组：绕组：绕组：绕组：一次绕组一次绕组一次绕组一次绕组二次绕组二次绕组二次绕组二次绕组单相变压器单相变压器+由高导磁硅钢片叠成由高导磁硅钢片叠成厚厚0.35mm 或或 0.5mm铁心铁心变压器的电路变压器的电路变压器的电路变压器的电路一次一次绕组绕组N1二次二次绕组绕组N2铁心铁心变压器的结构变压器的结构1 1）
58、变压器的型号变压器的型号变压器的型号变压器的型号变压器的铭牌和技术数据变压器的铭牌和技术数据变压器的铭牌和技术数据变压器的铭牌和技术数据S J L 1000/10S J L 1000/10 变压器额定容量变压器额定容量(KVA) 铝线圈铝线圈铝线圈铝线圈 冷却方式冷却方式冷却方式冷却方式J:J:油浸自冷式油浸自冷式油浸自冷式油浸自冷式F:F:风冷式风冷式风冷式风冷式相数相数相数相数S:三相三相D:单相单相 高压绕组的额定电压高压绕组的额定电压高压绕组的额定电压高压绕组的额定电压(KV)(KV) 变压器额定值变压器额定值变压器额定值变压器额定值 额定电压额定电压额定电压额定电压 U U1N1N、
59、U U2N2N 变压器二次侧开路（空载）时，一次、二次侧变压器二次侧开路（空载）时，一次、二次侧变压器二次侧开路（空载）时，一次、二次侧变压器二次侧开路（空载）时，一次、二次侧绕组允许的电压值绕组允许的电压值绕组允许的电压值绕组允许的电压值单相：单相：单相：单相：U U1N 1N ，一次侧电压，一次侧电压，一次侧电压，一次侧电压， U U2N2N，二次侧空载时的电压二次侧空载时的电压二次侧空载时的电压二次侧空载时的电压三相：三相：三相：三相：U U1N1N、U U2N2N，一次、二次侧的线电压一次、二次侧的线电压一次、二次侧的线电压一次、二次侧的线电压 额定电流额定电流额定电流额定电流 I I
60、1N1N、I I2N2N 变压器满载运行时，一次、二次侧绕组允许的变压器满载运行时，一次、二次侧绕组允许的变压器满载运行时，一次、二次侧绕组允许的变压器满载运行时，一次、二次侧绕组允许的电流值。电流值。电流值。电流值。单相：一次、二次侧绕组允许的电流值单相：一次、二次侧绕组允许的电流值单相：一次、二次侧绕组允许的电流值单相：一次、二次侧绕组允许的电流值三相：一次、二次侧绕组线电流三相：一次、二次侧绕组线电流三相：一次、二次侧绕组线电流三相：一次、二次侧绕组线电流 额定容量额定容量额定容量额定容量 S SN N 传送功率的最大能力。传送功率的最大能力。传送功率的最大能力。传送功率的最大能力。单相
61、：单相：单相：单相：三相：三相：三相：三相：容量容量容量容量 S SN N 输出功率输出功率输出功率输出功率 P P2 2 一次侧输入功率一次侧输入功率一次侧输入功率一次侧输入功率 P P1 1 输出功率输出功率输出功率输出功率 P P2 2注意：变压器几个功率的关系（单相）注意：变压器几个功率的关系（单相）注意：变压器几个功率的关系（单相）注意：变压器几个功率的关系（单相）效率效率效率效率容量：容量：一次侧输入功率：一次侧输入功率：输出功率：输出功率： 变压器运行变压器运行时的功率取时的功率取决于负载的决于负载的性质性质变压器额定值变压器额定值变压器额定值变压器额定值3.1 变压器的工作原理
62、变压器的工作原理单相变压器单相变压器+一次一次绕组绕组N1二次二次绕组绕组N2铁心铁心 一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。一次、二次绕组互不相连，能量的传递靠磁耦合。(1) 空载运行情况空载运行情况1. 1. 电磁关系电磁关系电磁关系电磁关系一次侧接交流电源，一次侧接交流电源，二次侧开路。二次侧开路。+ 1 i0 ( i0N1) 1空载时，空载时，铁心中主铁心中主磁通磁通 是是由一次绕由一次绕组磁通势组磁通势产生的。产生的。(2) 带负载运行情况带负载运行情况1. 1. 电磁关系电磁关系电磁关系电
63、磁关系一次侧接交流电源，一次侧接交流电源，二次侧二次侧接负载接负载接负载接负载。+ 1 1i1 ( i1N1) i1i2 ( i2N2) 2有载时，铁心有载时，铁心中主磁通中主磁通 是是由一次、二次由一次、二次绕组磁通势共绕组磁通势共同产生的合成同产生的合成磁通。磁通。 2i2+e2+e 2+u2 Z Z 2. 2. 电压变换电压变换电压变换电压变换（设加正弦交流电压）（设加正弦交流电压）（设加正弦交流电压）（设加正弦交流电压）有效值有效值:同同 理：理：主磁通按正弦规律变化，设为主磁通按正弦规律变化，设为主磁通按正弦规律变化，设为主磁通按正弦规律变化，设为 则则则则(1) (1) 一次、二次
64、侧主磁通感应电动势一次、二次侧主磁通感应电动势一次、二次侧主磁通感应电动势一次、二次侧主磁通感应电动势根据根据KVL：变压器一次侧等效电路如图变压器一次侧等效电路如图+(2) (2) 一次、二次侧电压一次、二次侧电压一次、二次侧电压一次、二次侧电压+u u2 2+ i i1 1i i2 2+e e2 2+e e 2 2（匝比）匝比）匝比）匝比）K K为为为为变比变比变比变比对二次侧，对二次侧，对二次侧，对二次侧，根据根据KVL：结论：改变匝数比，就能改变输出电压。结论：改变匝数比，就能改变输出电压。式中式中式中式中 R R2 2 为为为为二次二次二次二次绕组的电阻绕组的电阻绕组的电阻绕组的电阻
65、; ;X X2 2= = L L 2 2 为为为为二次二次二次二次绕组的感抗；绕组的感抗；绕组的感抗；绕组的感抗； 为为为为二次二次二次二次绕组的端电压。绕组的端电压。绕组的端电压。绕组的端电压。变压器空载时变压器空载时变压器空载时变压器空载时: :+u u2 2+ i i1 1i i2 2+e e2 2+e e 2 2式中式中式中式中U U2020为变压器空载电压。为变压器空载电压。为变压器空载电压。为变压器空载电压。故有故有故有故有3. 3. 电流变换电流变换电流变换电流变换( (一次、二次侧电流关系一次、二次侧电流关系一次、二次侧电流关系一次、二次侧电流关系) )有载运行有载运行有载运行
66、有载运行 可见，铁心中主磁通的最大值可见，铁心中主磁通的最大值可见，铁心中主磁通的最大值可见，铁心中主磁通的最大值 mm在变压器空载在变压器空载在变压器空载在变压器空载和有载时近似保持不变。即有和有载时近似保持不变。即有和有载时近似保持不变。即有和有载时近似保持不变。即有 不论变压器空载还是不论变压器空载还是不论变压器空载还是不论变压器空载还是有载，一次绕组上的阻有载，一次绕组上的阻有载，一次绕组上的阻有载，一次绕组上的阻抗压降均可忽略，故有抗压降均可忽略，故有抗压降均可忽略，故有抗压降均可忽略，故有由上式，若由上式，若由上式，若由上式，若U U1 1、 f f 不变，则不变，则不变，则不变，
67、则 m m 基本不变，近于常数。基本不变，近于常数。基本不变，近于常数。基本不变，近于常数。空载空载空载空载：有载：有载：有载：有载：+|Z |+一般情况下：一般情况下：I0 (23)%I1N 很小可很小可忽忽略。略。或或结论：一次、二次侧电流与匝数成反比。结论：一次、二次侧电流与匝数成反比。或：或：1 1. .提供产生提供产生提供产生提供产生 mm的的的的磁势磁势磁势磁势2 2. .提供用于补偿提供用于补偿提供用于补偿提供用于补偿 作用作用作用作用 的磁势的磁势的磁势的磁势磁势平衡式：磁势平衡式：磁势平衡式：磁势平衡式：空载磁势空载磁势有载磁势有载磁势3.1.2 变压器的外特性与效率变压器的
68、外特性与效率1. 1. 变压器的外特性变压器的外特性变压器的外特性变压器的外特性 当一次侧电压当一次侧电压当一次侧电压当一次侧电压 U U1和负载功率因数和负载功率因数和负载功率因数和负载功率因数 coscos 2保持不变时，保持不变时，保持不变时，保持不变时，二次侧输出电压二次侧输出电压二次侧输出电压二次侧输出电压 U U2和输出电流和输出电流和输出电流和输出电流 I I2的关系，的关系，的关系，的关系，U U2 = = f f ( (I I2)。 U U2020：一次侧加额定一次侧加额定一次侧加额定一次侧加额定电压、二次侧开路时，电压、二次侧开路时，电压、二次侧开路时，电压、二次侧开路时，
69、二次侧的输出电压。二次侧的输出电压。二次侧的输出电压。二次侧的输出电压。 一般供电系统希望要硬特性（随一般供电系统希望要硬特性（随一般供电系统希望要硬特性（随一般供电系统希望要硬特性（随I I2 2的变化，的变化，的变化，的变化，U U2 2 变变变变化不大），电压变化率约在化不大），电压变化率约在化不大），电压变化率约在化不大），电压变化率约在5%5%左右。左右。左右。左右。电压变化率：电压变化率：电压变化率：电压变化率：coscos 2 =0.8=0.8( (感性）感性）感性）感性）U2I2U20I2Ncoscos 2 =1=1O2.2. 变压器的效率变压器的效率变压器的效率变压器的效率(
70、 ( ( ( ) ) ) )为减少涡流损耗，铁心一为减少涡流损耗，铁心一为减少涡流损耗，铁心一为减少涡流损耗，铁心一般由导磁钢片叠成。般由导磁钢片叠成。般由导磁钢片叠成。般由导磁钢片叠成。 变压器的损耗包括两部分：变压器的损耗包括两部分：变压器的损耗包括两部分：变压器的损耗包括两部分：铜损铜损铜损铜损 ( ( P PCuCu) ) ：绕组导线电阻的损耗。绕组导线电阻的损耗。绕组导线电阻的损耗。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涡流损耗：交变磁通在铁心中产生的感涡流损耗：交变磁通在铁心中产生的感涡流损耗：交变磁通在铁心中产生的感 应电流应电流应电流应电流( (涡流涡流涡流涡流
71、) )造成的损耗。造成的损耗。造成的损耗。造成的损耗。磁滞损耗：磁滞现象引起铁心发热，造磁滞损耗：磁滞现象引起铁心发热，造磁滞损耗：磁滞现象引起铁心发热，造磁滞损耗：磁滞现象引起铁心发热，造 成的损耗。成的损耗。成的损耗。成的损耗。 铁损铁损铁损铁损( ( P PFeFe ) )：变压器的效率为变压器的效率为变压器的效率为变压器的效率为一般一般一般一般 95959595% , , , ,负载为额定负载的负载为额定负载的负载为额定负载的负载为额定负载的(50(50(50(5075)%75)%时，时，时，时， 最大。最大。最大。最大。输出功率输出功率输出功率输出功率输入功率输入功率输入功率输入功率
72、 当电流流入当电流流入当电流流入当电流流入( (或流出）两个线圈时，若产生的磁通方或流出）两个线圈时，若产生的磁通方或流出）两个线圈时，若产生的磁通方或流出）两个线圈时，若产生的磁通方向相同，则两个流入向相同，则两个流入向相同，则两个流入向相同，则两个流入( (或流出）端称为同极性端。或流出）端称为同极性端。或流出）端称为同极性端。或流出）端称为同极性端。 AXax AX Xax1. 1. 同极性端同极性端同极性端同极性端 ( ( 同名端同名端同名端同名端 ) ) 或者说，当铁心中磁通变化时，在两线圈中产生的或者说，当铁心中磁通变化时，在两线圈中产生的或者说，当铁心中磁通变化时，在两线圈中产生
73、的或者说，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。感应电动势极性相同的两端为同极性端。感应电动势极性相同的两端为同极性端。感应电动势极性相同的两端为同极性端。 同极性端用同极性端用“”表示表示。增加增加+ 同极性端同极性端同极性端同极性端和绕组的绕和绕组的绕和绕组的绕和绕组的绕向有关。向有关。向有关。向有关。3.1.3 变压器绕组的极性变压器绕组的极性 当当三相变压器的原边和副边绕组均以一定的接法现接，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，带上三相对称负载， 原边加上对称的三相电压时原边加上对称的三相电压时 ，因，因为三相对称电压本身
74、大小相等、相位互差为三相对称电压本身大小相等、相位互差1201200 0，因此求，因此求得一相的电压、电流，得一相的电压、电流， 其它两相按对称关系求出。其它两相按对称关系求出。 3.2 三相三相变压器变压器一、组式变压器组式变压器三个独立的单相变压器组成三个独立的单相变压器组成,在电路上互相联接，三相磁在电路上互相联接，三相磁路互相完全独立。路互相完全独立。 各相主磁通有各自的铁心磁路，各相主磁通有各自的铁心磁路， 互互不影响。不影响。各相铁芯、磁通、磁阻等一致3.2.1 三相三相变压器磁路变压器磁路二、芯式变压器二、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
75、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 三相三相变压器磁路变压器磁路三三 、连接组、连接组（1）高、低压绕组中电动势相位关系（单相绕组）高、低压绕组中电动势相位关系（单相绕组）单相变压器中，单相变压器中， 高压绕组首端为高压绕组首端为“A”、末端末端为为“X”；低压绕组首端为低压绕组首端为“a”、末端为末端为“x”。AXaxAXax原、副绕组被同一主磁通原、副绕组被同一主磁通 交链，交链， 感应电动势感应电动势在任一瞬间原边绕组一端点为高电位，副边绕在任一瞬间原边绕组一端点为高电位，副边绕组也有一
76、端点为高电位。组也有一端点为高电位。 这两个端点为这两个端点为“同名同名端端”3.2.1 三相三相变压器磁路变压器磁路3.2.2 三相变压器绕组的联接法和联接组三相变压器绕组的联接法和联接组1、三相变压器连接法、三相变压器连接法ABCXYZ星形星形连接连接ABCXYZ三角形连接三角形连接高压绕组首端由高压绕组首端由A、B、C表示，表示， 末端由末端由X、Y、Z表示；低压绕组首端由表示；低压绕组首端由a、b、c表示，末端由表示，末端由x、y、z表示。表示。 一相一相绕组末端与另一相绕组首端相连，绕组末端与另一相绕组首端相连， 依次得到依次得到一闭合回路，一闭合回路， 为为三角形连接三角形连接“
77、”， 有顺、逆之有顺、逆之分。分。 3.2.2 三相变压器绕组的联接法和联接组三相变压器绕组的联接法和联接组分析：分析：P147148 Yy0 、yd11连接组连接组3.2.3 三相变压器的并联运行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。时调节投入变压器的台数。 可以减少变压器的储备容量。可以减少变压器的储备容量。 u1 u2 T1 T2 3.3 特殊变压器特殊变压器1.1.1.1.自耦变压器自耦变压器自耦变压器自耦变压器手手柄柄
78、接接线线柱柱2. 自耦变压器的工作原理自耦变压器的工作原理(1) 电压关系电压关系 忽略漏阻抗，则忽略漏阻抗，则= U1 U2E1 E2=N1 N2= k I 降压自耦变压器降压自耦变压器 N1N2+ +U1I1E1E2 U2I2 I+ +U2I1E1E2 U1I2 升压自耦变压器升压自耦变压器 (2) 电流关系电流关系 N1I1N2I2 = N1I0 N1I1N2I2 = 0 I1 = I2 N2N1I1 I2 N2 N1 =I1与与 I2 相位相反。相位相反。 1 k =I = I1I2 公共绕组的电流公共绕组的电流忽略忽略 I0，则，则 在降压变压器中，在降压变压器中， I1 I2 (3
79、) 功率关系功率关系 变压器容量变压器容量 SN = U2NI2N = U1NI1N S2 = U2I2在降压变压器中在降压变压器中 = U2 (II1 )= U2IU2I1= SiStI = I1 I2 在升压变压器中在升压变压器中S1 = U1I1= U1 (II2 )= U1IU1I2= SiSt 降压变压器降压变压器 升压变压器升压变压器 感应功率感应功率 Si传导功率传导功率 StU2I U1IU2I1 U1I2 在在 SN 一定时，一定时， k 越接近越接近 1，Si 越小，越小， St 所占所占 比例越大，经济效果越显著。比例越大，经济效果越显著。2、仪用互感器、仪用互感器一、电
80、压互感器一、电压互感器U1 U2=N1 N2= ku 国产互感器：国产互感器： U2N = 100 V 使用注意：使用注意：二次绕组禁止短路。二次绕组禁止短路。二次绕组与铁心必须接地。二次绕组与铁心必须接地。空载运行的降压变压器。空载运行的降压变压器。u1 Vu1u2电压互感器电压互感器 3.3 特殊变压器特殊变压器 E2 二、电流互感器二、电流互感器 N1很小。很小。 短路运行的升压变压器。短路运行的升压变压器。 I1 I2 =N2 N1 = ki 国产互感器：国产互感器： I2N = 5 A 使用注意：使用注意： 二次绕组禁止开路。二次绕组禁止开路。 开路时：开路时：I2 = 0，I1 不
81、变不变 一次绕组工作电压较高时，一次绕组工作电压较高时， 二次绕组与铁心必须接地。二次绕组与铁心必须接地。 Ai2i12.10 仪用互感器仪用互感器1.二次侧不能短路，二次侧不能短路，二次侧不能短路，二次侧不能短路，2. 以防产生过流；以防产生过流；以防产生过流；以防产生过流；2. 2. 铁心、低压绕组的铁心、低压绕组的铁心、低压绕组的铁心、低压绕组的 一端接地，以防在一端接地，以防在一端接地，以防在一端接地，以防在 绝缘损坏时，在二绝缘损坏时，在二绝缘损坏时，在二绝缘损坏时，在二次侧出现高压。次侧出现高压。次侧出现高压。次侧出现高压。使用注意事项：使用注意事项：使用注意事项：使用注意事项：电
82、压表电压表被测电压被测电压=电压表读数电压表读数 N1/N22.2.2.2.电压互感器电压互感器电压互感器电压互感器 实现用低量程的电压表测量高电压实现用低量程的电压表测量高电压实现用低量程的电压表测量高电压实现用低量程的电压表测量高电压VR N1（匝数多匝数多）保险丝保险丝 N2（匝数少匝数少）u（被测电压）（被测电压）电流表电流表被测电流被测电流=电流表读数电流表读数 N2/N11.二次侧不能开路，二次侧不能开路，二次侧不能开路，二次侧不能开路， 2. 以防产生高电压；以防产生高电压；以防产生高电压；以防产生高电压；2. 2. 铁心、低压绕组的铁心、低压绕组的铁心、低压绕组的铁心、低压绕组
83、的 一端接地，以防在一端接地，以防在一端接地，以防在一端接地，以防在 绝缘损坏时，在二绝缘损坏时，在二绝缘损坏时，在二绝缘损坏时，在二次侧出现过压。次侧出现过压。次侧出现过压。次侧出现过压。使用注意事项：使用注意事项：使用注意事项：使用注意事项：3.3.3.3.电流互感器电流互感器电流互感器电流互感器实现用低量程的电流表测量大电流实现用低量程的电流表测量大电流实现用低量程的电流表测量大电流实现用低量程的电流表测量大电流（被测电流）被测电流）N N1 1（匝数少匝数少匝数少匝数少）N N2 2（匝数多匝数多匝数多匝数多）ARi1i23.1 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
84、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
85、、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
86、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。指长期
87、运行时所能承受的工作电压指铭牌规定的额定使用条件下所能输出的视在功率。指在额定容量下，允许长期通过的额定电流。在三相变压器中指的是线电流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
88、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。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.2133.2 单相变
89、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，
90、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。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。2163.2 单相变压器的空载运行3
91、.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
92、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、等效电路励磁电阻、励磁电抗、励磁阻抗。由于磁路具有饱和特性，所以 不是常数，随磁路饱和程度增大而减小。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
93、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
94、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
95、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)
96、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：其中分别为短路电阻、短路电抗和短路阻抗。 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1020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
97、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；WAVV*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
98、.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；WAV*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.
99、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
100、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。式中称为负载系数 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1.001.03
101、.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，记作UN 5%。大型电力变压器采用五个或多个分接头,例UN 2x2.5%或UN 8x1.5%。3.6 变压器的运行特性3.6.3 损耗、效率及效率特性 铁损耗与外加电压大小有关，而与负载大小基本无关，故也称
102、为不变损耗。一、变压器的损耗 铜损耗也分基本铜损耗和附加铜损耗。基本铜损耗是在电流在一、二次绕组直流电阻上的损耗；附加损耗包括因集肤效应引起的损耗以及漏磁场在结构部件中引起的涡流损耗等。变压器的损耗主要是铁损耗和铜损耗两种。 铁损耗包括基本铁损耗和附加铁损耗。基本铁损耗为磁滞损耗和涡流损耗。附加损耗包括由铁心叠片间绝缘损伤引起的局部涡流损耗、主磁通在结构部件中引起的涡流损耗等。 铜损耗大小与负载电流平方成正比，故也称为可变损耗。3.6 变压器的运行特性3.6.3 损耗、效率及效率特性 效率大小反映变压器运行的经济性能的好坏，是表征变压器运行性能的重要指标之一。二、效率及效率特性效率是指变压器的
103、输出功率与输入功率的比值。其中3.6 变压器的运行特性3.6.3 损耗、效率及效率特性二、效率及效率特性变压器效率的大小与负载的大小、功率因数及变压器本身参数有关。效率特性：在功率因数一定时，变压器的效率与负载电流之间的关系=f(),称为变压器的效率特性。3.6 变压器的运行特性3.6.3 损耗、效率及效率特性二、效率及效率特性 即当铜损耗等于铁损耗(可变损耗等于不变损耗)时,变压器效率最大：或为了提高变压器的运行效益，设计时应使变压器的铁损耗小些。3.7 三相变压器3.7.1 磁路系统一、组式磁路变压器二、心式磁路变压器特点是：三相磁路彼此无关联。特点是：三相磁路彼此有关联。3.7 三相变压
104、器3.7.2 电路系统一、变压器的端头标号绕组绕组名称名称单相变压器三相变压器中性点首端首端末端末端首端首端末端末端高压高压绕组绕组U1U2U1、V2、W1U2、V2、W2N低压低压绕组绕组u1u2u1、v1、w1u2、v2、w2n中压中压绕组绕组U1mU2mU1m、V1m、W1mU2m、V2m、W2mNm3.7 三相变压器3.7.2 电路系统二、单相变压器的极性*一、二次绕组的同极性端同标志时，一、二次绕组的电动势同相位。*一、二次绕组的同极性端异标志时，一、二次绕组的电动势反相位。3.7 三相变压器3.7.2 电路系统三、三相变压器的连接组别连接组别：反映三相变压器连接方式及一、二次线电动
105、势（或线电压）的相位关系。三相变压器的连接组别不仅与绕组的绕向和首末端标志有关，而且还与三相绕组的连接方式有关。理论和实践证明，无论采用怎样的连接方式，一、二次侧线电动势（可电压）的相位差总是300的整数倍。因此可以采用时钟表示法 作为时钟的分针，指向12点， 作为时钟的时针，其指向的数字就是三相变压器的组别号。组别号的数字乘以300，就是二次绕组的线电动势滞后于一次侧电动势的相位角。3.7 三相变压器3.7.2 电路系统三、三相变压器的连接组别连接组别可以用相量图来判断：若高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，可以得到Y,y4、Y,y8连接组别。1、Y，y连接同名端在对应端，对应的
106、相电动势同相位，线电动势 和 也同相位，连接组别为Y，y0。同理，若异名端在对应端，可得到Y，y6、Y,y10和Y,y2连接组别。3.7 三相变压器3.7.2 电路系统三、三相变压器的连接组别若高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，可以得到Y,d3、Y,d7连接组别。2、Y，d连接1 同名端在对应端，对应的相电动势同相位，线电动势 和 相差3300，连接组别为Y，d11。同理，若异名端在对应端，可得到Y，d5、Y,d9和Y,d1连接组别。3.7 三相变压器3.7.2 电路系统三、三相变压器的连接组别若高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，可以得到Y,d5、Y,d9连接组别。
107、2、Y，d连接2同名端在对应端，对应的相电动势同相位，线电动势 和 相差300，连接组别为Y，d1。同理，若异名端在对应端，可得到Y，d7、Y,d11和Y,d3连接组别。3.7 三相变压器3.7.2 电路系统三、三相变压器的连接组别 总之，对于Y，y（或D，d）连接，可以得到0、2、4、6、8、10等六个偶数组别；而Y，d（或D，y）连接，可以得到1、3、5、7、9、11等六个奇数组别。 变压器的连接组别很多，为了便于制造和并联运行，国家标准规定，Y，yn0、Y，d11、YN，d11、YN，y0和Y，y0连接组为三相双绕组电力变压器的标准连接组别。 其中前三种最为常用：Y,yn0 连接的二次绕
108、组可以引出中线，成为三相四线制，用作配电变压器时可兼供动力和照明负载。Y,d11连接用于低压侧电压超过400V的线路中。YN,d11连接主要用于高压输电线路中，使电力系统的高压侧可以接地。3.7 三相变压器3.7.3 磁路系统和绕组连接方式对电动势波形的影响 i0中有无i03 ，看电路连接中有无i03通路，Y连接中，无i03通路， i0为正弦波；YN或D连接， i03可以在绕组中流过， i0为尖顶波。 单相变压器，当磁路饱和时，u1为正弦波，和e1也是正弦波，而i0为尖顶波分解为基波i01和三次谐波i03（忽略其它高效次谐波）。 对三相变压器，由于绕组的连接方式不同，i0 中可能i03 ，使和
109、e1为非正弦波同样可分解为基波和三次谐波（忽略其它高效次谐波） 。 中有无3 ，看磁路结构，三相组式变压器， 3可以在铁心中流过， 为平顶波；三相心式变压器， 3不能在铁心中流过，只能借助油和油箱壁等形成回路，磁路磁阻很大， 3很小， 基本为正弦波。3.7 三相变压器3.7.3 磁路系统和绕组连接方式对电动势波形的影响一、Y，y连接的三相变压器一次侧Y接线，i03=0，i0为正弦波，磁通应为平顶波。（2）对三相心式变压器，3不能在铁心中流过，只能借助油和油箱壁等形成回路，磁路磁阻很大， 3很小， 基本为正弦波，感应电动势 e 也基本为正弦波 。但通过油箱壁时将产生涡流损耗，造成局部过热，降低变
110、压器的效率，因此，容量大于1800kVA时，不宜采用心式Y，y连接。（1）对三相组式变压器，3可以在铁心中存在，所以为平顶波，感应电动势e 为尖顶波，其中的三次谐波幅值可达基波幅值的45%60%，使相电动势的最大值升高很多，可能击穿绕组绝缘，因此，三相组式变压器不采用Y，y连接。3.7 三相变压器3.7.3 磁路系统和绕组连接方式对电动势波形的影响二、YN，y连接的三相变压器一次侧YN接线，i03可以流过，i0为尖顶波，磁通应为正弦波，感应电动势 e 也为正弦波 。一次绕组Y连接， i03=0， i0为正弦波，应为平顶波，其中的3在二次绕组中感应电动势e23，并在D内产生i23。 i23建立的
111、磁通23大大削弱3的作用，因此合成磁通和电动势均接近正弦波。三、D，y连接的三相变压器一次侧D接线，i03可以流过，i0为尖顶波，磁通应为正弦波，感应电动势 e 也为正弦波 。四、Y，d连接的三相变压器3.7 三相变压器3.7.3 磁路系统和绕组连接方式对电动势波形的影响五、Y，yn连接的三相变压器 二次侧 yn 接线，负载时可以为三次谐波提供通路，使相电动势波形得到改善。但是由于负载的影响，产生i23不能很大，所以相电动势波形不能得到很好改善，这种情况基本与Y，y连接一样，只适用于容量较小的三相心式变压器，而组式变压器仍然不采用。结论：（1）变压器一次侧是YN连接时，电动势波为正弦。（2）变
112、压器有一次侧是D连接时，电动势波为正弦。（3）无论相电动势是否为正弦波，但线电动势一定是正弦波。（4）若一定需要Y，y连接，则可以增加第三绕组，采用D接线。3.8 变压器的并联运行3.8.1 并联运行的理想条件并联运行的优点：1、提高供电的可靠性；2、提高供电的经济性。并联运行是指将几台变压器的一、二次绕组分别接在一、二次侧的公共母线上，共同向负载供电的运行方式。并联运行的理想情况是： 1、空载时各变压器绕组之间无环流； 2、负载后，各变压器的负载系数相等； 3、负载后，各变压器的负载电流与总的负载电流同相位。为了达到上述理想运行情况，并联运行的变压器需满足以下条件：1、各变压器一、二次侧的额
113、定电压分别相等，即变比相同； 2、各变压器的连接组别相同； 3、各变压器的短路阻抗（短路电压）的标么值相等，且短路阻抗角也相等。3.8 变压器的并联运行3.8.2 并联条件不满足时的运行分析一、变比不等时并联运行变比不等的两台变压器并联运行时，二次空载电压不等。折算到二次侧的等效电路如图所示。由等效电路可以列出方程式：则二次侧电流为：3.8 变压器的并联运行3.8.2 并联条件不满足时的运行分析一、变比不等时并联运行 为了保证空载时环流不超过额定电流的10%，通常规定并联运行的变压器的变比差不大于1%。 当变压器的变比不等时，在空载时，环流 就存在。变比差越大，环流越大。由于变压器的短路阻抗很
114、小，即使变比差很小，也会产生很大的环流。环流的存在，既占用了变压器的容量，又增加了变压器的损耗，这是很不利的。二、连接组别不同时并联运行 连接组别不同时，二次侧线电压之间至少相差300，则二次线电压差为线电压的51.8%，由于变压器的短路阻抗很小,这么大的电压差将产生几倍于额定电流的空载环流，会烧毁绕组，所连接 组别不同绝不允许并联。3.8 变压器的并联运行3.8.2 并联条件不满足时的运行分析三、短路阻抗标么值不等时并联运行由等效电路可知： 等效电路如图所示。 可见，各台变压器所分担的负载大小与其短路阻抗标么值成反比。 为了充分变压器的容量，理想的负载分配，应使各台变压器的负载系数相等，而且
115、短路阻抗标值相等。3.8 变压器的并联运行3.8.2 并联条件不满足时的运行分析 变压器运行规程规定：在任何一台变压器不过负荷的情况下，变比不同和短路阻抗标么值不等的变压器可以并联运行。又规定：阻抗标么值不等的变压器并联运行时，应适当提高短路阻抗标么值大的变压器的二次电压，以使并联运行的变压器的容量均能充分利用。 为了使各台变压器所承担的电流同相位，要求各变压器的短路阻抗角相等。一般来说，变压器容量相差越大，短路阻抗角相差也越大，因此要求并联运行的变压器的最大容量之比不超过3：1。电磁转矩和转矩特性电磁转矩和转矩特性electromagnetic torque and torque chara
116、cteristic功率平衡关系输入功率定子铜损定子铁损电磁功率转子铜损机械功率输出功率两个两个重要关系式重要关系式 可见，从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分，一小部分变为转子铜损耗，绝大部分转变为总机械功率。转差率越大，转子铜损耗就越多，电机效率越低。因此正常运行时电机的转差率均很小。转矩平衡关系 在式 的两边同时除以机械角速度 得：即即：或或电磁转矩电磁转矩三相异步电动机电磁转矩的三种表达方式1、物理表达式2、参数表达式3、实用表达式物理表达式表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通 与转子电流的有功分量 相互作用产生的。参数表达式：说明：电磁转矩与电源参数（、f）、结构参数（r、x、m、
117、p）和运行参数（s）有关。临界转差率临界转差率 sm 和最大电磁转矩和最大电磁转矩Tmax由两个表达式可见当其它参数一定时：1 1、最大电磁转矩与电源电压平方成正比；、最大电磁转矩与电源电压平方成正比； 临界转差率与电源电压无关临界转差率与电源电压无关。3 3、频率越高，最大电磁转矩和临界转差率越小；频率越高，最大电磁转矩和临界转差率越小； 漏抗越大，最大电磁转矩和临界转差率越小漏抗越大，最大电磁转矩和临界转差率越小；2 2、转子回路电阻越大，临界转差率越大；转子回路电阻越大，临界转差率越大； 最大电磁转矩与转子电阻无关最大电磁转矩与转子电阻无关。4、过载能力、过载能力起动转矩Tst和起动转矩
118、倍数Kst当其它参数一定时当其它参数一定时:1、起动转矩与电源电压平方成正比；2、频率越高，起动转矩越小； 漏抗越大，起动转矩越小；3、绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。4、起动转矩倍数实用表达式已知电机的额定功率、额定转速、过载能力忽略空载转矩，有将将Tm和和sm代入即可得到机械特性方程式代入即可得到机械特性方程式三相异步电动机的电力拖动Electric power driving of three phase asynchronous motor 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性Torque-speed characteristic of three pha
119、se asynchronous motor 三相异步电动机电磁转矩的三种表达方式一、物理表达式二、参数表达式三、实用表达式物理表达式表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通 与转子电流的有功分量 相互作用产生的。参数表达式：说明：电磁转矩与电源参数（、f）、结构参数（r、x、m、p）和运行参数（s）有关。临界转差率临界转差率 sm 和最大电磁转矩和最大电磁转矩Tm过载能力过载能力当其它参数一定时：1 1、最大电磁转矩与电源电压平方成正比；、最大电磁转矩与电源电压平方成正比； 临界转差率与电源电压无关临界转差率与电源电压无关。3 3、频率越高，最大电磁转矩和临界转差率越小；频率越高，最大电磁转矩
120、和临界转差率越小； 漏抗越大，最大电磁转矩和临界转差率越小漏抗越大，最大电磁转矩和临界转差率越小；2 2、转子回路电阻越大，临界转差率越大；转子回路电阻越大，临界转差率越大； 最大电磁转矩与转子电阻无关最大电磁转矩与转子电阻无关。由两个表达式可见起动转矩Tst和起动转矩倍数Kst结论结论：当其它参数一定时1、起动转矩与电源电压平方成正比；2、频率越高，起动转矩越小； 漏抗越大，起动转矩越小；3、绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。4、起动转矩倍数实用表达式已知电机的额定功率、额定转速、过载能力忽略空载转矩，有将将Tm和和sm代入即可得到机械特性方程式代入即可得到机械特性方程式三相
121、异步电动机的固有机械特性sn0nNsNnmsm10TNTstTmaxTemABCD三相异步电动机降压时的人为机械特性snsm10TLUN0TstTmaxTemn1A0.8UN0.64Tst0.64Tmax转子回路串电阻时的机械特性r2+Rs3Tst2sm2r2+Rs2Tst1sm1r2+Rs11 0TstTmTems n0n1smr2定子串接电抗器时的机械特性1 0TmTemsms n0n1Tmxstsm同步发电机电枢反应同步发电机电枢反应Armature reaction of synchronous generator电枢反应的概念电枢反应: 电枢磁通势的基波在气隙中使气隙磁通的大小及位置
122、均发生变化, 这种影响称为电枢反应.励磁磁势和电枢磁势的区别基波波形大小位置转速励磁磁势正弦波恒定，由励磁电流决定由转子位置决定由原动机的转速决定电枢反应磁势正弦波恒定，由电枢电流决定由电流瞬时值决定由电流的f和P决定准备工作 三个角 四个轴 内功率因数角内功率因数角=00 时轴+90+900 0FFad轴轴q轴轴 A轴轴A AX X Z ZB BCYFfNS 交轴电枢反应 内功率因数角内功率因数角=900时轴d轴q轴 A轴A AX XZ ZB BCYFfNS直轴去磁电枢反应直轴去磁电枢反应Fa内功率因数角内功率因数角=-900时轴d轴q轴 A轴A AX XZ ZB BCYFfNS直轴助磁电枢
123、反应直轴助磁电枢反应Fa内功率因数角内功率因数角00900 时轴d轴q轴 A轴A AX XZ ZB BCYFfNS既有交轴又有直轴去磁电枢反应+90+900 0Fa当角为不同值的电枢反应 位置位置夹角夹角记作记作电枢反电枢反应性质应性质对电机的影响对电机的影响=负载性质负载性质n(f)n(f)U U=0=00 0q q轴轴+90+900 0交轴交轴波形波形畸变畸变下降下降不变不变R R=90=900 0d d轴轴+90+900 0直、去直、去削弱削弱不变不变下降下降L L=-90=-900 0d d轴轴+90+900 0直、助直、助增强增强不变不变上升上升C C0 00 090900 0d d
124、、q q轴轴+90+900 0交、直去交、直去削弱削弱下降下降下降下降 R R、L L-90-900 000 cos 滞后滞后 发P Q感性3、欠励磁：0 cos 超前超前 发P Q容性三种励磁方式的比较V形曲线:并联于无穷大电网的同步发电机，保持有功功率并联于无穷大电网的同步发电机，保持有功功率不变时，表示电枢电流不变时，表示电枢电流 I 和励磁和励磁电流电流 If 的关系曲线的关系曲线 I = f（If）V V形曲线的几个特点形曲线的几个特点1、每条曲线的最低点：cos=1，连线向右倾斜2、不稳定区域边缘：=900，连线向右倾斜3、每条曲线上的电流变化量 I 为无功分量4、励磁电流增大时，电枢电流变化规律为先增大后减小
