电机与拖动基础复习(2011)

一、直流电机原理1．电枢反应：直流电机在主极建立了主磁场，当电枢绕组中通过电流时，产生电枢磁动势，也在气隙中建立起电枢磁场。

这时电机的气隙中形成由主极磁场和电枢磁场共同作用的合成磁场。

这种由电枢磁场引起主磁场畸变的现象称为电枢反应。

2 直流电机的励磁方式：3直流电机的电枢电压方程和电动势： 直流电机电磁转矩 4直流电动机功率方程5直流电机工作特性6自励发电方式能否建立空载电压是有三个条件ΦnC E e a =aT e ΦI C T =pP P p p p p P p pP P P ∑∆+=+∆+∆+∆+∆=+∆+∆=+=22add m Fe Cu em Cua Cufa f 1aa a I R E U a +=（1）电机必须有剩磁，如果没有须事先进行充磁；（2）励磁绕组的极性必须正确，也就是励磁绕组与电枢并联时接线要正确；（3）励磁回路的电阻不能太大，即其伏安特性的斜率U /I f 不能太陡，否则如果伏安特性的斜率太陡，与发电机空载特性交点很低或无交点，就无法建立空载电压。

总之，自励发电机的运行首先要在空载阶段建立电压，然后才能带负载运行。

7他励直流发电机的外特性随着电流的增大，其输出电压下降。

这是因为：① 随着发电机的负载增加，其电枢反应的去磁效应增强，使每极磁通量减小，导致电枢电动势下降。

② 电枢回路电阻上的电压将随着电流上升而增大，使发电机的输出电压下降。

8效率他励直流发电机带负载运行时，其损耗中仅电枢回路的铜耗与电流 I a 的平方成正比，称为可变损耗；其他部分损耗与电枢电流无关，称为不变损耗。

当负载较小时，I a 也较小，此时发电机的损耗是以不变损耗为主，但因输出功率小而效率低；随着负载增加，P 2增大而效率上升，当可变损耗与不变损耗相等时效率达到最大值。

二、直流电机拖动 1．电力拖动运动方程的实用形式为由电动机的电磁转矩T e 与生产机械的负载转矩T L 的关系：1）当T e = T L 时， d n /d t = 0，表示电动机以恒定转速旋转或静止不动，电力拖动系统的这种运动状态被称为静态或稳态；2）若T e ＞T L 时， d n /d t ＞0，系统处于加速状态； 3）若T e ＜T L 时， d n /d t ＜0，系统处于减速状态。

也就是一旦 d n /d t ≠ 0 ，则转速将发生变化，我们把这种运动状态称为动态或过渡状态。

2．生产机械的负载转矩特性：3．拖动系统稳定运行的充分必要条件: T e =T L 且4他励直流电动机的机械特性 5人为机械特性（1）改变电枢电压 （2）减小每极气隙磁通特性曲线倾斜度增加，电动机的转速较原来有所提高，整个特性曲线均在固有机械特性之上e0e 2T e a e a e a a a )(T n T ΦC C RR ΦC U ΦC R R I U n β-=+-=+-=t n GD T T d d 3752L e =-dndT dn dT Le <（3）电枢回路串接电阻n 0=Const ；R 越大，曲线越倾斜6 他励直流电动机的起动起动瞬间转速n=0，电动势E a =C e Φn=0，最初起动电流a N R U Ist =。

若直接起动，由于R a 很小，I st 会达到十几倍 甚至几十倍的额定电流，造成电机无法换向，同时也会过热，因此不能直接起动。

一般直流电动机拖动负载顺利起动的条件是：1)限制I st （I st ≤λ I N ， λ 为电机的过载倍数）； 2) T st ≥（1.1～1.2）T N ； 3) 起动设备简单、可靠。

（1）电枢回路串电阻起动aNst R U I =st N T st I ΦC T =（2）减压起动7 他励直他励直流电动机的调速 调速范围、静差率、平滑性 （1）串电阻调速eT ΦC C RR ΦC U n 2NT e a N e N +-=（2）调电压调速（3）弱磁调速8他励直流电动机的制动常用的电气制动方法有能耗制动、反接制动、回馈制动三种。

（1）能耗制动 A 能耗制动过程eN T N e eba T ΦC ΦC R R n +-=aNe eba I ΦC R R n +-=B能耗制动运行状态(2)反接制动A电枢反接制动B 倒拉反接制动e2NTerbaNeN TΦCCRRΦCUn+--=(3)回馈制动A 正向回馈制动在调压调速系统中，电压降低的幅度稍大时，会出现电动机经过第二象限的减速过程电动车下坡时，将出现正向回馈制动运行e2NT e rba N e N T ΦC C R R ΦC U n +-=B 反向回馈制动运行9他励直流电动机的四象限运行三、变压器1变压器的基本原理与结构变压器的主要组成是铁心和绕组2 变压器的额定参数额定电压U 1N 和U 2N 额定电流I 1N 和I 2N 额定容量 S N 单相变压器三相变压器3 一次、二次绕组感应电动势4 变压器负载时的基本方程式和等效电路5绕组折算和“T”型等效电路将变压器二次绕组折算到一次绕组时，电动势和电压的折算值等于实际值乘以电压比k ，电流的折算值等于实际值除以k ，而电阻、漏电抗及阻抗的折算值等于实际值乘以 k 2。

这样，二次绕组经过折算后，变压器的基本方程式变为k N N E E U U ===2121211N 1N 2N 2N N I U I U S ==N 11N N 2N 2N 33I U I U S ==m 212m 111 4.44 j 4.44 j ΦN f E ΦN f E -=-=⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫==-=-=+-=+=L 2221f0122221111221101Z I U kE E Z I E Z I E U Z I E U I N I N IN ⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫''=''=-=''-'='+-='+=L2221f 0122221111210Z I U E E Z I E Z I E U Z I E U I I I分析变压器内部的电磁关系可采用三种方法：基本方程式、等效电路和相量图。

6 变压器带负载时的相量图7 变压器的参数测定(1) 空载试验调压器TC加上工频的正弦交流电源，调节调压器的输出电压使其等于额定电压U1N，然后测量U1、I0、U20及空载损耗P0由于空载电流I0很小，绕组损耗I02R很小，所以认为变压器空载时的输入功率P0完全用来平衡变压器的铁心损耗，即P0≈Δp Fe。

励磁阻抗 励磁电阻励磁电抗电压比 (2) 短路试验短路试验时， 用调压器TC 使一次侧电流从零升到额定电流 I 1N ，分别测量其短路电压 U k 、短路电流 I k 和短路损耗P k ，并记录试验时的室温θ（℃）。

由于短路试验时外加电压很低，主磁通很小， 所以铁耗和励磁电流均可忽略不计，这时输入的功率（短路损耗）P k 可认为完全消耗在绕组的电阻损耗上，即 P k ≈Δp Cu 。

由简化等效电路，根据测量结果，取 I k ＝ I 1N 时的数据计算室温下的短路参数。

短路阻抗 短路电阻 短路电抗8变压器的效率特性变压器的总损耗为短路损耗（铜损耗）P k 空载损耗 P 0 变压器效率的实用计算公式当可变损耗与不变损耗相等时，效率达最大值 10 三相变压器绕组的联结法判别11三相变压器的并联运行并联运行需要满足下列三个条件：1）并联运行的各台变压器的额定电压应相等，即各台变压器的电压比应相等； 2）并联运行的各台变压器的联结组号必须相同；3）并联运行的各台变压器的短路阻抗（或阻抗电压）的相对值要相等。

四、异步电机原理1 单相电枢绕组的磁动势10f I U Z Z =≈ 20020Fe f I P I p R ≈∆=201U U k ≈2f 2f f R Z X -=1Nk k k k I U I U Z == 21N k2k Cu k I P I p r ≈∆=2k2k k R Z X -=∑∆+∆=Fe Cu p p P %100cos 1shN 202N shN 20⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++-=P P S P P βϕββη 0.6 0 1.0 β 1.0 0.2 0.40.6 0.8 0.4 0.2 0.8 η/ηmaxm β图5-15 变压器的效率特性曲线2 旋转磁场的基本特点(1)三相对称绕组通入三相对称电流所产生的三相基波合成磁动势是一个旋转行波；(2)旋转磁场的旋转方向是从电流超前的相转向电流滞后的相，改变三相绕组的相序即可改变旋转磁场的方向；(3)旋转磁场的转速n1与电源频率f1、电机极对数n p之间保持严格的关系，即3异步电动机的转差率：4异步电动机的电磁关系5三相异步电动机单相等效电路6相量图虚拟电阻的损耗，实质上表征了异步电动机的机械功率7异步电动机的功率p1160nfn=11nnns-=sUsIsFssRIfFmΦrFσsΦσrΦrIσsEσrEsErE()sssssXRIEU++-=⎪⎭⎪⎬⎫⎭⎬⎫()rrrrXRIE+=图7-11 异步电动机的电磁关系Rss'-1mecCuemPpP::2)1(::1ss-=9异步电动机的电磁转矩与每极磁通和转子电流有功分量的乘积成正比 10 异步电动机的工作特性● 异步电动机的转速特性为一条稍向下倾斜的曲线● 随着负载的增大，转子转速下降，转子电流增大，定子电流及磁动势也随之增大，抵消转子电流产生的磁动势，以保持磁动势的平衡。

定子电流几乎随 P 2按正比例增加。

● 当负载增加时，转子电流的有功分量增加，定子电流的有功分量也随之增加，即可使功率因数提高。

在接近额定负载时，功率因数达到最大。

● 异步电动机的负载不超过额定值时，角速度ω 变化很小。

而空载转矩T 0 又可认为基本上不变，所以电磁转矩特性近似为一条斜率为 1/ ω 的直线。

● 异步电动机中的损耗也可分为不变损耗和可变损耗两部分。

当输出功率P 2 增加时，可变损耗增加较慢，所以效率上升很快。

当可变损耗等于不变损耗时异步电动机的效率达到最大值。

随着负载继续增加，可变损耗增加很快，效率就要降低。

五、交流电机拖动1 机械特性的三种表达式 （1）物理表达式2P 22m T e cos ϕ''=I ΦC T ()()2'212'211'2/X X s R R U I +++=22'cos R ='ϕsΩ=em PT Ω=mP（2）参数表达式（3）实用表达式最大电磁转矩与电压的平方成正比，与漏电抗成反比；临界转差率与转子电阻成正比，与电压大小无关。

异步电动机机械特性的三种表达式，其应用场合各有不同。

一般物理表达式适用于定性地分析 T e 与 及 间的关系；参数表达式多用于分析各参数变化对电动机运行性能的影响；实用表达式最适用于进行机械特性的工程计算。