船舶電氣課件

第一章電與磁概述電工設(shè)備中發(fā)生的物理過程通常同時包含“電”和“磁”這兩個緊密相連的現(xiàn)象，即電生磁，磁生電。例如在電路原理課程中討論交流電路時所考慮的感應(yīng)電動勢，就是線圈中所鏈磁通隨時間變化而引起的；不過當(dāng)時我們用一個線性的電路參數(shù)“電感”來表達(dá)這個作用，僅從電路概念加以分析。本章重點(diǎn)闡述磁場基本概念和基本物理量，分析磁性材料的磁性能和磁路計算的基本定律。

第一章電與磁

本章主要講解內(nèi)容

第一節(jié)

磁場的基本概念和基本物理量

第二節(jié)

鐵磁材料的磁性能

第三節(jié)磁路的基本概念

第四節(jié)

電磁感應(yīng)第一節(jié)磁場的基本概念和基本物理量一、磁場的基本概念

1．磁場與磁力線

（1）磁場:當(dāng)小磁針靠近永久磁鐵時會發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這表明在永久磁鐵的周圍有一種物質(zhì)存在，這一物質(zhì)稱為磁場。

（2）磁力線:磁場的分布情況用閉合磁力線來描述。在磁鐵的外部，磁力線從N極出發(fā)，經(jīng)外部空間進(jìn)入S極；再由S極經(jīng)磁鐵內(nèi)部回到N極而組成閉合回線，即磁力線是閉合的。

返回本章圖1-1條形磁鐵的磁場返回（3）磁場方向l1曲線上a點(diǎn)的磁場方向即為a點(diǎn)切線l2的方向，（4）磁場強(qiáng)弱磁力線的疏密反映了磁場各處磁性的強(qiáng)弱程度；靠近磁鐵兩端的磁力線密，磁場就強(qiáng)，遠(yuǎn)離磁鐵兩端的磁力線疏，磁場就弱。返回2．電流的磁效應(yīng)除了永久磁鐵周圍存在磁場外，當(dāng)小磁針靠近通電導(dǎo)線(或通電導(dǎo)線繞成的螺旋管線圈)，小磁針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這說明通電導(dǎo)線的周圍和磁鐵一樣也存在著磁場，這種現(xiàn)象，稱為電流的磁效應(yīng)。磁場是由電流產(chǎn)生的，磁場的強(qiáng)弱及方向由通過導(dǎo)線的電流決定。（a）通電直導(dǎo)體（b）通電螺線管線圈圖1-2磁場與電流的方向返回2．電流的磁效應(yīng)磁場方向的確定：（a）右手握住直導(dǎo)體，拇指指向電流方向，則彎曲的四指的指向即為磁場方向。（b）右手握住線圈，彎曲的四指指向電流方向，則拇指的指向即為螺旋管內(nèi)部的磁場方向。二、磁場的基本物理量

1．磁感應(yīng)強(qiáng)度B磁感應(yīng)強(qiáng)度B

是表示磁場空間某點(diǎn)的磁場強(qiáng)弱和方向的物理量，是矢量。其定義式為:q-電荷所帶電量，單位是庫倫（C）B-磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位是特斯拉（Tesla）V-電荷運(yùn)動速度，單位是米/秒（m/s）f-電磁力，單位是牛頓（N）

均勻磁場：如果磁場內(nèi)各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向均同，則稱其為均勻磁場。均勻磁場可用疏密均勻、方向相同的磁力線來表示（本書若沒有特別說明，都指均勻磁場）。在均勻磁場中I–

通人導(dǎo)體的電流單位是安培(A)

f

-電磁力，單位是牛頓（N）l

-導(dǎo)體長度，單位是米(m)

2．磁通定義：

磁通的定義是磁感應(yīng)強(qiáng)度（假設(shè)磁場為均勻磁場）與垂直于磁場方向的面積的乘積定義式：B

單位：特斯拉（Tesla）φ

單位：韋伯（Wb）

3．磁場強(qiáng)度

磁場強(qiáng)度是計算磁場所用的物理量，其大小為磁感應(yīng)強(qiáng)度和導(dǎo)磁率之比。

B

單位：特斯拉

單位：安/米

單位：亨/米IN為電流與線圈匝數(shù)的乘積，稱為磁動勢，用字F表示

F=NI(磁勢單位為A)

4．磁導(dǎo)率（導(dǎo)磁系數(shù)）和相對磁導(dǎo)率

（1）磁導(dǎo)率

定義：表征各種材料導(dǎo)磁能力的物理量。定義式：μ=B/H(H/m)

（2）相對磁導(dǎo)率

定義：一般材料的磁導(dǎo)率和真空中的磁導(dǎo)率之比，稱為這種材料的相對磁導(dǎo)率。定義式：μr=μ/μ0第二節(jié)鐵磁材料的磁性能

為了在一定的的磁勢作用下能激勵較強(qiáng)的磁場，以使電機(jī)和變壓器等電器設(shè)備尺寸縮小、重量減輕、性能改善，必須增加磁路的磁導(dǎo)率。所以電機(jī)和變壓器的鐵心常用磁導(dǎo)率較高的鐵磁材料制成，下面對常用的鐵磁材料及其性質(zhì)作簡要說明。返回本章說明1.高導(dǎo)磁性（a）(b)

圖1-3磁性材料的磁化思考：磁疇、磁化2.磁飽和性圖1-4磁化曲線圖1-5與H的關(guān)系非飽和段：oa、ab段半飽和段：bc段飽和段：c點(diǎn)以后圖1-43.磁滯性

如果勵磁線圈中通入交變勵磁電流,對鐵心進(jìn)行反復(fù)磁化，磁感應(yīng)強(qiáng)的變化總是滯后于磁場強(qiáng)度的變化,這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象.為消除剩磁所加的反向磁場強(qiáng)度值Hc稱為矯頑力。圖1-6磁滯回線由實(shí)驗(yàn)可知，鐵磁材料不同，其磁滯回線和磁化曲線也不同。圖1-7中示出了幾種鐵磁材料的磁化曲線。按磁性物質(zhì)的磁性能，磁性材料可以分成三種類型：軟磁材料、永磁材料、矩磁材料。鐵磁材料的類型⑴軟磁材料具有較小的矯頑磁力，磁滯回線較窄。一般用來制造電機(jī)、電器及變壓器等的鐵心。常用的有鑄鐵、硅鋼、坡莫合金及鐵氧體等。鐵氧體在電子技術(shù)中應(yīng)用也很廣泛，例如可做計算機(jī)的磁心，磁鼓以及錄音機(jī)的磁帶、磁頭。⑵永磁材料具有較大的矯頑磁力，磁滯回線較寬。一般用來制造永久磁鐵。常用的有碳鋼、鈷鋼及鐵鎳鋁鈷合金等。⑶矩磁材料

具有較小的矯頑力和較大的剩磁，磁滯回線接近矩形，穩(wěn)定性良好。在計算機(jī)系統(tǒng)中可用作記憶元件、開關(guān)元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體及1J51型鐵鎳合金等。鐵磁物質(zhì)的磁性是與磁疇結(jié)構(gòu)分不開的。當(dāng)鐵磁物質(zhì)受到強(qiáng)烈的振動，或在高溫下由于劇烈熱運(yùn)動影響，磁疇取向性容易混亂。這時與磁疇聯(lián)系的一系列鐵磁物質(zhì)（如高導(dǎo)磁率、磁滯等），就會全部消失。因此，管理人員在維修和安裝電機(jī)時，都應(yīng)注意。注意啦?。?！第三節(jié)磁路的基本概念一、磁路

在工程上，為了得到較強(qiáng)的磁場，廣泛利用了鐵磁物質(zhì)。在電機(jī)、變壓器、繼電器、儀表等電器設(shè)備

中應(yīng)用鐵磁物質(zhì)制成一定的形狀，即人為地造成磁

通的路徑，磁通主要在這部分空間內(nèi)閉合，其周圍

則因?qū)Т畔禂?shù)小得多而磁通極少。這種磁通的路徑

稱為磁路。

返回本章？磁路圖1-8（a）是永磁式（磁電式）儀表的磁路，圖1-8（b）為電磁繼電器的磁路，圖1-8（c）為單相鐵心式變壓器的磁路，圖1-8（d）為四極轉(zhuǎn)樞式電機(jī)的磁路；圖1-8幾種常見磁路幾種常見的磁路二、磁路的基本定律與磁路的特點(diǎn)

磁路概念的建立，是基于鐵磁物質(zhì)的導(dǎo)磁系數(shù)大大地超過了非鐵磁物質(zhì)的導(dǎo)磁系數(shù)。然而，若以此與電路相比，在電路中，導(dǎo)電材料的電導(dǎo)系數(shù)一般比電路周圍絕緣材料的電導(dǎo)系數(shù)大幾千萬倍以上，而磁路中的導(dǎo)磁材料的導(dǎo)磁系數(shù)一般不過比非磁性材料的導(dǎo)磁系數(shù)大幾千倍。因此，在磁路中漏磁現(xiàn)象比電路中漏電的現(xiàn)象大為顯著。把按照我們安排的路徑而閉合的磁通稱為主磁通，而把不按照這種路徑閉合的磁通稱為漏磁通。（a）（b）圖1-9磁路中的磁場分布磁路定律磁路定律是由描述磁場性質(zhì)的磁通連續(xù)性原理和安培環(huán)路定律導(dǎo)來的。圖1-10有分支磁路的分配1.磁路的基爾霍夫第一定律

在磁路的分支處所連接著的各個鐵梗中磁通的代數(shù)和應(yīng)恒等于零。

2.磁路的基爾霍夫第二定律磁路中沿任意閉合回路磁壓的代數(shù)和等于沿該回路磁勢的代數(shù)和。綜上所述，磁路和電路有很多相似之處。與電路一樣，計算磁路也是以磁路的基爾霍夫兩條定律相似的定律為基礎(chǔ)的。磁路的磁通、磁勢、磁壓、磁阻等量與電路中的電流、電動勢、電壓、電阻等量一一對應(yīng)。而且，磁路的歐姆定律對應(yīng)于電路的歐姆定律。另外必須指出，磁路和電路有一個本質(zhì)的差別，即磁通并不像電流一樣代表某種質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動。恒定磁通通過某磁阻并不像恒定電流通過電阻時那樣具有能量形式的轉(zhuǎn)換，會使電阻發(fā)熱。恒定的磁通的維持不需要任何能量，與電路中的焦耳-楞次定律相似的磁路定律是不存在的。對比思考三、恒定磁通無分支磁路的計算

磁路的計算可以分為兩類：（1）已知磁通求磁勢；（2）已知磁勢求磁通。

在此我們僅討論已知磁通求磁勢，并且僅討論無分支

磁路。

練習(xí)一下計算無分支磁路中已知磁通求磁勢，可以按照下列步驟進(jìn)行：1.按照材料和截面的不同進(jìn)行分段；2.作出中心線，按照所給尺寸計算出磁路各段的截面S1、S2…和長度l1、l2

…；3.按已知的磁通計算各個段落的磁感應(yīng)強(qiáng)度：

4.從各材料的B-H曲線（基本磁化曲線）上按已算出的磁感應(yīng)強(qiáng)度B1、B2……找出與它們相對應(yīng)的磁場強(qiáng)度H1、H2……5.按照磁路的基爾霍夫第二定律求出所需要的磁勢：當(dāng)所給磁路中有空氣隙時，則可應(yīng)用空氣的導(dǎo)磁率μ0=

4π×10-7H/m，由空氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度B0

計算其磁場強(qiáng)度H0

：注意第四節(jié)電磁感應(yīng)

電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，它揭示了電與磁相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化的重要方面。在電工技術(shù)中，運(yùn)用原理制造的發(fā)電機(jī)、感應(yīng)電動機(jī)和變壓器等電器設(shè)備為充分而方便地利用自然界的能源提供了條件，在電子技術(shù)中，廣泛地采用電感元件來控制電壓或電流的分配、發(fā)射、接收和傳輸電磁信號；在電磁測量中，除了許多重要電磁量的測量直接應(yīng)用電磁感應(yīng)原理外，一些非電磁量也可用之轉(zhuǎn)換成電磁量來測量，從而發(fā)展了多種自動化儀表。返回本章你知道嗎一、電磁感應(yīng)定律1.電磁感應(yīng)現(xiàn)象1820年奧斯特的發(fā)現(xiàn)第一次揭示了電流能夠產(chǎn)生磁。法拉第很快就想到磁能否產(chǎn)生電，精心地實(shí)驗(yàn)研究了10余年后，終于在1831年第一次發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并總結(jié)出電磁感應(yīng)定律。什么是電磁感應(yīng)現(xiàn)象？產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的條件是什么？如圖1-12

圖1-12線圈的感應(yīng)電勢返回2.電磁感應(yīng)定律為了表述電磁感應(yīng)的規(guī)律，以一匝線圈為例。如圖1-13所示設(shè)在時刻t1穿過導(dǎo)線回路的磁通量是φ1，在時刻t2

穿過導(dǎo)線回路的磁通量是φ2

，那么，在這段時間內(nèi)穿過回路的磁通量的變化是，則磁通量的變化率反映了磁通量變化的快慢和趨勢。圖1-13法拉第電磁感應(yīng)定律精確的實(shí)驗(yàn)表明，導(dǎo)體回路中感應(yīng)電動勢的大小等于穿過回路的磁通量的變化率。這個結(jié)論叫做法拉第電磁感應(yīng)定律。即：

（1-17）

式中的負(fù)號代表感應(yīng)電動勢方向。感應(yīng)電動勢的方向問題是法拉第電磁感應(yīng)定律的重要組成部分。

式（1-17）只適用于單匝導(dǎo)線組成的回路如果回路不是單匝線框而是多匝線圈，如果穿過每匝線圈的磁通量相同，均為，則，稱為磁鏈或全磁通。則式（1-17）可表達(dá)為

說明由愣次定律可知，感應(yīng)電動勢的方向總是使得其感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通來阻止原有磁通量的變化（增加或少）。即根據(jù)感應(yīng)電流的方向可以說明感應(yīng)電動勢方向。感應(yīng)電動勢的方向圖1-14感應(yīng)電動勢方向的確定返回如圖1-14，在圖中把極插入線圈，可以看到磁棒插入過程中穿過線圈的向下的磁通量增加，根據(jù)右手定則可知，這時感應(yīng)電流所激發(fā)的磁場方向朝上，其作用相當(dāng)于阻止線圈中磁通量的增加。若線圈不動，磁鐵向下運(yùn)動，則通過線圈的磁通φ1的方向向下，而且對線圈來說磁通是增加的，由楞次定律知線圈感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通φ2的方向與穿過它的磁鐵磁通φ1方向相反，再根據(jù)右手定則知感應(yīng)電流i從線圈內(nèi)部a流向b，而感應(yīng)電動勢eL的方向與其一致，由a經(jīng)線圈內(nèi)部指向b，而線圈兩端的電壓由b指向a如圖1-14所示。感應(yīng)電動勢的確定一般情形下，感應(yīng)電動勢的大小和方向可由下式來決定：（1-19）式中的負(fù)號體現(xiàn)了感應(yīng)電動勢eL的方向總是與磁通Φ的增量相關(guān)。三、自感系數(shù)當(dāng)一線圈中的電流變化時，它所激發(fā)的磁場通過線圈自身的磁通量（或磁通匝鏈數(shù)）也在變化，使線圈自身產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。這種因線圈中電流變化而在線圈自身所引起的感應(yīng)現(xiàn)象通常叫做自感現(xiàn)象，所產(chǎn)生的電動勢叫做自感電動勢。如圖1-17實(shí)驗(yàn)。（a）（b）圖1-17自感現(xiàn)象的演示自感現(xiàn)象（1-21）

（1-22）

（1-23）式1-23相量圖如圖1-18所示。

圖1-18由式1-23可以看出，對于相同的電流變化率，比例系數(shù)L越大的線圈所產(chǎn)生的自感電動勢越大，即自感作用越強(qiáng)。比例系數(shù)L稱為自感系數(shù)，簡稱自感（電感）。根據(jù)式（1-21）和式（1-22）也有自感的兩種定義。據(jù)式（1-22），自感在數(shù)值上等于線圈中電流強(qiáng)度變化率為1單位時，在這線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢；或者，據(jù)式（1-21），自感在數(shù)值上等于線圈中電流強(qiáng)度為1單位時通過線圈自身的磁通匝鏈數(shù)。對式1-23的闡述三、鐵心線圈電路鐵心線圈分為兩種：

1.通直流電勵磁的直流鐵心線圈，如直流電機(jī)的勵磁線圈、電磁吸盤及各種直流電器的線圈；

2.通交流電勵磁的交流鐵心線圈，如交流電機(jī)、變壓器及各種交流電器的線圈。A.直流鐵心線圈的磁路

通直流電勵磁的直流鐵心線圈的磁路的分析比較簡單，因?yàn)閯畲烹娏魇侵绷鳎a(chǎn)生的磁通是固定的，由式

(1-22)知在線圈和鐵心中不會感生電動勢，在一定的直流電壓U下,線圈中的電流I只和線圈本身的電阻R有關(guān)，即。這就是為什么交流線圈不能隨意接直流電源的原因。直流鐵心線圈的磁路B.交流鐵心線圈的磁路

外加電壓與磁通φ的關(guān)系，轉(zhuǎn)換為相量形式：注：（1）在相位上，磁通φ滯后于外加電壓90°

（2）磁通的極大值φm取決于外加正弦電壓的有效值與頻率。

交流鐵心線圈的磁路四、功率損耗與渦電流

圖1-21渦電流磁滯損耗有功損耗渦流損耗功率損耗磁滯損耗(ΔPh)：當(dāng)鐵磁體被反復(fù)磁化時,由于磁滯原因而引起的功率損耗。渦流損耗(ΔPe)：當(dāng)鐵心中磁通發(fā)生變化時,在鐵心內(nèi)引起感應(yīng)電動勢和電流(即渦流)。由于渦流在鐵心中造成的功率損耗。圖1-22變壓器鐵芯中的渦流損耗及改善措施圖1-23轉(zhuǎn)速記原理應(yīng)用五、電磁鐵

電磁鐵是利用通電的鐵心線圈吸引銜鐵，再由銜帶動控制觸點(diǎn)閉合、斷開或銜鐵的動作可使其它機(jī)械裝置發(fā)生聯(lián)動。當(dāng)電源斷開時，電磁鐵的磁性隨著消失，銜鐵或其它零件即被釋放。電磁鐵可分為線圈、鐵心及銜鐵三部分。如圖1-24所示的是某種電磁鐵的結(jié)構(gòu)型式。圖1-24電磁鐵結(jié)構(gòu)圖電磁鐵結(jié)構(gòu)IU直流勵磁線圈電路的特點(diǎn)（R

為線圈的電阻）1.直流電磁鐵直流電磁鐵U一定I一定磁動勢F=IN一定磁通和磁阻成反比

（線圈中沒有反電動勢）IU交流勵磁線圈電路的特點(diǎn)ui2.交流電磁鐵交流激勵線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢ui交流電磁鐵電路方程：的感應(yīng)電勢和產(chǎn)生一般情況下很小假設(shè)則ui有效值相量交流磁路中磁阻Rm對電流的影響電磁鐵吸合過程的分析：在吸合過程中若外加電壓不變,則Φ基本不變。iu圖2-1單相變壓器的原理圖第二章變壓器本章主要講解內(nèi)容第一節(jié)變壓器的用途及分類第二節(jié)變壓器的基本結(jié)構(gòu)和銘牌第三節(jié)變壓器的工作原理及運(yùn)行特性第四節(jié)三相變壓器的磁路系統(tǒng)第五節(jié)變壓器的聯(lián)接組及三相變壓器的運(yùn)行問題第六節(jié)自耦變壓器及儀用互感器第一節(jié)變壓器的用途及分類

一、變壓器的用途（1）從輸電方面來說，采用高壓輸電較為經(jīng)濟(jì)，因?yàn)楫?dāng)

輸送功率一定時，電壓越高，輸電線上的電流越

小，輸電線截面小，可以節(jié)省有色金屬；當(dāng)輸電距

離、輸電線材料及其截面大小一定時，線路上的損

耗小。（2）在用電方面多采用低壓電，這主要是為了安全，同

時可以降低用電設(shè)備的絕緣等級、減少成本，為此

必須要用降壓變壓器將輸電線上的高壓降低到配電

系統(tǒng)所需要的電壓。返回（3）在交流船舶上，各種不同的用電設(shè)備需要大小不同

等級的電壓，因而需要有不同型式的變壓器。（4）在船舶電力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)中，變壓器主要應(yīng)用于

主照明、應(yīng)急照明、廚房照明、控制用電源以及各

種儀用互感器中；在采用電力推進(jìn)船舶中，變壓器

還用于升壓和降壓。

二、變壓器的分類

變壓器的種類很多，可以從不同的角度來予以分類（1）根據(jù)變壓器的用途來劃分（2）根據(jù)變壓器本身的結(jié)構(gòu)來劃分（3）按相數(shù)來劃分（4）根據(jù)變壓器的冷卻條件來劃分第二節(jié)變壓器的基本結(jié)構(gòu)和銘牌一、變壓器的基本結(jié)構(gòu)

圖2-2變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號

+

-

N

-

+

原繞組副繞組返回鐵柱鐵軛圖2-3單相心式變壓器圖2-4單相殼式變壓器

圖2-5三相心式變壓器

鐵軛繞組鐵柱高壓繞組低壓繞組繞組圖2-6三相殼式變壓器鐵柱鐵軛繞組鐵柱鐵軛繞組二、變壓器的銘牌數(shù)據(jù)1.額定視在功率2.額定線電壓3.額定線電流4.頻率f5.相數(shù)m6.接線圖與聯(lián)接組7.漏阻抗Z或短路電壓8.運(yùn)行方式（長期的或短期的）9.冷卻方式10.變壓器的總重量變壓器的額定電壓與額定電流是這樣規(guī)定的：原繞組額定電壓是指電網(wǎng)（電源）加到原邊的額定電壓；而副繞組的額定電壓是指在原邊加上額定電壓后，變壓器處于空載狀態(tài)，即副邊開路電壓。

已知變壓器的額定容量和原、副邊繞組的額定電壓，就可以求出原、副繞組的額定電流來。當(dāng)變壓器副邊電流達(dá)到額定值時，這時的負(fù)載叫做變壓器的額定負(fù)載。第三節(jié)變壓器的工作原理及運(yùn)行特性

一、理想變壓器的運(yùn)行所謂理想的變壓器是認(rèn)為它滿足下列條件：原繞組副繞組電阻都等于零；原副繞組間沒有漏磁通，也就是它們完全耦合；鐵心中沒有損耗；鐵心的導(dǎo)磁率為無窮大。返回

圖（2-7）表示一臺單相變壓器（或三相變壓器中的一個相）。為了正確地表示電壓、電流、磁通等量之間的相位關(guān)系，必須規(guī)定它們的正的或負(fù)的方向。通常按電工慣例來規(guī)定正方向，并符合下列內(nèi)容：1.在同一支路內(nèi)，電壓與電流的正方向一致2.磁通量正方向與電流正方向之間符合右手螺旋關(guān)系3.由交變磁通產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢正方向與產(chǎn)生該磁通的電流正方向一致，并有

的關(guān)系（電磁感應(yīng)定律）。圖2-7變壓器在運(yùn)行時的各物理量

需要說明的是，正方向并不是它們的實(shí)際方向，只是說明方向的相對關(guān)系，起到指路牌的作用。上面的規(guī)定只限于各量之間方向的問題，下面我們將進(jìn)一步討論它們之間的數(shù)量上關(guān)系。說明1．電壓關(guān)系在理想變壓器中，端電壓的比就等于電勢的比一般習(xí)慣，取變比為高壓匝數(shù)與低壓匝數(shù)之比，因此總大于1。

2．電流關(guān)系原副邊電流的數(shù)值是不同的，它們的大小關(guān)系及相量關(guān)系是3．功率關(guān)系

從式電壓和電流的關(guān)系可以看出：

也就是說理想變壓器內(nèi)部沒有損耗，輸入功率等于輸出功率，效率是100%。4．阻抗折合關(guān)系

變壓器還具有阻抗變換作用，如圖（2-9），副邊接負(fù)載阻抗，根據(jù)歐姆定律，則由于副邊接阻抗ZL,原邊就有一電流I1輸入。因此，由變壓器的原邊看上去，副邊阻抗的影響相當(dāng)于一等值阻抗Z‘L，它的數(shù)值是

稱為副邊的阻抗折合到原邊的數(shù)值，由此可見，當(dāng)負(fù)載直接接電源時，阻抗為ZL，當(dāng)通過變壓器接電源時，相當(dāng)于阻抗增加到ZL的k2倍。

在電子技術(shù)中，經(jīng)常利用變壓器的這一阻抗變換作用來實(shí)現(xiàn)“阻抗匹配”。對理想變壓器的討論突出了變壓器的主要作用，就是變電壓，變電流，和阻抗折合的關(guān)系，這些都和變比k有密切關(guān)系。由于忽略了內(nèi)部損耗和漏阻抗，理想變壓器的效率等于100%，帶負(fù)載時副邊端電壓不變。要研究實(shí)際變壓器的性能，就要涉及到內(nèi)部損耗和漏阻抗，就必須考慮其他因素。(a)等效前的電路(b)等效后的電路圖2-9變壓器的阻抗變換二、實(shí)際變壓器的空載運(yùn)行

1.考慮鐵心中μ的影響圖2-102.考慮鐵損耗的影響圖2-113.考慮繞組漏阻抗的影響圖2-124.空載時的向量圖圖2-135.變壓器在空載時的等值電路圖2-14圖2-10激磁電流的波形

返回圖2-11空載電流的向量圖返回圖2-12變壓器的無載情況返回圖2-13空載時的向量圖返回（a）

（b）

圖2-14空載時的等效電路三、變壓器的負(fù)載運(yùn)行1.負(fù)載時電壓和電流（1）原邊電流和原邊電勢磁勢：電勢：電流：

（2）副邊電勢平衡關(guān)系

圖2-15變壓器的主磁通和漏磁通（2-32）2.變壓器的等值電路原副邊磁勢平衡關(guān)系為

或

即原副邊磁勢平衡關(guān)系可以寫成原副邊電流平衡的關(guān)系，匝數(shù)已消去。原邊電流的兩個分量為:

其中,即負(fù)載分量電流總與折合過后的副邊相等而方向相反

原、副邊的電勢關(guān)系為：

副邊電勢平衡關(guān)系依舊:總結(jié)折合過的變壓器中各關(guān)系的聯(lián)立方程式如下:

這些方程式中已經(jīng)沒有k，分析較簡單，而且得出的原副邊的電壓或電流的數(shù)量級是一樣的。更重要的是，根據(jù)這些等式，可以找出變壓器的等值電路，如圖2-16所示。圖2-16為變壓器的“T”形等值電路

圖2-16變壓器的"T"形等值電路返回

在分析變壓器帶負(fù)載時激磁電流是較小的，它對中的壓降的影響是極小的，因此，在分析變壓器負(fù)載時的問題時，可以把忽略，而將等值電路進(jìn)一步簡化成如圖2-17所示的一個串聯(lián)阻抗型式。圖中（）變壓器的全部漏阻抗，包括原邊和副邊的漏阻抗。也稱為短路阻抗，因?yàn)榭梢杂枚搪穼?shí)驗(yàn)求出。用這個簡化等值電路后，分析將十分簡單，而結(jié)果的正確程度也能滿足工程的要求。

圖2-17變壓器的簡化等值電路

總的說來，折合算法和等值電路是一個重要的分析方法，它是用來分析兩個繞組之間通過電磁感應(yīng)，存在能量傳遞時的相互關(guān)系的一個通用方法，不僅用于分析變壓器的問題，也用于分析其它電機(jī)的問題中。

要注意等值電路中所表示的都是一相的數(shù)值，用在三相變壓器時是指對稱運(yùn)行時的一相的情況，所有阻抗都是每相的數(shù)值，變比也是相電壓之比或每相匝數(shù)之比。

四、變壓器的基本參數(shù)及實(shí)驗(yàn)

等值電路中的阻抗和，稱為變壓器的參數(shù)，它們對變壓器的運(yùn)行性能有著直接的影響。一旦知道了變壓器的參數(shù)，就能得到變壓器的等值電路，也就能分析變壓器的運(yùn)行性能。另一方面，從生產(chǎn)變壓器的角度來看，變壓器所用材料的性質(zhì)和各部分的結(jié)構(gòu)尺寸都將影響它的參數(shù)，所以參數(shù)對變壓器的生產(chǎn)成本也有相當(dāng)大的影響。因此正確決定變壓器的參數(shù)，不論對生產(chǎn)或使用變壓器來說，都有重要的意義。1.基本參數(shù)（1）短路電阻（2）短路電抗（3）激磁回路阻抗及激磁回路阻抗是一個等值阻抗，它反映了變壓器的鐵

心中產(chǎn)生交變磁通時所消耗的有功功率與無功功率。2．變壓器的空載實(shí)驗(yàn)

變壓器變比：

勵磁阻抗：

勵磁電阻：

勵磁電抗：

如圖：圖2-18

圖2-18

空載試驗(yàn)線路圖

3．短路實(shí)驗(yàn)

由圖2-19可知：

因UK=I1ZK

,故漏阻抗或路阻抗為：

輸入功率，所以:

短路電抗為：圖2-19短路試驗(yàn)線路圖

返回五、變壓器的運(yùn)行特性

1．變壓器帶負(fù)載時副邊端電壓的變化

外特性曲線，如圖2-20所示

圖2-20變壓器的外特性2．變壓器的效率

第四節(jié)三相變壓器的磁路系統(tǒng)

一、三相變壓器組的磁路

如圖2-21所示，三相變壓器組的磁路特點(diǎn)是，三相磁通各有自己單獨(dú)的磁路，互不相關(guān)。當(dāng)原邊外加三相電壓對稱時，各相的主磁通必然對稱，各相的勵磁電流，即空載電流也是對稱的。其優(yōu)點(diǎn)是制造和運(yùn)輸方便；備用的變壓器容量較?。ㄈM容量的三分之一）。但它有硅鋼片用量較多、價錢較貴、效率較低、占地面積較大等缺點(diǎn)，所以一般不采用，僅用于大容量及超高壓的變壓器中。返回圖2-21三相變壓器的磁路系統(tǒng)二、三相變壓器的磁路

a)b)c)圖2-22三相變壓器的磁路演變第五節(jié)變壓器的聯(lián)接組及三相變壓器的運(yùn)行問題

一、變壓器的聯(lián)接1．單相變壓器的聯(lián)接2．三相變壓器的磁路和繞組聯(lián)接

（1）三相變壓器的磁路系統(tǒng)

（2）三相繞組的聯(lián)接

（3）三相變壓器的聯(lián)接組別，原副邊電壓的相位移

⒈Y/Y連接⒉Y/聯(lián)接

（4）標(biāo)準(zhǔn)連接組返回ab圖2-24單相變壓器的二種不同聯(lián)接圖2-23單相變壓器的出線標(biāo)志圖2-25實(shí)驗(yàn)測定極性返回圖2-26三鐵心柱式鐵心中的磁通返回圖2-27三相的各種接法圖2-28三角接法時A相極性接反時的電勢

返回

圖2-39Y/Y-12聯(lián)結(jié)組XYZ

abcxyz

XYZabcxyz圖2-30Y/Y-6聯(lián)結(jié)組

返回

XYZabcxyz

第六節(jié)自耦變壓器及儀用互感器一、自耦變壓器

圖2-32自耦變壓器返回二、儀用互感器

1.電壓互感器電網(wǎng)圖2-33電壓互感器的接線及電路符號2.電流互感器電網(wǎng)圖2-35電流互感器的接線及電路符號第三章異步電動機(jī)本章主要講解內(nèi)容第一節(jié)三相異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)與銘牌數(shù)據(jù)第二節(jié)異步電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場與工作原理第三節(jié)異步電動機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子電路

第四節(jié)三相異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與機(jī)械特性第五節(jié)三相異步電動機(jī)工作特性與選擇第六節(jié)單相異步電動機(jī)第一節(jié)三相異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)與銘牌數(shù)據(jù)

一、三相異步電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

三相異步電動機(jī)按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式不同分為鼠籠式和繞線式兩種，船舶上大多采用鼠籠式。圖4-1為一臺三相鼠籠式異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)分解圖。鼠籠式異步電動機(jī)主要由兩個基本部分組成：靜止不動的定子和可以旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。定子和轉(zhuǎn)子之間有一很窄的空氣隙。此外還有支撐轉(zhuǎn)子的端蓋等。返回圖4-1三相鼠籠式異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)1.定子

三相異步電動機(jī)的定子主要是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。它由機(jī)座（外殼）、定子鐵心和定子繞組三部分組成。

（1）機(jī)座與端蓋：機(jī)座是用來安裝定子鐵心和固定整個電動機(jī)用的，一般用鑄鐵或鑄鋼制成。機(jī)座也是散熱部件，其外表面有散熱片。端蓋固定在機(jī)座上，端蓋上設(shè)有軸承室，以放置軸承并支撐轉(zhuǎn)子。（2）定子鐵心：定子鐵心是電動機(jī)磁路的一部分，由于異步電動機(jī)中產(chǎn)生的是旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場相對定子以一定的同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，定子鐵心中的磁通的大小及方向都是變化的。

定子、轉(zhuǎn)子鐵芯如圖4-2所示。

異步電動機(jī)常用的定子鐵心槽的形狀如圖4-3示。返回

圖4-3定子槽形及槽內(nèi)線圈布置圖4-2異步電動機(jī)定子、轉(zhuǎn)子鐵芯形狀（3）定子繞組：定子繞組是定子中的電路部分。定子繞組為三相繞組，即三個完全相同的獨(dú)立繞組，一般采用漆包線繞制。定子繞組的兩種接線方法如圖4-4所示。接電源接電源圖4-4三相異步電動機(jī)接線盒2.轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子是電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，其作用是在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下獲得一個轉(zhuǎn)動力矩，以帶動生產(chǎn)機(jī)械一同轉(zhuǎn)動。異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子有鼠籠式和繞線式兩種型式。兩種轉(zhuǎn)子均包括轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)軸、軸承、滑環(huán)（僅限繞線式中有）等。

（1）轉(zhuǎn)子鐵心：轉(zhuǎn)子鐵心用厚度為0.5mm硅鋼片疊成，壓裝在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)子硅鋼片形狀如圖4-2（b）所示。以此片疊成的鐵心外圓的表面有均勻分布且與轉(zhuǎn)軸平行的糟，槽內(nèi)嵌放轉(zhuǎn)子繞組。

（2）鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組：鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組是裸銅條或由鑄鋁制成。銅條繞組是把裸銅條插入轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)，兩端用兩個端環(huán)焊成通路，參見圖4-5。鑄鋁繞組是將鋁熔化后澆鑄到轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)，兩個端環(huán)及冷卻用的風(fēng)翼也同時鑄成。一般小型籠式異步電動機(jī)都采用鑄鋁轉(zhuǎn)子。

（3）繞線式轉(zhuǎn)子繞組：繞線式轉(zhuǎn)子繞組是由漆包銅線繞成的三個完全相同的線圈嵌放到轉(zhuǎn)子鐵心的槽口內(nèi)。另一端分別接到固定在轉(zhuǎn)軸上的三個滑環(huán)（也稱集電環(huán)）上，滑環(huán)間和滑環(huán)與轉(zhuǎn)軸間要絕緣?；h(huán)上固定著電刷。通過滑環(huán)、電刷將轉(zhuǎn)子繞組電路與外電路相連。通常外電路是呈星形連接的電阻，如圖4-6所示。通過轉(zhuǎn)子電路接入適當(dāng)?shù)母郊与娮韪纳飘惒诫妱訖C(jī)的起動性能（增大起動轉(zhuǎn)矩，減小起動電流）或調(diào)速性能（通過改變外接電阻的阻值改變異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速）。

圖4-7為繞線式異步電動機(jī)的外形結(jié)構(gòu)圖。

返回圖4-5鼠籠式轉(zhuǎn)子返回圖4-6繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)返回圖4-7繞線式異步電動機(jī)的外形結(jié)構(gòu)3.氣隙

異步電動機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子之間有一很窄的空氣隙。中小型異步電動機(jī)的氣隙一般為0.2～1.0mm。氣隙的大小直接關(guān)系到電動機(jī)的運(yùn)行性能。通常，氣隙越小，電動機(jī)磁路中的磁阻越小，產(chǎn)生一定量磁通所需要的勵磁電流就小，電動機(jī)運(yùn)行性能越好。二、三相異步電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)在每臺電動機(jī)的外殼上都有裝有一塊銘牌，該銘牌上標(biāo)出這臺電動機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)主要包括下列幾項(xiàng)：1.型號

2.額定電壓

3.額定電流

4.額定功率因數(shù)

5.額定功率

6.額定頻率

7.額定轉(zhuǎn)速

8.工作方式

9.接法第二節(jié)異步電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場與工作原理一、三相異步電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場1.定子旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生以兩極三相異步電動機(jī)為例，如圖4-8所示，三相異步電動機(jī)的定子繞組是結(jié)構(gòu)完全相同的三相繞組，三相繞組的首、末端分別用U1-

U2、V1-V2、W1-W2表示，在制作時三相繞組沿定子鐵心內(nèi)圓周均勻而對稱地放置在內(nèi)。所謂對稱，即三相線圈的首端（或末端）在定子內(nèi)圓周上彼此相隔120°，圖4-8（a）所示。為分析方便，每相繞組用一匝線圈代替，三相繞組將分布在六個槽口中。三相線圈根據(jù)需要可以接成星形或者三角形，圖4-8（b）將它們作星形聯(lián)接（把三個末端U2、V2、W2并接在一起）。圖4-8異步電動機(jī)的三相繞組與三相電流

當(dāng)對稱三相交流電源接入三相繞組的U1、V1

、W1

端后，三相定子繞組中便有三相對稱電流iA、iB和iC流入，三相對稱電流分別為其波形及相位關(guān)系如圖4-8(c)所示。設(shè)三相電流的正方向是從繞組的首端流人（用

表示），末端流出（用⊙表示）。下面從幾個不同瞬間來分析三相交流電流流過定子繞組所產(chǎn)生的合成磁場。

t=0時，iA=0，U相繞組中沒有電流；iB是負(fù)值，即V相繞組中電流由V2端流進(jìn)，V1端流出；iC為正值，即電流從W1端流進(jìn)，W2端流出。根據(jù)右手螺旋定則，可確定合成磁場磁軸的方向如圖4-9（a）所示。ωt=60°時，iC=0；iA為正值，電流由U1端流進(jìn)，U2端流出；iB為負(fù)值，電流由V2端流進(jìn)，V1

端流出，此時合成磁場如圖4-9（b）所示。相比ωt=0時刻，合成磁場在空間按逆時針方向旋轉(zhuǎn)了60°。ωt=90°時，iA為正值，而iB、iC

均為負(fù)值，同理可得合成磁場的方向如圖4-9（c）所示。與ωt=0時刻相比，合成磁場在空間按逆時針方向旋轉(zhuǎn)了90°。由此可見，隨著定子繞組中的三相電流隨時間不斷變化，它所產(chǎn)生的合成磁場則在空間不斷地旋轉(zhuǎn)，這就是旋轉(zhuǎn)磁場。這種旋轉(zhuǎn)磁場如同一對磁極在空間旋轉(zhuǎn)所起得作用是一樣的。（a）ωt=0（b）ωt=60o（c）ωt=90o圖4-9一對極旋轉(zhuǎn)磁場的形成返回產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場必須滿足兩個條件：

（1）至少要有兩個定子繞組，這些繞組之間要有空間相位差；

（2）通入這些繞組中的正弦交變電流之間要有時間相位差。2.旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向?qū)⑾嘈驗(yàn)锳→B→C的三相電壓對應(yīng)接入三相繞組U、V、W后，三相繞組中電流達(dá)到最大值的順序是：先是U相電流iA

、其次是V相的電流iB

，再次是W相的電流iC。由圖4-9可看出：磁場旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動方向是由U相線圈平面（U1-

U2

）經(jīng)V相線圈平面（V1-V2

）轉(zhuǎn)向W相線圈平面（W1-W2）。由此可見，旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向是與三相繞組中電流達(dá)到最大值的順序是一致的，或者說旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動方向是由三相繞組中所通入電流的相序決定的。若要改變旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向，只需把接入定子繞組的電源相序改變即可。（a）ωt=0（b）ωt=60o（c）ωt=90o圖4-9一對極旋轉(zhuǎn)磁場的形成3.旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速與磁極對數(shù)之間的關(guān)系在兩極（一對磁極）旋轉(zhuǎn)磁場的分析中我們知道，當(dāng)定子繞組中電流變化一周時，旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)了一周，若電流的頻率為f1，則電流每秒變化f1周，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為f1轉(zhuǎn)/秒。通常轉(zhuǎn)速是以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(r/min)計算，若以n0表示旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，則有

當(dāng)f1

＝50Hz,旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為3000r/min。

圖4-10四極異步電動機(jī)定子繞組

設(shè)電流的頻率為f1

，電流每分鐘變化的周數(shù)為60f1,故每分鐘旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)過（60f1

）/p轉(zhuǎn)，故旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為：旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0又稱異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，其單位為r/min。因?yàn)殡娫吹念l率和磁極對數(shù)通常是固定的，所以一臺異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0

是一個不變的常數(shù)。表4-1列出了電源頻率為50Hz

和60Hz時異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速與磁極對數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。表4-1電源頻率為50Hz和60Hz時異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0與磁極對數(shù)的對應(yīng)關(guān)系p123456n0

（f=50Hz）300015001000750600500n0

（f=60Hz）360018001200900720600二、異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理可以用圖4-12說明。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方向與旋轉(zhuǎn)磁場方向相同，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場方向反向時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)子也跟著反轉(zhuǎn)。異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)動是基于電磁感應(yīng)，故又稱之為感應(yīng)電動機(jī)。三、異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率

設(shè)旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子相對靜止的空間的轉(zhuǎn)速分別為n0

、n，則旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子的的相對轉(zhuǎn)速差為n=n0

–n,它與同步轉(zhuǎn)速n0的比值稱為異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率，用s表示，則有:

轉(zhuǎn)差率常用百分率表示，即有

計算轉(zhuǎn)差率公式還可以改寫為或或

異步電動機(jī)還可能工作于其它非電動機(jī)狀態(tài)，如轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n>n0,轉(zhuǎn)差率為s<0的發(fā)電制動狀態(tài)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向方向相反,s>1的電磁制動狀態(tài)。一、定子電路中各電量的關(guān)系1.定子電路中感應(yīng)電勢

由前一節(jié)可知三相定子繞組接通交流電源后，定子三相對稱電流在電動機(jī)內(nèi)的空氣隙中形成旋轉(zhuǎn)磁場。其磁場的磁通分兩部分，其中大部分同時穿過定子和轉(zhuǎn)子繞組，稱為主磁通；另有少量漏磁通分別穿過定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，如圖4-14所示。主磁通在定子繞組感應(yīng)電勢相位上比主磁通

滯后90

，其有效值為第三節(jié)異步電動機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子電路定子轉(zhuǎn)子圖4-14主磁通和漏磁通2.定子電路電壓平衡方程異步電動機(jī)的定子電路的電壓平衡方程為

式中是定子一相繞組漏阻抗。由于和很小，在定量分析時，?？珊雎圆挥?。因此,即：圖4-15的左半部分是三相異步電動機(jī)定子的等效電路。

二、轉(zhuǎn)子電路中各電量的關(guān)系三相異步電動機(jī)運(yùn)行時閉合的轉(zhuǎn)子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場，且在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生感應(yīng)電勢，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流，因轉(zhuǎn)子中還存在轉(zhuǎn)子漏感電勢和轉(zhuǎn)子繞組電阻壓降，其等效電路與變壓器副邊短路時情況相同。如圖4-14的右半部分電路所示。圖4-14異步電動機(jī)一相等效電路圖返回1.轉(zhuǎn)子電路電勢頻率

當(dāng)異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為

n=n0?n，即旋轉(zhuǎn)磁場以

n的轉(zhuǎn)速切割轉(zhuǎn)子繞組，因此在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電勢，該電勢的頻率為：2.轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢每極磁通

切割轉(zhuǎn)子繞組并在其中感應(yīng)轉(zhuǎn)子電勢E2，其大小為:

當(dāng)n=0時，s=1，即f2=f1

，設(shè)此時轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢的有效值為:

定值并且由前兩式比較可得:

與定子漏磁通一樣，轉(zhuǎn)子電流所引起的漏磁通在轉(zhuǎn)子繞組中也要產(chǎn)生漏磁感應(yīng)電勢。3.轉(zhuǎn)子電流I2及功率因數(shù)cos

2

轉(zhuǎn)子電路中的電阻及電抗分別為、，因而轉(zhuǎn)子電流的有效值為：

由于轉(zhuǎn)子電路為感性電路，所以其電流I2在相位上將滯后電勢，轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)為

轉(zhuǎn)子電流I2、功率因數(shù)cos

2與s之間的關(guān)系曲線如圖4-15所示。4.鼠籠式轉(zhuǎn)子的磁極對數(shù)繞線式異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組分布與定子繞組相同，則定、轉(zhuǎn)子有相同的磁極對數(shù)。鼠籠式異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組是由導(dǎo)電條組成，其磁極對數(shù)由定子磁極對數(shù)決定，即恒等于定子的磁極對數(shù)。

圖4-16是2對極鼠籠式轉(zhuǎn)子的展開圖.圖4-18四極鼠籠轉(zhuǎn)子展開圖三、定子和轉(zhuǎn)子各量的相互關(guān)系1.定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場已知異步電動機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速為n0，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n，這時轉(zhuǎn)子電流也要產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，設(shè)該磁場相當(dāng)于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為n2

，則

因?yàn)檗D(zhuǎn)子相對于定子的轉(zhuǎn)速為n，所以轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相對靜止空間的轉(zhuǎn)速應(yīng)是：

2.定子磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢定子磁勢轉(zhuǎn)子磁勢空載運(yùn)行磁勢異步電動機(jī)的磁勢平衡方程3.定子電流和轉(zhuǎn)子電流

將磁勢平衡方程各項(xiàng)同除k1N1后可以得到定、轉(zhuǎn)子電流的平衡關(guān)系式，即第四節(jié)三相異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與機(jī)械特性一、電磁轉(zhuǎn)矩三相異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是指電動機(jī)的轉(zhuǎn)子受到電磁力的作用而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，它由旋轉(zhuǎn)磁場的每極磁通

與轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生的。異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為:

轉(zhuǎn)矩的另一個表達(dá)式返回二、三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性與機(jī)械特性1.電磁轉(zhuǎn)矩特性T=f(s)

在一定的轉(zhuǎn)子電阻R2和電源電壓U1下，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系曲線稱為一部電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性。

圖4-17三相異步電動機(jī)T=f(s)曲線圖4-18三相異步電動機(jī)機(jī)械特性曲線返回2.機(jī)械特性n=f(T)

異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T的關(guān)系稱為機(jī)械特性。而機(jī)械特性很容易通過轉(zhuǎn)矩特性獲得。因?yàn)椋?/p>

故：三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖4-18所示。

機(jī)械特性曲線上有三點(diǎn)反映了它的基本性能和特點(diǎn)：（1）最大轉(zhuǎn)矩Tmax，反映過載能力；（2）起動轉(zhuǎn)矩Tst

，反映起動性能；（3）額定轉(zhuǎn)矩TN

，反映穩(wěn)定運(yùn)行的負(fù)載能力和特點(diǎn)。(1)額定轉(zhuǎn)矩TN

異步電動機(jī)在額定負(fù)載時軸上輸出的轉(zhuǎn)矩稱為額定轉(zhuǎn)矩TN。在異步電動機(jī)等速轉(zhuǎn)動時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩T必須與阻轉(zhuǎn)矩相平衡，阻轉(zhuǎn)矩包括負(fù)載轉(zhuǎn)矩和空載損耗轉(zhuǎn)矩（電機(jī)本身的風(fēng)阻、摩擦阻力等）T0，所以:

由于T0很小一般可忽略，因此可得異步電動機(jī)中轉(zhuǎn)矩平衡方程為：

由于轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時輸出機(jī)械功率等于角速度與轉(zhuǎn)矩的乘積，因此電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與輸出功率P2的關(guān)系是：

實(shí)用中，P2的單位常用千瓦（kW）,n的單位是轉(zhuǎn)/分（r/min），則上式為:第五節(jié)三相異步電動機(jī)工作特性與選擇一、異步電動機(jī)的工作特性

三相異步電動機(jī)的主要工作特性是指電動機(jī)在額定電壓和額定頻率下運(yùn)行時，電動機(jī)的定子電流、效率

及定子繞組功率因數(shù)隨輸出功率P2的變化關(guān)系。

圖4-23是一臺10kW的三相異步電動機(jī)的工作特性曲線。返回06圖4-23三相異步電動機(jī)的工作特性曲線024681012246810121416182022.0204..08.101.定子電流特性I1=f(P2)

異步電動機(jī)空載運(yùn)行時，定子電流近似為勵磁電流I0。隨著輸出功率P2的增加，轉(zhuǎn)子電流增大，定子電流I1也相應(yīng)增大。所以其特性曲線是一條從I0逐漸增大的曲線，當(dāng)輸出功率P2超過額定功率之后，轉(zhuǎn)子電流增大較快，定子電流也相應(yīng)增大很快。異步電動機(jī)空載和輕載時，定子電流較大，其空載電流I0與額定電流IN之比約為20％～50％。這是因?yàn)殡妱訖C(jī)的磁路存在氣隙，磁阻較大，所以產(chǎn)生一定量的磁通所需要的電流就大。2.效率特性

=f(P2)

電動機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率P2與定子輸入功率P1之比稱為效率

。即

通常一般三相異步電動機(jī)的額定效率約為0.72～0.93。電動機(jī)容量越大效率相對越高。3.功率因數(shù)特性

因?yàn)殡妱訖C(jī)是電感性負(fù)載，定子相電流比相電壓滯后一個角，cos就是電動機(jī)的功率因數(shù)。

三相異步電動機(jī)的空載功率因數(shù)很低，約為0.2左右，當(dāng)輸出功率增加時，定子電流中有功分量增大，使功率因數(shù)提高，當(dāng)接近額定功率時，功率因數(shù)達(dá)最大值。如果負(fù)載繼續(xù)增大，由于轉(zhuǎn)差率的增加，轉(zhuǎn)子功率因數(shù)降低較大，定子功率因數(shù)開始逐漸減小。

二、三相異步電動機(jī)的選擇

在船舶上三相異步電動機(jī)的使用非常廣泛，正確的選用電動機(jī)是關(guān)系到船舶安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要保障。選擇電動機(jī)應(yīng)按照生產(chǎn)機(jī)械的實(shí)際要求，正確選擇電動機(jī)的容量、種類、型式等。1.功率的選擇

電動機(jī)的額定功率等于或稍大于生產(chǎn)機(jī)械的功率。若功率選擇太小，電動機(jī)會因過載而損壞，甚至燒毀；選擇得太大，則不但增加投資，而且電動機(jī)沒有充分發(fā)揮它的作用，效率和功率因數(shù)都會降低。一般對連續(xù)運(yùn)行的恒定負(fù)載，如果生產(chǎn)機(jī)械的功率為，則電動機(jī)的功率P可按下式算出：

2.種類的選擇

一般選擇電動機(jī)種類主要從以下幾方面考慮：交流還是直流、機(jī)械特性（硬特性或軟特性）、調(diào)速與起動性能、維護(hù)及價格等。3.結(jié)構(gòu)型式的選擇電動機(jī)的結(jié)構(gòu)型式主要有：（1）開啟式：這種電動機(jī)的帶電部分和旋轉(zhuǎn)部分沒有任何防護(hù)裝置。散熱好，造價低。用于干燥無灰塵的場所。（2）防護(hù)式：在機(jī)殼或端蓋下面有通風(fēng)罩，可防水滴、鐵屑等雜物從上面或與垂直方向成45

角以內(nèi)掉入電動機(jī)內(nèi)部。（3）封閉式：有封閉外殼保護(hù)，電動機(jī)靠自身風(fēng)扇或外部風(fēng)扇冷卻，外殼帶有散熱片。適用于潮濕、塵埃多、水土飛濺的場所。（4）防爆式：外殼完全封閉，適用于有爆炸氣體的場所，例如船上的蓄電池室。4.電壓與轉(zhuǎn)速的選擇

電動機(jī)電壓的選擇是根據(jù)使用地點(diǎn)的電源來決定的。電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速的選擇應(yīng)由生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速和傳動設(shè)備的情況來決定，通常電動機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)盡量與生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速一致，以便直接傳動，避免傳動裝置復(fù)雜化。第六節(jié)單相異步電動機(jī)

用單相電源供電，且只有一相定子主繞組的異步電動機(jī)稱為單相異步電動機(jī)。單相異步電動機(jī)也是由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成。轉(zhuǎn)子全部采用普通的鼠籠式結(jié)構(gòu)；而定子通常有兩個繞組，一個為單相運(yùn)行繞組（也稱為主繞組）；另一個為起動繞組（又稱為輔助繞組），在空間相隔90°放置。通常起動繞組通過一個離心開關(guān)S與運(yùn)行繞組并聯(lián)接入單相電源，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的75％左右，此開關(guān)在離心力的作用下把該電路切斷。返回一、單相異步電動機(jī)的工作原理1.脈動磁場單相異步電動機(jī)的定子運(yùn)行繞組接入正弦交流電后產(chǎn)生一個振幅隨時間作正弦變，磁極在繞組軸線方向的空間保持不變的脈動磁場，如圖4-24所示。脈動磁場在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢和電流，此時轉(zhuǎn)子電流與磁場作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大小相等，方向相反，因此作用在轉(zhuǎn)子上的合成轉(zhuǎn)矩為零。電動機(jī)不能轉(zhuǎn)動。如加一外力預(yù)先推一下轉(zhuǎn)子向任意方向轉(zhuǎn)動，則接通電源后電動機(jī)即可沿著這個方向轉(zhuǎn)動起來，并能帶動一定的機(jī)械負(fù)載。圖4-24單相定子脈動磁場2.電磁轉(zhuǎn)矩特性

脈動磁場分解的兩個旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子的作用與三相異步電動機(jī)相同，分別會在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T+和T-，而總轉(zhuǎn)矩為二者的合成。當(dāng)電動機(jī)接通電源轉(zhuǎn)子處于靜止尚未轉(zhuǎn)動時，T+與T-

大小相等，方向相反，合成轉(zhuǎn)矩為零，所以單相異步電動機(jī)沒有起動轉(zhuǎn)矩，不能自行起動。當(dāng)轉(zhuǎn)子借助外力沿某一方向（如正向旋轉(zhuǎn)磁場的方向）轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子相對于兩個反向旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)差率不同。轉(zhuǎn)子對于與其同方向的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)差率為

而

單相異步電動機(jī)沒有固定轉(zhuǎn)向，它的轉(zhuǎn)動方向決定于起動初始外力矩的方向。則與逆向旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)差率則為，而3.機(jī)械特性曲線

單相異步電動機(jī)的機(jī)械特性曲線的繪制方法與三相異步電動機(jī)相同。先設(shè)只有正向旋轉(zhuǎn)磁場，得到n+=f(T+)曲線，然后再設(shè)只有逆向旋轉(zhuǎn)磁場，得到n-=f(T-)曲線。最后逐點(diǎn)合成轉(zhuǎn)矩既可得到單相異步電動機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖4-25所示。圖4-25單相異步電動機(jī)曲線二、各種類型的單相異步電動機(jī)單相異步電動機(jī)自身沒有起動轉(zhuǎn)矩，為了解決起動問題，一般在起動時先使定子產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，由此產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩。按起動方法的不同，單相異步電動機(jī)有以下幾種類型。

1.電容分相式異步電動機(jī)

2.電阻分相式異步電動機(jī)

3.罩極式單相異步電動機(jī)1.電容分相式異步電動機(jī)電容分相式異步電動機(jī)定子上有兩套繞組，空間相差90°，在其起動繞組中串入一適當(dāng)容量的電容器，然后與工作繞組并聯(lián)接到單相交流電源上，如圖4-27所示。此時起動繞組中的電流在時間相位上近似超前于工作繞組中的電流90°。

若要改變電容分相式異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)向，只需將工作繞組或起動繞組中的一個接線端對調(diào)即可。圖4-26電容分相異步電動機(jī)機(jī)2.電阻分相式異步電動機(jī)還有一類單相異步電動機(jī)用增大起動繞組電阻的方法分相。由于與工作繞組并聯(lián)的起動繞組電阻較大，則滯后電源電壓的相位角比較小，而工作繞組電流的相位不變，這樣，兩個繞組中電流存在相位差而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。電阻分相式異步電動機(jī)的分相角很小，約為20°～30°。3.罩極式單相異步電動機(jī)較小容量的異步電動機(jī)常采用罩極式結(jié)構(gòu)。單相罩極式結(jié)構(gòu)異步電動機(jī)的定子鐵心由硅鋼片疊成，通常做成凸極式。其工作繞組集中套在磁極上，鐵心凸出的磁極上約三分之一處開槽，套上一銅制短路環(huán)，也稱為罩極繞組，如圖4-27所示。

罩極式單相異步電動機(jī)只有一個固定的轉(zhuǎn)向。一、主配電板并車屏負(fù)載屏發(fā)電機(jī)控制屏第四章船舶同步電機(jī)

本章概述同步電機(jī)是一種交流電機(jī),它區(qū)別另一種交流電機(jī)－異步電機(jī)的一個重要特征在于它的轉(zhuǎn)速（r/min）與電流頻率（Hz）之間保持著嚴(yán)格的關(guān)系，即

式中p為電機(jī)的極對數(shù)。所以，當(dāng)同步電機(jī)的極對數(shù)和轉(zhuǎn)速一定時，感應(yīng)電動勢的頻率也是一定的。同步電機(jī)和其他電機(jī)一樣，具有可逆性，可做同步發(fā)電機(jī)也可做同步電動機(jī)用，還可以做同步補(bǔ)償機(jī)用。但在船舶上主要是做同步發(fā)電機(jī)用，對于某些采用電力推進(jìn)的船舶，推進(jìn)電動機(jī)大部分采用同步電動機(jī)。第四章船舶同步電機(jī)本章主要講解內(nèi)容第一節(jié)三相同步發(fā)電機(jī)的基本類型和結(jié)構(gòu)第二節(jié)同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)第三節(jié)同步發(fā)電機(jī)的電勢方程和相量圖第四節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性第五節(jié)同步電動機(jī)第一節(jié)三相同步發(fā)電機(jī)的基本類型和結(jié)構(gòu)

同步電機(jī)與其他電機(jī)一樣，由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。三相同步發(fā)電機(jī)（旋轉(zhuǎn)磁極式。）定子與三相異步電機(jī)的相同，主要有嵌放在鐵心槽中的三相對稱繞組，也稱電樞繞組。轉(zhuǎn)子上裝有磁極和勵磁繞組，如圖5-1三相同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖所示。當(dāng)勵磁繞組通以直流電流以后，電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場，如用原動機(jī)帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，則轉(zhuǎn)子磁場與三相定子繞組間有相對運(yùn)動，就會在三相定子繞組中感應(yīng)出交流電勢。返回

圖5-1三相同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖返回一、同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)1.同步發(fā)電機(jī)按其結(jié)構(gòu)可以分為旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式。2.旋轉(zhuǎn)磁極式按照磁極的形狀，又可分為凸極式和隱極式。

圖5-2同步發(fā)電機(jī)的基本型式

圖5-2同步發(fā)電機(jī)的基本型式

1-定子；2-凸極轉(zhuǎn)子；3-隱極轉(zhuǎn)子；4-滑環(huán)a）

b）

124143返回同步發(fā)電機(jī)的基本類型：按同步發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)及作用不同有兩種類型，即旋轉(zhuǎn)磁極式和旋轉(zhuǎn)電樞式。按同步發(fā)電機(jī)的勵磁電源的不同有兩種基本類型，即自勵的自勵同步發(fā)電機(jī)和他勵的無刷同步發(fā)電機(jī)。三、三相同步發(fā)電機(jī)額定值

同步發(fā)電機(jī)和其他電機(jī)一樣，制造廠將該電機(jī)正常運(yùn)行的條件，各種規(guī)定的數(shù)據(jù)都印刷在銘牌上。這些數(shù)據(jù)稱為同步發(fā)電機(jī)的額定值，也是使用管理電機(jī)人員必須遵守的技術(shù)規(guī)定。同步發(fā)電機(jī)的主要額定值有：額定容量SN

或額定功率PN

額定電壓UN額定電流IN額定功率因數(shù)cosΦN額定頻率fN額定轉(zhuǎn)速nN額定勵磁電壓（額定勵磁電流）第二節(jié)同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)

三相同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中隨著負(fù)載的大小、性質(zhì)的變化，發(fā)電機(jī)內(nèi)部的氣隙磁場也在變化，三相同步發(fā)電機(jī)的輸出電壓和電流也隨之變化。由負(fù)載電流產(chǎn)生的電樞磁場對主磁極磁場的影響稱之為電樞反應(yīng)。返回4.2.1同步發(fā)電機(jī)的空載特性原動機(jī)拖動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組上加直流勵磁，定子電樞繞組開路（發(fā)電機(jī)主開關(guān)處于斷開）狀態(tài)，稱為同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行。空載時，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n等于同步轉(zhuǎn)速、電樞電流

Ia=0，空載電壓U0與勵磁電流If的關(guān)系稱為空載特性，表示為?？蛰d特性曲線可參見圖5-14空載特性可以通過實(shí)驗(yàn)方法測得。實(shí)驗(yàn)接線如圖5-15所示0圖5-14空載特性曲線VA圖5-15空載實(shí)驗(yàn)原理接線圖ABCSU+返回4.2.2同步發(fā)電機(jī)的對稱負(fù)載運(yùn)行原動機(jī)拖動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組加上直流勵磁，在定子三相電樞繞組端點(diǎn)接一負(fù)載，電樞回路中有負(fù)載電流通過，并由此產(chǎn)生電樞磁勢，致使發(fā)電機(jī)中氣隙磁場（相對于空載時的）發(fā)生變化，引起發(fā)電機(jī)輸出端電壓變化。一、電樞電流與空載電勢同相位（即）時的電樞反應(yīng)

ψ=0°時，同步發(fā)電機(jī)的內(nèi)功率因數(shù)為，輸出的負(fù)載電流與空載電勢同相，發(fā)電機(jī)并不發(fā)出無功功率，將有功功率從發(fā)電機(jī)輸至電網(wǎng)。具體電樞反應(yīng)如圖5-5。a）某一瞬間的位置圖

b）相量圖

c）展開圖

圖5-5ψ=0

時的電樞反應(yīng)返回二、電樞電流滯后于空載電勢900（即ψ=900）時的電樞反應(yīng)

ψ=90°時，同步發(fā)電機(jī)的輸出負(fù)載電流滯后于空載電勢90°（即），發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率為零，僅輸送感性無功功率至電網(wǎng)。具體電樞反應(yīng)如圖5-6。

圖5-6ψ=90°時的電樞反應(yīng)返回NSSNFaFfEUIUNSEWEVIWIVnfanU1U2V1V2W1W2U1U2V1V2W1W2U1U2a）U相繞組電勢最大時的位置c）U相繞組電流最大時的位置b）相量圖d）展開圖三、電樞電流超前于空載電勢900（即ψ=-900）時的電樞反應(yīng)

ψ=-90°時，同步發(fā)電機(jī)的輸出負(fù)載電流Ia超前于空載電勢90°（），發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率為零，僅輸送容性無功功率至電網(wǎng)。具體電樞反應(yīng)如圖5-7。返回NSSNEUIUNSEWEVIVnFfFaIWnnU1U2V1V2W1W2U1U2V1V2W1W2U1U2a）U相繞組電勢最大時的位置c）U相繞組電流最大時的位置b）相量圖d）展開圖

圖5-6ψ=-90°時的電樞反應(yīng)四、同步發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時的電樞反應(yīng)1.實(shí)際運(yùn)行時，同步發(fā)電機(jī)的內(nèi)功率因數(shù)角Φ可以為-90°到90°之間的任意數(shù)值，即電樞磁勢的軸線和主磁勢的軸線可以有任意的相對位置。與直流電機(jī)一樣。此時可以將電樞磁勢分解為直軸分量和交軸分量，直軸分量起去磁作用或增磁作用。2.一般0°<Φ<90°是同步發(fā)電機(jī)最常見的運(yùn)行情況，此時發(fā)電機(jī)的輸出負(fù)載電流落后于空載電勢角，發(fā)電機(jī)將向電網(wǎng)輸送一部分有功功率和一部分感性無功功率。a）b）