電機學全套課件

緒論1-1電機的一般介紹1-2基本電磁定律1-3磁路1-4學習方法一、重點:1、磁路的基本定律;2、鐵磁材料的特性及基本磁化曲線;3、鐵心損耗.※重點與難點二、難點:

1、磁滯回線；2、鐵心損耗；3、磁路的計算。1-1磁路的基本定律

一、磁路的概念:

磁路：磁通所通過的路徑.見圖１－１。

主磁通：由于鐵心的導磁性能比空氣要好得多，所以絕大部分磁通將在鐵心內(nèi)通過,這部分磁通稱為主磁通。

漏磁通：圍繞載流線圈、部分鐵心和鐵心周圍的空間，還存在少量分散的磁通，這部分磁通稱為漏磁通。

主磁路：主磁通所通過的路徑。

漏磁路：漏磁通所通過的路徑。勵磁線圈：用以激勵磁路中磁通的載流線圈。

勵磁電流：勵磁線圈中的電流。直流:直流磁路例如:直流電機交流:交流磁路例如:變壓器

二、磁路的基本定律1．安培環(huán)路定律

定律內(nèi)容:沿任何一條閉合回線，磁場強度的線積分值恰好等于該閉合回線所包圍的總電流值（代數(shù)和）。

公式:

附圖1-2,有:

2．磁路的歐姆定律

附圖1-3a

定律內(nèi)容:作用在磁路上的磁動勢等于磁路內(nèi)的磁通量乘以磁阻。

公式:

式中：

相應的模擬電路圖1-3b.

點擊書本進入例題1-1例題

[例1—1]

有一閉合鐵心磁路，鐵心的截面積，磁路的平均長度L=0.3m，鐵心的磁導率，套裝在鐵心上的勵磁繞組為500匝。試求在鐵心中產(chǎn)生1T的磁通密度時，所需的勵磁磁動勢和勵磁電流。？？？

解用安培環(huán)路定律來求解。磁場強度

磁動勢

勵磁電流

返回

定律內(nèi)容:穿出(或進入)任一閉和面的總磁通量恒等于零(或者說,進入任一閉合面的磁通量恒等于穿出該閉合面的磁通量),這就是磁通連續(xù)性定律。

公式:

又稱磁路的并聯(lián)定律。

3．磁路的基爾霍夫第一定律

附圖1-4

4．磁路的基爾霍夫第二定律

定律背景:磁路計算時，總是把整個磁路分成若干段，每段為同一材料、相同截面積，且段內(nèi)磁通密度處處相等，從而磁場強度亦處處相等。

定律內(nèi)容:沿任何閉合磁路的總磁動勢恒等于各段磁路磁位降的代數(shù)和。

公式:

又稱磁路的串聯(lián)定律。

附圖1-5返回1-2常用的鐵磁材料及其特性一、鐵磁物質的磁化

鐵磁物質包括鐵鎳鈷以及它們的合金。鐵磁材料在外磁場中呈現(xiàn)很強的磁性，此現(xiàn)象稱為鐵磁物質的磁化。

磁疇示意圖1-6。

二、磁化曲線和磁滯回線

1．起始磁化曲線

定義:將一塊尚未磁化的鐵磁材料進行磁化，當磁場強度H由零逐漸增大時，磁通密度B將隨之增大，曲線B=f(H)就稱為起始磁化曲線.

曲線附圖1-7.

分析:起始磁化曲線基本上可分為四段,如下起始磁化曲線oa段ab段bc段cd段飽和膝點

鐵磁材料磁化曲線見示意圖1-7.應用:

設計電機和變壓器時，為使主磁路內(nèi)得到較大的磁通量而又不過分增大勵磁磁動勢，通常把鐵心內(nèi)的工作磁通密度選擇在膝點附近。

2．磁滯回線

示意圖:圖1-8。

剩磁:去掉外磁場之后，鐵磁材料內(nèi)仍然保留的磁通密度。

矯頑力:要使B值從減小到零，必須加上相應的反向外磁場，此反向磁場強度Hc稱為矯頑力。

磁滯:鐵磁材料所具有的這種磁通密度B的變化滯后于磁場強度H變化的現(xiàn)象。

磁滯現(xiàn)象是鐵磁材料的另一個特性。

3．基本磁化曲線

定義:對同一鐵磁材料，選擇不同的磁場強度進行反復磁化，可得一系列大小不同的磁滯回線,再將各磁滯回線的頂點聯(lián)接起來，所得的曲線。

附示意圖1-9。

三、鐵磁材料

1．軟磁材料

定義:

磁滯回線窄、剩磁和矯頑力都很小的材料。

附圖1-11a

常用軟磁材料:鑄鐵、鑄鋼和硅鋼片等。

軟磁材料的磁導率較高,故用以制造電機和變壓器的鐵心。

2．硬磁(永磁)材料

定義:磁滯回線寬、剩磁和矯頑力都很大的鐵磁材料稱為硬磁材料，又稱為永磁材料。

附圖1-11b

磁性能指標剩磁矯頑力最大磁能積永磁材料種類鑄造型鋁鎳鈷稀土鈷釹鐵硼鐵氧體粉末型鋁鎳鈷種類示意圖

四、鐵心損耗

1．磁滯損耗

定義:

鐵磁材料置于交變磁場中時，磁疇相互間不停地摩擦、消耗能量、造成損耗，這種損耗稱為磁滯損耗。

公式:

應用:由于硅鋼片磁滯回線的面積較小，故電機和變壓器的鐵心常用硅鋼片疊成。

2．渦流損耗

渦流:當通過鐵心的磁通隨時間變化時,根據(jù)電磁感應定律,鐵心中將產(chǎn)生感應電動勢,并引起環(huán)流,環(huán)流在鐵心內(nèi)部圍繞磁通作旋渦狀流動稱為渦流。示意圖1-12。

定義:渦流在鐵心中引起的損耗。

公式:

應用:為減小渦流損耗，電機和變壓器的鐵心都用含硅量較高的薄硅鋼片疊成。3．鐵心損耗

定義:

鐵心中磁滯損耗和渦流損耗之和。

表達式:鐵心損耗與頻率的1.3次方,磁通密度的平方和鐵心重量成正比。返回一、直流磁路的計算導言:

磁路計算時，通常是先給定磁通量，然后計算所需要的勵磁磁動勢。對于少數(shù)給定勵磁磁動勢求磁通量的逆問題，由于磁路的非線性，需要進行試探和多次迭代，才能得到解答。

1-3磁路的計算

1．簡單串聯(lián)磁路

定義:不計漏磁影響，僅有一個磁回路的無分支磁路.

附圖1-13.

點擊書本進入例題1-2例題[例1—2]

若在例l—l的磁路中，開一個長度

的氣隙，問鐵心中激勵1T的磁通密度時，所需的勵磁磁動勢為多少?已知鐵心截面積，?？紤]到氣隙磁場的邊緣效應，在計算氣隙的有效面積時，通常在長、寬方向務增加δ值。解用磁路的基爾霍夫第二定律來求解。鐵心內(nèi)的磁場強度:氣隙磁場強度:鐵心磁位降:氣隙磁位降:勵磁磁動勢:返回2．簡單并聯(lián)磁路

定義:指考慮漏磁影響，或磁回路有兩個以上分支的磁路。

點擊書本進入例題1-３例題[例1—3]

圖1—14a所示并聯(lián)磁路，鐵心所用材料為DR530硅鋼片，鐵心柱和鐵軛的截面積均為，磁路段的平均長度，氣隙長度勵磁線圈匝數(shù)匝。不計漏磁通，試求在氣隙內(nèi)產(chǎn)生=1．211T的磁通密度時，所需的勵磁電流i。

解：畫出圖l—14b所示模擬電路圖。由于兩條并聯(lián)磁路是對稱的，故只需計算其中一個磁回路即可。根據(jù)磁路基爾霍夫第一定律，得

根據(jù)磁路基爾霍夫第二定律，

由圖1—14a可知、中間鐵心段的磁路長度左、右兩邊鐵心段的磁路長度均為

(2)中間鐵心段的磁位降磁通密度為(1)氣隙磁位降中間鐵心段的磁位降為左、右兩邊鐵心段的磁位降為（3）左、右兩邊鐵心的磁位降,磁通密度為(4)總磁動勢和勵磁電流返回二、直流電機的空載磁路和磁化曲線

1.空載磁路及其計算

定義:直流電機的空載磁場是指勵磁繞組內(nèi)通有直流勵磁電流時由勵磁磁動勢單獨激勵的磁場。

2.直流電機的磁化曲線

曲線示意圖1-16。

電機的磁化曲線體現(xiàn)了電機磁路的非線性，這種非線性使電機運行特性的數(shù)學表達復雜化。工程分析中，常用線性分析加上適當修正的辦法來考慮非線性的影響。

三、交流磁路的特點

1.交流磁路中，激磁電流是交流，因此磁路中的磁動勢及其所激勵的磁通均隨時間而交變，但每一瞬時仍和直流磁路一樣，遵循磁路的基本定律；

2.就瞬時值而言，通常情況下，可以使用相同的基本磁化曲線；

3.磁通量和磁通密度均用交流的幅值表示，磁動勢和磁場強度則用有效值表示。

交變磁通的效應:

(1)磁通量隨時間交變，必然會在激磁線圈內(nèi)產(chǎn)生感應電動勢；

(2)磁通量隨時間交變，必然會在鐵心中產(chǎn)生鐵心損耗。

(3)磁飽和現(xiàn)象會導致電流、磁通和電動勢波形的畸變。

小提示:本章內(nèi)容已結束,及時復習可以鞏固學習效果。返回主磁通漏磁通

圖1-1變壓器的磁路返回漏磁通漏磁通漏磁通圖1-2安培環(huán)路定律HL返回圖1-3無分支鐵心磁路A)無分支鐵心磁路AN

i返回B)模擬電路圖F返回圖1-4磁路的基爾霍夫第一定律ANi返回圖1-5磁路的基爾霍夫第二定律i返回

圖1-6磁疇(A)未磁化(B)磁化返回外加磁場H

BH圖1-7鐵磁材料的起始磁化曲線abcd返回

圖1-8鐵磁材料的磁滯回線HBabcdef返回

圖1-9基本磁化曲線基本磁化曲線HB返回

圖1-11

a）軟磁材料的磁滯曲線B返回A)軟磁材料H

圖１－１１b）硬磁材料的磁滯曲線返回BHB)硬磁材料

圖1-12硅鋼片中的渦流 B返回

165432圖1-13簡單串聯(lián)磁路A)串聯(lián)磁路i返回

B)模擬電路圖返回

LLLA圖1-14簡單并聯(lián)磁路A)并聯(lián)磁路返回

B)模擬電路圖返回

圖1-16直流電機的磁化曲線O返回

第二章變壓器2.1變壓器的結構和額定值2.2變壓器空載運行2.3變壓器的負載運行2.4變壓器的基本方程和等效電路2.6三相變壓器2.7標幺值2.5等效電路參數(shù)的測定2.8變壓器運行性能※重點與難點重點:

1.變壓器的基本方程和等效電路;2.等效電路參數(shù)的測定;3.標幺值;4.變壓器的運行性能。難點:1.變壓器的運行原理和運行性能;2.三相變壓器。一、變壓器的基本結構2-1變壓器的基本結構和額定值鐵心繞組其他部件變壓器的基本結構1.鐵心鐵心由心柱和鐵軛兩部分組成。心柱用來套裝繞組，鐵軛將心柱連接起來，使之形成閉合磁路。為減少鐵心損耗，鐵心用厚0.30-0.35mm的硅鋼片疊成，片上涂以絕緣漆，以避免片間短路。按照鐵心的結構，變壓器可分為心式和殼式兩種。心式變壓器:

結構心柱被繞組所包圍，如圖2—1所示。

特點心式結構的繞組和絕緣裝配比較容易，所以電力變壓器常常采用這種結構。殼式變壓器:

結構鐵心包圍繞組的頂面、底面和側面，如圖2—2所示。

特點殼式變壓器的機械強度較好，常用于低電壓、大電流的變壓器或小容量電訊變壓器。2.繞組定義變壓器的電路部分，用紙包或紗包的絕緣扁線或圓線（銅或鋁）繞成。

一次繞組:輸入電能的繞組。

二次繞組:輸出電能的繞組。高壓繞組的匝數(shù)多,導線細；低壓繞組的匝數(shù)少，導線粗。從高,低壓繞組的相對位置來看,變壓器的繞組可分為同心式和交迭式。同心式結構

同心式繞組的高、低壓繞組同心地套裝在心柱上。特點

同心式繞組結構簡單、制造方便，國產(chǎn)電力變壓器均采用這種結構。交迭式結構

交迭式繞組的高、低壓繞組沿心柱高度方向互相交迭地放置。交迭式繞組用于特種變壓器中。特點3.其他部件

器身油箱變壓器油典型的油浸電力變壓器散熱器絕緣套管分接開關繼電保護裝置等部件二、額定值額定容量在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下變壓器輸出視在功率的保證值，單位為kV或kVA。三相變壓器指三相容量之和。額定電壓銘牌規(guī)定的各個繞組在空載、指定分接開關位置下的端電壓，單位為V或kV。三相變壓器指線電壓。額定電流根據(jù)額定容量和額定電壓算出的電流稱為額定電流，單位為A。三相變壓器指線電流。

三相變壓器：額定頻率我國的標準工頻規(guī)定為50赫(Hz)。此外還有額定效率、額定溫升。單相變壓器：返回一、一次和二次繞組的感應電動勢，電壓比:1.物理情況圖2—4。2.電壓方程2-2變壓器的空載運行變壓器的一次繞組接交流電源,二次繞組開路,負載電流為零(即空載)時的運行,稱為空載運行。3.變壓器的變比及變壓原理k二、主磁通和激磁電流

通過鐵心并與一次、二次繞組相交鏈的磁通，用表示.1．主磁通2．激磁電流產(chǎn)生主磁通所需要的電流，用表示。空載運行時，空載電流就是激磁電流，即激磁電流包括兩個分量，一個是磁化電流,一個是鐵耗電流。若鐵心中主磁通的幅值使磁路達到飽和,則需由圖解法來確定，如圖2-6(a)和(b)所示。磁化電流用于激勵鐵心中的主磁通，屬于無功電流。對已經(jīng)制成的變壓器，的大小和波形取決于主磁通和鐵心磁路的磁化曲線

當磁路不飽和時，磁化曲線是直線，磁化電流與磁通成正比。（1）磁化電流:由于鐵心中存在鐵心損耗，故激磁電流中除無功的磁化電流外，還有一個與鐵心損耗相對應的鐵耗電流，與同相位。于是用復數(shù)表示時，激磁電流為:相應的相量圖如圖2-5所示（２）鐵耗電流:

三、激磁阻抗

1.磁化電抗與鐵耗電阻

又：所以有鐵心線圈的并聯(lián)等效電路。磁化電抗：式中稱為變壓器的磁化電抗，是表征鐵心磁化性能的一個參數(shù)。另外：

鐵耗電阻：稱為鐵耗電阻，是表征鐵心損耗的一個參數(shù)。2.激磁電抗與激磁電阻由上式可得：激磁電抗：是表征鐵心的磁化性能的一個等效參數(shù);激磁電阻：是表征鐵心損耗的一個等效參數(shù)。激磁阻抗：鐵心線圈的串聯(lián)等效電路返回變壓器的一次繞組接到交流電源，二次繞組接到負載阻抗時，二次繞組中便有電流流過，這種情況稱為變壓器的負載運行，如圖2—8所示。一、磁動勢平衡和能量傳遞1.磁動勢平衡關系2-3變壓器的負載運行

2．能量傳遞式中，左端的負號表示輸入功率，右端的正號表示輸出功率。上式說明，通過一次、二次繞組的磁動勢平衡和電磁感應關系，一次繞組從電源吸收的電功率就傳遞到二次繞組，并輸出給負載。這就是變壓器進行能量傳遞的原理。二、磁動勢方程

正常負載時，i1和i2都隨時間正弦變化，此時磁動勢方程可用復數(shù)表示為：

上式表明負載時用以建立主磁通的激磁磁動勢是一次和二次繞組的合成磁動勢。三、漏磁通和漏磁電抗

1.漏磁通

在實際變壓器中，除了通過鐵心、并與一次和二次繞組相交鏈的主磁通φ之外，還有少量僅與一個繞組交鏈且主要通過空氣或油而閉合的漏磁通。一次繞組的漏磁通：由電流產(chǎn)生且僅與一次繞組相交鏈的磁通，用表示；二次繞組的漏磁通：由電流產(chǎn)生且僅與二次繞組相交鏈的磁通，用表示。

和分別稱為一次和二次繞組的漏磁電抗，簡稱漏抗漏抗是表征繞組漏磁效應的一個參數(shù),且都為常值。2.漏磁電抗返回一、變壓器的基本方程2-4變壓器的基本方程和等效電路磁動勢磁通感應電動勢一次繞組二次繞組若各電壓、電流均隨時間正弦變化，則相應的復數(shù)形式

:根據(jù)基爾霍夫第二定律，有:變壓器的基本方程為：

二、變壓器的等效電路

1.繞組歸算

（A）方法通常是把二次繞組歸算到一次繞組，也就是假想把二次繞組的匝數(shù)變換成一次繞組的匝數(shù)，而不改變一次和二次繞組原有的電磁關系。（B）原則

只要歸算前后二次繞組的磁動勢保持不變，則對一次繞組來說,變換是等效的；即一次繞組將從電網(wǎng)吸收同樣大小的功率和電流，并有同樣大小的功率傳遞給二次繞組。.電流的歸算:

歸算前、后二次繞組的磁動勢保持不變，可得：(2)電勢的歸算:

歸算前、后二次繞組的磁動勢保持不變，則鐵心中的主磁通保持不變，可得：(3)阻抗的歸算:

歸算前、后二次繞組的傳輸功率、損耗保持不變，可得：歸算后，變壓器的基本方程變?yōu)?2.T形等效電路

一次和二次繞組以及激磁部分的的等效電路，如圖2—10(a),(b)和(c)所示。根據(jù)

兩式，把這三個電路連接在一起，即可得到變壓器的T形等效電路，如圖2—11所示。

′／k)。

3.近似和簡化等效電路近似等效電路如圖2—12a

所示。簡化等效電路如圖所示2—12b

在簡化等效電路中，變壓器的等效阻抗表現(xiàn)為一串聯(lián)阻抗：

稱為等效漏阻抗,可由短路實驗測出,故亦稱短路阻抗；和分別稱為短路電阻和短路電抗。返回一、開路試驗

亦稱空載試驗。

試驗接線圖：如圖2—13所示。

試驗方法：二次繞組開路，一次繞組加以額定電壓，測量此時的輸入功率、電壓和電流。2.5等效電路參數(shù)的測定為試驗方便和安全，通常在低壓側加電壓，高壓側開路。數(shù)據(jù)處理：二、短路試驗

亦稱為負載試驗。

試驗接線圖：如圖2—14所示。

試驗方法：二次繞組短路，一次繞組上加一可調(diào)的低電壓。調(diào)節(jié)外加的低電壓，使短路電流達到額定電流，測量此時的一次電壓輸入功率和電流，由此即可確定等效漏阻抗。

短路試驗常在高壓側加電壓，低壓側短路。數(shù)據(jù)處理：電阻應折算到７５℃：若為銅線，則：

短路電壓（阻抗電壓）：短路是試驗時,使電流達到額定值時所加的電壓。【例題2-1】返回

一、三相變壓器的磁路1.三相變壓器組

圖2—16表示三臺單相變壓器在電路上聯(lián)接起來，組成一個三相系統(tǒng)，這種組合稱為三相變壓器組。三相變壓器組的磁路彼此獨立，三相各有自己的磁路。2-6三相變壓器三相變壓器對稱運行時，其各相的電壓，電流大小相等，相位相差，因此在在運行原理的分析與計算時，可以取三相中一相來研究，即三相問題可以轉化為單相問題。2.三相心式變壓器如果把三臺單相變壓器的鐵心拼成星形磁路，則當三相繞組外施三相對稱電壓時，由于三相主磁通也對稱，故三相磁通之和將等于零，即

這樣，中間心柱將無磁通通過，可省略。進而把三個心柱安排在同一平面內(nèi)，可得三相心式變壓器。如圖2-17。二、三相變壓器繞組的聯(lián)結

三相心式變壓器的三個心柱上分別套有A相、B相和C相的高壓和低壓繞組，三相共六個繞組，如圖2—18所示。為絕緣方便，常把低壓繞組套在里面，靠近心柱，高壓繞組套裝在低壓繞組外面。三相繞組常用(用Y或y表示)或三角形聯(lián)結(用D或d)表示。

星形聯(lián)結是把三相繞組的三個首端A,B,C引出，把三個尾端X,Y,Z聯(lián)結在一起作為中點。如圖2-19a）。三角形聯(lián)結是把一相繞組的尾端和另一相繞組的首端相聯(lián)，順次聯(lián)成一個閉和的三角形回路，最后把首端A,B,C引出。如圖2-19b）。三相變壓器高壓繞組的首端通常用大寫的A、B、C表示，尾端用大寫的X、Y、Z表示，低壓繞組的首端用小寫的a、b、c表示，尾端用x、y、z表示。1.高、低壓繞組相電壓的相位關系

為了確定相電壓的相位關系，高壓和低壓繞組相電壓相量的正方向統(tǒng)一規(guī)定為從繞組的首端指向尾端。高壓和低壓繞組的相電壓既可能是同相位，亦可能是反相位，取決于繞組的同名端是否同在首端或尾端。如圖2-20。時鐘表示法：即把高、低壓繞組兩個線電壓三角形的重心重合，把高壓側線電壓三角形的一條中線作為時鐘的長針，指向鐘面的12，再把低壓側線電壓三角形中對應的中線作為短針，它所指的鐘點就是該聯(lián)結組的組號。

2.高、低壓繞組線電壓的相位關系

（1）Y，y0聯(lián)結組如若把低壓側的同名端改為尾端，則聯(lián)結組變?yōu)閅，y6。（2）Y，d11聯(lián)結組如若把低壓側的同名端改為尾端，則聯(lián)結組變?yōu)閅，d5；若把低壓側由順接改為逆接，則聯(lián)結組變?yōu)閅，d51。（3）標準聯(lián)結組Y，yn0；Y，d11；YN，d11；YN，y0；Y，y0五種，前三種常用。在實際電力系統(tǒng)中所用變壓器至少有一側繞組接成d接。圖2—22圖2—21返回1.基值的選取應用標幺值時，首先要選定基值(用下標b表示)。對于電路計算而言，四個基本物理量U、I、Z和S中，有兩個量的基值可以任意選定，其余兩個量的基值可根據(jù)電路的基本定律導出。2-7標幺值所謂標幺值就是某一物理量的實際值與選定的基值之比。2.標幺值

計算變壓器或電機的穩(wěn)態(tài)問題時，常用其額定值作為相應的基值。此時一次和二次相電壓的標幺值為:一次和二次相電流的標幺值為:歸算到一次側時，等效漏阻抗的標幺值為：在三相系統(tǒng)中，線電壓和線電流亦可用標幺值表示，此時以線電壓和線電流的額定值為基值。不難證明，此時相電壓和線電壓的標幺值相等，相電流和線電流亦相等。三相功率的基值取為變壓器(電機)的三相額定容量，即：3.應用標幺值的優(yōu)點

(1)不論變壓器或電機容量的大小，用標幺值表示時，各個參數(shù)和典型的性能數(shù)據(jù)通常都在一定的范圍以內(nèi)，因此便于比較和分析。

(2)用標幺值表示時，歸算到高壓側或低壓側時變壓器的參數(shù)恒相等，故用標幺值計算時不必再進行歸算。(3)標幺值的缺點是沒有量綱，無法用量綱關系來檢查。

【例題2-２】【例題2-3】返回一、電壓調(diào)整率

2-8變壓器的運行性能定義：當一次側電壓保持為額定，負載功率因數(shù)為常值，從空載到負載時二次側電壓變化的百分值，用△u表示。由圖2-28(a)和圖2-28(b)得：額定電壓調(diào)整率（）：當負載為額定負載、功率因數(shù)為指定值(通常為0.8滯后)時的電壓調(diào)整率。額定電壓調(diào)整率是變壓器的主要性能指標之一，通常約為5%。二、效率和效率特性變壓器運行時將產(chǎn)生損耗，變壓器的損耗分為銅耗和鐵耗兩類。每一類又包括基本損耗和雜散損耗。

基本銅耗：是指電流流過繞組時所產(chǎn)生的直流電阻損耗。1.銅耗雜散銅耗：主要指漏磁場引起電流集膚效應，使繞組的有效電阻增大而增加的銅耗，以及漏磁場在結構部件中引起的渦流損耗等。銅耗與負載電流的平方成正比，因而也稱為可變損耗。2.鐵耗

基本鐵耗：是變壓器鐵心中的磁滯和渦流損耗。雜散鐵耗：包括疊片之間的局部渦流損耗和主磁通在結構部件中引起的渦流損耗等。鐵耗可近似認為與或成正比，由于變壓器的一次電壓保持不變,故鐵耗可視為不變損耗。

效率:輸出功率與輸入功率之比。

3.效率特性其中:從效率特性可見,當負載達到某一數(shù)值時,效率將達到最大值。把上式對求導,并使,可得:上式說明，發(fā)生最大效率時，變壓器的銅耗恰好等于鐵耗。效率特性：效率η是負載電流的函數(shù)，如圖2—29所示。小提示:本章內(nèi)容已結束,及時復習可以鞏固學習效果。工程上常用間接法來計算效率，即測出銅耗和鐵耗,在計算效率。公式如下:

【例題2-4】返回

圖2-4變壓器的空載運行

圖2-8變壓器的負載運行

圖2-6（a）鐵心的磁化曲線O

O圖2-6（b）磁路飽和時磁化電流成為尖頂波

0圖2-29變壓器的效率特性

圖2-5變壓器的空載相量圖

圖2-7(a)鐵心線圈的并聯(lián)等效電路

圖2-7(b)鐵心線圈的串聯(lián)等效電路

WAVV圖2-13開路試驗的接線圖

WAV圖2-14短路試驗的接線圖

圖2-10根據(jù)歸算后的基本方程畫出的部分電路圖

圖2-11變壓器的T形等效電路圖

圖2-12(a)變壓器的近似形等效電路圖

圖2-12(b)變壓器的簡化等效電路

圖2-15例2-1變壓器的T形等效電路

圖2-16三相變壓器組及其磁路XYZABC

圖2-28(a)簡化等效電路圖

圖2-28用簡化等效及其向量圖求b)相量圖

一臺單相變壓器，在時開路和短路試驗數(shù)據(jù)如下【例題2-1】試驗名稱電壓電流功率備注開路試驗11KV45.5A47KW電壓加在低壓側短路試驗9.24KV157.5A129KW電壓加在高壓側試求：(1)歸算到高壓側時激磁阻抗和等效漏阻抗的值(2)已知，畫出T形等效電路。

解一次和二次繞組的額定電流為

電壓比歸算到高壓側時的激磁阻抗和等效漏阻抗

換算到（2）T形等效電路圖如圖2-15所示，圖中

對于例2-1的單相20000KVA變壓器，試求出激磁阻抗和漏阻抗的標幺值。從【例題2-1】可知，一次和二次繞組電壓分別為127KV和11KV，額定電流分別為157.5A和1818.2A。由此可得：激磁阻抗標幺值歸算到低壓側時

解【例題2-2】

歸算到高壓側時

由于歸算到低壓側的激磁阻抗是歸算到高壓側的k的平方倍而高壓側的阻抗基值亦是低壓側的k的平方倍，所以從高壓側或低壓側算出的激磁阻抗標幺值恰好相等；故用標幺值計算時，可以不再進行歸算。

（2）漏阻抗的標幺值

若短路試驗在額定電流下進行，亦可以把實試驗數(shù)據(jù)化成標幺值來計算，即

【例題2-3】一臺三相變壓器，Y，d聯(lián)結，

。當外施額定電壓時，變壓器的空載損耗，空載電流為額定電流的5%。當短路電流為額定電流時，短路損耗（已換算到75度時的值），短路電壓為額定電壓的5.5%。試求歸算到高壓側的激磁阻抗和漏阻抗的實際值和標幺值.

解: (1)激磁阻抗和漏阻抗標幺值:

歸算到高壓側時激磁阻抗和漏阻抗的實際值高壓側的額定電流和阻抗基值為:于是歸算到高壓側時各阻抗的實際值:

（2）最大效率和達到最大效率時的負載【例題2-4】已知例2-1中變壓器的參數(shù)和損耗為

求此變壓器帶上額定負載,(滯后)時的額定電壓調(diào)整率和額定效率,并確定最大效率和達到最大效率時的負載電流.解:額定電壓調(diào)整率和額定效率:

圖2-17三相心式變壓器的磁路

a)三相星形磁路b)三相磁通的相量圖

圖2-17三相心式變壓器的磁路

c)實際心式變壓器的磁路

ABCXYZABCXYZ圖2-19三相繞組的聯(lián)結法

a)星形聯(lián)結b)三角形聯(lián)結

AXaxAXaxa)

b)圖2-20高低壓繞組的同名端和相電壓的相位關系

a)和b)首端為同名端,與同相

AXaxc)AXaxd)圖2-20高低壓繞組的同名端和相電壓的相位關系

c)和d)首端為非同名端,和反相

ABCXYZxyzabc圖2-21Y,y0聯(lián)結組a)繞組聯(lián)結圖

ACBabc圖2-21Y,y0聯(lián)結組b)高低壓電壓相量圖

XYZxyzbcABCa圖2-22Y,y11聯(lián)結組a)繞組聯(lián)結圖

Aybzxc.ABCabc圖2-22Y,y11聯(lián)結組b)低壓側的相量圖

c)由高低壓線電壓三角形確定組號b)c)

第三章交流繞組的電動勢與磁動勢

3.1交流繞組的構成原則和分類3.2三相雙層繞組3.3正弦磁場下交流繞組的感應電動勢3.4通有正弦電流時單相繞組的磁動勢3.5通有三相電流時三相繞組的磁動勢

本章主要內(nèi)容1.交流繞組的連接規(guī)律

2.正弦磁場下交流繞組的感應電動勢

3.通有正弦電流時單相繞組的磁動勢

4.通有對稱三相電流時的磁動勢

3.1交流繞組的構成原則和分類一、構成原則

(1)、合成電動勢和合成磁動勢的波形要接近于正

(2)、對三相繞組，各相的電動勢和磁動勢要對稱，弦形、幅值要大；電阻、電抗要平衡；

二、分類按相數(shù)：單相和多相繞組；按槽內(nèi)層數(shù)：單層和雙層；

按每極下每相槽數(shù)：整數(shù)槽和分數(shù)槽；

按繞法：疊繞組和波繞組。

(4)、絕緣要可靠，機械強度、散熱條件要好，(3)、繞組的銅耗要小，用銅量要??；制造要方便。

的三相交流電機，其定子繞組大多采用（1）可以選擇最有利的節(jié)距，并同時采用分布繞組，

（3）端部形狀排列整齊，有利于散熱和增強機械（2）所有線圈具有相同的尺寸，便于制造；主要優(yōu)點：特點：繞組的線圈數(shù)等于槽數(shù)。

3.2三相雙層繞組雙層繞組。（雙層繞組和單層繞組的比較、交流繞組的模型）以改善電動勢和磁動勢的波形；強度。一、槽電動勢星形圖和相帶劃分

體（槽號）是如何分配的。

現(xiàn)以一臺相數(shù)，極數(shù)，槽數(shù)的定子來說明槽內(nèi)導體的感應電動勢和屬于各相的導1、概念定子每極每相槽數(shù)：式中，

Q—定子槽數(shù)；

p

—極對數(shù)；

m—相數(shù)。相鄰兩槽間電角度：

此角亦是相鄰槽中導體感應電動勢的相位差。2、槽電動勢的星形圖如圖4－1表示36槽內(nèi)導體感應電動勢的相量圖，亦稱為槽電動勢星形圖。

以A相位例，由于，故A相共有12個槽

相帶：每極下每相所占的區(qū)域。A相帶：

1、2、3線圈組（）

與19、20、21（）X相帶：10、11、12

（）

與28、29、30（）

將四個線圈組按照一定的規(guī)律連接，即可得到A相繞組。

同理，B相距離A相電角度處，C相距離A相

電角度處，可按(圖4－1)所劃分的相帶連成B、C相帶繞組：每個相帶各占電角度。各個相帶的槽號分布。（表4-1）兩相繞組。由此可得到一個三相對稱繞組。二、疊繞組

疊繞組：繞組嵌線時，相鄰得兩個串聯(lián)線圈中，串聯(lián)時應將極相組和極相組反向串聯(lián)，即首－首相

為避免電動勢或電流所形成的磁場互相抵消，

極相組的電動勢、電流方向與極相組的電動勢（圖4-3）后一個線圈緊“疊”在前一個線圈上。（圖4-2）電流方向相反。連把尾端引出，或尾－尾相連把首端引出。3.3正弦磁場下交流繞組的感應電動勢一、導體的感應電動勢1、電動勢的波形2、正弦電動勢的頻率感應電動勢的頻率：

同步轉速：

3、導體電動勢的有效值

將代入上式得導體電動勢為

二、整距線圈的電動勢匝電勢單匝線圈電動勢的有效值

線圈有匝，則線圈電動勢為三、短距線圈的電動勢，節(jié)距因數(shù)短距線圈的節(jié)距，用電角度表示時，節(jié)距為單匝線圈的電動勢為據(jù)相量圖中的幾何關系，得單匝線圈電動勢的（圖4－4）

為線圈的基波節(jié)距因數(shù)，表示線圈短距時感應電動勢比整距時應打的折扣，有效值

為四、分布繞組的電動勢，分布因數(shù)和繞組因數(shù)

個線圈的合成電動勢為式中，—外接圓的半徑。把代入上式，得

（圖4－5）

式中，—個線圈電動勢的代數(shù)和；—繞組的基波分布因數(shù)，

的意義：由于繞組分布在不同的槽內(nèi)，使得個分布線圈的合成電動勢小于個集中線圈的合成電動勢，由此所引起的折扣。一個極相組的電動勢為式中，—個線圈的總匝數(shù)；—繞組的基波繞組因數(shù)。

的意義：既考慮繞組短距、又考慮繞組分布時，整個繞組的合成電動勢所須的總折扣。五、相電動勢和線電動勢

設一相繞組的總串聯(lián)匝數(shù)為，則一相的電動勢應為3.4通有正弦電流時單相繞組的磁動勢一相繞組的磁動勢為則單相繞組的基波磁動勢為式中，—單相繞組基波磁動勢的幅值，

單相繞組的基波磁動勢在空間隨角按余弦規(guī)律

單相繞組的基波磁動勢為脈振磁動勢，其脈振頻率取決于電流的頻率。分布，在時間上隨按余弦規(guī)律脈振。（圖4－6）

3.5通有三相電流時三相繞組的磁動勢三相繞組基波合成磁動勢為式中，—三相繞組基波磁動勢的幅值。

性質：是一個沿著氣隙圓周連續(xù)推移的旋轉磁動勢波。a)轉速：

即。

b)幅值位置：當某相電流達到交流的最大值時，基波c)方向：

取決于交流電流的相序。的軸線重合。合成旋轉磁動勢波的幅值就將與該相繞組圖4－1三相雙層繞組的槽電動勢星形圖相帶槽號極

對ABCXYZ1,2,34,5,67,8,910,11,1213,14,1516,17,1819,20,2122,23,2425,26,2728,29,3031,32,3334,35,36第一對極下（1槽~18槽）第二對極下（19槽~36槽）表4-1各個相帶的槽號分布

1357911131517192123252729313335123101112192021282930圖3-2三相雙層疊繞組的A繞組的展開圖-1-2-3--10-11-12--19-20-21--28-29-30-圖：A相繞組線圈的連接圖（一條并聯(lián)支路）1—2—319—20—2110—11—1228—29—30圖3-3A相繞組線圈的連接圖（兩條并聯(lián)支路）圖3-5極相組的合成電動勢圖3-6不同瞬間時單相繞組的基波脈振磁動勢第四章異步電機4.1感應電機的結構和運行狀態(tài)4.2三相感應電動機的磁動勢和磁場4.3三相感應電動機的電壓方程和等效電路4.4感應電動機的功率方程和轉矩方程4.5感應電動機參數(shù)的測定4.7感應電動機的工作特性4.6感應動機的轉矩—轉差率曲線本章主要研究定、轉子間靠電磁感應作用，在轉子內(nèi)感應電流以實現(xiàn)機電能量轉換的感應電機。感應電機一般都用作電動機，在少數(shù)場合下，亦有用作發(fā)電機的。本章先說明空載和負載時三相感應電動機內(nèi)的磁動勢和磁場，然后導出感應電動機的基本方程和等效電路，最后分析它的運行特性和起動，調(diào)速等問題。

一、感應電機的結構感應電機定子繞組定子鐵心轉子機座

籠型

結構轉子鐵心轉軸轉子繞組繞線型

結構定子4.1感應電機的結構和運行狀態(tài)二、感應電機的運行狀態(tài)旋轉磁場的轉速ns與轉子轉速n之差稱為轉差．轉差Δn與同步轉速ns的比值稱為轉差率，用s表示，即：

轉差率是表征感應電機運行狀態(tài)的一個基本變量。按照轉差率的正負和大小，感應電機有電動機、發(fā)電機和電磁制動三種運行狀態(tài)，如圖4-5所示

例題額定功率PN

(kW)

：額定運行時軸端輸出的機械功率；額定電壓UN

(V)

：額定運行時定子繞組的線電壓；額定電流IN

(A)：額定電壓下運行，輸出功率為額定值時，定子繞組的線電流；額定頻率fN

(Hz)：定子的電源頻率；額定轉速nN

(r/min)

：額定運行時轉子的轉速。三、額定值返回

空載運行時，定子磁動勢基本上就是產(chǎn)生氣隙主磁場的激磁磁動勢，定子電流就近似等于激磁電流。計及鐵心損耗時，磁場在空間滯后于磁動勢以鐵心損耗角，如圖4-6所示。4.2三相感應電動機的磁動勢和磁場一、空載運行時的磁動勢和磁場

1.空載運行時的磁動勢

2.主磁通和激磁阻抗主磁通是通過氣隙并同時與定、轉子繞組相交鏈的磁通，它經(jīng)過的磁路(稱為主磁路)包括氣隙、定子齒、定子軛、轉子齒、轉子軛等五部分．如圖4-7所示。氣隙中的主磁場以同步轉速旋轉時，主磁通將在定子每相繞組中感生電動勢

若主磁路的磁化曲線用一條線性化的磁化曲線來代替，則主磁通將與激磁電流成正比；于是可認為與之間具有下列關系：3.定子漏磁通和漏抗定子漏磁通又可分為槽漏磁、端部漏磁和諧波漏磁等三部分，槽漏磁和端部漏磁如圖4-8a和b所示。定子漏磁通將在定子繞組中感應漏磁電動勢。把作為負漏抗壓降來處理，可得

二、負載運行時的轉子磁動勢和磁動勢方程當電動機帶上負載時，轉子感應電動勢和電流的頻率f2應為

轉子電流產(chǎn)生的旋轉磁動勢F2相對于轉子的轉速為n2：

1.轉子磁動勢轉子本身又以轉速n在旋轉，因此從定子側觀察時，F(xiàn)2在空間的轉速應為

定子和轉子磁動勢之間的速度關系，如圖4-9所示。圖4-10表示三相繞線型轉子的轉子磁動勢的空間相位。例題

負載時轉子磁動勢的基波對氣隙磁場的影響，稱為轉子反應。轉子反應有兩個作用：使氣隙磁場的大小和空間相位發(fā)生變化，從而引起定子感應電動勢和定子電流發(fā)生變化。它與主磁場相互作用，產(chǎn)生所需要的電磁轉矩，以帶動軸上的機械負載。2.轉子反應

轉子反應的兩個作用合在一起，體現(xiàn)了通過電磁感應作用，實現(xiàn)機電能量轉換的機理。由此可以進一步導出負載時的磁動勢方程：

圖4-11示出了負載時定、轉子磁動勢間的關系，以及定子電流與激磁電流和轉子電流的關系。3.負載時的磁動勢方程

→返回1.定子電壓方程

4.3三相感應電動機的電壓方程和等效電路一、電壓方程2.轉子電壓方程

定子轉子圖4-12表示電壓方程相應的定、轉子的耦合電路圖定子繞組內(nèi)轉子繞組內(nèi)二、等效電路

1.頻率歸算圖4-13表示頻率歸算后，感應電動機定、轉子的等效電路圖；圖中定子和轉子的頻率均為f1，轉子電路中出現(xiàn)了一個表征機械負載的等效電阻。

圖4-14表示頻率和繞組歸算后定、轉子的耦合電路圖。

2.繞組歸算

根據(jù)上式即可畫出感應電動機的T形等效電路，如圖4-15所示。圖4-16表示與基本方程相對應的相量圖。經(jīng)過歸算，感應電動機的電壓方程和磁動勢方程成為3.T型等效電路和相量圖4.近似等效電路由此即可畫出Γ形近似等效電路，如圖4-17所示。返回

感應電動機從電源輸入的電功率：消耗于定子繞組的電阻而變成銅耗：消耗于定子鐵心變?yōu)殍F耗：

從定子通過氣隙傳送到轉子的電磁功率：

4.4感應電動機的功率方程和轉矩方程一、功率方程，電磁功率和轉換功率功率方程為：其中圖4-18表示相應的功率圖。二、轉矩方程和電磁轉矩轉矩方程電磁轉矩例題返回1.試驗目的:確定電動機的激磁參數(shù)、鐵耗和機械損耗。一、空載試驗4.5感應電動機參數(shù)的測定空載特性曲線2.鐵耗和機械損耗分離返回

參數(shù)計算

激磁電阻

空載電抗

激磁電抗5.5感應電動機參數(shù)的測定

短路特性二、堵轉試驗1.試驗目的：確定感應電動機的漏阻抗。等效電路2.參數(shù)計算返回轉矩—轉差率特性曲線如圖4-25所示。

4.6感應電動機的轉矩—轉差率曲線一、轉矩—轉差率特性二、最大轉矩和起動轉矩1.最大轉矩

2.起動轉矩3.討論感應電機的最大轉矩與電源電壓的平方成正比，與定、轉子漏抗之和近似成反比；最大轉矩的大小與轉子電阻值無關，臨界轉差率則與轉子電阻成正比：轉子電阻增大時，臨界轉差率增大，但最大轉矩保持不變，此時Ｔｅ－ｓ曲線的最大值將向左偏移,如圖4-26所示；起動轉矩隨轉子電阻值的增加而增加，直到達到最大轉矩為止。三、機械特性(轉矩-轉速特性)

工程中將感應電動機的轉速隨電磁轉矩的變化曲線成為機械特性。電動機機械特性與負載機械特性的交點稱為電動機的運行點。兩者之間的關系如圖4-27所示。

例題返回

在額定電壓和額定頻率下，電動機的轉速、電磁轉矩、定子電流、功率因數(shù)、效率與輸出功率的關系曲線稱為感應電動機的工作特性。

圖5-28表示一臺10kW的三相感應電動機的轉速特性和定子電流特性。電磁轉矩、功率因數(shù)和效率特性如圖5-29所示。由于感應電動機的效率和功率因數(shù)都在額定負載附近達到最大值，因此選用電動機時應使電動機的容量與負載相匹配，以使電動機經(jīng)濟、合理和安全地使用。4.7感應電動機的工作特性一、工作特性

先用空載試驗測出電動機的鐵耗、機械損耗和定子電阻，再進行負載試驗求取工作特性。二、工作特性的求取1.直接負載法2.由參數(shù)算出電動機的主要運行數(shù)據(jù)在參數(shù)已知的情況下，給定轉差率，利用等效電路求出工作特性。

返回返回導條端環(huán)籠型繞組返回風葉鐵心繞組滑環(huán)軸承返回感應電動機的空載磁動勢和磁場返回ACBXYZ返回感應電機中主磁通所經(jīng)過的磁路返回端部漏磁槽漏磁返回定轉子磁動勢之間的速度關系返回轉子磁動勢波F2氣隙磁場Bm轉子轉子磁動勢波F2氣隙磁場Bm轉子轉子磁動勢與氣隙磁場在空間的相對位置定、轉子磁動勢的空間矢量圖和定、轉子電流相量圖返回返回感應電動機定、轉子耦合電路圖頻率歸算后感應電動機的定、轉子電路圖返回返回頻率和繞組歸算后感應電動機的定、轉子電路圖返回感應電動機的T形等效電路異步電動機相量圖

返回形近似等效電路返回返回感應電動機的功率圖轉矩—轉差率特性曲線返回返回1.00.80.60.40.20

300250200150100500轉子電阻變化時的Te-s曲線11111111111111111111返回感應電動機的轉矩-轉速特性返回242016128401210864201.000.950.900.850.800.750感應電動機的返回0.10.80.60.40.2010080604020024681012感應電動機的[例4-1]

有一臺50Hz的感應電動機，其額定轉速nN＝730r／min，試求該機的額定轉差率

解：

s=(ns-nN)/ns

=

750-730/750=0.02667

[例4-2]

有一臺50HZ、三相、四極的感應電動機轉子的轉差率s=5%，試求：（1）轉子電流的頻率；（2）轉子磁動勢相對于轉子的轉速；（3）轉子磁動勢在空間的轉速。

解

(1)轉子電流的頻率

f2=sf1=0.05×50=2.5Hz(2)轉子磁動勢相對于轉子的轉速

n2=60f2/p=(60×2.5)/2=75r/min

(3)轉子磁動勢在空間的轉速

n2+n=n2+ns(1-s)=1500r/min例[4-3]

已知一臺三相四極的籠型感應電動機，額定功率

PN＝l0kW，額定電壓UN＝380V(三角形聯(lián)結)，定子每相電阻R1=1.33Ω,漏抗X1σ＝2.43Ω，轉子電阻的歸算值R′2=1.12Ω，漏抗歸算值X′2σ=4.4Ω，激磁阻抗Rm＝712Ω，Xm＝900Ω，電動機的機械損耗pΩ=100W，額定負載時的雜散損耗pΔ=100W。試求額定負載時電動機的轉速，電磁轉矩，輸出轉矩，定子和轉子相電流，定子功率因數(shù)和電動機的效率。

定子功率因數(shù)為：（2）轉子電流和激磁電流

（3）定，轉子損耗（4）輸出功率和效率（5）額定負載時的轉速（6）電磁轉矩和輸出轉矩

[例4-4]

一臺四極、380V、三角形聯(lián)結的感應電動機，其參數(shù)為Ｒ1=4.47Ω，Ｒ′2=3.18Ω，X1σ=6.7Ω，X′2σ=9.85Ω，Xｍ=188Ω,

Ｒm忽略不計。試求該電動機的最大轉矩Ｔmax及臨界轉差ｓｍ，起動電流Ist及起動轉矩Ｔst。

解：起動時s=1，起動電流和起動轉矩分別為：

第5章同步電機5.1同步電機的基本結構和運行狀態(tài)5.2空載和負載時同步發(fā)電機的磁場5.3隱極同步發(fā)電機的電壓方程、相量圖和等效電路5.4凸極同步發(fā)電機的電壓方程和相量圖5.5同步發(fā)電機的功率方程和轉矩方程5.6同步電機參數(shù)的測定5.7同步發(fā)電機的運行特性6.1

同步電機的基本結構和運行狀態(tài)

同步電機一、同步電機的基本結構

旋轉電樞式

旋轉磁極式

隱極式（Salient-pole）

凸極式（Cylindrical-Rotor）

二、同步電機的運行狀態(tài)發(fā)電機——把機械能轉換為電能

電動機——把電能轉換為機械能補償機——沒有有功功率的轉換，只發(fā)出或吸收無功功率

同步電機運行狀態(tài)，主要取決于定子合成磁場與轉子主磁場之間的夾角δ，δ稱為功率角

6.1

同步電機的基本結構和運行狀態(tài)

三、同步電機的勵磁方式直流勵磁機勵磁——直流勵磁機通常與同步發(fā)電機同軸，采用并勵或他勵接法。

如圖6—8所示

整流器勵磁————靜止式——如圖6-9旋轉式6.1

同步電機的基本結構和運行狀態(tài)

額定容SN——指額定運行時電機的輸輔出功率

額定電壓