船舶电气课件船舶电机.ppt

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1、船舶电气设备1.1 直流电机直流电机 本章概述本章概述o实现电能与机械能相互转换的设备称为电机。应用旋实现电能与机械能相互转换的设备称为电机。应用旋转的方式进行能量转换的电机叫旋转电机，把机械能转的方式进行能量转换的电机叫旋转电机，把机械能转换为电能的旋转电机称作发电机，根据电磁原理把转换为电能的旋转电机称作发电机，根据电磁原理把电能转换为机械能的旋转电机称为电动机。电能转换为机械能的旋转电机称为电动机。o船用电机在船舶的整个电器设备中占有很大的比例。船用电机在船舶的整个电器设备中占有很大的比例。一般几千吨位以上的船舶，电机的总数量可超过百台一般几千吨位以上的船舶，电机的总数量可超过百台以上，

2、若为电力推动船舶，电机数量更多。根据电流以上，若为电力推动船舶，电机数量更多。根据电流种类电机分交流电机和直流电机。种类电机分交流电机和直流电机。船舶电气设备o直流电机是实现机械能和直流电能相互转换的一种旋转直流电机是实现机械能和直流电能相互转换的一种旋转电器装置。直流电机是可逆的。一台直流电机既可作为电器装置。直流电机是可逆的。一台直流电机既可作为发电机使用，也可以作为电动机使用。在作为电动机使发电机使用，也可以作为电动机使用。在作为电动机使用时，它将电能转换为机械能，并且具有良好调速性能，用时，它将电能转换为机械能，并且具有良好调速性能，调速设备简单，有较大的起动转矩和制动转矩等优点，调速

3、设备简单，有较大的起动转矩和制动转矩等优点，在现代船舶上有时被用在要求起动转矩大调速性能好和在现代船舶上有时被用在要求起动转矩大调速性能好和有较大的过载能力的起货机或电动舵机的电力拖动上。有较大的过载能力的起货机或电动舵机的电力拖动上。在作为发电机使用时，它把机械能转换为电能。在作为发电机使用时，它把机械能转换为电能。船舶电气设备o直流发电机早期作为主电源在船舶上普遍应用，与交流直流发电机早期作为主电源在船舶上普遍应用，与交流发电机比较，存在的主要缺点是：电压不能变换以及结发电机比较，存在的主要缺点是：电压不能变换以及结构复杂，造价高和维护工作量大等。现在大多数船舶采构复杂，造价高和维护工作量

4、大等。现在大多数船舶采用交流发电机替代直流发电机，但有些船舶仍用直流发用交流发电机替代直流发电机，但有些船舶仍用直流发电机作为变流机组向直流电力拖动系统提供直流电能。电机作为变流机组向直流电力拖动系统提供直流电能。有些船舶主机轴带发电机也是直流发电机，如远洋捕捞有些船舶主机轴带发电机也是直流发电机，如远洋捕捞船的拖网机。所以直流电机仍然是船舶电气设备的主要船的拖网机。所以直流电机仍然是船舶电气设备的主要类型之一。类型之一。o本章主要介绍，直流电机的工作原理、结构特点、励磁本章主要介绍，直流电机的工作原理、结构特点、励磁方式和直流发电机、直流电动机的基本运行特性等。方式和直流发电机、直流电动机的

5、基本运行特性等。船舶电气设备1.1 1.1 直流电机直流电机本章主要讲解内容本章主要讲解内容 第一节第一节 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构 第二节第二节 电枢绕组的感应电势和电磁转矩电枢绕组的感应电势和电磁转矩 第三节第三节 直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性 第四节第四节 直流电动机的运行特性直流电动机的运行特性 船舶电气设备第一节第一节 直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构 一、直流电机的工作原理一、直流电机的工作原理1.1.直流电机工作原理直流电机工作原理 1 1）图图1-11-1直流发电机的原理图直流发电机的原理图 2 2）图图1-2 1-2 电刷间

6、的电势电刷间的电势2.2.直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组 1 1）图图1-2 1-2 电刷间的电势电刷间的电势 2 2）图图1-3 1-3 直流电机绕组示意图直流电机绕组示意图 3 3）图图1-4 1-4 电枢绕组的连接电路图电枢绕组的连接电路图船舶电气设备(a)(a)导体导体abab处于处于N N极下极下 (b)(b)导体导体abab处于处于S S极下极下图图1-1 1-1 直流发电机的原理图直流发电机的原理图船舶电气设备图图1-2 1-2 电刷间的电势电刷间的电势船舶电气设备图图1-3 1-3 直流电机绕组示意图直流电机绕组示意图船舶电气设备B-1099101112123456783

7、4A+图图1-4 1-4 电枢绕组的连接电路图电枢绕组的连接电路图图图1-5 1-5 电刷偏离几何中性线示意图电刷偏离几何中性线示意图船舶电气设备二、直流电动机的工作原理二、直流电动机的工作原理(a)导体ab处于N极下 (b)导体ab处于S极下图图1-6 1-6 直流电动机原理图直流电动机原理图船舶电气设备三、直流电机的结构三、直流电机的结构 直流电机主要由定子和转子两大部分组成。图直流电机主要由定子和转子两大部分组成。图1-1-7 7是直是直流电机的解体图。定子由主磁极、换向极、机座、端盖和流电机的解体图。定子由主磁极、换向极、机座、端盖和电刷装置等组成，转子由电枢铁心、电枢绕组、电刷装置等

8、组成，转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器换向器、转轴和风扇等组成。转轴和风扇等组成。船舶电气设备图图1-71-7直流电机解体图直流电机解体图返回船舶电气设备图图1-8 1-8 换向器的结构换向器的结构船舶电气设备四、直流电机的额定值四、直流电机的额定值 （1 1）额定功率）额定功率 （）（2 2）额定电流）额定电流 （3 3）额定电压）额定电压 （4 4）额定转速）额定转速 （5 5）额定励磁电压）额定励磁电压 （6 6）额定工作方式）额定工作方式船舶电气设备第二节第二节 电枢绕组的感应电势和电磁转矩电枢绕组的感应电势和电磁转矩 一、电枢绕组的感应电势一、电枢绕组的感应电势 无论是直流发电机还是

9、直流电动机，当它们运行时，无论是直流发电机还是直流电动机，当它们运行时，即电枢以一定的转速向一个方向旋转时，嵌在电枢铁即电枢以一定的转速向一个方向旋转时，嵌在电枢铁 心槽内的电枢绕组便切割主磁通，产生感应电势。心槽内的电枢绕组便切割主磁通，产生感应电势。图图1-1-9 9表示直流电机在空载时，空气隙磁密表示直流电机在空载时，空气隙磁密B B沿电枢圆沿电枢圆 周分布曲线及电枢绕组电势。图中只画出绕组元件的周分布曲线及电枢绕组电势。图中只画出绕组元件的 上层边，而电刷通过换向片与几何中性线的元件相连上层边，而电刷通过换向片与几何中性线的元件相连 船舶电气设备 图图1-91-9主磁场磁密分布曲线及电

10、主磁场磁密分布曲线及电枢绕组电势枢绕组电势船舶电气设备当电枢旋转时，分布在电枢上的绕组元件便产生感应电当电枢旋转时，分布在电枢上的绕组元件便产生感应电势，根据电磁感应定律，距中性线势，根据电磁感应定律，距中性线x x处导体的感应电势为：处导体的感应电势为：式中式中,Bx,Bx表示距离中性线表示距离中性线x x处的气隙磁密；处的气隙磁密；l l表示电枢绕组表示电枢绕组导体的有效长度；导体的有效长度；v v表示电枢旋转的线速度。也是导体切表示电枢旋转的线速度。也是导体切割主磁场的线速度。割主磁场的线速度。船舶电气设备正、负电刷间总的感应电势是由每个支路电势决定的，正、负电刷间总的感应电势是由每个支

11、路电势决定的，因此必须把任一瞬间构成一条支路的全部串联导体所感因此必须把任一瞬间构成一条支路的全部串联导体所感应的电势相加起来。若以图应的电势相加起来。若以图1-31-3环形绕组电机为例，设为环形绕组电机为例，设为电枢绕组总导体根数，则每条支路全部串励导体根数为电枢绕组总导体根数，则每条支路全部串励导体根数为N/2N/2。总电势为。总电势为:船舶电气设备实际上，由于气隙磁密沿电枢圆周分布是梯形的，因而在实际上，由于气隙磁密沿电枢圆周分布是梯形的，因而在一条支路中，每根导体的感应电势也随其所在位置的磁密一条支路中，每根导体的感应电势也随其所在位置的磁密不同而不同。为了简化计算，我们将不同而不同。

12、为了简化计算，我们将B Bx x等效为平均值等效为平均值B B，其，其等效磁通为等效磁通为 。经过整理计算，其感应电势的计算公式可。经过整理计算，其感应电势的计算公式可以表示为以表示为 ：船舶电气设备二、电枢绕组的电磁转矩二、电枢绕组的电磁转矩 根据电磁力定律，无论是直流发电机还是直流电根据电磁力定律，无论是直流发电机还是直流电动机，当电枢绕组中流过电流时，导体便受到电磁力动机，当电枢绕组中流过电流时，导体便受到电磁力的作用，电磁力的方向根据左手定则确定。如图的作用，电磁力的方向根据左手定则确定。如图1-10所示。电磁力对于电枢轴心又形成转矩，该转矩即为所示。电磁力对于电枢轴心又形成转矩，该转

13、矩即为电枢绕组的电磁转矩。电枢绕组的电磁转矩。船舶电气设备 电磁转矩是由电磁力产生的，而电磁力与气隙中的电磁转矩是由电磁力产生的，而电磁力与气隙中的 磁密和电枢绕组电流成正比，所以电磁转矩磁密和电枢绕组电流成正比，所以电磁转矩T正比正比 于电枢电流于电枢电流Ia及每极磁通及每极磁通，其计算公式为，其计算公式为:船舶电气设备三、直流电机的电磁功率三、直流电机的电磁功率 电磁转矩所对应的功率称为电磁功率电磁转矩所对应的功率称为电磁功率Pm，根据功率的，根据功率的计算公式和电磁感应的公式可以推导出电磁功率表达式。计算公式和电磁感应的公式可以推导出电磁功率表达式。电磁功率电磁功率Pm即可以由电磁转矩即

14、可以由电磁转矩T和角速度和角速度相乘而得，也相乘而得，也可以由感应电势可以由感应电势Ea和电枢电流和电枢电流Ia的乘积来求得，所以电磁的乘积来求得，所以电磁功率是机械能与电能的转换环节。电磁功率的表达式为功率是机械能与电能的转换环节。电磁功率的表达式为:船舶电气设备在能量转换的过程中必然有损耗。直流电机的损耗有以下在能量转换的过程中必然有损耗。直流电机的损耗有以下几种：机械损耗几种：机械损耗P PM M、铁芯损耗、铁芯损耗P PFeFe、励磁和电枢绕组的铜损、励磁和电枢绕组的铜损耗耗P PCuCu和附加损耗和附加损耗(杂散损耗杂散损耗)P)P等等.附加损耗附加损耗P P （0.50.51 1）

15、P P2 2(P(P2 2为输出功率为输出功率)。当直流发电机带负载时，原动机在转轴上输入的机械功率当直流发电机带负载时，原动机在转轴上输入的机械功率P1应与输出的电功率应与输出的电功率P2和电机内部各种损和电机内部各种损 相平衡相平衡.即：即：船舶电气设备其功率可用流程图表示。其功率可用流程图表示。如如图图1-11所示。所示。T1为原动机输为原动机输入机械转矩，入机械转矩，U、I分别为发电机的输出电压和电流。由分别为发电机的输出电压和电流。由功率流程图可见，电磁功率功率流程图可见，电磁功率Pm为输出功率为输出功率P2和铜损和铜损PCu之之和。当直流电动机带负载运行时，输入的电功率和。当直流电

16、动机带负载运行时，输入的电功率P1应与轴应与轴上输出的机械功率上输出的机械功率P2 和电机内部的各种损耗相平衡。和电机内部的各种损耗相平衡。电磁功率为输出功率和机械损耗功率、铁损电磁功率为输出功率和机械损耗功率、铁损、附加、附加损耗之和。直流电动机的功率流程图损耗之和。直流电动机的功率流程图如图如图1-12所示所示 船舶电气设备图图1-11 1-11 直流发电机的功率流程图直流发电机的功率流程图船舶电气设备图图1-12 1-12 直流电动机的功率流程图直流电动机的功率流程图船舶电气设备第三节第三节 直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性 一、直流发电机的励磁方式一、直流发电机的励磁方式 直流

17、发电机的励磁方式分他励和自励，自励包括并直流发电机的励磁方式分他励和自励，自励包括并励、串励和复励。图励、串励和复励。图1-13为直流发电机为直流发电机4种励磁方式的种励磁方式的电路图。电路图。（1）他励发电机：励磁绕组电路与电枢电路无关，）他励发电机：励磁绕组电路与电枢电路无关，励磁电流取自其它的直流电源。其励磁功率约为直流电励磁电流取自其它的直流电源。其励磁功率约为直流电机额定功率的机额定功率的 13。（2）并励发电机：励磁绕组电路与电枢电路并联。）并励发电机：励磁绕组电路与电枢电路并联。并励绕组导线细、匝数多、电阻大，励磁电流小。并励并励绕组导线细、匝数多、电阻大，励磁电流小。并励发电机

18、的电流关系为发电机的电流关系为 。励磁功率约为直流电机。励磁功率约为直流电机额定功率的额定功率的 210。船舶电气设备 （3）串励发电机：励磁绕组与电枢绕组串联，电枢电）串励发电机：励磁绕组与电枢绕组串联，电枢电流即为励磁电流。因此串励绕组匝数少、导线粗、电阻极流即为励磁电流。因此串励绕组匝数少、导线粗、电阻极小。串励发电机的电流关系为：小。串励发电机的电流关系为：。（4）复励发电机：主磁极上有两个励磁绕组，其中一）复励发电机：主磁极上有两个励磁绕组，其中一个和电枢回路并连（称并励绕组），另一个和电枢回路串个和电枢回路并连（称并励绕组），另一个和电枢回路串连（称串励绕组）。当串励绕组产生的磁势

19、和并励绕组产连（称串励绕组）。当串励绕组产生的磁势和并励绕组产生的磁势方向相同时，称为积复励；当串励绕组产生的磁生的磁势方向相同时，称为积复励；当串励绕组产生的磁势和并励绕组产生的磁势方向相反时，称为差复励。复励势和并励绕组产生的磁势方向相反时，称为差复励。复励发电机还分长复励和短复励（长复励：电枢绕组与串励绕发电机还分长复励和短复励（长复励：电枢绕组与串励绕组串励后再与并励绕组并励；短复励：电枢绕组与并励绕组串励后再与并励绕组并励；短复励：电枢绕组与并励绕组并励后再与串励绕组串联）。组并励后再与串励绕组串联）。船舶电气设备图图1-13 1-13 发电机的励磁方式发电机的励磁方式船舶电气设备二

20、、直流发电机的空载特性二、直流发电机的空载特性 当保持发电机的转速当保持发电机的转速n不变，负载电流不变，负载电流I=0时（发电时（发电机主开关处于断开状态），发电机的电枢电势（或空载电机主开关处于断开状态），发电机的电枢电势（或空载电压压U0）与励磁电流）与励磁电流If之间的关系，即之间的关系，即 曲线称为空曲线称为空载特性。空载特性曲线如图载特性。空载特性曲线如图1-14所示。空载特性曲线与所示。空载特性曲线与磁化曲线相似，这时直流发电机的感应电势为磁化曲线相似，这时直流发电机的感应电势为 ，与励磁电流与励磁电流 之间为磁化曲线关系。之间为磁化曲线关系。船舶电气设备图图1-14 1-14

21、直流发电机空载特性直流发电机空载特性船舶电气设备三、自励发电机建压条件三、自励发电机建压条件（1）发电机必须有剩磁。若剩磁消失可用外电源充磁。）发电机必须有剩磁。若剩磁消失可用外电源充磁。（2）励磁电流产生的磁场要与剩磁磁场方向相同。这与）励磁电流产生的磁场要与剩磁磁场方向相同。这与 并励绕组和电枢电路的连接极性及电枢的转动方向并励绕组和电枢电路的连接极性及电枢的转动方向 有关。在固定转动方向下，主要决定于两并联电路有关。在固定转动方向下，主要决定于两并联电路 的连接极性。的连接极性。（3）励磁回路的总电阻必须小于临界电阻。励磁电阻过）励磁回路的总电阻必须小于临界电阻。励磁电阻过 大或发生断路

22、时，不能自励建立正常电压。当然转大或发生断路时，不能自励建立正常电压。当然转 速过低，空载特性曲线变低也使两曲线的交点变速过低，空载特性曲线变低也使两曲线的交点变 低，而无法建立起正常的电压。低，而无法建立起正常的电压。船舶电气设备 如果一台并励发电机有剩磁但不能自励，可以用下列如果一台并励发电机有剩磁但不能自励，可以用下列两种方法改正：两种方法改正：（1）改变电枢绕组与励磁绕组的相对联接；）改变电枢绕组与励磁绕组的相对联接；（2）改变电枢的旋转方向。）改变电枢的旋转方向。注意注意船舶电气设备四、直流发电机的外特性四、直流发电机的外特性 直流发电机的外特性是指在保持额定转速和励磁回路直流发电机

23、的外特性是指在保持额定转速和励磁回路总电阻不变的条件下，改变负载大小时，发电机的端电压总电阻不变的条件下，改变负载大小时，发电机的端电压随负载电流而变化的关系。随负载电流而变化的关系。图图1-16为他励和并励发电机的外特性曲线。曲线为他励和并励发电机的外特性曲线。曲线1为为他励发电机，曲线他励发电机，曲线2为并励发电机。为并励发电机。图图1-17是复励发电机的外特性曲线。当供电线路较是复励发电机的外特性曲线。当供电线路较长时通常采用过复励发电机；而船舶主电源直流发电机多长时通常采用过复励发电机；而船舶主电源直流发电机多为平复励发电机。为平复励发电机。图图1-18给出三种励磁方式的发电机的接线图

24、。给出三种励磁方式的发电机的接线图。船舶电气设备 图图1-1-16 16 他激、并激发电机的他激、并激发电机的 外特性曲线外特性曲线 图图1-17 1-17 复激发电机的外复激发电机的外 特性曲线特性曲线船舶电气设备船舶电气设备第四节第四节 直流电动机的运行特性直流电动机的运行特性o按励磁绕组和电枢绕组连接方式的不同，直流电动按励磁绕组和电枢绕组连接方式的不同，直流电动机和直流发电机一样，也可分为四种：他励电动机、机和直流发电机一样，也可分为四种：他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机。并励电动机、串励电动机和复励电动机。o由于他励和并励电动机的励磁电路都是接到外电源由于他励和并励电动

25、机的励磁电路都是接到外电源上，励磁电流不受电枢电流变化的影响。因此，他励上，励磁电流不受电枢电流变化的影响。因此，他励和并励电动机的特性基本相同。图和并励电动机的特性基本相同。图1-19（a）、（）、（b）、）、（c）分别为并励、串励和复励电动机的接线图。图中）分别为并励、串励和复励电动机的接线图。图中表示串入电枢电路的起动或调速用的电阻；表示调节励磁表示串入电枢电路的起动或调速用的电阻；表示调节励磁电流的外串电阻。电流的外串电阻。船舶电气设备船舶电气设备一、直流电动机的基本方程一、直流电动机的基本方程 o直流电动机的基本方程是指电动机稳定运行时，电系统直流电动机的基本方程是指电动机稳定运行时

26、，电系统的电势平衡方程；能量转换过程中的功率平衡方程；机械的电势平衡方程；能量转换过程中的功率平衡方程；机械系统的转矩平衡方程。系统的转矩平衡方程。o直流电动机接上直流电源时，电枢绕组中流过电流，电直流电动机接上直流电源时，电枢绕组中流过电流，电网便向电动机输入电功率网便向电动机输入电功率 ，电枢受到电磁转矩，电枢受到电磁转矩 的作用的作用而旋转起来，电动机的轴上输出机械功率而旋转起来，电动机的轴上输出机械功率 。船舶电气设备o当电动机在电磁转矩当电动机在电磁转矩T的作用下旋转时，电枢绕组切割的作用下旋转时，电枢绕组切割磁场产生感应电势磁场产生感应电势E，其方向与电枢电流方向相反，因此，其方向

27、与电枢电流方向相反，因此电动机的感应电势称为反电势，它将抵制电流的流入。电电动机的感应电势称为反电势，它将抵制电流的流入。电网要向电枢流进电路，必须克服反电势的作用，即要求电网要向电枢流进电路，必须克服反电势的作用，即要求电源电压源电压 ,由于反电势的作用，电动机便从电网吸收电由于反电势的作用，电动机便从电网吸收电功率，通过电磁感应的作用，将一部分电功率转换为机械功率，通过电磁感应的作用，将一部分电功率转换为机械功率。功率。船舶电气设备1.电势平衡方程电势平衡方程 参照图参照图1-19，不考虑，不考虑 和和 ，根据基尔霍夫电压定，根据基尔霍夫电压定律，并励电动机带负载运行时的电势平衡方程为：律

28、，并励电动机带负载运行时的电势平衡方程为：其中其中 ，而，而 ,由于励磁电流由于励磁电流 要远远小于负要远远小于负载电流载电流 ，所以并励发电机电枢电流近似等于负载电流，所以并励发电机电枢电流近似等于负载电流，即即 。或或船舶电气设备2.功率平衡方程功率平衡方程3.转矩平衡方程转矩平衡方程 船舶电气设备二、直流电动机的机械特性二、直流电动机的机械特性 直流电动机的转速与转矩之间的关系直流电动机的转速与转矩之间的关系 称为直流称为直流电动机的机械特性，它表明了直流电动机在一定的条件电动机的机械特性，它表明了直流电动机在一定的条件下，转速与电磁转矩两个机械量之间的对应关系。下，转速与电磁转矩两个机

29、械量之间的对应关系。直流电动机的自然机械特性关系式：直流电动机的自然机械特性关系式：船舶电气设备图图1-20 1-20 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性积复励积复励船舶电气设备直流电动机的机械特性与励磁方式有关：直流电动机的机械特性与励磁方式有关：(1)并并(或他或他)励电动机：由于每极磁通、理想空载转速励电动机：由于每极磁通、理想空载转速和系数均为常数，故转速随转矩的增加而降低，如图和系数均为常数，故转速随转矩的增加而降低，如图1-20所示；但由于电枢电阻很小，转速随负载的变化不大，所示；但由于电枢电阻很小，转速随负载的变化不大，其转速变化率仅为其转速变化率仅为38，故为硬机械特性。

30、适于要求，故为硬机械特性。适于要求恒转速拖动的生产机械。恒转速拖动的生产机械。船舶电气设备 (2)串励电动机：由于串励磁通随负载的增加而增知，串励电动机：由于串励磁通随负载的增加而增知，从而使转速随负载的增加而迅速下降，如图从而使转速随负载的增加而迅速下降，如图1-20所示。所示。该特性曲线的特点是：空载转速非常高，机械特性比较该特性曲线的特点是：空载转速非常高，机械特性比较软。当负载转矩较小时，转速将很高，甚至会超出最高限软。当负载转矩较小时，转速将很高，甚至会超出最高限度的数值，导致电机机械结构的损坏。所以，串励直流电度的数值，导致电机机械结构的损坏。所以，串励直流电动机绝对不允许空载起动

31、及空载运行。它的软特性、起动动机绝对不允许空载起动及空载运行。它的软特性、起动力矩比较大，适用于起动困难的场合。力矩比较大，适用于起动困难的场合。船舶电气设备三、直流电机的电枢反应和直流电机的换向三、直流电机的电枢反应和直流电机的换向1直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 当电机有负载后，便有电流流过电枢绕组，产生电枢当电机有负载后，便有电流流过电枢绕组，产生电枢磁场，此时电机的气隙磁场由主磁场和电枢两个磁场共同磁场，此时电机的气隙磁场由主磁场和电枢两个磁场共同决定。电枢磁场对主磁极磁场的影响称为电枢反应。所示决定。电枢磁场对主磁极磁场的影响称为电枢反应。所示 如如图图1-21（a）（b）、（

32、）、（c）所示所示船舶电气设备 (a)(b)(c)图图 1-21 1-21 电刷位置与电枢反应电刷位置与电枢反应船舶电气设备 1.2 变压器变压器 本章概述本章概述变压器是一种静止的电器，由绕在共同铁心上的两个或两变压器是一种静止的电器，由绕在共同铁心上的两个或两个以上的绕组通过交变磁场而联系着，利用电磁感应原理个以上的绕组通过交变磁场而联系着，利用电磁感应原理从一个电路向另一个电路以磁场能量为中介传递电能或传从一个电路向另一个电路以磁场能量为中介传递电能或传输信号，把某一种等级的电压与电流转变成另外一种等级输信号，把某一种等级的电压与电流转变成另外一种等级的电压与电流。工程上常用的最简单的变

33、压器是由一个作的电压与电流。工程上常用的最简单的变压器是由一个作为磁路的闭合铁心和两个作为独立的电路而有不同匝数的为磁路的闭合铁心和两个作为独立的电路而有不同匝数的绕组组成的，如绕组组成的，如图图2-1所示。其中一个绕组接到交流电所示。其中一个绕组接到交流电源，称为原绕组，另一个绕组接到负载，称为副绕组。有源，称为原绕组，另一个绕组接到负载，称为副绕组。有关原、副绕组的各个物理量的下标皆分别以关原、副绕组的各个物理量的下标皆分别以1和和2表示。表示。船舶电气设备图图2-1 单相变压器的原理图单相变压器的原理图船舶电气设备1.2 变压器变压器本章主要讲解内容本章主要讲解内容第一节第一节 变压器的

34、用途及分类变压器的用途及分类 第二节第二节 变压器的基本结构和铭牌变压器的基本结构和铭牌 第三节第三节 变压器的工作原理及运行特性变压器的工作原理及运行特性 第四节第四节 三相变压器的磁路系统三相变压器的磁路系统 第五节第五节 变压器的联接组及三相变压器的运行问题变压器的联接组及三相变压器的运行问题 第六节第六节 自耦变压器及仪用互感器自耦变压器及仪用互感器 船舶电气设备第一节第一节 变压器的用途及分类变压器的用途及分类 一、变压器的用途一、变压器的用途（1）从输电方面来说，采用高压输电较为经济，因为当从输电方面来说，采用高压输电较为经济，因为当 输送功率一定时，电压越高，输电线上的电流越输送

35、功率一定时，电压越高，输电线上的电流越 小，输电线截面小，可以节省有色金属；当输电距小，输电线截面小，可以节省有色金属；当输电距 离、输电线材料及其截面大小一定时，线路上的损离、输电线材料及其截面大小一定时，线路上的损 耗小。耗小。（2）在用电方面多采用低压电，这主要是为了安全，同在用电方面多采用低压电，这主要是为了安全，同 时可以降低用电设备的绝缘等级、减少成本，为此时可以降低用电设备的绝缘等级、减少成本，为此 必须要用降压变压器将输电线上的高压降低到配电必须要用降压变压器将输电线上的高压降低到配电 系统所需要的电压系统所需要的电压。船舶电气设备（3）在交流船舶上，各种不同的用电设备需要大小

36、不同在交流船舶上，各种不同的用电设备需要大小不同 等级的电压，因而需要有不同型式的变压器。等级的电压，因而需要有不同型式的变压器。（4）在船舶电力系统和控制系统中，变压器主要应用于在船舶电力系统和控制系统中，变压器主要应用于 主照明、应急照明、厨房照明、控制用电源以及各主照明、应急照明、厨房照明、控制用电源以及各 种仪用互感器中；在采用电力推进船舶中，变压器种仪用互感器中；在采用电力推进船舶中，变压器 还用于升压和降压。还用于升压和降压。船舶电气设备二、变压器的分类二、变压器的分类 变压器的种类很多，可以从不同的角度来予以分类变压器的种类很多，可以从不同的角度来予以分类（1）根据变压器的用途来

37、划分）根据变压器的用途来划分（2）根据变压器本身的结构来划分）根据变压器本身的结构来划分（3）按相数来划分）按相数来划分（4）根据变压器的冷却条件来划分）根据变压器的冷却条件来划分 船舶电气设备第二节第二节 变压器的基本结构和铭牌变压器的基本结构和铭牌 一、变压器的基本结构一、变压器的基本结构 图图 2-2 2-2 变压器的结构示意变压器的结构示意图及电路符号图及电路符号+-N-+原绕组副绕组船舶电气设备铁柱铁轭图 2-3 单相心式变压器图 2-4 单相壳式变压器 图 2-5 三相心式变压器 铁轭绕组铁柱高压绕组低压绕组绕组图 2-6 三相壳式变压器铁柱铁轭绕组铁柱铁轭绕组船舶电气设备二、变压

38、器的铭牌数据二、变压器的铭牌数据 1.额定视在功率额定视在功率 2.额定线电压额定线电压 3.额定线电流额定线电流 4.频率频率f 5.相数相数 m6.接线图与联接组接线图与联接组7.漏阻抗漏阻抗 Z 或短路电压或短路电压 8.运行方式（长期的或短期的）运行方式（长期的或短期的）9.冷却方式冷却方式10.变压器的总重量变压器的总重量船舶电气设备变压器的额定电压与额定电流是这样规定的：原绕组变压器的额定电压与额定电流是这样规定的：原绕组额定电压是指电网（电源）加到原边的额定电压；而额定电压是指电网（电源）加到原边的额定电压；而副绕组的额定电压是指在原边加上额定电压后，变压副绕组的额定电压是指在原

39、边加上额定电压后，变压器处于空载状态，即副边开路电压。器处于空载状态，即副边开路电压。已知变压器的额定容量已知变压器的额定容量 和原、副边绕组的额定电和原、副边绕组的额定电压压 ，就可以求出原、副绕组的额定电流，就可以求出原、副绕组的额定电流 来。当变压器副边电流达到额定值时，这时的负载叫来。当变压器副边电流达到额定值时，这时的负载叫做变压器的额定负载。做变压器的额定负载。船舶电气设备第三节第三节 变压器的工作原理及运行特性变压器的工作原理及运行特性 一、理想变压器的运行一、理想变压器的运行 所谓理想的变压器是认为它满足下列条件：所谓理想的变压器是认为它满足下列条件：o原绕组副绕组电阻都等于零

40、；原绕组副绕组电阻都等于零；o原副绕组间没有漏磁通，也就是它们完全耦合；原副绕组间没有漏磁通，也就是它们完全耦合；o铁心中没有损耗；铁心中没有损耗；o铁心的导磁率铁心的导磁率 为无穷大为无穷大。船舶电气设备 图（图（2-7）表示一台单相变压器（或三相变表示一台单相变压器（或三相变压器中的一个相）。为了正确地表示电压、电流压器中的一个相）。为了正确地表示电压、电流、磁通等量之间的相位关系，必须规定它们的正、磁通等量之间的相位关系，必须规定它们的正的或负的方向。通常按电工惯例来规定正方向，的或负的方向。通常按电工惯例来规定正方向，并符合下列内容：并符合下列内容：船舶电气设备1.在同一支路内，电压与

41、在同一支路内，电压与电流的正方向一致电流的正方向一致2.磁通量正方向与电流正磁通量正方向与电流正方向之间符合右手螺旋方向之间符合右手螺旋关系关系3.由交变磁通产生的感应由交变磁通产生的感应电动势正方向与产生该电动势正方向与产生该磁通的电流正方向一致，磁通的电流正方向一致，并有并有 的关系（电磁感应定律）的关系（电磁感应定律）。图图2-7 2-7 变压器在运行时的各物理量变压器在运行时的各物理量 船舶电气设备 需要说明的是，正方向并不是它们的实际方向，只需要说明的是，正方向并不是它们的实际方向，只是说明方向的相对关系，起到指路牌的作用。是说明方向的相对关系，起到指路牌的作用。上面的规定只限于各量

42、之间方向的问题，下面我们上面的规定只限于各量之间方向的问题，下面我们将进一步讨论它们之间的数量上关系。将进一步讨论它们之间的数量上关系。说明船舶电气设备1电压关系电压关系 在理想变压器中，端电压的比就等于电势的比在理想变压器中，端电压的比就等于电势的比 一般习惯，取变比为高压匝数与低压匝数之比，因一般习惯，取变比为高压匝数与低压匝数之比，因 此总大于此总大于1。2电流关系电流关系 原副边电流的数值是不同的，它们的大小关系原副边电流的数值是不同的，它们的大小关系 及相量关系是及相量关系是船舶电气设备3功率关系功率关系 从式电压和电流的关系可以看出：从式电压和电流的关系可以看出：也就是说理想变压器

43、内部没有损耗，输入功率等于输出也就是说理想变压器内部没有损耗，输入功率等于输出功率，效率是功率，效率是100%。船舶电气设备4阻抗折合关系阻抗折合关系 变压器还具有阻抗变换作用，如图变压器还具有阻抗变换作用，如图（2-9），），副边接副边接负载阻抗，根据欧姆定律，则负载阻抗，根据欧姆定律，则 由于副边接阻抗由于副边接阻抗ZL,原边就有一电流原边就有一电流I1输入。因此，由输入。因此，由变压器的原边看上去，副边阻抗的影响相当于一等值阻变压器的原边看上去，副边阻抗的影响相当于一等值阻抗抗 Z L，它的数值是，它的数值是 称为副边的阻抗折合到原边的数值，由此可见，当负称为副边的阻抗折合到原边的数值，

44、由此可见，当负载直接接电源时，阻抗为载直接接电源时，阻抗为ZL，当通过变压器接电源时，当通过变压器接电源时，相当于阻抗增加到相当于阻抗增加到ZL的的k2倍。倍。船舶电气设备 在电子技术中，经常利用变压器的这一阻抗变在电子技术中，经常利用变压器的这一阻抗变换作用来实现换作用来实现“阻抗匹配阻抗匹配”。对理想变压器的讨论。对理想变压器的讨论突出了变压器的主要作用，就是变电压，变电流，突出了变压器的主要作用，就是变电压，变电流，和阻抗折合的关系，这些都和变比和阻抗折合的关系，这些都和变比k有密切关系。有密切关系。由于忽略了内部损耗和漏阻抗，理想变压器的效率由于忽略了内部损耗和漏阻抗，理想变压器的效率

45、等于等于100%，带负载时副边端电压不变。要研究，带负载时副边端电压不变。要研究实际变压器的性能，就要涉及到内部损耗和漏阻抗，实际变压器的性能，就要涉及到内部损耗和漏阻抗，就必须考虑其他因素。就必须考虑其他因素。船舶电气设备(a)等效前的电路(b)等效后的电路图图2-9 2-9 变压器的阻抗变换变压器的阻抗变换船舶电气设备二、实际变压器的空载运行二、实际变压器的空载运行 1.考虑铁心中考虑铁心中的影响的影响 图图2-102.考虑铁损耗的影响考虑铁损耗的影响 图图2-113.考虑绕组漏阻抗的影响考虑绕组漏阻抗的影响 图图2-12 4.空载时的向量图空载时的向量图 图图2-135.变压器在空载时的

46、等值电路变压器在空载时的等值电路 图图2-14船舶电气设备图图2-10 2-10 激磁电流的波形激磁电流的波形 船舶电气设备图图2-11 2-11 空载电流的向量图空载电流的向量图船舶电气设备图图2-12 2-12 变压器的无载情况变压器的无载情况船舶电气设备图图2-13 2-13 空载时的向量图空载时的向量图船舶电气设备 （a）（b）图图2-14 空载时的等效电路空载时的等效电路船舶电气设备三、变压器的负载运行三、变压器的负载运行1.负载时电压和电流负载时电压和电流（1）原边电流和原边电势原边电流和原边电势 磁势磁势：电势电势：电流：电流：船舶电气设备（2）副边电势平衡关系）副边电势平衡关系

47、 图图 2-15 2-15 变压器的主磁通和漏磁通变压器的主磁通和漏磁通 （2-32）船舶电气设备2.变压器的等值电路变压器的等值电路 原副边磁势平衡关系为原副边磁势平衡关系为 或或 即原副边磁势平衡关系可以写成原副边电流平衡的关系，即原副边磁势平衡关系可以写成原副边电流平衡的关系，匝数已消去。原边电流的两个分量为匝数已消去。原边电流的两个分量为:其中其中 ,即负载分量电流即负载分量电流 总与折合过后的副边相等而总与折合过后的副边相等而方向相反方向相反 船舶电气设备原、副边的电势关系为：原、副边的电势关系为：副边电势平衡关系依旧副边电势平衡关系依旧:总结折合过的变压器中各关系的联立方程式如下总

48、结折合过的变压器中各关系的联立方程式如下:船舶电气设备 这些方程式中已经没有这些方程式中已经没有k，分析较简单，而且得出，分析较简单，而且得出的原副边的电压或电流的数量级是一样的。更重要的是，的原副边的电压或电流的数量级是一样的。更重要的是，根据这些等式，可以找出变压器的等值电路，如根据这些等式，可以找出变压器的等值电路，如图图2-16所示。所示。图图 2-16为变压器的为变压器的“T”形等值电路形等值电路船舶电气设备 图图2-16 2-16 变压器的变压器的TT形等值电路形等值电路返回船舶电气设备 在分析变压器带负载时激磁电流在分析变压器带负载时激磁电流 是较小的，它对是较小的，它对 中的压

49、降的影响是极小的，因此，在分析变压器负中的压降的影响是极小的，因此，在分析变压器负 载时的问题时，可以把载时的问题时，可以把 忽略，而将等值电路进一步忽略，而将等值电路进一步 简化成如简化成如图图2-17所示的一个串联阻抗型式。图中所示的一个串联阻抗型式。图中 （）变压器的全部漏阻抗，包括原边和副边的）变压器的全部漏阻抗，包括原边和副边的 漏阻抗。漏阻抗。也称为短路阻抗，因为可以用短路实验求也称为短路阻抗，因为可以用短路实验求 出。用这个简化等值电路后，分析将十分简单，而结出。用这个简化等值电路后，分析将十分简单，而结 果的正确程度也能满足工程的要求。果的正确程度也能满足工程的要求。船舶电气设

50、备 图图2-17 2-17 变压器的简化等值电路变压器的简化等值电路船舶电气设备 总的说来，折合算法和等值电路是一个重要的分析总的说来，折合算法和等值电路是一个重要的分析 方法，它是用来分析两个绕组之间通过电磁感应，存在方法，它是用来分析两个绕组之间通过电磁感应，存在 能量传递时的相互关系的一个通用方法，不仅用于分析能量传递时的相互关系的一个通用方法，不仅用于分析 变压器的问题，也用于分析其它电机的问题中。变压器的问题，也用于分析其它电机的问题中。要注意等值电路中所表示的都是一相的数值，用在要注意等值电路中所表示的都是一相的数值，用在 三相变压器时是指对称运行时的一相的情况，所有阻抗三相变压器