《电机与拖动基础》课程辅导系统

1、电机与拖动基础课程辅导系统第一章 直流电机原理一、内容提要本章主要介绍直流电机的工作原理及其基本结构。直流电机的工作原理是建立在电磁感应定律和电磁力定律的基础上的。 在不同的外部条件下， 电机中能量转换的方向是可逆的。 如果从电机轴上输入机械功率，电枢绕组中感应电动势大于端电压，即 Ea U 时，电机运行于发电机状态，将机械能转化为电能，从电刷两端输出电能； 如果从电枢输入电功率， 电枢绕组中感应电动势小于外加端电压，即 Ea U 时，电机运行于电动机状态，将电能 转换为机械能，从轴上输出机械能。直流电机的结构可以分为定子、转子两大部分。定子部分包括：机座、主磁极（包括励磁绕组） 、换向极（包

2、括换相极绕组）和电刷装置。定子主要用来建立磁场。转子部分包括：电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和轴承等。转子主要通过电枢绕组传递电磁功率，是电动机的核心部件。常用的电枢绕组有单叠绕组和单波绕组。 单叠绕组是将上层边位于同一磁极下的元件先串联成一条支路， 不同磁极下的支路再并联， 故并联支路数等于磁极数； 单波绕组是将上层边位于同极性磁极下的元件串联成一条支路， 由于磁极只有 N、 S 两种，故并联支路数为 2。绕组元件中感应电动势和元件中流过的电流都是交变的， 但经过换向器和电刷的机械整流作用，使在电刷和电刷接通的外电路上，电动势、 电压和电流都变为直流。直流电机能量变换是依靠气隙磁场进行的。

3、 空载时， 直流电机的气隙磁场由励磁绕组的磁动势产生； 负载时， 气隙磁场由励磁绕组和电枢绕组的磁动势共同产生。电枢磁动势对气隙磁场的影响称为电枢反应。当电刷位于几何中性线时，只有交轴电枢反应。交轴电枢反应使气隙磁场发生畸变，对电动机来说， 其磁场的物理中性线逆转偏离几何中性线。 在磁路饱和时， 交轴电枢反应具有去磁效应，使每极磁通量减少。直流电机的能量变换可用电磁功率来表征，即 EaIaTem。对直流电动机，感应电动势是反电动势，其方向与电枢电流方向相反。而对于电动机而言， 电磁转矩是拖动转矩，与转速方向一致。换向是指绕组元件从一条支路经过电刷转入另一条支路时， 元件中电流方向改变的过程。按

4、换向的电磁理论分析， 直线换向不会产生火花， 延迟换向有可能出现火花，造成换向不良。为改善换向，直流电机一般都装设换向极，使换向元件在换向区感应电动势抵消元件的电抗电动势和电枢反应电动势， 力求实现直线换向。直流电动机的工作特性与励磁方式密切相关。 他、 并励直流电动机的电磁转矩基本上正比于电枢电流，当负载变化时，转速变化很小，特性较硬。串励直流电动机的电磁转矩近似与电枢电流的平方成比例， 因此串励电动机的起动力矩较大，负载变化时，转速变化较大，特性较软，在使用时注意不准空载或轻载工作, 以免转速过高。复励直流电动机的特性介于二者之间。、基本要求学习本章应主要掌握以下几个方面的内容：1、掌握在

5、磁场里运动导体产生感应电动势和载流导体受力这两个基本规律。 这两个规律是直流电机工作的理论基础。2、了解直流电机的主要结构和各部分的主要作用。要求知道直流电机的两 大组成部分：定子和转子。3、知道直流电机的铭牌中有哪些主要的额定数据及其含义以及在使用电机 时应当注意的事项。4、电枢绕组是直流电机的核心。(a)理解单叠绕组和单波绕组各节距的计算方法。(b)能够看懂绘制好的绕组展开图(c) 了解各绕组的主要特点：知道什么情况下用单叠绕组，什么情况下用单波绕5、了解什么叫电枢反应；电枢反应对电机的影响；如何抵消电枢反应的影I6、熟练掌握电枢电动势和电磁转矩的计算公式和性质。(1)在恒定磁场中转动的电

6、枢绕组产生感应电动势，电动势的大小可用下式计Neav2aCe n式中：Ce 型，当电机制造好后仅与电机结构有关，称为电动势常数；N是电60a枢导体总数。(2)在恒定的磁场内通电的电枢绕组产生电磁转矩，转矩的计算由下式给出：TemC T n式中：CT卫N仅与电机结构有关，成为转矩常数。2a(3)两个常数之间的关系为CT 9.55Ce。以上两个计算公式是直流电机中的最基本公式，贯穿直流电机及直流电机拖动分析的始终，应当牢记。7 、 了解直流电机的换向过程。什么叫直线换向？如何改善直流电机的换 向？8 、了解直流发电机的励磁方式。9 、掌握电磁功率的关系式 Pem TemEaI a ,这个公式说明了

7、直流电机中机电能量是可以彼此相互转换的。10 、掌握并励直流发电机电压建立的三个条件：电机主磁路有剩磁；并励绕 组极性连接正确；励磁绕组回路电阻小于临界电阻值。11 、掌握直流发电机的他外特性。12 、了解什么叫电机的可逆原理。13 、掌握如何判断一台电机是处于电动状态还是发电状态。14 、 掌握分析直流电机用的电动机惯例、发电机惯例，能根据惯例写出直流电机稳态运行的基本方程式。15 、掌握他励直流电动机运行时，电机内的功率关系16 、掌握他励直流电动机的机械特性。三、重点与难点分析（一）直流电机结构与基本工作原理直流电机由定子和转子两大部分组成。 定子主要作用是产生一定空间分布的磁场。定子由

8、主磁极、机座、换向磁极、电刷装置和端盖等部分组成。转子主要作用是产生电磁转矩和感应电动势， 直流电机中的能量转换均发生在转子中， 转子是直流电机的核心。转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器、电机转轴和轴承等部分组成。在磁场里，运动导体产生感应电动势eBxlv该式说明，电机要产生感应电动势必须具备三个条件：即要有磁场的存在； 金属导体 l 处于磁场中；导体l 与磁场间产生相对运动。在磁场中，载流导体受力：f BxlI该式说明，在磁场中的有电电流流过的导体将受到电磁的作用产生电磁力。为保证电机能够安全可靠稳定运行，根据国家标准和电机数据及实验数据，电机制造者规定了电机正常运行时的工作状态即电机的铭牌数

9、据， 该数据也称为额定数据，具体意义如下：额定功率PN ：也称为额定容量，指在额定条件下电机所能供给的功率。额定电压U N ：在额定运行条件下，电机出线端的平均电压。额定电流I N ：运行于额定电压、额定功率时对应的电枢电流值称为电机的额定电流。额定转速nN ：对应于额定电压、额定电流，几电机运行于额定功率时所对应的转速。额定励磁电流I fN ：指电机运行于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流。转子绕组也称为电枢， 是直流电机进行能量转换的核心部件。 直流电机的转子绕组是由一定形状的绕组元件按照一定的规律组成的闭合绕组， 其连接规律主要有单叠绕组和单波绕组两种。 单叠绕组并联支路

10、数多， 允许通过的总电枢电流大， 每个支路里的元件少，支路合成感应电动势较低，因此单叠绕组适合用于低电压、大电流的直流电机。对于单波绕组，支路对数永远等于 1，在支路电流与单叠绕组支路电流相同的情况下， 单波绕组能允许通过的总电枢电流就较小； 由 于每个支路里含的元件较多，合成感应电动势较高，所以单波绕组适用于较高电 压、较小电枢电流的直流电机。（二）直流电机的磁场与电枢反应为研究电枢反应对直流电机特性的影响，首先要研究直流电机的空载磁场。当忽略主磁路中铁磁性材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决 于气隙 的形状和大小。磁极中心及附近的气隙较小且均匀不变，磁通密度较大且基本为常数；靠近

11、两边极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；超出极尖以 外，气隙明显增大磁通密度显著减小，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密 度变为零。因此空载时的气隙磁通密度分布为一平顶波。气隙中由电枢电流产生的磁通密度分布为对称的马鞍形波。电枢反应是由于电枢磁场的存在， 电枢磁场对空载磁场的作用。电枢反应分 为电刷在几何中性线上时的电枢反应和电刷不在几何中性线上时的电枢反应两 种。当电刷在几何中性线上且负载时，由于电枢反应的影响，气隙磁场发生畸变， 对于直流发电机而言，每一磁极下，电枢要进入的主磁极磁场一端的磁场被削弱， 而另一端则被加强。磁场为零的位置由空载时的几何中性线顺转向移动一个 角。物理中性线与几

12、何中性线不再重合， 使磁场的分布曲线发生畸变。同时使每 极磁通比空载时的每极磁通略为减少，这种去磁作用完全由磁路的饱和引起，称 为附加的去磁作用。当电刷不在几何中性线时，电枢反应将分为交轴电枢反应和直轴电枢反应两 部分。交轴电枢反应的性质同电刷在几何中性线上时的性质。直轴电枢反应对于发电机而言，当电刷顺转向移动时Fad起去磁作用；当电刷逆转向移动时，Fad起增磁作用。而对直流电动机而言，当电刷顺转向移动时Fad起增磁作用；而当电刷逆向转动时，Fad起去磁作用。电枢反应的结果在磁场饱和的情况下， 将使磁场减弱，使电枢感应电动势降 低，同时电枢反应使磁场发生畸变， 使电机的换向困难，有时会产生换向

13、火花或 环火。因此应尽可能减少电枢反应的影响。不论是发电机还是电动机，在其运行时均在电枢绕组中产生感应电动势和电 磁转矩。感应电动势和电磁转矩是电机进行能量转换的重要因素。电机的感应电动势可用下式计算：Ea Ce n式中：Ce 幽是一个仅与电机结构有关的常数，称为电动势常数60a上式表明当电机制造好后，感应电动势与气隙磁通和电机转速三者间的关 系。对于发电机当转速不变时，可通过改变励磁电流改变发出电压的大小或当励 磁电流不变时通过改变电机转速改变发出电压的大小；对于电动机，当外加电枢电压不变时，通过改变励磁电流改变转速的大小或当励磁电流不变时通过改变外 加电压改变电机的转速。上式是发电机调整输

14、出电压和电动机调整输出转速的基 础。电磁转矩可用下式计算：Tem CT I a式中：CT 型是仅与电机结构有关的常数，称为转矩常数。 2 a从Ce与Ct的表达式可以看出：CT 9.55Ce或Ce 0.105CT从中可看出，制造好的直流电机具电磁转矩仅与电枢电流和气隙磁通之积成 正比。（三）换相问题直流电机电枢绕组中一个元件经过电刷从一个支路转换到另一个支路里时， 电流方向改变的过程称为换向。换向不良会产生电火花或环火，严重时将烧毁电刷导致电机不能正常运行， 甚至引起事故。直流电机的火花等级见表 2。改善电机换向的最有效方法是装上换向极。 换向极装在两个相邻的主磁极之 问的几何中性线上，同时为防

15、止环火出现有时在主磁极上还安装补偿绕组，从而抵消电枢反应的影响。此外选用适当的电刷，也有利于换向。在使用维修过程中， 欲更换电刷时，必须选用与原来同一型号的电刷， 如果实在配不到相同牌号的电 刷，应尽量选择特性与原来相接近的电刷，并全部更换。（四）直流机基本方程式直流发电机的方程式包括：电压平衡方程式、电磁转矩平衡方程式和功率平 衡方程式。在列写直流电机的基本方程式时，应按照发电机惯例确定各物理量问 的参考方向，然后根据各物理量间的相互关系写出关系式或方程式。表2直流电机火花等级表火花等级电刷下的火花程度换向器与电刷状态1无火花换向器上没有黑痕；电刷上没有灼 痕1 14电刷边缘仅有微弱的点状火

16、花，或有 非放电性的红色火花112电刷边缘大部分或全部有轻微火花换向器上有黑痕，不可擦除；电刷 上后轻微灼痕2电刷边缘大部分或全部有较强烈的 火花换向器上有黑痕但不扩大，用汽油 可擦除；电刷上有灼痕，如短时出 现该级别火化则换向器上不出现 灼痕，电刷不被烧焦或损坏3电刷整个边缘有强烈的火花，同时有 大火花6出黑痕相当严重，/、口擦除；电刷上 有灼痕，如在该级火花卜运行，换 向器将出现灼痕，电刷将被烧焦或 损坏根据直流发电机惯例及基尔霍夫电压定律可写出电压平衡方程式：Ea U 2 Ub R Ia式中：R Ia项为电枢电流在电枢回路串联的各绕组 （包括电枢绕组、换向极绕组和补偿绕组等）总电阻上的电

17、压降。2 Ub为正、负电刷与换向器表面的接触压降，实际应用中，把2 Ub的作用归人电枢回路总电阻中， 此时电枢回路总电阻表示为Ra ,上式可重写为Ea U Raia该式说明直流发电机的感应电动势一部分消耗在电枢绕组电阻（发电机内阻）上,另一部分向外输出给负载。作用在直流发电机轴上的转矩有三个：即发电机的拖动转矩T1、电磁转矩Tem和空载转矩T。电磁转矩、空载转矩与转速n的方向相反，是阻转矩。稳态运行时 拖动转矩和阻转矩相平衡，据此可写出稳态运行时的转矩平衡方程式为TiTemTo将上式的两端同乘以电枢轴上机械角速度，得出TiTemTo式中Ti为原动机输人给发电机的机械功率;TemPem,为电磁功

18、率;To P。为空载损耗。因此，上式又可写成:P该式即为发电机的功率平衡方程式。Pem P。式中p。为空载损耗，包括机械摩擦损耗pm和铁损耗因此空载损耗P。又可表小为Popm PFe从形式上看，PemTem是属于机械性质的功率，对PemTem的右边进行变换可得:nIaCe nI aEa 1 aP T C 12n pN 12n pNem em T a 6。2 a a 6。60该式说明：Rm一方面代表电动势为Ea的电源输出电流Ia时所发出的电功率, 方面又代表转子以转速n旋转时克服电磁转矩Tem所消耗的机械功率对电压方程式两边分别乘以电枢电流I a得：2 EaI a UI a Ra I a P2

19、pCua式中：P2是直流发电机输出给负载的电功率；Pcua是电枢回路绕组电阻及电刷与 换向器表面接触电阻上的电损耗，称为铜损耗。除上述各种损耗之外，还有杂散损耗 Pad （自励发电机还有励磁损耗，用Pf表示）。因此，发电机的功率平衡方程为：PlPemP0PadP2PcuaPmPFePadP2P式中：P为发电机的总损耗。直流发电机的功率平衡关系可用图 7表示。马4不c> 也J3#k A图7直流发电机功率陆程图直流电机在一定的条件下，可作为发电机运行，把机械能转变为电能供给直 流负载；而在另外的条件下又可把电能转换为机械能拖动机械负载， 这就是直流 电机的可逆原理。直流电机的运行状态取决于电

20、磁转矩与拖动转矩及电磁功率与机械功率之 问的关系。当电磁转矩大于机械转矩时，电磁功率转换为机械功率拖动机械负载， 电机作为电动机运行；当电磁转矩小于机械转矩时，机械功率转换为电磁功率供 给直流电负载，电机作为发电机运行。 当电机作为电动机运行时，电磁转矩为拖 动性转矩；当电机作为发电机运行时，电磁转矩为制动性转矩。根据电动机惯例，电动机的基本方程如下：U Ea RaIaTem T2 To式中：T2为负载转矩；To为空载转矩。把式电压方程式两边同时乘以I a可得功率平衡方程：P1 Pem PCua式中：P UI a ,为直流电源输人给电动机的电功率；Pem EaIa,为电磁功率；PCuaRaI2

21、,为电枢回路铜损耗把电磁转矩方程式两端同时乘以机械角速度可得：Pem P2 P0式中：P2 丁2 ,为电机输出的机械功率；P0 TO ,为空载损耗。综合上述各式可得：P1PempCuaP2pCuapmpFepadP2p式中：Pad为附加损耗。直流电动机的功率平衡关系可用图 8表示。马rL?Nc p -%图s直流电动机功率流程图第二章电力拖动系统的动力学基础一、内容提要本章主要电力拖动系统的基本基本概念；典型生产机械的运动形式及转矩； 电路拖动系统运动方程式；多轴电力拖动系统转矩及飞轮矩的折算， 负载的机械 特性等内容。二、基本要求1 . 了解电力拖动系统的组成。2 . 了解典型生产机械的运动形

22、式。3 .掌握电力拖动系统的运动方程式。4 .掌握多轴旋转系统的折算。5 .掌握平移运动系统的折算。6 .掌握升降运动系统的折算。三、重点与难点分析（一）电力拖动系统的运动方程式1 .电力拖动系统的基本运动方程式2 d GD dn I I z J dt 375 dt上式是针对单轴系统列出的，式中T为电动机驱动性质电磁转矩，Tz为轴上制动性质总负载转矩（包括生产机械负载转矩 T2和电动机本身的空载转矩T。）。(1)转矩单位用NI - m转速用r/min,飞轮矩GD2用NI - m2;(2)以电动状态转速n方向为正方向，则当T方向与n正方向一致时T取 正，Tz方向与n正方向相反时Tz取正。(3)运

23、动状态的判别：当T Tz时dn 0,系统稳定；当T Tz时空 0, dtdt系统加速；当T TZ时dn 0,系统减速。dt2 .多轴系统的运动方程式对于多轴或具有直线运动部件的系统， 可用上述的单轴系统等效代替，只需 将实际系统的负载转矩Tz ,各轴的飞轮矩及平移部件质量 m折算到等效单轴系统。(1)负载转矩的折算：电动状态时：Tz三发电制动状态时：Tz豆式中：j -jlj2L jn为总传动比，等于各轴速比的乘积，1 2L n为电动nz为发电制动时传动机GD22 nnz状态时传动机构总效率，等于各级传动部件效率的乘积 构总效率。(2)飞轮矩的折算： 22ci ci GDiGD2 .GD GDd

24、22 Lnnn1n2(3)平移质量m的折算：GDZ365G2Z式中直线运动部件质量G用N,直线运动线速度vz用m/s(二)生产机械的负载转矩特性 n f TZ1 .恒转矩负载特性当转速变化时，负载转矩的大小保持不变，称为包转矩负载。(1)反抗性恒转矩负载：Tz的大小与n无关，但是Tz的方向始终与n相反。（2）位能性恒转矩负载：Tz的大小及方向均与n无关，而且Tz方向始终指向使位能部件的势能减小的方向。2 .恒功率负载特性1负载转矩与转速成反比，即TZ - 0则负载功率Pz Tz 常数,故称为恒功 n率负载。3 .通风机负载特性负载转矩与转速平方成正比，即 Tz n2,对应风机、泵类负载，故称为

25、通风机负载。第三章直流电动机的电力拖动一、内容提要本章主要他励直流电动机的机械特性； 他励直流电动机的起动和反转；他励 直流电动机的调速；他励直流电动机的制动；电力拖动系统的过渡过程等内容。二、基本要求1 .掌握他励直流电动机的固有机械特性和人为机械特性。2 .掌握他励直流电动机的主要起动方法。3 .掌握他励直流电动机的主要调速方法。4 .了解他励直流电动机的制动原理和制动方法。5 .掌握他励直流电动机在四象限中的运行状态。三、重点与难点分析（一）他励（并励）直流电动机的机械特性2.URaCeCeCM固有特性RT ,理想空载转速n。UCeLT n T2 般形式n。n Ce nCeCMnnNnT

26、n 很是一条通过理想空载转速 n。的硬特性，额定负载时的转速降小。固有特性可用理想空载点 n no,T 0和额定工作点nN,TN两点来确定3 .人为机械特性(1)电枢回路用电阻人为特性：n 土与T no TCe n CeCM N也是一条下降的直线，其n。跟固有特性相同；斜率 n,特性变软，且R越大时特性越软。(2)改变端电压人为特性：n 口Jt nonTCe n CeCM n一般用降压特性，当U降低时，no n°,且U越低是理想空载转速越低；但N 与固有特性一样，故降压人为特性与固有特性平行。(3)减弱磁通人为特性：n乜丛Ra 2T noTCe CeCM当 n弱磁时，no n

27、6;理想空载转速比固有特性高，且n特性比固有特性软。4 .电力拖动系统的稳定运行条件(1)必要条件是：电动机的机械特性与生产机械负载转矩特性必须相交，只有交点处T Tz系统才处于平衡状态。(2)充分条件是：在交点处必须满足 三 dZ ,所以具有上翘机械特性的 dn dn拖动系统运行是不稳定的。(二)他励直流电动机的起动1 .起动方法(1)直接起动起动时n o,Ea 。，起动初瞬的电枢电流Ia UN 1o 2。In ,太大的起 Ra动电流使换向恶化，甚至产生环火；很大的电磁力将损坏绕组；大的起动电流使直流电网电压波动而影响电网上其它电气设备的正常工作；过大的转矩冲击传动机构损坏。为此，除小容量电

28、机之外，直流电动机不允许直接起动。(2)限制起动电流的方法首先应满励磁，据T Cm Ia ,当采取措施限制起动电流Ia (1.5 2.o)In时,为保证有足够大的起动转矩，起动时应保证 If IfN使 N。据起动电流Ia U可知，减小起动电流的途径有降低端电压 U或电Ra R枢回路用电阻R2.电枢回路分级起动电阻的计算 起动时各级电枢回路总电阻为：RiRaR22RaMm 1 -R 2 R 1RaRm 1RaRmmRaR m Rmi L各级起动电阻为:R 1 (1)Ra2R 1m2R1Rmm 1R 1RmRm1式中起动电流比“ T1 , m为起动分级数，I1或T1为最大起动电流或起I2 T2动转

29、矩，I2或T2为切换电流或切换转矩。一般可取I1 (1.5 2.0)In或Ta(1.5 2.0)TN,而 I2 (1.1 1.2)In 或 I2 (1.1 1.2)Iz ,式中 Iz 为负载(稳定)电流。(三)他励直流电动机的制动1 .制动运行一般保持N大小与方向不变，使电磁转矩与转向相反，其特点是从轴上吸收机械能(动能或位能)转换成电能而消耗在电机内部或反馈电网。他励直流电动机的制动状态的分析方法，可以仍采用电动状态时的正方向， 将所采用的制动方法的参数特点代入电动状态的基本方程式或机械特性求解即 可，负值的解答表示其物理意义或方向与电动状态时相反。2,能耗制动(1)方法：保持If大小方向不

30、变，将电枢回路从电网脱离经制动电阻 Rz闭合。(2)参数特点：U 0,N,电枢回路总电阻RRaRz。因而有:CeCMNzT0 Ea Ia(Ra R)RaRz(3)能耗制动的机械特性是一条通过原点安全无害第二和第四象限的直线，对应两种制动状态：能耗制动停机过程，对应第二象限。设制动初瞬转速为 nA,则制动初瞬最大电流ii Ce NnA ,可根据ii允许值来选取Rz。当n时T ,制动效果变差， Ra Rz然而，当n 0时T 0,对反抗性负载言，能耗制动可到可靠停机，不会反向起 动。位能性负载稳速下放，对应第四象限。稳定下放转速 nz Ra-zlz,式Ce N中Iz为稳定运行时电枢电流。计算结果 /

31、为负值，表示重物下放，与提CM N升状态(电动状态)时转向相反。3。反接制动(1)电压反向的反接制动用于快速停机方法：保持If大小方向不变，令电枢经制动电阻 Rz而反接于电网。参数特点:N，UUn,电枢回路总电阻R RaRz,因而有:机械特性是Un E u n Ce N条穿过第二、Ia(Ra Rz)Ra Rz一Tn0CeCM NRaRz TCeCMN三、四象限的直线，其理想空载转速为n。 n。,对应三处运行状态：第二象限为反接制动停机过程。反接初瞬最大电枢电流为Ii源,Un Ce NnA。当n o时，t 0,所以制动效果好，但停机时若不切断电Ra Rz系统有可能反向起动。第三象限为反向电动状态

32、。对于反抗性负载若打通关节接制动至n 0时不切断电源，系统会反向起动，而稳定运行于第三象限，其n 0且T 0, n与T方 向一致，故仍为电动状态。第四象限为回馈制动状态。对于位能性负载，反接后最终稳定运行于第四象 限，以|n| 1noi的高速将重物稳速下放，由下可知，这时|n| 1noi属于回馈制动。(2)电动势反向的反接制动用于位能负载稳定低速下放RZ。参数特点:方法：保持If及端电压不变，仅在电枢回路用入足够大的制动电阻,U Un,电枢回路总电阻R Ra Rz,且Rz足够大机械特性：与电枢回路用电阻人为特性相同。只是其 R R2很大,使CeCM N其人为特性与负载特性相交于第四象限，稳定下

33、放转速为：n no Ra-Tz no R上。可见可要Rz选择得当，可使|n| 0以极低转 CeCM nCe n速下放。(3)反接制动时的运行特点制动运行时实际转向与其理想空载转速方向相反 ；制动过程中一方面从电网吸收电功率，另方面又从轴上输入机械功率，两者都转换成电功率而消耗在电枢回路电阻 Ra Rz上。4。回馈制动(1)电压反向的回馈制动方法：保持If大小方向不变，将电枢反接，从而使位能性负载以较高的转 速稳速下放。参数特点与机械特性与电压反向反接制动相同，只是对应第四象限部分,为此，回馈制动使重物稳速下放的转速为：nzUnRaRzICeNCeN可见|nz| |n0| ,为使下放转速不至于太

34、高，通常取 Rz 0。(2)电压不反向的回馈制动 电动下坡时，若电机参数都不变，则最后稳定运行于机械特性向第二象限 延伸段。 突然降低端电压的初瞬，电机工作于降压人为特性向第二象限的延伸段，在转速降至no之前的降速过程属回馈制动。(3)回馈制动的运行特点 回馈制动时，电机实际转向与其理想空载转速方向一致，且 n n。因而Ea U且Ea与I a方向一致。 电机将轴上输入的机械功率(即系统所储的动能或位能)转换成电能而送 回电网。(四)他励直流电动机的调速1。调速方法据n U 1a(Ra R)可知,改变u、R、及(即If)可以方便地调节转速。Ce(1)电枢回路用电阻调速对于同一个负载，R越大则n越

35、低。这种方法简单，但只能应用于调速性 能要求不高的场合。因为： 机械特性变软，负载变化时转速波动大，所以静态稳定性差，调速范围不大； 轻载时调速效果不明显； 有级调速，调速平滑性差； 调速时R上损耗大，效率低。(2)降压调速降低电枢端电压时，转速也是向低于 nN方向调节，且U越低时n也越低。降低调速虽然需增加一套可调压电源，但它由于具备以下优点，所以被广泛应用 于对调速、起动与制动要求较高的场合。 人为特性与固有特性平行，硬度不变， 所以不仅满载或轻载时都有明显的调速效果，而且负载变化时转速波动小，静态稳定性好，调速范围大 ； 转速调节平滑，可实现无级调速；调速时能量损失小，效率高。(3)弱磁

36、调速减小I f以减弱磁通 时，转速向高于nN方向调节，且If越小n越高。但 是nmax受机械强度与换向的限制，一般只能 nmax (1.22)nN,调速范围不大；由于弱磁调节也可做到高效无级调速，所以一般是与降压调速配合使用以扩大调速 范围。2。调速指标评价调速方法主要技术经济指标有：(1)调速范围：在Tn条件下，调速系统能达到的最高转速与最低转速之比，nmax0nnN0 nomin(2)静差度：Tn时的转速降nN与其理想空载转速之比，即越大，转速波动越大，为了使系统保持运行运行的相对稳定性，必须小于给定的允许值。所以 与D是相互联系又相互制约的两个调速指标。(3)调速平滑性好。(4)调速时的

37、电动机的容许输出。在整个调速范围内，如果使其电流始终等于 In ,则电机既能充分利用又能安全运行，此时电动机的输出功率与转矩分别称为调速时容许输出功率P与允许输出转矩T。对于降压调速与电枢回路用电阻调速，调速，调速过程中 T为常数，帮称为恒转矩调速方式，此时P n ;1对于弱磁调速，调速过程中P为常数，故称为恒功率调速方式，此时T - o n(5)经济性，包括调速装置初投资、调速时能耗及运行维护费用等。3。调速方式与负载性质的配合(1)恒转矩负载采用包转矩调速方式时，只要电动机的TN Tz,则在整个调速范围内都做到T Tz Tn Ti ,电机既能安全又充分利用，是最理想的配合。此时 nN nm

38、ax , PN Pzmax 0(2)恒转矩负载采用恒功率调速方式时，应使 nmax对应的最小Ti与Tz相等，即有：nN nmin , Pn PZmax G DTz,可见除n hmax之外的所有n hmax都 9550是T T|,电机不能充分利用。(五)他励直流电动机的过渡过程1。当电力拖动系统的负载、参数或运行方式等发生变化时，由于系统具有 惯性(机械惯性、电磁惯性与热惯性等)，使之从一个稳定运行状态变为另一个 稳定运行状态时，系统各物理量的改变不可能瞬时完成， 必须经一个连续变化的 过程，称为过渡过程。在此过程中，各物理量随时间的变化规律称为拖动系统的 动态特性。通常机械惯性比电磁惯性大得多

39、， 而热惯性又比机械惯性大得多。因此，在 研究过渡过程中，可以不考虑热惯性的影响，认为过程中温度不变，因而电阻也不变；同时，还可以不考虑电磁惯性的影响，认为当机械过渡过程开始时(即转 速刚开始变化时)电磁过渡过程已经结束。这种只考虑机械惯性的过渡过程称为 电力拖动系统的机械过渡过程。研究机械过渡过程的主要工具是电力拖动系统的基本运动方程式。2。他励直流电动机械过渡过程的一般解电枢电流变化规律：1a Iz (IQ Iz)et/TM Iz(1 et/TM) IQet/TM电磁转矩变化规律：T Tz (TQ Tz)et/TM转速变化规律:n nz (nQ nz)e Mnz(1et/TM)rQe t/

40、TM加速度变化规律:dn nz nQ -M- edtTM过渡过程时间：tx Tm ln IQTm In nQIx Iznx nz2以上各式中，Tm GD （Ra R2）为电力拖动系统机电时间常数；Iz 工和 375CeCM 2CmU "Rz R）为电动机械特性与负载转矩特性的交点所对应的电枢电流 Ce和转速（常为稳态值）；Iq、Tq、nQ为过渡过程起始初瞬的电流、转矩、转速的起始值；tx为从过渡过程开始t 0至所考虑的某终了点所需时间，Ix与之为电流 与转速的终了值。3。他励直流电动机各种方法的起动、制动、调速、负载变化或反转等的机 械过渡过程均可以利用以上各通式求解其动态特性，只是

41、式中的Tm值、终了值、稳定值应根据实际情况而定。第四章变压器一、内容提要本章主要介绍变压器的基本工作原理和结构；单相变压器的空载运行和负载 运行；变压器参数的测定方法；标么值的表示方法；变压器的运行特性；三相变 压器的磁路系统、电路系统及电动势波形问题；其他用途的变压器等内容。二、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

42、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 .熟练掌握变压器联接组别的判定方法。9 . 了解自耦变压器和仪用互感器的工作原理和特点。三、重点与难点分析（一）变压器的基本工作原理和结构1 .基本工作原理由电磁感应原理可知，一次绕组（原绕组）、二次绕组（副绕组）交链于同一磁通，在相同的磁通变化率 d下，e N ,因此，只需改变一次、二次绕组 dt的匝数，就能达到改变电动势（电压）的目的。匝数多的一侧电动势就高，匝数 少的一侧电动势就低。“原高副低”（一次绕组匝数多，二次绕组匝数少）为降压 变压器，“原低副高”（一次绕组匝数少，二次绕组匝数多）为升压

43、变压器。从物理意义上理解：单位匝数上的感应电动势相等，因此，匝数多电动势高，匝 数少电动势就低。2 .型号与额定值要求掌握变压器型号中各字母和数字所表示的含义。变压器的额定容量用视在功率 Sn表示，单位为kV Ao变压器二次额定电压U2N定义为：变压器一次加额定电压时，二次空载时的端电压（并非是二次加额定负载时的电压）。对三相变压器而言，额定电压和额定电流指的是线电压和 线电流。（二）单相变压器的空载运行1 .空载运行时的电磁关系变压器空载运行时，一次侧（原边）加额定电压，二次侧（副边）开路。在.U1民作用下，一次绕组中将产生I 0入，I0建立磁动势F0, F0作用磁路上将产 生磁通，根据路径

44、不同，分主磁通和漏磁通。要求掌握主、漏磁通在性质、大小 和作用上的不同点。主磁通感应的电动势：.Ei j4.44fN1 m.E2j4.44fN2 m由上式可知，（1）感应电动势E与f、N、 m成正比；（2）磁通为正弦波形时，电动势也为正弦波形（3）在相位上电动势滞后于磁通90。漏磁通感应的电动势可用漏电抗压降来表示。即.Ei jX 1 I oS式中：X 2 fN2-,Xio, Xi很小且为常数。2 .空载电流和空载损耗（1）空载电流.空载电流的作用与组成Io Ioa I or,其中Ioa （有功分量）供给.铁心损耗；I or （无功分量）建立主磁通。空载电流的大小及性质Io% (210)% ,

45、大型电力变压器I。 1%由m 用l可知，I 0的大小主要与磁路的饱和程度 Bm( m)、一次绕组匝数 1/ FeSN1、铁心材质Fe和磁路的几何尺寸有关系。因为10rLa,故I。 Ior,空载电流基本为一无功性质电流。空载电流波形 对于单相变压器而言，由于磁路饱和，当中。为正弦波形 时，I。就为尖顶波。(2)空载损耗变压器损耗包括铜损耗Pcu和铁损耗PFe空载时铜损耗为RlI<2,由于I。和R均很小，则有P。 PFe，即空载损耗可近似等于铁损耗。3 .空载时的电动势方程、等效电路和相量图(1)电动势平衡方程.UiEi (Ri jXi)I。.U 2 E2.由于漏阻抗压降(Ri jXi)I。

46、很小，可忽略，则有：Ui Ei 4.44 fN i mUi m 4.44 fNi由上式可知，变压器主磁通的大小与NiUi fi有关。其中Ni为结构因素，Ui和fi 为电源因素。它的大小与铁心材质和几何尺寸基本无关。 那么变压器为什么还要 米用铁心呢？由磁路欧姆定律(0 IoNi/Rm，而Rm 1 / S)可知，当电源电压和匝数Ni 一定，则主磁通 0也一定，I0 Rm,即主磁路磁阻的大小(铁心的材质和几何尺寸)影响变压器空载电流的大小，所以采用铁磁材料，磁阻小，所需空载电流小。(2)空载时的等效电路和相量图 .主磁通0在一次绕组中感应的主电动势E可以用一个阻抗压降的形式来表示，即： .Ei Z

47、mI0 (Rm jXm)I0式中Rm是对应于铁心损耗的等效电阻； Xm是对应于主磁通的电抗。变压器空载时的相量图反应了空载时各电磁量之间的相位关系。（三）单相变压器的负载运行1 负载运行时的电磁关系在学习单相变压器的负载运行时， 首先应弄清楚负载时的电磁关系。 即在铁.心中有主磁通0通过，分别在一次、二次绕组中感应电动势E1和E2。主磁通0.将由合成磁动势（Fl F2）产生。F1和F2还分别产生只交链于各自绕组的漏磁通.1 和 2 并分别在一次、二次绕组中感应电动势.E1和E2此外，电流I1和I2。还在一次、二次绕组中分别产生电阻压降Ri I1和.R2 I 2 。2负载运行时的基本方程式负载运

48、行时的电动势平衡方程式为.U 1E1 （R1jX 1） I1 E1 Z1 I1.U2 E2 （R2jX2）I2 E2 Z2 I2.由于ZiIi很小，所以有UiEi4.44fNi m,则当Ui、f和Ni不变时，m不变，空载和负载时均外加额定电压，故空载和负载时的主磁通m 也相等。又因为空载和负载时的铁心磁阻不变， 所以空载和负载时建立主磁通所需的励磁磁动势基本相等，即.Fi F2F0.或NiIi N2I2 NiI0.由教材中式（3.3.2 ）可知，变压器负载运行时，一次电流Ii包含两个分量，.一个是励磁分量I。，用来建立负载时的主磁通。,另一个是负载分量.I iL I 2/K ，用以抵消二次磁动

49、势的作用。由于负载时， I0 Ii ，可忽略 I0 ，则有 Ii /I2 N2/ Ni ，即一、二次电流的大小近似与绕组匝数成反比。说明变压器不仅能变电压，而且能变电流。3 变压器的等效电路和相量图由于变压器的电磁关系比较复杂， 一次、 二次绕组电路间存在磁的耦合关系，因此有必要找到一个既能正确反映变压器内部电磁过程， 又便于工程计算的等效电路来。要想得到这样一种三单相变压器的等效电路， 首先需对变压器进行折算。折算的实质是把一台变比k不等于1 （N2 M）的变压器看成是变比k等于1的变压器。折算的原则是不改变变压器的电磁效应。 即折算时保持折算侧的磁动势不 变；保持折算侧的各功率损耗不变；保

50、证变压器的主、漏磁场不改变，保证 功率传递不变。折算的方法（低压侧折算到高压侧）是：电压、电动势乘以 k,电流除以k, 电阻和电抗乘以k20变压器的等效电路有“ T”形等效电路、近似等效电路和简化等效电路。“T”形等效电路为精确等效电路。近似等效电路是将励磁支路从“T”形电路的中部移到电源侧而得到的。和“ T ”形等效电路相比，相当于在负载回路.忽略了漏阻抗压降Z1 10 ,在励磁回路忽略了乙Il压降。简化等效电路是将励磁支路开路，即忽略励磁电流I。情况下的等效电路。负载时的相量图能较清晰地反映了负载时各电磁量之间的相位关系，要求会画出变压器带各种性质负载时的相量图和简化相量图。方程式、等效电

51、路和相量图分析方法是分析变压器乃至各种交流电机的重要 方法，通常称为“三要素”分析方法，要求熟练掌握。（四）变压器参数的测定变压器等效电路是一个无源二端口网络，其参数可用空载和短路试验求取。在本节中，应重点掌握空载和短路试验的目的、试验方法、试验接线以及各 种参数的计算方法。空载和短路试验可以在任何一侧进行， 但通常空载试验在低压侧进行，而短 路试验在高压侧进行。（五）标么值标么值实质上是一种用“相对值”表示参数大小的方法士一/古实际值（任意单位）林么值 在变压器及其他电机中，基准值常取额定值，故许多额定值的标么值均为1.用标么值计算时，下列各值相等：ZS US,RS USa,XS USr_

52、* * * * , * *S I ,P Ia,Q I*U线U相，1线1相，P三相嘘相,等等用标么值表示后，折算后求标么值和未折算“就地”求标么值数值相等，故 用标么值表示参数时，可省去折算。（六）变压器的运行特性变压器的运行特性主要有外特性和效率特性， 表征运行性能的主要指标有电 压变化率和效率。1 .外特性和电压变化率变压器的外特性是指电源电压和负载功率因数不变时，二次端电压随负载电流变化的规律，即U2 fO曲线。为了表示U2随电流I2变化而变化的程度，引人电压变化率的概念。电压变化率的定义式为：'U U2N U2 100% U1N U2- 100%U2NUin电压变化率的计算式为：

53、*U（Rs cos 2 X s sin 2） 100%U求出后，可通过公式U2（1 U）U2N来求变压器的二次电压U2O影响二次端电压U2 （或U）的因素是：负载的大小（）及性质（2）短路 阻抗Rs路电抗Xs参数2 .变压器的损耗、效率和效率特性变压器的损耗主要包括铁损耗和铜损耗。铁损耗与一次侧外加电源电压的 大小有关，而与负载大小基本无关，故称铁损耗为“不变损耗”。铜损耗与负载电流的平方成正比，故称铜损耗为“可变损耗”。变压器的效率可按下式计算：(1P0SN cos 2P。)100%影响效率的因素：负载的大小（）及性质（2）；变压器本身参数（SN、铁损P0 （取PFe P0）和铜损耗2PsN

54、）o当P°2PSN,即铜损耗等于铁损耗时或m，匡时,变压器效率最高。,PSN（七）三相变压器本节只讲授三相变压器的磁路系统、电路系统以及电动势的波形等几个特殊 问题。1 .三相变压器的磁路系统三相变压器的磁路系统可分为组式磁路和心式磁路。组式磁路由三台单相变 压器组成，三相磁路彼此独立。而心式磁路的特点是三相碰路彼此相关， 即任何 一相的主磁通都要通过其他两相磁路作为自己的闭合磁路。2 .三相变压器的电路系统三相变压器的电路系统主要是研究变压器两侧电动势（或电压）问的相位关系。单相变压器一次、二次绕组间的相位关系要么同相位要么反相位，它取决于绕组的绕向和首末端标记。即同极性端子同样标号，电动势同相位。三相变压器的联结组反映三相变压器两侧对应线电动势 （线电压）