1、第1章 变压器1.1 变压器的基本结构、分类、用途和变压器的基本结构、分类、用途和 铭牌数据铭牌数据1.2 单相变压器的工作原理和性质单相变压器的工作原理和性质1.3 三相变压器及其连接三相变压器及其连接1.4 其他常用变压器其他常用变压器本章小结本章小结1.1 变压器的基本结构、变压器的基本结构、分类、分类、用途和铭牌数据用途和铭牌数据1.1.1 变压器的基本结构变压器的基本结构 变压器作为一种静止的电气设备,其基本结构主要由两部分组成:铁芯和绕组。对于 不同种类的变压器,还装有其他附件,结构也各不相同。1.铁芯铁芯 铁芯是变压器的磁路部分,同时作为变压器的结构骨架。目前国产硅钢片有热轧硅钢
2、片、冷轧无取向硅钢片、冷轧晶粒取向硅钢片等。根据铁芯的结构形式,变压器可分为壳式变压器和心式变压器两大类。壳式变压器是 铁轭包围绕组的顶面、底面和侧面,在中间的铁芯柱上放置线圈,形成铁芯包围绕组的形 状,如图11所示。图11(a)为单相壳式变压器,图11(b)为三相壳式变压器。图11 壳式变压器心式变压器是在铁芯的铁芯柱上放置线圈,形成线圈包围铁芯的形状,而铁轭只靠着 线圈的顶面和底面,如图1 2所示。图1 2(a)为单相心式变压器,图12(b)为三相心式 变压器。图12 心式变压器2.绕组绕组 绕组是变压器的电路部分,它一般是用具有绝缘的漆包圆铜线、扁铜线或扁铝线绕制 而成的。接于高压电网的
3、绕组称为高压绕组;接于低压电网的绕组称为低压绕组。根据高、低压绕组的相对位置,绕组可分为同心式和交叠式两种类型。同心式绕组的高、低压绕组同心地套在铁芯柱上,如图12所示。交叠式绕组是将高压绕组及低压绕组分成若干个线 饼,交替地套在铁芯柱上,为了便于绝缘,靠近上下铁 轭的两端一般都放置低压绕组,如图13所示,它又称 1低压绕组;2高压绕组为饼式绕组。高、低压绕组之间的间隙较多,绝缘比较复杂,主要用于特种变压器中。这种绕 组漏抗小,机械强度高,但高、低压绕组之间的绝缘比较复杂,一般用于低电压大电流的变压 器中,如电炉变压器、电焊变压器等。图13 交叠式绕组 1.1.2 变压器的分类变压器的分类 变
4、压器种类很多,通常可按其用途、绕组数目、铁芯结构、相数和冷却方式等进行 分类。按用途分类,有用于电力系统升、降压的电力变压器;还有以大电流和恒流为特征的 变压器,如电焊变压器、电炉变压器和整流变压器等;供传递信息和测量用的变压器,如电 磁传感器、电压互感器和电流互感器等;在自控系统中还有脉冲变压器、音频和高频变压 器等多种特殊变压器。按绕组数目分类,可分为双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器和自耦变压 器等。按铁芯结构分类,可分为心式变压器和壳式变压器。按相数分类,可分为单相变压器、三相变压器和多相变压器等。按冷却方式分类,可分为干式变压器、油浸自冷变压器、油浸风冷变压器、充气式变压 器和
5、强迫油循环变压器等。1.1.3 变压器的用途变压器的用途 在电力系统中,变压器是一种非常重要的电气设备。变压器在输、配电系统中起着非常重要的作用。在其他需要特种电源的工 业企业中,变压器的应用也很广泛,如供电给整流设备、电炉等;此外在试验设备、测量设 备和控制设备中也应用着各种类型的变压器。1.1.4 变压器的铭牌数据变压器的铭牌数据 为保证变压器的正确使用,保证其正常工作,在每台变压器的外壳上都附有铭牌,标 志其型号和主要参数。变压器的铭牌数据主要有以下几种。1.额定容量额定容量SN 在铭牌上所规定的额定状态下变压器输出能力(视在功率)的保证值,称为变压器的额定 容量,单位以 VA、kVA或
6、 MVA表示。2.额定电压额定电压UN 标志在铭牌上的各绕组在空载、额定分接下端电压的保证值,称为额定电压,单位以 V 或kV 表示。对三相变压器,额定电压是指线电压。3.额定电流额定电流IN 根据额定容量和额定电压计算出的线电流,称为额定电流,单位以 A 表示。对单相变压器,一、二次绕组的额定电流分别为对三相变压器,一、二次绕组的额定电流分别为4.额定频率额定频率fN 我国规定标准工业用电的额定频率为50Hz。此外,额定运行时变压器的效率、温升等数据均为额定值。除额定值外,铭牌上还标有 变压器的相数、连接方式与组别、运行方式(长期运行或短时运行)及冷却方式等。1.2 单相变压器的工作原理和性
7、单相变压器的工作原理和性质质1.2.1 单相变压器的工作原理单相变压器的工作原理 1.变压器的空载运行变压器的空载运行 变压器的一次绕组接在额定电压的交流电源上,而二次绕组开路时的运行状态称为变 压器的空载运行。图14是单相变压器空载运行的示意图。图中u1为一次绕组电压,u02 为二次绕组空载电压,N1和 N2分别为一、二次绕组的匝数。图14 单相变压器空载运行示意图1)变压器空载运行时各物理量的关系式 当变压器的一次绕组加上交流电压u1时,一次绕组内便有一个交变电流i0流过。由于 二次绕组是开路的,故二次绕组中没有电流。此时一次绕组中的电流i0称为空载电流。同 时在铁芯中产生交变磁通,其同时
8、穿过变压器的一、二次绕组,因此又称之为交变主磁 通。设则变压器一次绕组的感应电动势为式中,m 为铁芯中的磁通,f 为频率,为角频率。式(1 2)表明,e1滞后于主磁通p/2电角。式中2pfmNl为感应电动势的最大值,用 E1m 表示。把E1m 除以 2,则可求出变压器一次绕组感应电动势的有效值为2)变压器的电压变换 由式(13)和式(14)可见,由于变压器一、二次绕组的匝数 N1和 N2不相等,因而 E1和E2的大小是不相等的,变压器输入电压U1 和变压器二次侧电压U02的大小也不相等。变压器一、二次绕组电压之比为式中,Ku称为变压器的电压比,也可用 K 来表示,这是变压器中最重要的参数之一。
9、2.变压器的负载运行变压器的负载运行 当变压器的二次绕组接上负载阻抗ZL时,则变压器投入负载运行,如图15所示。这时二次绕组中就有电流I2流过,I2随负载的大小而变化,同时一次电流I1也随之改变。变 压器负载运行时的工作情况与空载运行时的工作情况明显不同。图15 变压器负载运行示意图1)变压器负载运行时的磁动势平衡方程 二次绕组接上负载后,电动势E2将在二次绕组中产生电流I2,同时一次绕组的电流从 空载电流I0相应地增大为电流I1。I2越大,I1也越大。从能量转换角度来看,二次绕组接上负载后,产生电流I2,二次绕组向负载输出电能。这些电能只能由一次绕组从电源吸取,通过主磁通1 传递给二次绕组。
10、二次绕组输出的电 能越多,一次绕组吸取的电能也就越多。因此,二次电流变化时,一次电流也会相应地 变化。2)变压器的电流变换1.2.2 单相变压器的性质单相变压器的性质 1.电压变换电压变换 电压变换可以描述为2.电流变换电流变换 电流变换可以描述为此外,变压器还有阻抗变换的性质。3.阻抗变换阻抗变换 阻抗变换如图16所示。图16 变压器的阻抗变换由式(116)可知:(1)只要改变变压器一次、二次绕组的匝数比,就可以改变变压器一次、二次绕组的阻 抗比,从而获得所需的阻抗匹配。(2)接在变压器二次侧的负载阻抗Z2对变压器一次侧的影响,可以用一个接在变压器 一次侧的等效阻抗来代替,代替后变压器一次电
11、流I1不变。例例11 已知某音响设备输出电路的输出阻抗为320,所接的扬声器阻抗为5,现 在需要接一输出变压器使两者实现阻抗匹配,试求:(1)该变压器的电压比 Ku;(2)若该变压器一次绕组匝数为480匝,二次绕组匝数为多少?解解(1)根据已知条件,输出变压器一次绕组的阻抗 Z1=320,二次绕组的阻抗 Z2=5,由式(116)得变压器的电压比为(2)由式(19)知则变压器二次绕组匝数为1.3 三相变压器及其连接三相变压器及其连接1.3.1 三相变压器的组成三相变压器的组成 三相变压器按照其磁路系统的不同可以由三台同容量的单相变压器组成,称为三相变 压器组;也可由三个单相变压器合成一个三铁芯柱
12、的三相心式变压器。1.三相变压器组三相变压器组 三相变压器组是指根据需要,把三个同容量的变压器的一次、二次绕组分别接成星形 或三角形。一般三相变压器组的一次、二次绕组均采用星形连接,如图17所示。图17 三相变压器组2.三相心式变压器三相心式变压器 三相心式变压器是由三相变压器组演变而来的。把三个单相心式变压器合并成如图 18(a)所示的结构,通过中间芯柱的磁通为三相磁通的相量和。当三相电压对称时,三相 磁通总和即中间芯柱中无磁通通过,可以省略,如图18(b)所示。为 了制造方便和节省硅钢片,将三相铁芯柱布置在同一平面内,演变成为如图18(c)所示的 结构,这就是目前广泛采用的三相心式变压器的
13、铁芯。图1 8 三相心式变压器3.两类变压器的比较两类变压器的比较 比较上述两种类型磁路系统的三相变压器可以看出,在相同的额定容量下,三相心式 变压器较之三相变压器组具有节省材料、效率高、价格便宜、维护方便、安装占地少等优 点,因而得到广泛应用。但是对于大容量变压器来说,三相心式变压器就暴露出它的缺点。因为三相变压器组是由三个独立的单相变压器组成的,所以在起重、运输、安装时可以分 开处理,困难就大为减小,同时还可以降低备用容量,每组只要一台单相变压器作为备用就可以了。所以对一些超高压、特大容量的三相变压器,当制造及运输有困难时,有时就采 用三相变压器组。1.3.2 三相变压器的绕组连接三相变压
14、器的绕组连接 三相变压器高、低压绕组的首端常用 U1、V1、W1和u1、v1、w1标记,而其末端常用 U2、V2、W2和u2、v2、w2标记。单相变压器的高、低压绕组的首端则用 U1、u1标记,其 末端则用 U2、u2标记,见表11。1.变压器绕组的极性及其测变压器绕组的极性及其测量量 1)变压器绕组的极性 变压器的一、二次绕组绕在同一个铁芯上,都被同一主磁通 所交链,故当磁通 交 变时,变压器的一、二次绕组中感应出的电动势之间有一定的极性关系,即同一瞬间当一 次绕组某一端点的电位为正时,二次绕组也必有一个端点的电位为正,这两个对应的端点,我们称为同极性端或同名端,通常用符号“”表示。图19
15、变压器的两种不同标记法2)变压器同名端的判定变压器同名端的判定 对一台变压器,由于其绕组已经过浸漆处理,并且安装在封闭的铁壳内,因此无法辨 认其同名端。变压器同名端的判定可用实验的方法进行测定,测定的方法主要有直流法和 交流法两种。2.三相变压器绕组的连接方三相变压器绕组的连接方法法 在三相电力变压器中,不论是高压绕组还是低压绕组,我国均采用星形连接与三角形 连接两种方法。图110 三相绕组连接方法3.三相变压器的连接组别三相变压器的连接组别 在三相电力变压器不同的接法中,一次绕组的线电压与二次绕组的线电压之间的相位 关系是不同的,这就是所谓的三相变压器的连接组别。其不仅与绕组的同名端和首末端
16、的 标记有关,而且还与三相绕组的连接方式有关。1)Yy连接组连接组 如图111(a)所示为三相变压器 Yy连接时的接线图。图中变压器一、二次绕组均采 用星形连接,并且一、二次绕组的首端都为同名端,故一、二次侧相互对应的相电动势之间 的相位相同,因此一、二次的线电动势之间的相位也相同,如图111(b)所示。图111 Yy0连接组 图112 Yy6连接组 图 1 13 Yd11连接组 图114 Yd1连接组1.4 其他常用变压器其他常用变压器1.4.1 自耦变压器自耦变压器 1.自耦变压器的工作原理自耦变压器的工作原理 前面介绍的普通双绕组变压器的一、二次绕组之间互相绝缘,各绕组之间只有磁的耦 合
17、而没有电的直接联系。自耦变压器是将一、二次绕组合成一个绕组,其中一次绕组的一部分兼做二次绕组,它的一、二次绕组之间不仅有磁的耦合,而且还有电的直接联系,如图115所示。图中 N1 为自耦变压器一次绕组的匝数,N2 为自耦变压器二次绕组的匝数。图115 自耦变压器的工作原理自耦变压器与前面介绍的变压器一样,也是利用电磁感应原理进行工作的。当在自耦 变压器的一次绕组 U1、U2两端加上交变电压U1 后,将会在变压器的铁芯中产生交变的磁 通,同时在自耦变压器的一、二次绕组中产生感应电动势E1、E2。由此可得自耦变压器的电压比 Ku为2.自耦变压器的特点自耦变压器的特点 自耦变压器具有结构简单、节省用
18、铜量、效率比一般变压器高等优点。其缺点是一次 侧、二次侧电路中有电的联系,可能发生把高电压引入低压绕组的危险事故,很不安全,因 此要求自耦变压器在使用时必须正确接线,且外壳必须接地,并规定安全照明变压器不允 许采用自耦变压器结构形式。低压小容量的自耦变压器,其二次绕组的接头 C常做成沿线圈自由滑动的触头,它可 以平滑地调节自耦变压器的二次绕组电压,这种自耦变压器称为自耦调压器。为了使滑动 接触可靠,这种自耦变压器的铁芯做成圆环形,在铁芯上绕组均匀分布,其滑动触头由炭 刷构成。调节滑动触头的位置即可改变输出电压的大小。自耦调压器的外形图和电路原理 图如图116所示。图116 自耦变压器1.4.2
19、 电压互感器电压互感器 电压互感器属于仪器用互感器的范畴,主要用来与仪表和继电器等低压电器组成二次 回路,对一次回路进行测量、控制、调节和保护,在电工测量中主要用来按比例变换交流电 压。电压互感器的结构形式与工作原理和单相降压变压器基本相同,如图117所示。图117 电压互感器使用电压互感器时必须注意以下事项:(1)电压互感器的二次绕组在使用时绝不允许短路。如二次绕组短路,将产生很大的 短路电流,导致电压互感器烧坏。(2)为保证操作人员的安全,电压互感器的铁芯和二次绕组的一端必须可靠接地。(3)电压互感器具有一定的额定容量,在使用时,二次侧不宜接入过多的仪表,否则有 可能超过电压互感器的定额,
20、使电压互感器内部阻抗压降增大,影响测量的精确度。1.4.3 电流互感器电流互感器 电流互感器也属于仪器用互感器的范畴,同样用来与仪表和继电器等低压电器组成二 次回路,对一次回路进行测量、控制、调节和保护,在电工测量中主要用来按比例变换交流 电流。电流互感器的基本结构与工作原理和单相变压器相类似,如图118所示。图118 电流互感器使用电流互感器时,需注意以下事项:(1)电流互感器的二次侧绝不允许开路。因为如果二次侧开路,则电流互感器处于空 载运行状态,这时电流互感器一次绕组通过的电流就成为励磁电流,使铁芯中的磁通和铁 耗猛增,导致铁芯发热烧坏绕组;另外电流互感器产生的很大的磁通将在二次绕组中感
21、应 出很高的电压,危及人身安全或破坏绕组绝缘。因此在二次绕组中装卸仪表时,必须先将 二次绕组短路。(2)电流互感器的二次侧必须可靠接地,以保证工作人员及设备的安全。1.4.4 钳形电流表钳形电流表 钳形电流表是变压器与交流电流表的组合,是电流互感器的另一种形式。它由一只电 流表与二次绕组组成的闭合回路和一只铁芯所构成,如图119所示。图119 钳形电流表例例12 设与电流表相连接的二次绕组的匝数为1000,若表头指出被测电流为5A,一次绕组即被测电流的导线的匝数算作0.5。试求通过二次绕组的实际电流是多少。解解1.4.5 隔离变压器隔离变压器 由于变压器的一次、二次绕组通过磁通交链,没有电的联
22、系,这就对一次侧、二次侧电 路有着隔离的作用。在某些场合需要将两个电路加以隔离,但又不想改变其电压,为此可 制成一种特殊的变压器隔离变压器,它的一次、二次绕组的匝数相等,即 N1=N2,它的电压比 Ku=1。1.4.6 脉冲变压器脉冲变压器 脉冲变压器是用来变换脉冲的幅值的,同时可将各个脉冲电路加以隔离。例如在晶闸 管装置中,触发电路的触发脉冲通常是通过脉冲变压器加到晶闸管的控制极上的。脉冲变压器的结构与一般变压器相似,但是一般变压器一次绕组加的是正弦交流电 压,而脉冲变压器一次绕组加的却是周期性前沿陡峭的单方向的脉冲电压。为使传递的脉 冲信号不失真,就要对变压器的铁芯材料与制造工艺有特殊的要
23、求。脉冲变压器的铁芯要 选用高磁导率的材料,线圈的匝数也不宜太多。1.4.7 多绕组变压器多绕组变压器 在某些用电设备中往往需要多种电压,于是就在变压器的铁芯上绕制多个二次绕组,每个二次绕组提供一种电压,这种变压器称为多绕组变压器。例如电源变压器(或控制变压 器)就有两个二次绕组,将380V(或220V)变换为36V(作为照明灯电源)和6.3V(作为指 示灯电源)。如图120所示为有两个二次绕组的多绕组变压器。图120 多绕组变压器U1为一次绕组电压,U2、U3为两个二次绕组电压。二次绕组与一次绕组的电压关系仍符合电压比的关系,即本本 章章 小小 结结(1)变压器作为一种静止的电气设备,主要由
24、铁芯和绕组两部分组成。铁芯构成变压 器的磁路部分,绕组构成变压器的电路部分。铁芯主要由铁芯柱和铁轭两部分组成,要求 导磁性能要好,损耗要尽量小。根据高、低压绕组的相对位置,绕组可分为同心式和交叠式 两种类型。要求变压器绝缘性能要好,漏抗小,机械强度高。(2)变压器的铭牌数据是安全、正确使用变压器的主要依据。铭牌数据主要有额定容 量、额定电压、额定电流、额定频率、使用条件、允许温升、绕组连接方式等。(3)变压器空载运行时,一次绕组流过的电流为空载电流,一般都很小,仅为其额定电 流的3%8%。负载运行时,二次绕组产生电流,同时一次绕组的电流在空载电流基础上 相应增大。二次绕组电流增大,则一次绕组电
25、流随之增大。(4)变压器的性质体现在运行时可实现电压变换、电流变换和阻抗变换。(5)三相变压器可分为三相变压器组和三相心式变压器两大类。三相心式变压器用料 省,效率高,价格便宜,维护方便。三相变压器组可降低备用容量,运输方便。(6)三相变压器的绕组连接主要有星形和三角形两种方法。根据变压器一、二次绕组 线电压 的 相 位 关 系,常 用 的 三 相 电 力 变 压 器 的 连 接 组 别 主 要 有 Yyn0、Yd11、YNd11、YNy0(7和)自Yy耦0变等压五器种一。(7和)自Yy耦0变等压五器种一。、二次绕组之间不仅有磁的耦合,而且还有电的直接联系,其输出功 率一部分通过电磁感应原理从
26、一次绕组传递到二次绕组,而另一部分功率则通过电路直接 从一次侧传递到自耦变压器的二次侧,这是普通双绕组变压器所不具备的。自耦变压器具 有一系列优点,如用料省、损耗小、体积小、效率高等。(8)电压互感器和电流互感器同属于仪器用互感器的范畴。在电工测量中,它们分别 用来测量电压和电流。使用时,电压互感器二次绕组绝不允许短路,而电流互感器二次侧 绝不允许开路。第2章 直流电机 2.1 直流电机概述直流电机概述2.2 直流电机的结构与工作原理直流电机的结构与工作原理2.3 直流电动机的励磁方式及直流电机的铭牌数据直流电动机的励磁方式及直流电机的铭牌数据2.4 直流电机的基本方程直流电机的基本方程2.5
27、 电动机的电力拖动电动机的电力拖动2.6 并励并励(他励他励)直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性2.7 直流电动机的启动和反转直流电动机的启动和反转2.8 直流电动机的调速直流电动机的调速2.9 直流电动机的制动直流电动机的制动本章小结本章小结2.1 直流电机概述直流电机概述2.1.1 电机的分类电机的分类 应用电磁原理实现电能与机械能互相转换的旋转机械,统称为电机。按照产生或取用 电能种类的不同,电机分为直流电机与交流电机。把机械能转换为电能的电机,称为发电 机;把电能转换为机械能的电机,称为电动机。2.1.2 直流电动机的优缺点直流电动机的优缺点 在电动机的发展史上,直流电动机发明得
28、最早,其电源为电池,后来才出现了交流电 动机。交流电动机应用较为普遍,特别是异步电动机,因为它的结构简单、坚固耐用、维护 方便、价格便宜和工作可靠等使其应用广泛。但是,迄今为止工业领域里仍有许多场所使 用直流电动机。这是由于直流电动机具有以下突出的优点:(1)调速范围广,调速平滑性、经济性较好;(2)启动、制动和过载转矩大;(3)易于控制,可靠性较高。直流电动机的主要优点是启动和调速性能好,过载能力强,因此多应用于对启动和调 速要求较高的生产机械,如轧钢机、电力机车、造纸机及纺织机械等。直流发电机作为直流 电源时,其电势波形好,抗干扰能力强,主要应用在电镀、电解行业中。直流电动机也有它显著的缺
29、点:(1)制造工艺复杂,生产成本高;(2)运行时由于电刷与换向器之间容易产生火花,可靠性较差,维护较麻烦。2.1.3 直流电动机的系列直流电动机的系列 为了满足各行各业对产品的不同要求,生产厂家常将产品制成不同型号系列。所谓系 列,就是指产品的结构和形状基本相似,而某种性能参数(例如容量)按一定等级递增的一 系列产品。对于电动机来说,系列产品的电压、速度、机座号和铁芯长度等都有一定的等 级。直流电动机主要有以下几种系列:(1)Z2系列:一般用途的中小型直流电动机。(2)Z系列:一般用途的中小型直流电动机,Z表示直流电动机。(3)ZT 系列:用于恒功率且调速范围较宽的直流电动机。(4)ZJ系列:
30、精密机床用直流电动机。(5)ZTD系列:电梯用直流电动机。(6)ZZJ系列:冶金起重用直流电动机,它启动快,过载能力很强。(7)ZQ 系列:电力机车、工矿电机车和电车用直流牵引电动机。(8)Z H 系列:船用直流电动机。(9)ZA 系列:防爆安全用直流电动机。2.2 直流电机的结构与工作原理直流电机的结构与工作原理2.2.1 直流电机的结构直流电机的结构 电机的结构是由以下几方面的要求来确定的。(1)首先是电磁方面的要求:使电机产生足够的磁场,感应出一定的电动势,通过一定 的电流,产生一定的电磁转矩,要有一定的绝缘强度。(2)其次是机械方面的要求:电机能传递一定的转矩,保持机械上的坚固稳定。此
31、外,还要满足冷却的要求,温升不能过高;(3)还要考虑便于检修,运行可靠等。如图21所示为直流电机的结构图。图22为直流电机的径向剖面图,由图可见,直 流电动机由定子与转子构成,通常把产生磁场的部分做成静止的,称为定子;把产生感应 电动势或电磁转矩的部分做成旋转的,称为转子(又叫电枢)。定子与转子间因有相对运动,故有一定的空气隙。图21 直流电机结构图 图22 直流电机径向剖面图1.定子定子 定子的作用是产生磁场和作为电机机械支撑。它由主磁极、换向磁极、电刷装置、机 座、端盖和轴承等组成。图23为直流电机的定子。图23 直流电机的定子1)主磁极 主磁极的作用是产生主磁通。主磁极由铁芯和励磁绕组组
32、成,如图24所示。铁芯包 括极身和极靴两部分,其中极靴的作用是支撑励磁绕组和改善气隙磁通密度的波形。铁芯 通常由0.51.5mm 厚的硅钢片或低碳钢板叠装而成,以减少电机旋转时由于极靴表面磁 通密度变化而产生的涡流损耗。励磁绕组用绝缘的圆铜或扁铜线绕制而成,并励绕组多用 圆铜线绕制,串励绕组多用扁铜线绕制。各主磁板的励磁绕组串联相接,但要使其产生的 磁场沿圆周交替呈现 N 极和S极。绕组和铁芯之间用绝缘材料制成的框架相隔,铁芯通过 螺栓固定在磁轭上。图24 直流电机主磁极2)换向磁极 换向磁极又称为附加磁极,用于改善直流电机的换向,位于相邻主磁极间的几何中心 线上,其几何尺寸明显比主磁极小。换
33、向磁极由铁芯和套在铁芯上的换向磁极绕组组成,如图25所示。图25 直流电机换向磁极3)机座和端盖 机座的作用是支撑电机、构成相邻磁极间磁的通路,故机座又称磁轭。机座一般用铸 钢或厚钢板焊成。机座的两端各有一个端盖,用于保护电机和防止触电。在中小型电机中,端盖还通过 轴承担负支持电枢的作用。对于大型电机,考虑到端盖的强度,一般采用单独的轴承座。4)电刷装置 电刷装置的作用是使转动部分的电枢绕组与外电路连通,将直流电压、电流引出或引 入电枢绕组。电刷装置由电刷、刷握、刷杆、刷杆座和弹簧压板等零件组成,如图26所 示。电刷一般采用石墨和铜粉压制焙烧而成,它放置在刷握中,由弹簧将其压在换向器的 表面上
34、,刷握固定在与刷杆座相连的刷杆上,每个刷杆装有若干个刷握和相同数目的电刷,并把这些电刷并联形成电刷组,电刷组的个数一般与主磁极的个数相同。图26 电刷装置2.转子 转子由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。1)电枢铁芯 电枢铁芯的作用是构成电机磁路和安放电枢绕组。通过电枢铁芯的磁通是交变的,为 减少磁滞和涡流损耗,电枢铁芯常用0.35mm 或0.5mm 厚冲有齿和槽的硅钢片叠压而成,为加强散热能力,在铁芯的轴向留有通风孔,较大容量的电机沿轴向将铁芯分成长410 cm 的若干段,相邻段间留有810mm 的径向通风沟,如图27所示。图27 电枢铁芯2)电枢绕组 电枢绕组的作用是产生感应电
35、动势和电磁转矩,从而实现机电能量的转换。电枢绕组 是用绝缘铜线在专用的模具上制成一个个单独元件,然后嵌入铁芯槽中,每一个元件的端 头按一定规律分别焊接到换向片上。元件在槽内部分的上下层之间及与铁芯之间垫以绝 缘,并用绝缘的槽楔把元件压紧在槽中。元件的槽外部分用绝缘带绑扎和固定。3)换向器 换向器又称整流子。发电机将电枢元件中的交流电变为电刷间的直流电输出,电动机 将电刷间的直流电变为电枢元件中的交流电输入。换向器的结构如图28(a)所示。换向器由换向片组合而成,是直流电机的关键部件,也是最薄弱的部分。图28 换向器结构3.气隙气隙 气隙是电动机磁路的重要部分,气隙磁阻远大于铁芯磁阻。一般小型电
36、机的气隙为 0.75mm,大型电机的气隙为510mm。2.2.2 直流电机的工作原理直流电机的工作原理 1.直流发电机的基本工作原直流发电机的基本工作原理理 直流发电机是根据导体在磁场中做切割磁力线运动,从而在导体中产生感应电动势的 电磁感应原理制成的。图29是一台直流发电机工作原理图,N 和S为一对固定的磁极,磁极之间有一个可 以旋转的铁质圆柱体,称为电枢铁芯。电枢铁芯表面固定一个涂有绝缘层的线圈abcd,线 圈的两端分别接到两个相互绝缘的弧形铜片上,弧形铜片称为换向片,换向片组合在一起 称为换向器。在换向器上放置固定不动而与换向片滑动接触的电刷 A 和B,线圈abcd 通过 换向器和电刷接
37、通外电路。电枢铁芯、电枢线圈和换向器组合在一起称为电枢。图29 直流发电机工作原理一个线圈产生的电势波形如图210(a)所示,这是一个脉动的直流电势,不适合于做 直流电源使用。实际应用的直流发电机是由很多个元件和相同个数的换向片组成的电枢绕 组,这样可以在很大程度上减少其脉动幅值,从而得到稳恒直流电势,其电势波形如图 210(b)所示。图210 直流发电机输出的电势波形直流发电机的基本工作原理可概括为:(1)原动机拖动转子(即电枢)以nr/min转动;(2)电机的固定主磁极建立磁场;(3)转子导体在磁场中运动,切割磁力线而感应交流电动势,经电刷和换向器整流作 用输出直流电势。2.直流电动机的基
38、本工作原直流电动机的基本工作原理理 直流电动机根据通电导体在磁场中会受到磁场力作用的原理制成。直流电动机的模型 与直流发电机相同,不同的是不用原动机拖动电枢朝某一方向旋转,而是在电刷 A 和 B之 间加上一个直流电压,如图211所示。线圈中会有电流流过,若起始时线圈处在图211(a)所示位置,则电流由电刷 A 经线圈按abcd 的方向从电刷B流出。根据左手定则 可判定,处在 N 极下的导体ab 受到一个向左的电磁力;处在S极下的导体cd 受到一个向 右的电磁力。两个电磁力形成一个使转子按逆对针方向旋转的电磁转矩。当这一电磁转矩 足够大时,电机就按逆时针方向开始旋转。当转子转过180到达如图21
39、1(b)所示位置 时,电流由电刷 A 经线圈按dcba 的方向从电刷 B流出,此时元件中电流的方向改 变了,但是导体ab 处在S极下受到一个向右的电磁力,导体cd 处在 N 极下受到一个向左 的电磁力,两个电磁力矩仍形成一个使转子按逆时针方向旋转的电磁转矩。图211 直流电动机的工作原理直流电动机基本工作原理可概括如下:(1)将直流电源通过电刷接通电枢绕组,使电枢导体有电流流过;(2)电机主磁极建立磁场;(3)载流的转子(即电枢)导体在磁场中受到电磁力的作用;(4)所有导体产生的电磁力作用于转子,形成电磁转矩,驱使转子旋转,以拖动机械 负载。3.直流电机的可逆原理直流电机的可逆原理 由直流发电
40、机和直流电动机的基本工作原理可以看出,直流电机原则上既可以作电动 机运行,又可以作发电机运行。如将直流电源加于电刷,向电枢内输入电能,电机将电能转 换为机械能,拖动生产机械旋转,则电机作电动机运行;如用原动机拖动直流电机的电枢 旋转,输入机械能,电机将机械能转换为直流电能,从电刷上引出直流电动势,则电机作发 电机运行。同一台电机,既能作电动机运行,又能作发电机运行,这个原理称为电机的可逆 原理。2.3 直流电动机的励磁方式及直直流电动机的励磁方式及直流电机的铭牌数据流电机的铭牌数据2.3.1 直流电动机的励磁方式直流电动机的励磁方式 直流电动机励磁绕组的供电方式称为励磁方式,按励磁绕组与电枢绕
41、组连接方式的不 同可分为以下四种。1.他励直流电动机他励直流电动机 他励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组分别由两个直流电源供电,这种励磁绕组称他 励绕组,如图212所示。图212 他励直流电动机2.并励直流电动机并励直流电动机 并励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组并联,由同一直流电源供电,这种励磁绕组称 并励绕组,如图213所示。图213 并励直流电动机由图213可见,励磁电流不仅与励磁回路的电阻有关,而且还受电枢两端电压的影 响。为了减小励磁电流及损耗,接有变阻器调节励磁电流If,所以一般励磁绕组的匝数较 多,且用较细的导线绕制。由于匝数较多,励磁绕组仍能使磁极产生一定的磁通。并励电动机的电流关
42、系为3.串励直流电动机串励直流电动机 串励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组串联,这种励磁绕组称串励绕组,如图214 所示。图214 串励直流电动机4.复励直流电动机复励直流电动机 电动机的主磁极上有两个励磁绕组同电枢绕组并联,另一个同电枢绕组串联,故名复 励电动机,如图215所示。复励直流电动机的主磁通是两个励磁绕组分别产生的磁通的 叠加。图215 复励直流电动机2.3.2 直流电机的铭牌数据直流电机的铭牌数据 直流电机机座的外表面上都有一个铭牌,上面标有电机的型号和各种数据等,供使用 者参考。铭牌数据主要包括:电机型号、额定功率、额定电压、额定电流、额定转速和励磁 方式、额定励磁电流、额定励磁
43、电压、工作方式、绝缘等级等。此外,还有电机的出厂数据,如出厂编号、出厂日期等。1.直流电机的型号直流电机的型号 国产电机的型号一般用大写的汉语拼音字母和阿拉伯数字来表示,其格式为:第一个 字符是大写的汉语拼音,表示产品系列代号;第二个字符用阿拉伯数字(下标)表示设计序 号;第三个字符是阿拉伯数字,表示机座中心高;第四个字符是阿拉伯数字,表示电枢铁芯 长度代号;第五个字符是阿拉伯数字,表示端盖的代号。例如,型号是Z420021的直流 电机,Z是系列(即一般用途直流电动机)代号,4是设计序号,200是机座中心高(mm),21 中的2是电枢铁芯长度的代号,1是端盖的代号。2.直流电机的额定值直流电机
44、的额定值(1)额定功率PN。额定功率PN 是指在规定的工作条件下,电机长期运行时的允许输出功率,单位为 W。对于发电机来说,是指正、负电刷之间输出的电功率;对于电动机来说,则是指轴上输出的 机械功率。(2)额定电压UN。额定电压UN 是指在额定运行情况下,直流发电机的输出电压或直流电动机的输入电 压,单位为 V。(3)额定电流IN。额定电流IN 是指在额定情况下,直流发电机输出的电流或直流电动机输入的电流,单 位为 A。直流发电机的额定电流为直流电动机的额定电流为(4)额定效率N。额定效率N定义为式中,PN 为额定(输出)功率,P1 为输入功率。(5)额定转速nN。额定转速nN是指在额定功率、
45、额定电压、额定电流时电机的转速,单位为r/min。(6)额定励磁电压Uf。额定励磁电压Uf 是指在额定情况下,励磁绕组所加的电压,单位为 V。(7)额定励磁电流If。额定励磁电流If是指在额定情况下,通过励磁绕组的电流,单位为 A。若电机运行时,各物理量都与额定值一样,则称此时为额定运行状态。电机在实际运 行时,由于负载的变化,经常不在额定状态下运行。电机在接近额定的状态下运行,才是经 济的。3.直流电机的出线端标志直流电机的出线端标志 直流电机每个绕组的出线端都有明确的标志,用字母标注在接线柱旁或标注在引出导 线的金属牌上,如表21所示。2.4 直流电机的基本方程直流电机的基本方程2.4.1
46、 电枢电动势和电磁转矩电枢电动势和电磁转矩 当电枢旋转时,在气隙磁场作用下电枢绕组将产生感应电动势Ea,在发电机运行状态 下Ea 为电源电动势,促进电流Ia 向用电负载输出电功率;而在电动机运行状态下Ea 为反 电动势,阻碍电流Ia从电源吸收电功率。我们所讨论的电动势是指两电刷间的电动势,即 电枢绕组每一条支路的感应电动势。从电刷两端看,每条支路在任何瞬间所串联的元件数 都是相等的,而且每条支路里的元件边分布在同一磁极下的不同位置,所以每个元件内感 应电动势的瞬时值是不同的,但任何瞬时值构成支路的情况基本相同,因此每条支路中各 元件电动势瞬时值的总和可以认为是不变的。要计算支路电动势,只要先求
47、出一根导体的 平均感应电动势,再乘以一条支路的总导体数,就可以求出电枢感应电动势Ea,两电刷间 电动势Ea 的大小与电动机电枢转速n 和磁极磁通 的乘积成正比,即当电枢绕组有电流通过时,电枢电流Ia 与磁场相互作用而产生的电磁力形成了电磁转 矩T,电磁转矩T 的大小与电枢电流Ia 和磁极磁通 的乘积成正比,即式中,CT 是与电机结构有关的常数;的单位是 Wb;Ia 的单位是 A;T 的单位是 Nm。2.4.2 直流电机的损耗直流电机的损耗 直流电机的损耗按其性质可分为机械损耗、铁损耗、铜损耗和附加损耗四种。1.机械损耗机械损耗Pm 不论是发电机还是电动机,当电机转动时,必须先克服摩擦阻力,因此
48、产生机械损耗。机械损耗包括轴与轴承的摩擦损耗,电刷与换向器的摩擦损耗,以及电枢旋转部分与空气 的摩擦损耗等,这些损耗与转速高低有关。2.铁损耗铁损耗PFe 当直流电机旋转时,电枢铁芯中因磁场反复变化而产生的磁滞损耗和涡流损耗称为铁 损耗。机械损耗Pm 和铁损耗PFe合起来又称为空载损耗 P0。因为这两种损耗在直流电动机 转动起来还没有带负载时就已经存在了,所以有由于机械损耗和铁损耗都会引起与旋转方向相反的制动转矩,而且是空载时就有的,因此这个转矩称为空载转矩T0,它与P0 的关系为式中,为机械角速度。3.铜损耗铜损耗PCu 当直流电机运行时,在电枢回路和励磁回路中都有电流流过,因此在绕组电阻上
49、产生 的损耗称为铜损耗。1)电枢回路的铜损耗PCu2 电枢回路的铜损耗PCu2 包括电枢绕组的铜损耗,与电枢绕组串联的串励绕组、换向极 绕组及补偿绕组的铜损耗,电刷与换向器的接触电阻上的铜损耗,且有式中,Ia 为电枢电流,Ra 为电枢回路总电阻。2)励磁回路的铜损耗PCuf 由于励磁回路的铜损耗PCuf 很小,而且几乎是一个不变的值,一般把它归入不变损耗 范畴。其表达式为式中,If 为励磁电流,Rf为励磁回路总电阻。4.附加损耗附加损耗Pad 附加损耗又称杂散损耗,对于直流电机,这种损耗是由于电枢铁芯表面有齿槽存在,使气隙磁通大小脉振和左右摇摆造成的,如在铁芯中引起的铁损耗和换向电流产生的铜损
50、 耗等。这些损耗是难以精确计算的,一般占额定功率的0.5%1.0%。2.4.3 直流发电机的基本方程直流发电机的基本方程 直流发电机是将机械能转换为电能的电磁装置。在将机械能转换为电能的过程中,和 一切能量转换一样,也要遵循能量守恒定律,即发电机输入的机械能与输出的电能及在能量转换过程中产生的能量损耗之间要保持平衡关系。当发电机带负载时,向外电路输出电 功率,电枢绕组中流过电流。绕组中的电流与磁场作用产生电磁转矩 T,T 的方向与旋转 方向相反,起制动作用。电磁转矩吸收机械功率,为使发电机的转速保持恒定,原动机须向 发电机轴上不断地输入机械功率。电磁转矩吸收机械功率转换成等量的电功率,可用下式
