电机学教案详解_secret

1、绪论电机在国民经济中的作用 电能是现代主要的能源，而电机是与电能的生产、传输和使用紧密相关的能量转换装置，它不仅是工业、农业、交通运输业、国防工业、IT技术产业的重要设备，而且在日常生活中的应用也越来越广泛。人类早期使用的原动力是畜力、水力和风力，后来发明了蒸汽机、柴油机、汽油机，十九世纪发明了电动机，由于电动机有以下优点电机的效率高，运行经济；电能的传输和分配比较方便；电能容易控制。所以电动机的应用越来越广泛，现在绝大部分生产机械都采用电动机进行拖动，即用电动机作为原动机。让电机运转需要电能，电能主要来自发电机，为了经济的传输和分配电能需要变压器，另外随着自动化程度的不断提高，自动控制技术得

2、到空前的发展，出现了各种各样的控制奠基，此外在文教、医疗卫生、信息产业及日常生活中奠基的应用将会愈加广泛。电机的主要类型 电机的型式和种类很多，但其工作原理都是基于电磁感应定律和电磁力定律，电机的分类方法很多，按功能进行分类，可分为：（1）发电机 将电能转换为机械能（2）电动机 将机械能转换为电能（3）变压器 将电能变换为不同等级的电能（4）控制电机 作为控制系统中的元件三、我国电机工业发展概况 解放前电机工业极端落后，仅几个城市有电机制造厂。解放后 电机工业发展很快第一个五年计划结束时，年产量和单机容量都较解放前提高了几十倍。改革开放以来我国电机工业在引进、吸收和消化国外先进技术的基础上对原

3、有电机进行了优化设计，使电机性能大大提高，并相继研制和开发了多种新系列电机，不仅满足了国内生产需要，而且向国外出口。目前我国已开发制成125个系列，900多个品种，几千种规格的各种电机。 电机工业发展趋势是电子与电机工业结合，开展新原理、新结构、新材料电机的研制工作。第一章：磁路主要内容：磁路基本定理，铁磁材料的特性及交。直流磁路。1-1磁路的基本定理本节介绍磁路的基本定律及磁路计算。磁路的概念在工程上为了得到较强的磁场，广泛的利用了铁磁物质，在电机，变压器等设备中应用铁磁物质制成一定的形状人为的构成磁路的路径，使磁路主要在这部分空间内分布，这种磁路所通过的路径称为磁路。下面分别为变压器和直流

4、电机的磁路。 这样就把分布在整个空间的磁路问题，简化为局限在一定范围内的磁路问题，即转化为磁路问题。 如同电流流过的路径称为电路一样。磁通通过的路径为磁路。 由于铁心的导磁性质比空气好的多，所以绝大部分磁通在铁心中通过，这部分磁通称为主磁通。经过空气隙闭和的磁路为漏磁通。 用以产生磁路中磁通的载流线圈称为励磁线圈，其电流称为励磁电流（或激磁电流） 二、磁路的基本定律下面分别介绍在进行磁路分析和计算时常用的几条定理1、安培环路定理（或称全电流定理）在磁路中沿任一闭合路径L，磁场强度H的线积分等于该闭和回路所包围的总电流即： (1-1)电流的参数方向与闭合路径方向符合右手螺旋关系取正号，反之为负.

5、若沿长度L。磁路强度H处处相等，且闭和回路所包围的总电流是由通过I的N匝线圈提供，则上式可写成：HL=Ni （1-2）2、磁路的欧姆定律若铁心上绕有通有电流I的N匝线圈，铁心的截面积为A，磁路的平均长度为L，材料的导磁率为，不计漏磁通，且各截面上的磁通密度为平均并垂直于各截面则： (1-3) （1-4） （1-5） 上式称为磁路的欧姆定律，与电路欧姆定律形式上相似。注：Rm与电阻R对应，两者的计算公式相似，但铁磁材料的磁导率不是常数，所以Rm不是常数。3、磁路的基尔霍夫第一定律对于有分支磁路，任意取一闭合面A，由磁通连续性的原则，穿过闭合面的磁通的代数和应为零，即： (1-6)该定律称为基尔霍

6、夫第一定律4、磁路的基尔霍夫第二定律沿任何闭和磁路的总磁动势恒等于各段磁压降的代数和，即：该定律称为基尔霍夫第二定律电机和变压器的磁路总是由数段不同截面，不同材料的铁心组成，而且还可能含有气隙，在进行磁路计算时总是将磁路分成若干段，每段为同一材料。且截面积和磁密处处相等，见教材P7图1-5所示，磁路由三段组成，两段为截面积不同的铁磁材料，一段为空气隙，铁心上的励磁磁动势NI则： (1-7)三、磁路和电路的类比和区别：磁路和电路的类比关系：磁路电路物理量磁动势 磁通量 磁阻 磁导 磁导率 电动势E=IR电流I电阻R电导G电导率基本定律欧姆定律基尔霍夫第一定律基尔霍夫第二定律 欧姆定律I=基尔霍夫

7、第一定律基尔霍夫第二定律电路与磁路的区别：电路中有电流就有功率损耗。磁路中恒定磁通下没有功率损耗；电流全部在导体中流动，而在磁路中没有绝对的磁绝缘体，除在铁心的磁通外，空气中也有漏磁通；电阻为常数，磁阻为变量；对于线性电路可应用叠加原理，而当磁路饱和时为非线形不能应用叠加原理。总上所述磁路与电路仅是数学形式上的类似，而本质是不同的。1-2常用铁磁材料及其特性为了在一定的励磁磁动势作用下能激励较强的磁场（因为:B=H）从而使电机及变压器等装置的尺寸缩小，重量减轻，性能改善，必须增加磁路的磁导率,由于铁磁物质具有高磁导性能，工程上往往利用它来使尽可能多的磁通约束在有限的范围内。所以电机和变压器的铁

8、心用导磁率较高的铁磁材料组成。本节介绍铁磁材料特性。铁磁物质的磁化铁磁物质的磁化1、铁磁物质物质按磁性分：顺磁物质、反磁物质和铁磁物质有几种物质，如铁、钴、镍以及它们的合金，以及锰和铬的某些合金，即使在较小的外磁场的作用下，其磁化也特别显著。这类物质称为铁磁物质，它们的磁导率都很大，超过几千。而抗磁物质的磁导率为负值，顺磁物质的磁导率大约在10-310-6之间。金属 铁、钴、镍， B高，居里温度高，缺点电阻率低，涡流耗严重。铁磁物质非金属 铁氧体 电阻率高，涡流损耗小，抗锈防腐 缺点，B低，温度稳定性差 2、铁磁物质的磁化 将铁磁材料放入磁场后，磁场会显著增强，铁磁材料在磁场中呈现很强的磁性这

9、一现象，称为铁磁物质的磁化。原因：铁磁物质中有许多称为磁畴的天然磁化区，当未投入磁场时，磁畴杂乱无章的排列，磁效应相互抵消对外不显磁性。当放入磁场后，磁畴按外磁场方向排列起来，形成一附加磁场叠加在外磁场上。二、磁化曲线 铁磁材料的磁状态一般由磁化曲线B-H曲线表示：起始磁化曲线起始磁化曲线可由实验得出。将一块未磁化的铁磁材料制成闭合铁心，其上绕有绕组，调节R使电流从零开始逐渐增大，则铁心中穿过横截面的磁通密度将随之增大，测得对应于不同的H值下的B值。可逐点描绘出B-H曲线。2、磁滞回线若对铁磁材料进行周期性的磁化，则B-H曲线如下图：可见铁磁材料在交变的磁场内被磁化的过程中，磁化曲线是一条具有

10、单方向性的闭合曲线，称为磁滞回线。从磁滞回线上看，B的变化总是滞后于H的变化，这种现象称为磁滞现象。磁性材料按矫顽力Hc的大小可分为软磁材料和硬磁材料。3、基本磁化曲线 对同一铁磁材料，选不同的Hm进行反复磁化，可得大小不同的磁滞回路，将各磁滞回路顶点连接起来。可得到基本磁化曲线。三、铁心损耗1、磁滞损耗当铁磁材料置于交变磁场中时，被反复交变磁化，致使磁畴之间不停的摩擦，消耗能量，造成损耗，这种损耗称为磁滞损耗。由交流电源与磁场之间的往返能量交换，进一步加以说明。在固定铁心上装有一个线圈，设电源电压为U，电流为I，线圈匝数为N，电阻为R，则在dt时间内电源输入装置的总能量为Uidt消耗于电阻上

11、的电能为Ri2dt铁心线圈从交流电源吸收的瞬时功率为： （1-8）从t1到t2时间内输入磁路系统的能量： (1-9)若铁心长度为L,截面积为A，则: (1-10)磁场储能密度为： (1-11)对线性磁路=常数 (1-12)当铁心线圈内电流变化一个周期时，磁路时而从电路吸取能量，时而又向电网送还能量。由于有铁心损耗，吸收的能量大于送还的能量，其差值转化为铁心中的热量，可用磁滞回线的面积表示。当铁心线圈内电流变化一个周期时，铁心的磁滞回线如图1-12（a）所示根据 用（b）图面积1241表示，是去磁过程， H0 dB 0 为正，此时为正向磁化过程，从电源输入能量， 用（C）图面积2342表示，是去

12、磁过程， H0 dB 0 为负，说明能量从磁路系统释放返回电源。同理下本个周期内 用面积3563表示， H0 dB 0 为正，此时为反向磁化过程，从电源输入能量， 用面积5615表示，是反向去磁过程， H0 为负，说明能量从磁路系统释放返回电源。所以一个周期内磁场吸收的净能量用磁滞回线35123面积表示，这部分能量消耗在铁磁材料内，由于磁滞损耗是消耗于铁心中的平均功率： （1-13）这部分能量最终以热能的形式消散掉，由于这部分能量是由磁滞现象引起的。因而叫做磁滞损耗。如无磁滞现象，即回环面积为零，则该损耗也为零。由上述公式可见 所以： （1-14）对电工钢片 n=1.62.3 Ch：磁滞损耗系

13、数所以，磁滞回路面积越小，磁滞损耗越小，电机和变压器铁心常用硅钢片制成，因硅钢片的磁滞回线小，属于软磁材料。涡流损耗因铁心是导电的，当穿过铁心的磁通随时间变化时，铁心中产生感应电势，从而产生电流，这些环流在铁心内绕磁通做旋状流动成为涡流，涡流在铁心中引起损耗称为涡流损耗。由于涡流的存在，对铁心磁通回路产生影响。回路将由静态变为动态形式右图虚线所示：在回路上升部分，铁心中涡流阻止磁场的增加，为保持一定的磁通，激磁电流增加，以抵消涡流作用，所以磁滞回路上升部分向右扩展，同理下降部分向左扩展涡流损耗正比于频率，磁通密度，反比于电阻率及路径长度 （1-15）铁心损耗： （1-16）可近似为： （1-1

14、7）：钢片厚度 CFe：铁心损耗系数 G：铁心重量1-3直流磁路本节介绍直流磁路的分析和计算直流磁路的计算 磁路计算分为两种类型：1、给定磁通，计算所需的励磁磁动势（正向问题）2、给定励磁磁动势，计算磁路内的磁通量（逆向问题）正向问题计算步骤如下：将磁路按材料性质和不同截面分成数段。计算各段的有效面积和平均长度根据各段中的。计算各段4由对铁磁材料查磁化曲线，对空气隙：5计算出各段的磁压降 ，注：电机的计算通常为第一类逆向问题的计算步骤如下：预定计算相应的磁动势如和已知的F不相等，可按比例重新设定由计算如=F则为待求磁通量，否则继续试探以逐步接近准确值。直流电机的空载磁路1、直流电机的空载磁路直

15、流电机的磁路在电机磁路中具有典型性。理解其分析和计算的方法。对电机的分析、设计是十分重要的。直流电机的空载磁场指励磁绕组中通过励磁电流时建立的磁场。如图为四极直流电机的空载磁场分布磁通分为：主磁通和漏磁通主磁通：从主极过气隙到转子，因气隙小，磁导大。所以磁通很大。漏磁通：仅铰链励磁绕组本身，由空气闭和，不进入电枢铁心。因气隙大。磁导小。所以其值很小。2、空载磁路计算按直流磁路计算的第一类问题进行计算。根据材料的截面积的不同，再由各段磁路和的计算各段。最后可得到计算产生时整个闭和磁路所需的磁动势F。 （1-18）计算表明：气隙和电枢齿这两部分磁压降之和占整个空载磁动势的85%以上。 直流电机的磁

16、化曲线分别计算不同的磁通时所需的励磁磁动势。可得到直流电机的磁化曲线磁化曲线体现了电机磁路的非线性。三、永磁磁路的计算特点含有永磁的磁系统称为永磁磁路。永磁材料也称为硬磁材料，它和软磁材料一样具有磁滞现象，所不同的是它的磁滞回线宽。对上图所示的永磁材料进行充磁磁化，随着激磁电流增加，用磁材料沿O BS曲线此话，直到饱和磁感应强度BS，充磁后去掉励磁电流，磁感应强度沿去磁曲线降到Br由于磁路中无外加的励磁磁动势。由安培环路定律： 根据磁通连续性定理 所以 上式中：均为常数，所以方程BM与HM的关系是一直县称为工作现Og，用磁材料的工作点必须满足 和去磁曲线B=f(H)，即在两曲线的交点a上。1-

17、4交流磁路前述的是在励磁线圈中通以直流电。所以为直流磁路，在直流磁路中各个参数都不随时间变化，在交流磁路中，因励磁电流为交流，所以磁通及磁势均随时间交变而交变，但就瞬时值仍与直流磁路一样，遵循磁路基本定律。交流磁路的特点交流磁通引起铁心损耗磁通量随时间交变，在激磁线圈中感应电势。磁饱和现象会导致电流。磁通和电动势波形的畸变。第二章：变压器主要内容：变压器的工作原理，运行特性，基本方程式等效电路相量土，变压器的并联运行及三相变压器的特有问题。2-1变压器的工作原理本节以普通双绕组变压器为例介绍变压器的工作原理，基本结构和额定值。基本结构变压器的主要部件是铁心和绕组，它们构成了变压器的器身。除此之

18、外，还有放置器身的盛有变压器油的油箱、绝缘套管、分接开关、安全气道等部件。主要介绍铁心和绕组的结构。1、铁心变压器的铁心既是磁路，也是套装绕组的骨架。铁心分：心柱：心柱上套装有绕组。铁轭：形成闭合磁路 为了减少铁心损耗，通常采用含硅量较高，厚度为0.33mm表面涂有绝缘漆的硅钢片叠装而成。铁心结构的基本形式分心式和壳式两种心式：铁轭靠着绕组的顶面和底面。而不包围绕组侧面，见图2-2特结构较为简单，绕组的装配及绝缘也较为容易，所以国产变压器大多采用心式结构。（电力变压器常采用的结构）壳式：铁轭不仅包围顶面和底面，也包围绕组的侧面。见图2-3，这种结构机械强度较好，但制造工艺复杂，用材料较多。铁心

19、的叠装分为对接和叠接两种对接：将心柱和铁轭分别叠装和夹紧，然后再把它们拼在一起。工艺简单。迭接：把心柱和铁轭一层一层的交错重叠，工艺复杂。由于叠接式铁心使叠片接缝错开，减小接缝处的气隙，从而减小了励磁电流，同时这种结构夹紧装置简单经济可靠性高，多采用叠接式。缺点：工艺上费时 2、绕组绕组是变压器的电路部分，用纸包或纱包的绝缘扁线或圆线绕成。接入电能的一端称为原绕组（或一次绕组）输出电能的一端称为付绕组（或二次绕组）一、二次绕组中电压高的一端称高电压绕组，低的一端称低电压绕组高压绕组匝数多，导线细；低压绕组匝数少，导线粗。因为不计铁心的损耗，根据能量的守恒原理（s原付绕组的视在功率）电压高的一端

20、电流小所以导线细从高低压绕组的相对位置来看，变压器绕组可以分为同心式和交叠式两类同心式：高低压绕组同心的套在铁心柱上。为便于绝缘，一般低压绕组在里面高压绕组在外面。交叠式：高低压绕组互相交叠放置，为便于绝缘，上下两组为抵压三、变压器的额定值额定值是正确使用变压器的依据，在额定状态下运行，可保证变压器长期安全有效的工作。额定容量：指变压器的视在功率。对三相变压器指三相容量之和。单位 伏安（VA）千伏安（KVA）额定电压：指线值，单位伏（V）千伏（kV），指电源加到原绕 组上 的电压，是副方开路即空载运行时副绕组的端电压。额定电流：由和计算出来的电流，即为额定电流对单相变压器： 对三相变压器：4、

21、额定频率fN：我国规定标准工业用电频率为50赫（HZ）有些国家采用60赫。此外，额定工作状态下变压器的效率、温升等数据均属于额定值。22变压器的空载运行本节介绍变压器的空载运行的电磁过程，并推出空载运行的等效电路方程式相量图，空载运行时电动势和电压比变压器一次绕组接电源，二次绕组开路，负载电流I2为零，这种情况即为变压器的空载运行。 上图为空载运行示意图，和为一、二次绕组的匝数分别绕在两个铁心柱上。变压器参数方向的规定： （1）与i之同向，即符合右手螺旋关系（2）U与i同向（一次侧为电动机惯例，二次侧为发电机惯例）（3）e和I方向一致。由若不计漏磁通，按上图所规定个量的正方向，由基尔霍夫第二定

22、律可列出一。二次绕组的 电压平衡方程式式中R1为一次绕组的电阻，u20为二次侧空载电压即开路电压，一般i10R1很小，忽略不计则：由此可见要使一、二次测具有不同的电压，只要一、二次测具有不同的匝数即可，这就是变压器的原理。二主磁通和激磁电流通过铁心并与一二绕组交链的磁通用表示由:得空载时 则也是正弦波 ：主磁通的幅值滞后，同理可证明滞后产生主磁通所需的电流叫激磁电流，用 表示，空载时i10全部用以产生主磁通即： 三、主磁通和激磁阻抗交流电路的电磁关系是电流激励磁场，而感应电势是磁场的响应。这种激励与响应之间的关系常用一种参数表征，这个参数即为感抗 :主磁通得磁导用相量表示为 而用相量表示为：

23、（E1滞后900）将带入上式得：)=式中: 铁心线圈磁化电感 铁心线圈磁化电抗另外，考虑铁心损耗，激磁电流由和组成 与同相，于是，铁心线圈等效电路如下（a）所示 Rm：激磁电阻，表征铁心损耗的一个等效参数 Xm：激磁电抗，表征铁心磁化性能的一个等效参数 Zm：激磁阻抗，表征铁心损耗和磁化性能的一个等效参数注：以上三值随饱和饱和度变化而变化，都不是常数，但当外加电压变化不大时，铁心内的磁通变化不大，饱和度不大，可认为Zm为常值四、漏磁通和漏磁电抗在实际变压器中，除交链一、二次绕组的主磁通外，还有一部分仅与一个绕组交链通过空气闭合的漏磁通 同理: 一次漏电抗 二次漏电抗一、二次漏电抗均为常数漏电抗

24、是表征漏磁效应的一个参数，漏磁路可以认为是线性的，所以和为常数注：空载运行时, 所以, 综合上述分析的空载运行时变压器一、二次侧的电压方程式如下：（引入了和后，就将磁场问题简化成电路形式，将磁通感应电势用一电抗表征，主磁通经铁心引起铁耗，故引入阻抗，漏磁通引入）2-3变压器的负载运行本节介绍变压器负载运行的物理过程。一次侧接交流电源，二次侧接负载，二次侧中便有负载电流流过，这种情况称为负载运行一、磁动势平衡和能量传递当接入也将作用于主磁路上。F2的出现，使趋于改变相应得为常数, 因此要达到新的平衡条件是：一次侧绕组中电流增加一个分量，与二次侧绕组中由产生的磁势由i2产生的磁势相抵消。以维持不变

25、，即： 这一关系式称为磁势平衡关系，当负载电流增加时，原绕阻的电流也随之增加，从而使变压器的功率从原方传递到负方： 2-4变压器的基本方程式、等值电路和相量图本节为该章重点内容，采用绕组归算的方法推出变压器的基本方程式、等效电路和相量图。一、基本方程式 1、磁动势方程式 负载后作用于主磁路上的磁势有两个和(励磁磁势,维持不变，与空载时相同)负载时，作用于铁心上的磁动势是一、二次绕组的合成磁动势，且为空载时的磁动势，即激磁磁动势。上式表明负载后，一次侧电流由两部分组成，一部分维持主磁通的Im。另一部分用来抵消二次侧的负载分量， 能量由一次侧传到二次侧。 电压方程式由主磁通在一、二次绕组中分别感应

26、电势E1和E2, 漏磁通在一、二次绕组中感应漏电势，此外，一、二次侧绕组还分别有电阻压降, 根据吉尔霍夫定律及负载运行示意图中各量正方向的规定，可列写一、二次侧电压方程如下：式中： 一、二次侧绕组漏磁抗一、二次侧绕组漏电阻 一、二次侧绕组漏电抗归纳起来变压器的基本方程式为：按磁路性质不同，分为主磁通和漏磁通两部分。并分别用不同的电路参数表征，漏感磁通感应电势用和表征。主磁通感应电势用表征，和为常数，不为常数。 二、变压器的T型等效电路和相量图变压器的基本方程式综合了变压器内部的电磁过程，利用这组方程可以分析计算变压器的运行情况。但解联立方程相当复杂，且由于K很大，是原付方电压电流相差很大，计算

27、精确度很差，所以一般不直接计算，常常采用归纳计算的方法，其目的是为了简化等量计算和得出变压器一、二次侧有电的联系的等效电路。1、绕组的归算归算是把二次侧绕组匝数变换成一次测绕组的匝数,而不改变一,二次侧绕组的电磁关系。（1）电流的归算:根据归算前后磁势不变得原则, 归算后的量斜上方打“”。（2）电势和电压的归算及阻抗的归算根据电势与匝数成正比得关系即 找到了原、付方电路的等电位点,可将两个电路合并将式 两端同乘变比K得可见: 注:归算前后二次侧的功率和损耗均保持不变归算后得基本方程式为:3、T型等效电路 图(a)为归算过的变压器负载运行示意图可得图(b)所示等效电路.因它的6个参数分布在T上,

28、所以称T型等效电路为了进一步理解等效电路.进一步说明形成得物理过程.(a).表示一台实际变压器得示意图(b)将一.二次绕组得电阻和漏抗移到绕线外各自回路中,一.二次侧绕组.组成为无电阻,无漏磁得完全耦合得绕组.(c)将二次侧进行规算(d)将铁心磁路得激磁磁路抽出(e)余下得铁心和绕组变成无电阻,无漏抗,无铁耗,无需激磁电流得1:1得理想变压器(f)E1=E2,电流均为I2把理想变压器抽出对电路毫无影响,即得T理想变压器得两端进行了绕组地规算,就将一,二次测用一个等效电路联系起来,求解变压器地问题变成了一个电路问题,使计算大为简化.如已知参数由U1可算出I1,I2及Tm注:利用归算到一次侧的等效

29、电路算出的一次侧各量均为变压器地实际量,算出的二次侧的各量均为规算值，要求实际值. 上述是将二次规算到一次侧,同理也可以将一次侧规算到二次侧.得到规算到二次侧地T型等效电路. 3、相量图根据基本方程式可画出相应地相量图,通过相量图我们可以较直观地看出变压器各量的大小和相位关系,下图为感性负载时的相量图三.近似和简化等效电路“T”型等效电路虽然能正确得反映变压器内部得电磁关系,但它是一种复联电路要进行复数运算比较繁琐。 ,可忽略,不计将激磁之路前移,就得到变压器的近似等效电路,由于,在工程可忽略不计,将激磁之路去掉,变为简化等效电路,从简化等效电路中看出,当时,可将一二次侧参数合并起来,此时为短

30、路阻抗.-短路电阻-短路电抗 -短路阻抗以上通称短路参数,可由短路实验求得。使用简化等效电路计算实际问题十分简便,在大多数情况下其精度以能满足工程要求。2-5变压器等效电路参数的测定本节通过变压器空载和短路实验测取变压器的励磁参数和短路参数。变压器中的参数,对变压器的运行性能有直接影响,知道了变压器的参数,就可绘出等效电路,然后绘出等效电路,然后可以运用等效电路分析计算, 可通过空载试验来确定. 可以通过试验确定,这两个试验是变压器的主要试验项目.一、空载实验 注:用大写字母表示高压端,小字母表示低压端.空载试验可在任一边作.但考虑到空载试验所加电压较高,其电流较小,为试验的安全和仪器仪表选择

31、方便,一般在低压侧作.如下图所示:测定方法:在低压方加U1.高压侧开路.都取Im,Po,U2o由空载试验等效电路可知: 可近似认为Zo=Zm 注:1、此时测得的值为归算到低压侧的值,如需归算到高压侧时参数应乘 2、Zm与饱和程度有关, 电压越高, 磁路越饱和，Zm越小, 所以应以额定电压下测读的数据计算励磁参数.二、短路试验, 因短路试验电流大, 电压低, 一般在高压侧作，从等效电路可见. =0,外加电压仅用来克服变压器本身的漏阻抗压降,所以当Uk很低时,电流即到达额定,该电压为(5-10%)Un.,且电压很低,所以很小,Zm大.绝大部分电流流经,可忽略激磁支路不计。此时由电源输入的功率Pk完

32、全消耗在一、二次绕组铜耗上，即: 可按 注意：1. ,读取Pk,Uk计算短路参数.2、由于绕组的电阻随温度而高.而短路试验一般在室温下进行,所以计算的电阻必须换算到额定工作时的数据,按国际规定换算到的数据. 上式中：室温 T0：对铜线234.5， 对铝线228短路试验时使电流达到额定值时所加电压称为阻抗电压或短路电压阻抗电压用额定电压百分比表示时有:阻抗电压百分比是铭牌数据之一, 是变压器的主要参数，阻抗电压的大小反映变压器在额定负载下运行时,漏阻抗压降的大小。6三相变压器变换三相交流电等级的变压器为三相变压器。目前电力系统均采用三相变压器，因而三相变压器的应用极为广泛, 在三相变压器对称运行

33、时, 各项电流、电压大小相等，相位差120度，因此对于运行原理的分析计算可采用三相中任一相进行研究, 于是前面导出的基本方程式、相量图、等效电路、参数测定等可直接运用于三相的任一相, 求出一相的量，其他两相根据对称关系直接写出。本节仅对三相变压器的特有问题进行研究。一、三相变压器的磁路系统三相变压器按结构特点分为两种：三相变压器组三相心式变压器三相变压器组是由三台单相变压器组成的，每组的主磁通各自沿自己的磁路闭合，所以三相变压器的磁路彼此独立。三相心式变压器的磁路彼此相关，这种铁心结构是由三相变压器组演变而来的，将三个单相变压器合并成上图所示，则中间铁心柱流过的磁通为，所以三相主磁通对称，三相

34、电流在任意时刻相加为零。所以，中间心柱可以省去，即得图（c）所示三相变压器。这种磁路系统中每相主磁通都要借助另外两相的磁路闭合，故属于彼此相关的磁路系统。这种变压器三相磁路长度不等，中间B相短，当三相电压对称时，三相空载电流便不等，B相最小，但由于空载电流很小，它的不对称对负载运行的影响很小，可以略去不计。两种结构的比较：三相变压器组备用容量小，搬运方便。三相心式变压器节省材料，效率高，安装占地面积小，价格便宜。所以多采用三相变压器。二、三相变压器绕组的连接电路系统1、联结方法： 在三相变压器中用大写字母A、B、C表示高压端首端，X、Y、Z表示尾端，小写字母a、b、c表示低压端首端，x、y、z

35、表示尾端，连接可采用星型（Y连接）用Y（或y）表示，角型（连接）用D(或d)表示。在国产电力变压器常采用Y,yn;Y,d;和YN,d三种连接。N(或n)表示有中点引出。如：2、联结组：根据变压器原、付方对应的线电压之间的相位关系，把变压器绕组的连接分成不同的组合称为绕组的联结组。实践与理论证明，变压器高、低压方相对应的线电压的相位差总是30度的倍数。因此采用“时钟表示法”来表示这种相位差是很简明的。“时钟表示法”：把高压边线电压作为长针始终指向“12”。而低压边相对应的线电压作为短时，短针指向的数字称为三相变压器连接组的组号。 同名端的说明：无论单相变压器的高、低压绕组还是三相变压器同一相的高

36、、低压绕组都是绕在同一铁心柱上的。它们是被同一主磁通所交链，高、低压绕组的感应电势的相位关系只能有两种可能，一种同相，一种反相(差180度)。三、三相变压器联结法和磁路系统对电势波形的影响在第一章中已叙述,考虑铁心磁路的饱和, 不会同时为正弦,一个为正弦,另一个就为非正弦,如为正弦,I为尖顶波,电流中除基波分量外,还有3次谐波分量.可见其大小相等,相位相同,三次谐波电流是否在变压器中流通,将直接影响主磁通和相电动势的波形。而三相变压器绕组的联结法及磁路系统都决定三次谐波电流在变压器中的存在与否,下面进行分析。1、Y，y联结组我们知道三次谐波电流构成零序对称组,不能存在于无中线的星形连接的三相电

37、路中,所以当正弦电压施加于Y连接的变压器时,Im接近正弦波,主磁通为平顶波,其中三次谐波磁通的大小及对电势波形的影响还要看磁路系统的结构.（1）三相变压器组组成磁路系统的特点是互相独立,彼此无关,所以三次谐波磁通和基波一样可以存在于各相磁路中,在一,二次侧绕阻中每相感应电势为: 加之三次谐波频率 ,所以感应的三次谐波电势相当大，可达基波的50%，结果使相电势波形严重畸形，幅值很高，可使绕阻绝缘击穿，所以三相变压器组不允许采用Y，y联结。（2）三相心式变压器心式磁路特点是互相联系，彼此相关，而三次谐波磁通，也是零序对称组，由于磁路构成三相行星形磁路，三个同相，同大小的磁通不能沿铁心磁路闭和，这和

38、三次谐波电流不能在Y接三相电路中流通相似，但他们可以经油箱壁等形成闭路，由于这些磁路的磁阻很大，使三次谐波磁通大为削弱，所以相电势中也接近正弦波。但三相谐波磁通沿油箱闭和，引起附加涡流损耗，降低变压器效率，因此，对心式变压器Y，y接仅在容量为1600千伏安以下的中，小容量的变压器中采用。2、Y，d或D，y联结组（1）D，y联结组D，y联结组的三相变压器，因一次侧为接，三次谐波电流可在接的电路中流通，所以主磁通为正弦波，由它感应的一二次侧相电势e都接近正弦波。（2）Y，d联结组Y，d联结组的三相变压器，因一次侧电流无三次谐波分量，所以主磁通和一，二次侧相电动势出现电动势出现三次谐波分量。滞后,由

39、于三相的方向一到,故在接的二次闭路中产生,因电阻远于电抗,所以滞后近90度, 产生几乎完全抵消了的作用,所以合成磁通及电势接近正弦波。只要变压器有一侧采用“角形”接，就能保证主磁通及电势波形为正弦波。在大容量变压器中，当一、二侧都是“Y”联结时，可另加一个接成“角形”的小容量第三侧。供改善电势波形之用。综上所述：三相变压器的相电势波形与绕组接法和磁路系统有密切的关系。只要变压器有一侧是角接。就能保证主磁通及电势波形为正弦波。2-7标幺值在工程计算中个物理量除了采用实际值来表示和计算外，有时也用标幺值来表示和计算。本节介绍标幺值的概念和计算方法。 标幺值就是某一物理量的实际值与选定对应物理量的基

40、值之比。标幺值=实际值/基值 标幺值用符号“*”表示，它没有量纲用标幺值表示时，应先选定基值，对电路计算而言，四个基本的物理量V，I，S，Z中，其中两个基值任选，另外两个按电路理论计算。若选取Ub，Ib两个基值，则：Sb=UbIb，Zb=Ub/Ib在变压器和电机中通常选额定电压和额定电流作为基值。此时额定电压，额定电流和额定视在功率的标幺值均为1，这样较用实际值表示时更能说明问题，例某一变压器供给负载100安的电流，我们很难判定100安是大还是小，是轻载还是过载，但如果我们说供给负载电流的标幺值为1.1，则我们能立刻判断出该变压器供给了10%的超额负载，应尽快降低它的负载。应用标幺值的优点：不

41、论变压器或电机的容量大小，用标幺值表示，各参数和典型性能的数据都在一定的范围内，便于比较。用标幺值时，不必再进行归算。（归算到高压侧或低压侧的参数相等）简化计算。另外 即短路阻抗标幺值等于阻抗电压的标幺值。 例2-3对于例2-2的单相20000KV变压器.试求出激磁阻抗和漏阻抗的标幺值.解:从例2-2可知,一次和二次绕组的额定电压分别为127KV和11KV,额定电流为157.5A和1818.2A.由此可得:激磁阻抗的标幺值用规算到低压侧的激磁阻抗计算时： . 用归算到高压侧的激磁阻抗计算时：. . . 由于归算到高压侧的激磁阻抗是规算到低压侧的激磁阻抗的倍,而高压侧的阻抗基值是低压侧的阻抗基值

42、的倍,所以从高压侧或低压侧算出的激磁阻抗标幺值恰好相等;故用标幺值时,可不必再进行归算.这点可从本例题中清楚的看出.漏阻抗的标幺值. 注：因为漏阻抗的实际值是采用归算倒高压侧的参数，所以就用高压侧的阻抗值作为基值计算标幺值。由于短路试验是在额定电流()下进行的.亦可以把试验数据直接化为标幺值来计算 ,即 然后把 化成 时的值.即得 . 可见用表幺值可简化计算。例2-4 一台三相变压器, Y,d联接,当外施额定电压时,变压器的空载损耗 空载电流为额定电流的5%。当短路电流为额定值时,短路损耗 （换算到75） ,短路电压为额定电流的5.5%，试求归算到高压侧的激磁阻抗和漏阻抗的实际值和标幺值.解:

43、1）激磁阻抗和漏阻抗的标幺值 2）算到高压侧时激磁阻抗和漏阻抗的实际值高压侧的额定电流， 阻抗基值为 于是规算到高压侧时个阻抗的实际值为2-8变压器的运行特征表征变压器运行性能的主要指标有两个，一是付边端电压变化即外特性，二是效率。即在电源电压和负载的功率因数不变的前提下： 本节介绍这两个特性。一、电压调整率和外特性变压器一次侧接额定电压，二次侧开路时，二次侧的空载电压U20=U2N，负载后，负载电流在变压器内部产生阻抗压降，使二次侧端电压发生变化，其变化大小用电压调整率表示规定为,当 一定时外特性：用标幺值表示其变化的规律规律由下图所示 当纯电阻负载时和电压性负载时，外特性是下降的，而容性负

44、载时可能上翘。对此曲线可由以下公式推导证明。说明：1、从电压调整率看，小些，端电压随负载变化波动小； 2、当额定负载时，功率因数为指定时（通常为0.8滞后）的电压调整率为额定电压调整率。是变压器的主要性能指标之一。通常左右，所以电力变压器的高压绕组均为有+5%的抽头，以便进行电压调整。二、效率变压器运行时将产生损耗，变压器的损耗分两大类铜耗 1、基本铜耗2、杂散铜耗铁耗 1、基本铁耗2、杂散铁耗基本铜耗：一、二次绕组内电流所引起时的直流电阻损耗。杂散铜耗：主要是由漏磁通所引起的肌肤效应，使绕组的有效电阻增大而增加的铜耗。以及漏磁场在结构部件中引起的涡流损耗等。铜耗与负载电流的平方成正比。因此也

45、称为可变损耗。铜耗与绕组的温度有关，一般都用77度时的电阻值来计算。基本铁耗：变压器铁心中的磁滞与涡流损耗。杂散铁耗：主要是铁心接连处由于磁通密度分布不均匀所引起的损耗，和主磁通在铁轭夹件，油箱等结构部件中所引起的涡流损耗。铁耗可近似认为与或成正比。由于变压器一侧电压保持不变。故铁耗可视为不变损耗。（F不变的前提下） 因变压器无转动部分，一般效率都很高，大多数在95%以上。大型变压器可达99%。测量变压器的效率一般不采用直接测P1、P2的方法，因P1与P2相差很小。测量仪器本身的误差就可能超出次范围，一般用间接法测量变压器的效率。即测出各种损耗，再计算效率。考虑到： 令 可得: 在计算效率时作

46、以下假设：额定电压下空载损耗，且不随负载的变化而变化。额定电流时的，因铜耗与负载电流平方成正比，所以任一负载下的铜耗计算时忽略了负载时的变化，即 因产生最大效率时 对应最大效率时负载电流的标幺值为： 2-9变压器的并联运行在现代发电站和变电所中，常常采用多台变压器并联运行的方式。所谓的并联运行，就是将变压器的一次侧和二次侧绕组分别接到一、二次侧的公共母线上。变压器采用并联运行的优点：根据负载的大小，调整并联运行的变压器的台数，以提高运行效率为了不停电检修变压器，以提高供电可靠性。可减少总备用容量。一、变压器理想并联时的条件是：空载运行时变压器之间无环流。每台变压器负载分配合理各变压器负载电流同

47、相位。要达到理想运行，需满足下列条件：各台变压器的额定电压和变比要相等。联结组号应相同。各变压器短路阻抗标幺值相同，阻抗角相同二、对并联运行条件的分析1、联结组别对变压器并联运行的影响 组别不同的变压器，虽满足1、3条，但两变压器二次侧电压相位至少差30度.由产生很大的环流，可能损耗变压器线圈。这是绝对不允许的。2、变比不等对并联运行的影响 当两台变压器联结组相同、并联运行时，为便于分析，采用归算到二次侧的简化等效电路由电路定律得： 求解得：每台变压器内流过的电流包括两个分量，第一分量为所分担的负载电流，第二分量是由于两台变压器的电压比不同引起的环流Ic电压比引起的Ic 仅与 有关。与负载大小

48、无关只 存在Ic有害环流，因此出厂变压器的变比误差不超过5%3、短路阻抗不同时的负载分配 在并联变压器之间负载电流按其与阻抗成反比分配。将上式两断同乘，并认为两台变压器具有相同的额定电压则： 并联变压器所分担的负载电流的标幺值，与其漏阻抗的标幺值成反比。理想的并联运行希望两台同时达到满载，即例2-6有两台额定电压相同的变压器并联运行,其额定容量分别为 ， 短路阻抗为 , 不计阻抗角的差别, 试计算(1)两台变压器电压比相差0.5%时的空载环流;(2)若一台变压器为Y,y0联接,另一台为Y,d11联结,问并联时的空载环流.解:以一台变压器的额定容量作为基值，在电压比相差不大时,可以证明，以第一台

49、变压器的额定电流作为基值时，环流的标幺值 为式中,k为平均电压比, 为电压比差的标幺值，.于是：即环流为第I台变压器额定电流的3.86。（2）上式中的，实质是空载时第一台变压器和第二台变压器的二次电压差。当Y，y0与Y,d11并联时，二次空载电压的大小相等，但相位差30度，其电压差 于是环流为：即空载环流达到变压器额定电流的4倍，故不同组号的变压器绝对不允许并联运行。例2-7上例的两台变压器，若组号和电压比均相同，试计算并联组的最大容量。解：阻抗标幺值小的先达到满载，即第一台变压器的阻抗标幺值小，故先达到满载，当时， 不计阻抗角的差别时，两台变压器所组成的并联组的最大容量为：并联组的利用率为：

50、若 则第二台先达到满载即 容量小的变压器有较大的阻抗标幺值可提高并联组的利用率。2-10三相绕组变压器自耦变压器和仪用互感器本节介绍三绕组变压器的分析方法，并对自耦变压器和仪用互感器原理进行分析。一、三绕组变压器三绕组变压器有高、中、低三个绕组，大多用于二次需要两种不同电压的电力系统。三绕组变压器第三绕组常常接成三角形联结，供电给附近较低电压的配电线路，有时仅接同步补偿机和电容器（补偿功率因数），也有第三绕组并不引出，专供三次谐波激磁电流形成通路，以改善电势波形和减少不对称运行时负载中点位移。三绕组变压器每个心柱上套有三个绕组，三个绕组的容量可相等。也可不相等，容量最大的规定为三绕组变压器的额

51、定容量。标准联结组有 ，和 1、三绕组变压器的基本方程式和等值电路设一、二、三绕组匝数分别为（一、二绕组电压变比）（一、三绕组电压变比）分（1）主磁通：与三个绕组同时铰链 （2）漏磁通 只铰链一个或两个绕组的磁通，前者称自漏，后者为互漏为自漏磁通为互漏磁通。由三个绕组的合成磁动势建立。经铁心磁路闭合，激磁阻抗随铁心饱和程度而变化。自漏磁通由一个绕组的磁动势所产生，互漏磁通由两个绕组的磁动势产生，它们主要通过空气和油闭合，相应的漏抗为常数按上图所示正方向和为电流归算值，电压方程式为： （1） （2） （3）式中-各绕组的电阻。-各绕组 的自漏抗- 各绕组的互漏抗 -主磁通在各自绕组内感应的电动势

52、。归算到一次侧后若忽略激磁电流，则将（1）-（2）并以代入得再将（1）-（3）并以代入得上两式中： 一次绕组等效漏阻抗 二次绕组等效漏抗 三次绕组等效漏抗将上两式进一步写成： 一次绕阻等效漏阻抗 二次绕组等效漏阻抗 三次绕组等效漏阻抗由： 可画出三绕组变压器简化等效电路如右图。2、三绕组变压器参数测定等效漏阻抗可用短路实验测定，由于三绕组变压器中每两个绕组相当于一个两相变压器，因此需做三次短路实验。分别测出每两个绕组间的短路阻抗。 联立求得如用标幺值来计算，可不必进行归算，但若三个绕组容量不等，通常用容量最大的作为基值。二、自耦变压器普通的变压器的一、二次线圈只有磁的联系而没有电的联系，自耦变

53、压器的特点在于一、二次线圈之间不仅有磁的联系而且有电的直接联系，如果把一台普通的变压器的一次绕组和二次绕组串联起来。使成为一台自耦变压器，这时普通变压器的一个绕组变成为自耦变压器的一二次侧的共同部分。所以自耦变压器是一个从双绕组变压器演变过来的设有一双绕组的变压器如图所示：一次侧： 二次侧：一次侧每匝感应电势：二次侧每匝感应电势且 与ax 的匝数相等将与a相连，省去二次绕组，这样成为一台自耦变压器。实质上自耦变压器就是利用一个绕组抽头办法来实现改变电压的一种变压器。下面分析，把普通两绕组变压器改接成自耦变压器时，电压比和额定容量将有何变化。当为普通双绕组变压器时： 改为自耦变压器后，电压比Ka

54、：可见自耦变压器的视在功率由两部分组成，一部分功率SN与普通双绕组变压器一样由电磁感应关系传递到二次侧, 称为感应功率；另一部分功率则是通过直接传导作用由一次传到二次，称为传导功率，传递这部分功率无需耗费变压器的有效材料。所以自耦变压器有重量轻，价格低，效率高的优点。由于: （计算容量SN小于额定容量SAn）Ka越接近于1，传导功率所占的比例越大，经济效果越显著。自耦变压器常用于高、低压比较接近的场合，在工厂和实验室中自耦变压器常用来做调压器。三、仪用互感器仪用互感器是一种测量用的变压器，在高电压，大电流的电力系统中，为能够对高电压和大电流进行测量，并使测量回路与被测量回路隔开，以保证测量人员

55、的安全，需用电压互感器和电流互感器。1、电压互感器测高电压线路的电压，如用电压表直接测量，不仅对工作人员不安全。而且仪表绝缘需大大加强，这样也给仪表制造带来困难，故需用一定变比的电压互感器将高压变成低压，然后接入电压表测量电压，接线如下图。 电压互感器的两种误差：变比误差相位误差，因存在励磁互感器和漏阻抗。所以存在测量误差，精度分0.5、1.0和3.0级。注：（1）、二次侧不允许短路，否则会产生很大的短路电流，绕组烧毁。（2）、为安全起见，二次绕组连同铁心一起，必须可靠接地。2、电流互感器同测量高电压一样。测量高电压线路的电流，也不宜将仪表直接接入电路。用电流互感器将高压线路隔开，将大电流变小

56、。再用电流表测量，接线如上图。电流互感器有两种误差变比误差相位误差。精度分0.2、0.5、1.0、 3.0和10.0级。注：（1）、二次侧不允许开路，如开路，激磁电流为被测线路大电流，付绕组中感应极高电势，可使绝缘击穿，危机人身安全。（2）、为安全，二次侧绕组连同铁心必须可靠接地。第三章直流电机的稳态分析 主要内容：研究直流电机的稳态运行，对直流电机的工作原理、结构、电路、磁路及运行原理和换向问题加以分析，并对直流电机的启动、调速和制动进行了分析。3-1直流电机的工作原理和基本结构电机是由两大部分组成1、静止部分定子旋转部分转子一、直流电机的静止部分（定子）1、主磁极主磁通的作用是建立主磁场。

57、主磁极由主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组组成它的，铁心是由11.5mm厚的钢板冲片叠压紧固而成。极靴的作用是使主磁通在过气隙时分布的更合理并且固定励磁绕组。机座其作用一是作为磁路的一部分，二是固定主极，换向极和端盖。通常是用铸钢或厚钢板焊成，机座中有磁通通过的部分称为磁轭。3、换向极换向极装在两极之间。其作用是用来改善换向，也是由铁心和绕组组成，换向极绕组与电枢绕组串联。4、电刷装置电刷装置是电枢电路的引入（或引出）装置，通过它可以把电机旋转部分的电流引出到静止的电路里，它与换向器配合才能使电机获得直流电机的效果。二、直流电机的转动部分1、电枢铁心电枢铁心即是主磁路的组成部分,又是电枢部分绕组

58、的支撑部件.为减少电枢铁心内的涡流损耗,铁心一般采用0.5mm厚的DR530或DR510的硅钢片叠压而成.电枢绕组.电枢绕组叠放在电枢铁心的槽内,是由按一定规律联接的线圈组成.它是直流电机的电路部分.上、下层之间及线圈与铁心之间都要有绝缘,槽口处用槽楔压紧.换向器换向器也是直流电机的重要部件，在发电机中可将电枢绕组中交变的电流转换成电刷上的直流，起整流作用，而在直流电动机中将电刷上的直流变为电枢绕组内的交流，即起逆变作用。换向器由许多换向片组成，片间用云母绝缘，电枢绕组的每个线圈的两端分别接到两个换向片上.三、电流电机的工作原理1、直流电动机的工作原理 我们首先分析一个简单的物理模型，图中N.

59、S是一对磁铁,它可以是永久磁铁,也可以为电磁铁，所谓电磁铁就是在磁极铁心上绕上励磁线圈且通入直流，便产生固定的极性。两极间装一转动的线圈，当线圈abcd中通入直流电流，此时载流导体在磁场受到力的作用，根据电磁力定律，力的大小为f=bli 方向由左手定则判断在力的作用下使线圈按逆时针方向旋转，当线圈转过180度后,所产生的电磁转距变成顺时针方向了，所以这种物理模型不能作连续运转.要使电枢受到一个方向不变的电磁转距.关键在于旋转过程中应保持每极下导体中甸柳的方向不变，即流过线圈中的电流方向及时的加以变换，即进行所谓”换向”，为此必须增加换向器装置.换向器由互相绝缘的换向片构成,装在轴上与电枢一同旋

60、转,换向器又与两个固定不动的电刷B1、B2 相接触，这样当直流电压加于电刷时，换向器的作用使外电路的直流电流改为线圈内的交变电流，这种换向作用称为逆变，以保证每极下导体中所流过的电流方向不变,从而使电机连续的旋转，这就是直流电动机的工作原理。直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电势靠换向器的作用，从电刷端引出时为直流电势的原理，如上图所示模型中,电刷上不加直流电压，用原动机拖动电枢按逆时针方向旋转,根据电磁感应定律导体ab和cd分别切割不同极下的磁力线而感应电势e=BLV 方向由右手定则判定整个线圈的电势. Ead=2BLV当电枢逆时针转过180度时,线圈边中和整