《電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)》課程輔導(dǎo)系統(tǒng)

1、電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)課程輔導(dǎo)系統(tǒng)第一章 直流電機(jī)原理一、內(nèi)容提要本章主要介紹直流電機(jī)的工作原理及其基本結(jié)構(gòu)。直流電機(jī)的工作原理是建立在電磁感應(yīng)定律和電磁力定律的基礎(chǔ)上的。 在不同的外部條件下， 電機(jī)中能量轉(zhuǎn)換的方向是可逆的。 如果從電機(jī)軸上輸入機(jī)械功率，電樞繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大于端電壓，即 Ea U 時(shí)，電機(jī)運(yùn)行于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，從電刷兩端輸出電能； 如果從電樞輸入電功率， 電樞繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)小于外加端電壓，即 Ea U 時(shí)，電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，將電能 轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從軸上輸出機(jī)械能。直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以分為定子、轉(zhuǎn)子兩大部分。定子部分包括：機(jī)座、主磁極（包括勵(lì)磁繞組） 、換向極（包

2、括換相極繞組）和電刷裝置。定子主要用來(lái)建立磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子部分包括：電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和軸承等。轉(zhuǎn)子主要通過(guò)電樞繞組傳遞電磁功率，是電動(dòng)機(jī)的核心部件。常用的電樞繞組有單疊繞組和單波繞組。 單疊繞組是將上層邊位于同一磁極下的元件先串聯(lián)成一條支路， 不同磁極下的支路再并聯(lián)， 故并聯(lián)支路數(shù)等于磁極數(shù)； 單波繞組是將上層邊位于同極性磁極下的元件串聯(lián)成一條支路， 由于磁極只有 N、 S 兩種，故并聯(lián)支路數(shù)為 2。繞組元件中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和元件中流過(guò)的電流都是交變的， 但經(jīng)過(guò)換向器和電刷的機(jī)械整流作用，使在電刷和電刷接通的外電路上，電動(dòng)勢(shì)、 電壓和電流都變?yōu)橹绷?。直流電機(jī)能量變換是依靠氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行的。

3、 空載時(shí)， 直流電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)由勵(lì)磁繞組的磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生； 負(fù)載時(shí)， 氣隙磁場(chǎng)由勵(lì)磁繞組和電樞繞組的磁動(dòng)勢(shì)共同產(chǎn)生。電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響稱為電樞反應(yīng)。當(dāng)電刷位于幾何中性線時(shí)，只有交軸電樞反應(yīng)。交軸電樞反應(yīng)使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變，對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)， 其磁場(chǎng)的物理中性線逆轉(zhuǎn)偏離幾何中性線。 在磁路飽和時(shí)， 交軸電樞反應(yīng)具有去磁效應(yīng)，使每極磁通量減少。直流電機(jī)的能量變換可用電磁功率來(lái)表征，即 EaIaTem。對(duì)直流電動(dòng)機(jī)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是反電動(dòng)勢(shì)，其方向與電樞電流方向相反。而對(duì)于電動(dòng)機(jī)而言， 電磁轉(zhuǎn)矩是拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，與轉(zhuǎn)速方向一致。換向是指繞組元件從一條支路經(jīng)過(guò)電刷轉(zhuǎn)入另一條支路時(shí)， 元件中電流方向改變的過(guò)程。按

4、換向的電磁理論分析， 直線換向不會(huì)產(chǎn)生火花， 延遲換向有可能出現(xiàn)火花，造成換向不良。為改善換向，直流電機(jī)一般都裝設(shè)換向極，使換向元件在換向區(qū)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)抵消元件的電抗電動(dòng)勢(shì)和電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)， 力求實(shí)現(xiàn)直線換向。直流電動(dòng)機(jī)的工作特性與勵(lì)磁方式密切相關(guān)。 他、 并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩基本上正比于電樞電流，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，轉(zhuǎn)速變化很小，特性較硬。串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩近似與電樞電流的平方成比例， 因此串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)力矩較大，負(fù)載變化時(shí)，轉(zhuǎn)速變化較大，特性較軟，在使用時(shí)注意不準(zhǔn)空載或輕載工作, 以免轉(zhuǎn)速過(guò)高。復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的特性介于二者之間。、基本要求學(xué)習(xí)本章應(yīng)主要掌握以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：1、掌握在

5、磁場(chǎng)里運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和載流導(dǎo)體受力這兩個(gè)基本規(guī)律。 這兩個(gè)規(guī)律是直流電機(jī)工作的理論基礎(chǔ)。2、了解直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和各部分的主要作用。要求知道直流電機(jī)的兩 大組成部分：定子和轉(zhuǎn)子。3、知道直流電機(jī)的銘牌中有哪些主要的額定數(shù)據(jù)及其含義以及在使用電機(jī) 時(shí)應(yīng)當(dāng)注意的事項(xiàng)。4、電樞繞組是直流電機(jī)的核心。(a)理解單疊繞組和單波繞組各節(jié)距的計(jì)算方法。(b)能夠看懂繪制好的繞組展開(kāi)圖(c) 了解各繞組的主要特點(diǎn)：知道什么情況下用單疊繞組，什么情況下用單波繞5、了解什么叫電樞反應(yīng)；電樞反應(yīng)對(duì)電機(jī)的影響；如何抵消電樞反應(yīng)的影I6、熟練掌握電樞電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式和性質(zhì)。(1)在恒定磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)的電

6、樞繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的大小可用下式計(jì)Neav2aCe n式中：Ce 型，當(dāng)電機(jī)制造好后僅與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)，稱為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；N是電60a樞導(dǎo)體總數(shù)。(2)在恒定的磁場(chǎng)內(nèi)通電的電樞繞組產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的計(jì)算由下式給出：TemC T n式中：CT衛(wèi)N僅與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)，成為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。2a(3)兩個(gè)常數(shù)之間的關(guān)系為CT 9.55Ce。以上兩個(gè)計(jì)算公式是直流電機(jī)中的最基本公式，貫穿直流電機(jī)及直流電機(jī)拖動(dòng)分析的始終，應(yīng)當(dāng)牢記。7 、 了解直流電機(jī)的換向過(guò)程。什么叫直線換向？如何改善直流電機(jī)的換 向？8 、了解直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式。9 、掌握電磁功率的關(guān)系式 Pem TemEaI a ,這個(gè)公式說(shuō)明了

7、直流電機(jī)中機(jī)電能量是可以彼此相互轉(zhuǎn)換的。10 、掌握并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)電壓建立的三個(gè)條件：電機(jī)主磁路有剩磁；并勵(lì)繞 組極性連接正確；勵(lì)磁繞組回路電阻小于臨界電阻值。11 、掌握直流發(fā)電機(jī)的他外特性。12 、了解什么叫電機(jī)的可逆原理。13 、掌握如何判斷一臺(tái)電機(jī)是處于電動(dòng)狀態(tài)還是發(fā)電狀態(tài)。14 、 掌握分析直流電機(jī)用的電動(dòng)機(jī)慣例、發(fā)電機(jī)慣例，能根據(jù)慣例寫(xiě)出直流電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的基本方程式。15 、掌握他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)內(nèi)的功率關(guān)系16 、掌握他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。三、重點(diǎn)與難點(diǎn)分析（一）直流電機(jī)結(jié)構(gòu)與基本工作原理直流電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。 定子主要作用是產(chǎn)生一定空間分布的磁場(chǎng)。定子由

8、主磁極、機(jī)座、換向磁極、電刷裝置和端蓋等部分組成。轉(zhuǎn)子主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)， 直流電機(jī)中的能量轉(zhuǎn)換均發(fā)生在轉(zhuǎn)子中， 轉(zhuǎn)子是直流電機(jī)的核心。轉(zhuǎn)子由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、電機(jī)轉(zhuǎn)軸和軸承等部分組成。在磁場(chǎng)里，運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)eBxlv該式說(shuō)明，電機(jī)要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)必須具備三個(gè)條件：即要有磁場(chǎng)的存在； 金屬導(dǎo)體 l 處于磁場(chǎng)中；導(dǎo)體l 與磁場(chǎng)間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在磁場(chǎng)中，載流導(dǎo)體受力：f BxlI該式說(shuō)明，在磁場(chǎng)中的有電電流流過(guò)的導(dǎo)體將受到電磁的作用產(chǎn)生電磁力。為保證電機(jī)能夠安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和電機(jī)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，電機(jī)制造者規(guī)定了電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的工作狀態(tài)即電機(jī)的銘牌數(shù)

9、據(jù)， 該數(shù)據(jù)也稱為額定數(shù)據(jù)，具體意義如下：額定功率PN ：也稱為額定容量，指在額定條件下電機(jī)所能供給的功率。額定電壓U N ：在額定運(yùn)行條件下，電機(jī)出線端的平均電壓。額定電流I N ：運(yùn)行于額定電壓、額定功率時(shí)對(duì)應(yīng)的電樞電流值稱為電機(jī)的額定電流。額定轉(zhuǎn)速nN ：對(duì)應(yīng)于額定電壓、額定電流，幾電機(jī)運(yùn)行于額定功率時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。額定勵(lì)磁電流I fN ：指電機(jī)運(yùn)行于額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速及額定功率時(shí)的勵(lì)磁電流。轉(zhuǎn)子繞組也稱為電樞， 是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的核心部件。 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組是由一定形狀的繞組元件按照一定的規(guī)律組成的閉合繞組， 其連接規(guī)律主要有單疊繞組和單波繞組兩種。 單疊繞組并聯(lián)支路

10、數(shù)多， 允許通過(guò)的總電樞電流大， 每個(gè)支路里的元件少，支路合成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較低，因此單疊繞組適合用于低電壓、大電流的直流電機(jī)。對(duì)于單波繞組，支路對(duì)數(shù)永遠(yuǎn)等于 1，在支路電流與單疊繞組支路電流相同的情況下， 單波繞組能允許通過(guò)的總電樞電流就較?。?由 于每個(gè)支路里含的元件較多，合成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較高，所以單波繞組適用于較高電 壓、較小電樞電流的直流電機(jī)。（二）直流電機(jī)的磁場(chǎng)與電樞反應(yīng)為研究電樞反應(yīng)對(duì)直流電機(jī)特性的影響，首先要研究直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)。當(dāng)忽略主磁路中鐵磁性材料的磁阻時(shí)，主磁極下氣隙磁通密度的分布就取決 于氣隙 的形狀和大小。磁極中心及附近的氣隙較小且均勻不變，磁通密度較大且基本為常數(shù)；靠近

11、兩邊極尖處，氣隙逐漸變大，磁通密度減??；超出極尖以 外，氣隙明顯增大磁通密度顯著減小，在磁極之間的幾何中性線處，氣隙磁通密 度變?yōu)榱?。因此空載時(shí)的氣隙磁通密度分布為一平頂波。氣隙中由電樞電流產(chǎn)生的磁通密度分布為對(duì)稱的馬鞍形波。電樞反應(yīng)是由于電樞磁場(chǎng)的存在， 電樞磁場(chǎng)對(duì)空載磁場(chǎng)的作用。電樞反應(yīng)分 為電刷在幾何中性線上時(shí)的電樞反應(yīng)和電刷不在幾何中性線上時(shí)的電樞反應(yīng)兩 種。當(dāng)電刷在幾何中性線上且負(fù)載時(shí)，由于電樞反應(yīng)的影響，氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變， 對(duì)于直流發(fā)電機(jī)而言，每一磁極下，電樞要進(jìn)入的主磁極磁場(chǎng)一端的磁場(chǎng)被削弱， 而另一端則被加強(qiáng)。磁場(chǎng)為零的位置由空載時(shí)的幾何中性線順轉(zhuǎn)向移動(dòng)一個(gè) 角。物理中性線與幾

12、何中性線不再重合， 使磁場(chǎng)的分布曲線發(fā)生畸變。同時(shí)使每 極磁通比空載時(shí)的每極磁通略為減少，這種去磁作用完全由磁路的飽和引起，稱 為附加的去磁作用。當(dāng)電刷不在幾何中性線時(shí)，電樞反應(yīng)將分為交軸電樞反應(yīng)和直軸電樞反應(yīng)兩 部分。交軸電樞反應(yīng)的性質(zhì)同電刷在幾何中性線上時(shí)的性質(zhì)。直軸電樞反應(yīng)對(duì)于發(fā)電機(jī)而言，當(dāng)電刷順轉(zhuǎn)向移動(dòng)時(shí)Fad起去磁作用；當(dāng)電刷逆轉(zhuǎn)向移動(dòng)時(shí)，F(xiàn)ad起增磁作用。而對(duì)直流電動(dòng)機(jī)而言，當(dāng)電刷順轉(zhuǎn)向移動(dòng)時(shí)Fad起增磁作用；而當(dāng)電刷逆向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，F(xiàn)ad起去磁作用。電樞反應(yīng)的結(jié)果在磁場(chǎng)飽和的情況下， 將使磁場(chǎng)減弱，使電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)降 低，同時(shí)電樞反應(yīng)使磁場(chǎng)發(fā)生畸變， 使電機(jī)的換向困難，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生換向

13、火花或 環(huán)火。因此應(yīng)盡可能減少電樞反應(yīng)的影響。不論是發(fā)電機(jī)還是電動(dòng)機(jī)，在其運(yùn)行時(shí)均在電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電 磁轉(zhuǎn)矩。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩是電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的重要因素。電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可用下式計(jì)算：Ea Ce n式中：Ce 幽是一個(gè)僅與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，稱為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)60a上式表明當(dāng)電機(jī)制造好后，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與氣隙磁通和電機(jī)轉(zhuǎn)速三者間的關(guān) 系。對(duì)于發(fā)電機(jī)當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，可通過(guò)改變勵(lì)磁電流改變發(fā)出電壓的大小或當(dāng)勵(lì) 磁電流不變時(shí)通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速改變發(fā)出電壓的大小；對(duì)于電動(dòng)機(jī)，當(dāng)外加電樞電壓不變時(shí)，通過(guò)改變勵(lì)磁電流改變轉(zhuǎn)速的大小或當(dāng)勵(lì)磁電流不變時(shí)通過(guò)改變外 加電壓改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。上式是發(fā)電機(jī)調(diào)整輸

14、出電壓和電動(dòng)機(jī)調(diào)整輸出轉(zhuǎn)速的基 礎(chǔ)。電磁轉(zhuǎn)矩可用下式計(jì)算：Tem CT I a式中：CT 型是僅與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。 2 a從Ce與Ct的表達(dá)式可以看出：CT 9.55Ce或Ce 0.105CT從中可看出，制造好的直流電機(jī)具電磁轉(zhuǎn)矩僅與電樞電流和氣隙磁通之積成 正比。（三）換相問(wèn)題直流電機(jī)電樞繞組中一個(gè)元件經(jīng)過(guò)電刷從一個(gè)支路轉(zhuǎn)換到另一個(gè)支路里時(shí)， 電流方向改變的過(guò)程稱為換向。換向不良會(huì)產(chǎn)生電火花或環(huán)火，嚴(yán)重時(shí)將燒毀電刷導(dǎo)致電機(jī)不能正常運(yùn)行， 甚至引起事故。直流電機(jī)的火花等級(jí)見(jiàn)表 2。改善電機(jī)換向的最有效方法是裝上換向極。 換向極裝在兩個(gè)相鄰的主磁極之 問(wèn)的幾何中性線上，同時(shí)為防

15、止環(huán)火出現(xiàn)有時(shí)在主磁極上還安裝補(bǔ)償繞組，從而抵消電樞反應(yīng)的影響。此外選用適當(dāng)?shù)碾娝?，也有利于換向。在使用維修過(guò)程中， 欲更換電刷時(shí)，必須選用與原來(lái)同一型號(hào)的電刷， 如果實(shí)在配不到相同牌號(hào)的電 刷，應(yīng)盡量選擇特性與原來(lái)相接近的電刷，并全部更換。（四）直流機(jī)基本方程式直流發(fā)電機(jī)的方程式包括：電壓平衡方程式、電磁轉(zhuǎn)矩平衡方程式和功率平 衡方程式。在列寫(xiě)直流電機(jī)的基本方程式時(shí)，應(yīng)按照發(fā)電機(jī)慣例確定各物理量問(wèn) 的參考方向，然后根據(jù)各物理量間的相互關(guān)系寫(xiě)出關(guān)系式或方程式。表2直流電機(jī)火花等級(jí)表火花等級(jí)電刷下的火花程度換向器與電刷狀態(tài)1無(wú)火花換向器上沒(méi)有黑痕；電刷上沒(méi)有灼 痕1 14電刷邊緣僅有微弱的點(diǎn)狀火

16、花，或有 非放電性的紅色火花112電刷邊緣大部分或全部有輕微火花換向器上有黑痕，不可擦除；電刷 上后輕微灼痕2電刷邊緣大部分或全部有較強(qiáng)烈的 火花換向器上有黑痕但不擴(kuò)大，用汽油 可擦除；電刷上有灼痕，如短時(shí)出 現(xiàn)該級(jí)別火化則換向器上不出現(xiàn) 灼痕，電刷不被燒焦或損壞3電刷整個(gè)邊緣有強(qiáng)烈的火花，同時(shí)有 大火花6出黑痕相當(dāng)嚴(yán)重，/、口擦除；電刷上 有灼痕，如在該級(jí)火花卜運(yùn)行，換 向器將出現(xiàn)灼痕，電刷將被燒焦或 損壞根據(jù)直流發(fā)電機(jī)慣例及基爾霍夫電壓定律可寫(xiě)出電壓平衡方程式：Ea U 2 Ub R Ia式中：R Ia項(xiàng)為電樞電流在電樞回路串聯(lián)的各繞組 （包括電樞繞組、換向極繞組和補(bǔ)償繞組等）總電阻上的電

17、壓降。2 Ub為正、負(fù)電刷與換向器表面的接觸壓降，實(shí)際應(yīng)用中，把2 Ub的作用歸人電樞回路總電阻中， 此時(shí)電樞回路總電阻表示為Ra ,上式可重寫(xiě)為Ea U Raia該式說(shuō)明直流發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)一部分消耗在電樞繞組電阻（發(fā)電機(jī)內(nèi)阻）上,另一部分向外輸出給負(fù)載。作用在直流發(fā)電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩有三個(gè)：即發(fā)電機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1、電磁轉(zhuǎn)矩Tem和空載轉(zhuǎn)矩T。電磁轉(zhuǎn)矩、空載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速n的方向相反，是阻轉(zhuǎn)矩。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí) 拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩和阻轉(zhuǎn)矩相平衡，據(jù)此可寫(xiě)出穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式為T(mén)iTemTo將上式的兩端同乘以電樞軸上機(jī)械角速度，得出TiTemTo式中Ti為原動(dòng)機(jī)輸人給發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率;TemPem,為電磁功

18、率;To P。為空載損耗。因此，上式又可寫(xiě)成:P該式即為發(fā)電機(jī)的功率平衡方程式。Pem P。式中p。為空載損耗，包括機(jī)械摩擦損耗pm和鐵損耗因此空載損耗P。又可表小為Popm PFe從形式上看，PemTem是屬于機(jī)械性質(zhì)的功率，對(duì)PemTem的右邊進(jìn)行變換可得:nIaCe nI aEa 1 aP T C 12n pN 12n pNem em T a 6。2 a a 6。60該式說(shuō)明：Rm一方面代表電動(dòng)勢(shì)為Ea的電源輸出電流Ia時(shí)所發(fā)出的電功率, 方面又代表轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時(shí)克服電磁轉(zhuǎn)矩Tem所消耗的機(jī)械功率對(duì)電壓方程式兩邊分別乘以電樞電流I a得：2 EaI a UI a Ra I a P2

19、pCua式中：P2是直流發(fā)電機(jī)輸出給負(fù)載的電功率；Pcua是電樞回路繞組電阻及電刷與 換向器表面接觸電阻上的電損耗，稱為銅損耗。除上述各種損耗之外，還有雜散損耗 Pad （自勵(lì)發(fā)電機(jī)還有勵(lì)磁損耗，用Pf表示）。因此，發(fā)電機(jī)的功率平衡方程為：PlPemP0PadP2PcuaPmPFePadP2P式中：P為發(fā)電機(jī)的總損耗。直流發(fā)電機(jī)的功率平衡關(guān)系可用圖 7表示。馬4不c> 也J3#k A圖7直流發(fā)電機(jī)功率陸程圖直流電機(jī)在一定的條件下，可作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芄┙o直 流負(fù)載；而在另外的條件下又可把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載， 這就是直流 電機(jī)的可逆原理。直流電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)取決于電

20、磁轉(zhuǎn)矩與拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩及電磁功率與機(jī)械功率之 問(wèn)的關(guān)系。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩大于機(jī)械轉(zhuǎn)矩時(shí)，電磁功率轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載， 電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行；當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩小于機(jī)械轉(zhuǎn)矩時(shí)，機(jī)械功率轉(zhuǎn)換為電磁功率供 給直流電負(fù)載，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。 當(dāng)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為拖 動(dòng)性轉(zhuǎn)矩；當(dāng)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)性轉(zhuǎn)矩。根據(jù)電動(dòng)機(jī)慣例，電動(dòng)機(jī)的基本方程如下：U Ea RaIaTem T2 To式中：T2為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；To為空載轉(zhuǎn)矩。把式電壓方程式兩邊同時(shí)乘以I a可得功率平衡方程：P1 Pem PCua式中：P UI a ,為直流電源輸人給電動(dòng)機(jī)的電功率；Pem EaIa,為電磁功率；PCuaRaI2

21、,為電樞回路銅損耗把電磁轉(zhuǎn)矩方程式兩端同時(shí)乘以機(jī)械角速度可得：Pem P2 P0式中：P2 丁2 ,為電機(jī)輸出的機(jī)械功率；P0 TO ,為空載損耗。綜合上述各式可得：P1PempCuaP2pCuapmpFepadP2p式中：Pad為附加損耗。直流電動(dòng)機(jī)的功率平衡關(guān)系可用圖 8表示。馬rL?Nc p -%圖s直流電動(dòng)機(jī)功率流程圖第二章電力拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)一、內(nèi)容提要本章主要電力拖動(dòng)系統(tǒng)的基本基本概念；典型生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)形式及轉(zhuǎn)矩； 電路拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式；多軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩及飛輪矩的折算， 負(fù)載的機(jī)械 特性等內(nèi)容。二、基本要求1 . 了解電力拖動(dòng)系統(tǒng)的組成。2 . 了解典型生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)形

22、式。3 .掌握電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式。4 .掌握多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的折算。5 .掌握平移運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的折算。6 .掌握升降運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的折算。三、重點(diǎn)與難點(diǎn)分析（一）電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式1 .電力拖動(dòng)系統(tǒng)的基本運(yùn)動(dòng)方程式2 d GD dn I I z J dt 375 dt上式是針對(duì)單軸系統(tǒng)列出的，式中T為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)性質(zhì)電磁轉(zhuǎn)矩，Tz為軸上制動(dòng)性質(zhì)總負(fù)載轉(zhuǎn)矩（包括生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T2和電動(dòng)機(jī)本身的空載轉(zhuǎn)矩T。）。(1)轉(zhuǎn)矩單位用NI - m轉(zhuǎn)速用r/min,飛輪矩GD2用NI - m2;(2)以電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)速n方向?yàn)檎较?，則當(dāng)T方向與n正方向一致時(shí)T取 正，Tz方向與n正方向相反時(shí)Tz取正。(3)運(yùn)

23、動(dòng)狀態(tài)的判別：當(dāng)T Tz時(shí)dn 0,系統(tǒng)穩(wěn)定；當(dāng)T Tz時(shí)空 0, dtdt系統(tǒng)加速；當(dāng)T TZ時(shí)dn 0,系統(tǒng)減速。dt2 .多軸系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式對(duì)于多軸或具有直線運(yùn)動(dòng)部件的系統(tǒng)， 可用上述的單軸系統(tǒng)等效代替，只需 將實(shí)際系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tz ,各軸的飛輪矩及平移部件質(zhì)量 m折算到等效單軸系統(tǒng)。(1)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算：電動(dòng)狀態(tài)時(shí)：Tz三發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)時(shí)：Tz豆式中：j -jlj2L jn為總傳動(dòng)比，等于各軸速比的乘積，1 2L n為電動(dòng)nz為發(fā)電制動(dòng)時(shí)傳動(dòng)機(jī)GD22 nnz狀態(tài)時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)總效率，等于各級(jí)傳動(dòng)部件效率的乘積 構(gòu)總效率。(2)飛輪矩的折算： 22ci ci GDiGD2 .GD GDd

24、22 Lnnn1n2(3)平移質(zhì)量m的折算：GDZ365G2Z式中直線運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量G用N,直線運(yùn)動(dòng)線速度vz用m/s(二)生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性 n f TZ1 .恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小保持不變，稱為包轉(zhuǎn)矩負(fù)載。(1)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載：Tz的大小與n無(wú)關(guān)，但是Tz的方向始終與n相反。（2）位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載：Tz的大小及方向均與n無(wú)關(guān)，而且Tz方向始終指向使位能部件的勢(shì)能減小的方向。2 .恒功率負(fù)載特性1負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，即TZ - 0則負(fù)載功率Pz Tz 常數(shù),故稱為恒功 n率負(fù)載。3 .通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方成正比，即 Tz n2,對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載，故稱為

25、通風(fēng)機(jī)負(fù)載。第三章直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)一、內(nèi)容提要本章主要他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性； 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和反轉(zhuǎn)；他勵(lì) 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速；他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)；電力拖動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程等內(nèi)容。二、基本要求1 .掌握他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性。2 .掌握他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的主要起動(dòng)方法。3 .掌握他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的主要調(diào)速方法。4 .了解他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)原理和制動(dòng)方法。5 .掌握他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在四象限中的運(yùn)行狀態(tài)。三、重點(diǎn)與難點(diǎn)分析（一）他勵(lì)（并勵(lì)）直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性2.URaCeCeCM固有特性RT ,理想空載轉(zhuǎn)速n。UCeLT n T2 般形式n。n Ce nCeCMnnNnT

26、n 很是一條通過(guò)理想空載轉(zhuǎn)速 n。的硬特性，額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降小。固有特性可用理想空載點(diǎn) n no,T 0和額定工作點(diǎn)nN,TN兩點(diǎn)來(lái)確定3 .人為機(jī)械特性(1)電樞回路用電阻人為特性：n 土與T no TCe n CeCM N也是一條下降的直線，其n。跟固有特性相同；斜率 n,特性變軟，且R越大時(shí)特性越軟。(2)改變端電壓人為特性：n 口Jt nonTCe n CeCM n一般用降壓特性，當(dāng)U降低時(shí)，no n°,且U越低是理想空載轉(zhuǎn)速越低；但N 與固有特性一樣，故降壓人為特性與固有特性平行。(3)減弱磁通人為特性：n乜叢Ra 2T noTCe CeCM當(dāng) n弱磁時(shí)，no n

27、6;理想空載轉(zhuǎn)速比固有特性高，且n特性比固有特性軟。4 .電力拖動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行條件(1)必要條件是：電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性必須相交，只有交點(diǎn)處T Tz系統(tǒng)才處于平衡狀態(tài)。(2)充分條件是：在交點(diǎn)處必須滿足 三 dZ ,所以具有上翹機(jī)械特性的 dn dn拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行是不穩(wěn)定的。(二)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)1 .起動(dòng)方法(1)直接起動(dòng)起動(dòng)時(shí)n o,Ea 。，起動(dòng)初瞬的電樞電流Ia UN 1o 2。In ,太大的起 Ra動(dòng)電流使換向惡化，甚至產(chǎn)生環(huán)火；很大的電磁力將損壞繞組；大的起動(dòng)電流使直流電網(wǎng)電壓波動(dòng)而影響電網(wǎng)上其它電氣設(shè)備的正常工作；過(guò)大的轉(zhuǎn)矩沖擊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)損壞。為此，除小容量電

28、機(jī)之外，直流電動(dòng)機(jī)不允許直接起動(dòng)。(2)限制起動(dòng)電流的方法首先應(yīng)滿勵(lì)磁，據(jù)T Cm Ia ,當(dāng)采取措施限制起動(dòng)電流Ia (1.5 2.o)In時(shí),為保證有足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，起動(dòng)時(shí)應(yīng)保證 If IfN使 N。據(jù)起動(dòng)電流Ia U可知，減小起動(dòng)電流的途徑有降低端電壓 U或電Ra R樞回路用電阻R2.電樞回路分級(jí)起動(dòng)電阻的計(jì)算 起動(dòng)時(shí)各級(jí)電樞回路總電阻為：RiRaR22RaMm 1 -R 2 R 1RaRm 1RaRmmRaR m Rmi L各級(jí)起動(dòng)電阻為:R 1 (1)Ra2R 1m2R1Rmm 1R 1RmRm1式中起動(dòng)電流比“ T1 , m為起動(dòng)分級(jí)數(shù)，I1或T1為最大起動(dòng)電流或起I2 T2動(dòng)轉(zhuǎn)

29、矩，I2或T2為切換電流或切換轉(zhuǎn)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 為負(fù)載(穩(wěn)定)電流。(三)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)1 .制動(dòng)運(yùn)行一般保持N大小與方向不變，使電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向相反，其特點(diǎn)是從軸上吸收機(jī)械能(動(dòng)能或位能)轉(zhuǎn)換成電能而消耗在電機(jī)內(nèi)部或反饋電網(wǎng)。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)狀態(tài)的分析方法，可以仍采用電動(dòng)狀態(tài)時(shí)的正方向， 將所采用的制動(dòng)方法的參數(shù)特點(diǎn)代入電動(dòng)狀態(tài)的基本方程式或機(jī)械特性求解即 可，負(fù)值的解答表示其物理意義或方向與電動(dòng)狀態(tài)時(shí)相反。2,能耗制動(dòng)(1)方法：保持If大小方向不

30、變，將電樞回路從電網(wǎng)脫離經(jīng)制動(dòng)電阻 Rz閉合。(2)參數(shù)特點(diǎn)：U 0,N,電樞回路總電阻RRaRz。因而有:CeCMNzT0 Ea Ia(Ra R)RaRz(3)能耗制動(dòng)的機(jī)械特性是一條通過(guò)原點(diǎn)安全無(wú)害第二和第四象限的直線，對(duì)應(yīng)兩種制動(dòng)狀態(tài)：能耗制動(dòng)停機(jī)過(guò)程，對(duì)應(yīng)第二象限。設(shè)制動(dòng)初瞬轉(zhuǎn)速為 nA,則制動(dòng)初瞬最大電流ii Ce NnA ,可根據(jù)ii允許值來(lái)選取Rz。當(dāng)n時(shí)T ,制動(dòng)效果變差， Ra Rz然而，當(dāng)n 0時(shí)T 0,對(duì)反抗性負(fù)載言，能耗制動(dòng)可到可靠停機(jī)，不會(huì)反向起 動(dòng)。位能性負(fù)載穩(wěn)速下放，對(duì)應(yīng)第四象限。穩(wěn)定下放轉(zhuǎn)速 nz Ra-zlz,式Ce N中Iz為穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電樞電流。計(jì)算結(jié)果 /

31、為負(fù)值，表示重物下放，與提CM N升狀態(tài)(電動(dòng)狀態(tài))時(shí)轉(zhuǎn)向相反。3。反接制動(dòng)(1)電壓反向的反接制動(dòng)用于快速停機(jī)方法：保持If大小方向不變，令電樞經(jīng)制動(dòng)電阻 Rz而反接于電網(wǎng)。參數(shù)特點(diǎn):N，UUn,電樞回路總電阻R RaRz,因而有:機(jī)械特性是Un E u n Ce N條穿過(guò)第二、Ia(Ra Rz)Ra Rz一Tn0CeCM NRaRz TCeCMN三、四象限的直線，其理想空載轉(zhuǎn)速為n。 n。,對(duì)應(yīng)三處運(yùn)行狀態(tài)：第二象限為反接制動(dòng)停機(jī)過(guò)程。反接初瞬最大電樞電流為Ii源,Un Ce NnA。當(dāng)n o時(shí)，t 0,所以制動(dòng)效果好，但停機(jī)時(shí)若不切斷電Ra Rz系統(tǒng)有可能反向起動(dòng)。第三象限為反向電動(dòng)狀態(tài)

32、。對(duì)于反抗性負(fù)載若打通關(guān)節(jié)接制動(dòng)至n 0時(shí)不切斷電源，系統(tǒng)會(huì)反向起動(dòng)，而穩(wěn)定運(yùn)行于第三象限，其n 0且T 0, n與T方 向一致，故仍為電動(dòng)狀態(tài)。第四象限為回饋制動(dòng)狀態(tài)。對(duì)于位能性負(fù)載，反接后最終穩(wěn)定運(yùn)行于第四象 限，以|n| 1noi的高速將重物穩(wěn)速下放，由下可知，這時(shí)|n| 1noi屬于回饋制動(dòng)。(2)電動(dòng)勢(shì)反向的反接制動(dòng)用于位能負(fù)載穩(wěn)定低速下放RZ。參數(shù)特點(diǎn):方法：保持If及端電壓不變，僅在電樞回路用入足夠大的制動(dòng)電阻,U Un,電樞回路總電阻R Ra Rz,且Rz足夠大機(jī)械特性：與電樞回路用電阻人為特性相同。只是其 R R2很大,使CeCM N其人為特性與負(fù)載特性相交于第四象限，穩(wěn)定下

33、放轉(zhuǎn)速為：n no Ra-Tz no R上?？梢?jiàn)可要Rz選擇得當(dāng)，可使|n| 0以極低轉(zhuǎn) CeCM nCe n速下放。(3)反接制動(dòng)時(shí)的運(yùn)行特點(diǎn)制動(dòng)運(yùn)行時(shí)實(shí)際轉(zhuǎn)向與其理想空載轉(zhuǎn)速方向相反 ；制動(dòng)過(guò)程中一方面從電網(wǎng)吸收電功率，另方面又從軸上輸入機(jī)械功率，兩者都轉(zhuǎn)換成電功率而消耗在電樞回路電阻 Ra Rz上。4。回饋制動(dòng)(1)電壓反向的回饋制動(dòng)方法：保持If大小方向不變，將電樞反接，從而使位能性負(fù)載以較高的轉(zhuǎn) 速穩(wěn)速下放。參數(shù)特點(diǎn)與機(jī)械特性與電壓反向反接制動(dòng)相同，只是對(duì)應(yīng)第四象限部分,為此，回饋制動(dòng)使重物穩(wěn)速下放的轉(zhuǎn)速為：nzUnRaRzICeNCeN可見(jiàn)|nz| |n0| ,為使下放轉(zhuǎn)速不至于太

34、高，通常取 Rz 0。(2)電壓不反向的回饋制動(dòng) 電動(dòng)下坡時(shí)，若電機(jī)參數(shù)都不變，則最后穩(wěn)定運(yùn)行于機(jī)械特性向第二象限 延伸段。 突然降低端電壓的初瞬，電機(jī)工作于降壓人為特性向第二象限的延伸段，在轉(zhuǎn)速降至no之前的降速過(guò)程屬回饋制動(dòng)。(3)回饋制動(dòng)的運(yùn)行特點(diǎn) 回饋制動(dòng)時(shí)，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)向與其理想空載轉(zhuǎn)速方向一致，且 n n。因而Ea U且Ea與I a方向一致。 電機(jī)將軸上輸入的機(jī)械功率(即系統(tǒng)所儲(chǔ)的動(dòng)能或位能)轉(zhuǎn)換成電能而送 回電網(wǎng)。(四)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速1。調(diào)速方法據(jù)n U 1a(Ra R)可知,改變u、R、及(即If)可以方便地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。Ce(1)電樞回路用電阻調(diào)速對(duì)于同一個(gè)負(fù)載，R越大則n越

35、低。這種方法簡(jiǎn)單，但只能應(yīng)用于調(diào)速性 能要求不高的場(chǎng)合。因?yàn)椋?機(jī)械特性變軟，負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大，所以靜態(tài)穩(wěn)定性差，調(diào)速范圍不大； 輕載時(shí)調(diào)速效果不明顯； 有級(jí)調(diào)速，調(diào)速平滑性差； 調(diào)速時(shí)R上損耗大，效率低。(2)降壓調(diào)速降低電樞端電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速也是向低于 nN方向調(diào)節(jié)，且U越低時(shí)n也越低。降低調(diào)速雖然需增加一套可調(diào)壓電源，但它由于具備以下優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用 于對(duì)調(diào)速、起動(dòng)與制動(dòng)要求較高的場(chǎng)合。 人為特性與固有特性平行，硬度不變， 所以不僅滿載或輕載時(shí)都有明顯的調(diào)速效果，而且負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)小，靜態(tài)穩(wěn)定性好，調(diào)速范圍大 ； 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)平滑，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；調(diào)速時(shí)能量損失小，效率高。(3)弱磁

36、調(diào)速減小I f以減弱磁通 時(shí)，轉(zhuǎn)速向高于nN方向調(diào)節(jié)，且If越小n越高。但 是nmax受機(jī)械強(qiáng)度與換向的限制，一般只能 nmax (1.22)nN,調(diào)速范圍不大；由于弱磁調(diào)節(jié)也可做到高效無(wú)級(jí)調(diào)速，所以一般是與降壓調(diào)速配合使用以擴(kuò)大調(diào)速 范圍。2。調(diào)速指標(biāo)評(píng)價(jià)調(diào)速方法主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有：(1)調(diào)速范圍：在Tn條件下，調(diào)速系統(tǒng)能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比，nmax0nnN0 nomin(2)靜差度：Tn時(shí)的轉(zhuǎn)速降nN與其理想空載轉(zhuǎn)速之比，即越大，轉(zhuǎn)速波動(dòng)越大，為了使系統(tǒng)保持運(yùn)行運(yùn)行的相對(duì)穩(wěn)定性，必須小于給定的允許值。所以 與D是相互聯(lián)系又相互制約的兩個(gè)調(diào)速指標(biāo)。(3)調(diào)速平滑性好。(4)調(diào)速時(shí)的

37、電動(dòng)機(jī)的容許輸出。在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，如果使其電流始終等于 In ,則電機(jī)既能充分利用又能安全運(yùn)行，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸出功率與轉(zhuǎn)矩分別稱為調(diào)速時(shí)容許輸出功率P與允許輸出轉(zhuǎn)矩T。對(duì)于降壓調(diào)速與電樞回路用電阻調(diào)速，調(diào)速，調(diào)速過(guò)程中 T為常數(shù)，幫稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，此時(shí)P n ;1對(duì)于弱磁調(diào)速，調(diào)速過(guò)程中P為常數(shù)，故稱為恒功率調(diào)速方式，此時(shí)T - o n(5)經(jīng)濟(jì)性，包括調(diào)速裝置初投資、調(diào)速時(shí)能耗及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等。3。調(diào)速方式與負(fù)載性質(zhì)的配合(1)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載采用包轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式時(shí)，只要電動(dòng)機(jī)的TN Tz,則在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)都做到T Tz Tn Ti ,電機(jī)既能安全又充分利用，是最理想的配合。此時(shí) nN nm

38、ax , PN Pzmax 0(2)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載采用恒功率調(diào)速方式時(shí)，應(yīng)使 nmax對(duì)應(yīng)的最小Ti與Tz相等，即有：nN nmin , Pn PZmax G DTz,可見(jiàn)除n hmax之外的所有n hmax都 9550是T T|,電機(jī)不能充分利用。(五)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的過(guò)渡過(guò)程1。當(dāng)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載、參數(shù)或運(yùn)行方式等發(fā)生變化時(shí)，由于系統(tǒng)具有 慣性(機(jī)械慣性、電磁慣性與熱慣性等)，使之從一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)變?yōu)榱硪粋€(gè) 穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)各物理量的改變不可能瞬時(shí)完成， 必須經(jīng)一個(gè)連續(xù)變化的 過(guò)程，稱為過(guò)渡過(guò)程。在此過(guò)程中，各物理量隨時(shí)間的變化規(guī)律稱為拖動(dòng)系統(tǒng)的 動(dòng)態(tài)特性。通常機(jī)械慣性比電磁慣性大得多

39、， 而熱慣性又比機(jī)械慣性大得多。因此，在 研究過(guò)渡過(guò)程中，可以不考慮熱慣性的影響，認(rèn)為過(guò)程中溫度不變，因而電阻也不變；同時(shí)，還可以不考慮電磁慣性的影響，認(rèn)為當(dāng)機(jī)械過(guò)渡過(guò)程開(kāi)始時(shí)(即轉(zhuǎn) 速剛開(kāi)始變化時(shí))電磁過(guò)渡過(guò)程已經(jīng)結(jié)束。這種只考慮機(jī)械慣性的過(guò)渡過(guò)程稱為 電力拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械過(guò)渡過(guò)程。研究機(jī)械過(guò)渡過(guò)程的主要工具是電力拖動(dòng)系統(tǒng)的基本運(yùn)動(dòng)方程式。2。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)械過(guò)渡過(guò)程的一般解電樞電流變化規(guī)律：1a Iz (IQ Iz)et/TM Iz(1 et/TM) IQet/TM電磁轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律：T Tz (TQ Tz)et/TM轉(zhuǎn)速變化規(guī)律:n nz (nQ nz)e Mnz(1et/TM)rQe t/

40、TM加速度變化規(guī)律:dn nz nQ -M- edtTM過(guò)渡過(guò)程時(shí)間：tx Tm ln IQTm In nQIx Iznx nz2以上各式中，Tm GD （Ra R2）為電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)；Iz 工和 375CeCM 2CmU "Rz R）為電動(dòng)機(jī)械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電樞電流 Ce和轉(zhuǎn)速（常為穩(wěn)態(tài)值）；Iq、Tq、nQ為過(guò)渡過(guò)程起始初瞬的電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的起始值；tx為從過(guò)渡過(guò)程開(kāi)始t 0至所考慮的某終了點(diǎn)所需時(shí)間，Ix與之為電流 與轉(zhuǎn)速的終了值。3。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)各種方法的起動(dòng)、制動(dòng)、調(diào)速、負(fù)載變化或反轉(zhuǎn)等的機(jī) 械過(guò)渡過(guò)程均可以利用以上各通式求解其動(dòng)態(tài)特性，只是

41、式中的Tm值、終了值、穩(wěn)定值應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定。第四章變壓器一、內(nèi)容提要本章主要介紹變壓器的基本工作原理和結(jié)構(gòu)；單相變壓器的空載運(yùn)行和負(fù)載 運(yùn)行；變壓器參數(shù)的測(cè)定方法；標(biāo)么值的表示方法；變壓器的運(yùn)行特性；三相變 壓器的磁路系統(tǒng)、電路系統(tǒng)及電動(dòng)勢(shì)波形問(wèn)題；其他用途的變壓器等內(nèi)容。二、基本要求1 .掌握變壓器的基本工作原理、基本結(jié)構(gòu)與額定值。2 .通過(guò)對(duì)變壓器空載時(shí)磁通、電動(dòng)勢(shì)的分析，掌握變壓器的電動(dòng)勢(shì)、電壓和 磁通的關(guān)系。3 .通過(guò)對(duì)變壓器空載電流和空載損耗的分析，掌握勵(lì)磁阻抗的物理意義。4 .通過(guò)對(duì)變壓器負(fù)載運(yùn)行的分析，熟練掌握變壓器的方程式、相量圖和等效 電路。5 .通過(guò)實(shí)驗(yàn)，掌握變壓器的參

42、數(shù)測(cè)定方法。6 .掌握標(biāo)么值的概念與計(jì)算方法。7 .熟練掌握變壓器的運(yùn)行性能及其計(jì)算方法。8 .熟練掌握變壓器聯(lián)接組別的判定方法。9 . 了解自耦變壓器和儀用互感器的工作原理和特點(diǎn)。三、重點(diǎn)與難點(diǎn)分析（一）變壓器的基本工作原理和結(jié)構(gòu)1 .基本工作原理由電磁感應(yīng)原理可知，一次繞組（原繞組）、二次繞組（副繞組）交鏈于同一磁通，在相同的磁通變化率 d下，e N ,因此，只需改變一次、二次繞組 dt的匝數(shù)，就能達(dá)到改變電動(dòng)勢(shì)（電壓）的目的。匝數(shù)多的一側(cè)電動(dòng)勢(shì)就高，匝數(shù) 少的一側(cè)電動(dòng)勢(shì)就低?！霸吒钡汀保ㄒ淮卫@組匝數(shù)多，二次繞組匝數(shù)少）為降壓 變壓器，“原低副高”（一次繞組匝數(shù)少，二次繞組匝數(shù)多）為升壓

43、變壓器。從物理意義上理解：?jiǎn)挝辉褦?shù)上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相等，因此，匝數(shù)多電動(dòng)勢(shì)高，匝 數(shù)少電動(dòng)勢(shì)就低。2 .型號(hào)與額定值要求掌握變壓器型號(hào)中各字母和數(shù)字所表示的含義。變壓器的額定容量用視在功率 Sn表示，單位為kV Ao變壓器二次額定電壓U2N定義為：變壓器一次加額定電壓時(shí)，二次空載時(shí)的端電壓（并非是二次加額定負(fù)載時(shí)的電壓）。對(duì)三相變壓器而言，額定電壓和額定電流指的是線電壓和 線電流。（二）單相變壓器的空載運(yùn)行1 .空載運(yùn)行時(shí)的電磁關(guān)系變壓器空載運(yùn)行時(shí)，一次側(cè)（原邊）加額定電壓，二次側(cè)（副邊）開(kāi)路。在.U1民作用下，一次繞組中將產(chǎn)生I 0入，I0建立磁動(dòng)勢(shì)F0, F0作用磁路上將產(chǎn) 生磁通，根據(jù)路徑

44、不同，分主磁通和漏磁通。要求掌握主、漏磁通在性質(zhì)、大小 和作用上的不同點(diǎn)。主磁通感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)：.Ei j4.44fN1 m.E2j4.44fN2 m由上式可知，（1）感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與f、N、 m成正比；（2）磁通為正弦波形時(shí)，電動(dòng)勢(shì)也為正弦波形（3）在相位上電動(dòng)勢(shì)滯后于磁通90。漏磁通感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)可用漏電抗壓降來(lái)表示。即.Ei jX 1 I oS式中：X 2 fN2-,Xio, Xi很小且為常數(shù)。2 .空載電流和空載損耗（1）空載電流.空載電流的作用與組成Io Ioa I or,其中Ioa （有功分量）供給.鐵心損耗；I or （無(wú)功分量）建立主磁通。空載電流的大小及性質(zhì)Io% (210)% ,

45、大型電力變壓器I。 1%由m 用l可知，I 0的大小主要與磁路的飽和程度 Bm( m)、一次繞組匝數(shù) 1/ FeSN1、鐵心材質(zhì)Fe和磁路的幾何尺寸有關(guān)系。因?yàn)?0rLa,故I。 Ior,空載電流基本為一無(wú)功性質(zhì)電流?？蛰d電流波形 對(duì)于單相變壓器而言，由于磁路飽和，當(dāng)中。為正弦波形 時(shí)，I。就為尖頂波。(2)空載損耗變壓器損耗包括銅損耗Pcu和鐵損耗PFe空載時(shí)銅損耗為RlI<2,由于I。和R均很小，則有P。 PFe，即空載損耗可近似等于鐵損耗。3 .空載時(shí)的電動(dòng)勢(shì)方程、等效電路和相量圖(1)電動(dòng)勢(shì)平衡方程.UiEi (Ri jXi)I。.U 2 E2.由于漏阻抗壓降(Ri jXi)I。

46、很小，可忽略，則有：Ui Ei 4.44 fN i mUi m 4.44 fNi由上式可知，變壓器主磁通的大小與NiUi fi有關(guān)。其中Ni為結(jié)構(gòu)因素，Ui和fi 為電源因素。它的大小與鐵心材質(zhì)和幾何尺寸基本無(wú)關(guān)。 那么變壓器為什么還要 米用鐵心呢？由磁路歐姆定律(0 IoNi/Rm，而Rm 1 / S)可知，當(dāng)電源電壓和匝數(shù)Ni 一定，則主磁通 0也一定，I0 Rm,即主磁路磁阻的大小(鐵心的材質(zhì)和幾何尺寸)影響變壓器空載電流的大小，所以采用鐵磁材料，磁阻小，所需空載電流小。(2)空載時(shí)的等效電路和相量圖 .主磁通0在一次繞組中感應(yīng)的主電動(dòng)勢(shì)E可以用一個(gè)阻抗壓降的形式來(lái)表示，即： .Ei Z

47、mI0 (Rm jXm)I0式中Rm是對(duì)應(yīng)于鐵心損耗的等效電阻； Xm是對(duì)應(yīng)于主磁通的電抗。變壓器空載時(shí)的相量圖反應(yīng)了空載時(shí)各電磁量之間的相位關(guān)系。（三）單相變壓器的負(fù)載運(yùn)行1 負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電磁關(guān)系在學(xué)習(xí)單相變壓器的負(fù)載運(yùn)行時(shí)， 首先應(yīng)弄清楚負(fù)載時(shí)的電磁關(guān)系。 即在鐵.心中有主磁通0通過(guò)，分別在一次、二次繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1和E2。主磁通0.將由合成磁動(dòng)勢(shì)（Fl F2）產(chǎn)生。F1和F2還分別產(chǎn)生只交鏈于各自繞組的漏磁通.1 和 2 并分別在一次、二次繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).E1和E2此外，電流I1和I2。還在一次、二次繞組中分別產(chǎn)生電阻壓降Ri I1和.R2 I 2 。2負(fù)載運(yùn)行時(shí)的基本方程式負(fù)載運(yùn)

48、行時(shí)的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式為.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,則當(dāng)Ui、f和Ni不變時(shí)，m不變，空載和負(fù)載時(shí)均外加額定電壓，故空載和負(fù)載時(shí)的主磁通m 也相等。又因?yàn)榭蛰d和負(fù)載時(shí)的鐵心磁阻不變， 所以空載和負(fù)載時(shí)建立主磁通所需的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)基本相等，即.Fi F2F0.或NiIi N2I2 NiI0.由教材中式（3.3.2 ）可知，變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)，一次電流Ii包含兩個(gè)分量，.一個(gè)是勵(lì)磁分量I。，用來(lái)建立負(fù)載時(shí)的主磁通。,另一個(gè)是負(fù)載分量.I iL I 2/K ，用以抵消二次磁動(dòng)

49、勢(shì)的作用。由于負(fù)載時(shí)， I0 Ii ，可忽略 I0 ，則有 Ii /I2 N2/ Ni ，即一、二次電流的大小近似與繞組匝數(shù)成反比。說(shuō)明變壓器不僅能變電壓，而且能變電流。3 變壓器的等效電路和相量圖由于變壓器的電磁關(guān)系比較復(fù)雜， 一次、 二次繞組電路間存在磁的耦合關(guān)系，因此有必要找到一個(gè)既能正確反映變壓器內(nèi)部電磁過(guò)程， 又便于工程計(jì)算的等效電路來(lái)。要想得到這樣一種三單相變壓器的等效電路， 首先需對(duì)變壓器進(jìn)行折算。折算的實(shí)質(zhì)是把一臺(tái)變比k不等于1 （N2 M）的變壓器看成是變比k等于1的變壓器。折算的原則是不改變變壓器的電磁效應(yīng)。 即折算時(shí)保持折算側(cè)的磁動(dòng)勢(shì)不 變；保持折算側(cè)的各功率損耗不變；保

50、證變壓器的主、漏磁場(chǎng)不改變，保證 功率傳遞不變。折算的方法（低壓側(cè)折算到高壓側(cè)）是：電壓、電動(dòng)勢(shì)乘以 k,電流除以k, 電阻和電抗乘以k20變壓器的等效電路有“ T”形等效電路、近似等效電路和簡(jiǎn)化等效電路?！癟”形等效電路為精確等效電路。近似等效電路是將勵(lì)磁支路從“T”形電路的中部移到電源側(cè)而得到的。和“ T ”形等效電路相比，相當(dāng)于在負(fù)載回路.忽略了漏阻抗壓降Z1 10 ,在勵(lì)磁回路忽略了乙Il壓降。簡(jiǎn)化等效電路是將勵(lì)磁支路開(kāi)路，即忽略勵(lì)磁電流I。情況下的等效電路。負(fù)載時(shí)的相量圖能較清晰地反映了負(fù)載時(shí)各電磁量之間的相位關(guān)系，要求會(huì)畫(huà)出變壓器帶各種性質(zhì)負(fù)載時(shí)的相量圖和簡(jiǎn)化相量圖。方程式、等效電

51、路和相量圖分析方法是分析變壓器乃至各種交流電機(jī)的重要 方法，通常稱為“三要素”分析方法，要求熟練掌握。（四）變壓器參數(shù)的測(cè)定變壓器等效電路是一個(gè)無(wú)源二端口網(wǎng)絡(luò)，其參數(shù)可用空載和短路試驗(yàn)求取。在本節(jié)中，應(yīng)重點(diǎn)掌握空載和短路試驗(yàn)的目的、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)接線以及各 種參數(shù)的計(jì)算方法?？蛰d和短路試驗(yàn)可以在任何一側(cè)進(jìn)行， 但通?？蛰d試驗(yàn)在低壓側(cè)進(jìn)行，而短 路試驗(yàn)在高壓側(cè)進(jìn)行。（五）標(biāo)么值標(biāo)么值實(shí)質(zhì)上是一種用“相對(duì)值”表示參數(shù)大小的方法士一/古實(shí)際值（任意單位）林么值 在變壓器及其他電機(jī)中，基準(zhǔn)值常取額定值，故許多額定值的標(biāo)么值均為1.用標(biāo)么值計(jì)算時(shí)，下列各值相等：ZS US,RS USa,XS USr_

52、* * * * , * *S I ,P Ia,Q I*U線U相，1線1相，P三相噓相,等等用標(biāo)么值表示后，折算后求標(biāo)么值和未折算“就地”求標(biāo)么值數(shù)值相等，故 用標(biāo)么值表示參數(shù)時(shí)，可省去折算。（六）變壓器的運(yùn)行特性變壓器的運(yùn)行特性主要有外特性和效率特性， 表征運(yùn)行性能的主要指標(biāo)有電 壓變化率和效率。1 .外特性和電壓變化率變壓器的外特性是指電源電壓和負(fù)載功率因數(shù)不變時(shí)，二次端電壓隨負(fù)載電流變化的規(guī)律，即U2 fO曲線。為了表示U2隨電流I2變化而變化的程度，引人電壓變化率的概念。電壓變化率的定義式為：'U U2N U2 100% U1N U2- 100%U2NUin電壓變化率的計(jì)算式為：

53、*U（Rs cos 2 X s sin 2） 100%U求出后，可通過(guò)公式U2（1 U）U2N來(lái)求變壓器的二次電壓U2O影響二次端電壓U2 （或U）的因素是：負(fù)載的大小（）及性質(zhì)（2）短路 阻抗Rs路電抗Xs參數(shù)2 .變壓器的損耗、效率和效率特性變壓器的損耗主要包括鐵損耗和銅損耗。鐵損耗與一次側(cè)外加電源電壓的 大小有關(guān)，而與負(fù)載大小基本無(wú)關(guān)，故稱鐵損耗為“不變損耗”。銅損耗與負(fù)載電流的平方成正比，故稱銅損耗為“可變損耗”。變壓器的效率可按下式計(jì)算：(1P0SN cos 2P。)100%影響效率的因素：負(fù)載的大?。ǎ┘靶再|(zhì)（2）；變壓器本身參數(shù)（SN、鐵損P0 （取PFe P0）和銅損耗2PsN

54、）o當(dāng)P°2PSN,即銅損耗等于鐵損耗時(shí)或m，匡時(shí),變壓器效率最高。,PSN（七）三相變壓器本節(jié)只講授三相變壓器的磁路系統(tǒng)、電路系統(tǒng)以及電動(dòng)勢(shì)的波形等幾個(gè)特殊 問(wèn)題。1 .三相變壓器的磁路系統(tǒng)三相變壓器的磁路系統(tǒng)可分為組式磁路和心式磁路。組式磁路由三臺(tái)單相變 壓器組成，三相磁路彼此獨(dú)立。而心式磁路的特點(diǎn)是三相碰路彼此相關(guān)， 即任何 一相的主磁通都要通過(guò)其他兩相磁路作為自己的閉合磁路。2 .三相變壓器的電路系統(tǒng)三相變壓器的電路系統(tǒng)主要是研究變壓器兩側(cè)電動(dòng)勢(shì)（或電壓）問(wèn)的相位關(guān)系。單相變壓器一次、二次繞組間的相位關(guān)系要么同相位要么反相位，它取決于繞組的繞向和首末端標(biāo)記。即同極性端子同樣標(biāo)號(hào)，電動(dòng)勢(shì)同相位。三相變壓器的聯(lián)結(jié)組反映三相變壓器兩側(cè)對(duì)應(yīng)線電動(dòng)勢(shì) （線電壓）