教学课件·电动执行器.ppt

1、执行器技术什么叫执行器？What is an actuator?执行器（actuator）是将电能转换成机械能的装置，通常用于电气、气动、液压系统。对执行器定义为：在控制信号作用下，按照一定规律产生某种运动的器件或装置。凡是利用物性（物理、化学、生物）法则、定理、定律、效应等进行能量转换与信息转换，并且输出与输入严格一一对应，以便达到对对象物的驱动、控制、操作和改变其状态为目的的装置与器件均可称谓执行器。这是执行器的狭义定义，其广义定义应为：执行器技术执行器技术！actuator technologies 执行器的机电一体化设计、控制、集成技术。执行器与传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测

2、和输出的应用技术。教学目标和基本要求 通过本课程的学习，目标是使学生掌握各类电动执行器的工作原理、运行工作特性和使用方法，为进一步学习后续课程和从事相关专业的工作打下较坚实的基础。本课程主要介绍电动执行器（交、直流伺服电机、步进电机、调速电机）的基本结构和原理、外部工作特性、数学模型以及基本运行特性的分析与计算，涉及各类电机与生产机械负载组成拖动系统后的起、制动、调速方法；本课程还介绍电磁阀、调节阀，气动执行器，液压执行器，压电执行器，对执行器技术的新应用作初步的介绍。教材名称及主要参考书教材名称：执行器技术（自编）参考书：1自动控制元件及线路（第4版）梅晓榕，柏桂珍，张卯瑞编著 科学出版社2

3、011.102电机与拖动刘玫 编著 机械工业出版社2009.103测控执行器及其应用王昌明 主编 国防工业出版社 2008.8 3执行器及其应用付敬奇主编 机械工业出版社2009.44控制电机第2版 杨渝钦主编 机械工业出版社20011.1 执行器在控制系统中的角色地位The role of the actuator in a control system控制器执行器目的物传感器电脑电五官电手足 测量、比较和执行sensing,processing and acting是反馈理论的三个要素。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。自动控制技术都是基于反馈的概念。执行器

4、在控制系统中的角色地位The role of the actuator in a control system 自动控制系统一般都是由传感器、变送器、调节器、执行器和受控对象等所组成，其中执行器总是不可缺少的。在工业自动控制过程中，执行器的动作代替了人工的操作，不但降低了人们的劳动强度，保证了人身的安全，而且提高了生产效率。因此，如果把传感器比喻成人的“感觉器官”，那么调节器就是人的“大脑”，执行器在自动控制系统中的作用就是相当于人的“四肢”，它接受调节器的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定要求正常执行。随着人类活动领域扩大到太空、深海和探索自然现象过程的深化，传感器和执行器已经成为基础

5、研究与现代技术相互融合的新领域。它们汇集和包容多学科的研究成果，成为人类探索自然界活动和发展社会生产力最活跃的部分之一。传感器和执行器技术是利用各种功能材料实现信息检测和输出的应用技术，成为现代信息技术系统三大支柱之一。1.2执行器的分类A classification of actuator technologies 电动执行器（伺服电机、直线电机、步进电机、调速电机等）气动执行器、液压执行器（比例控制阀、伺服阀闭环控制）压电陶瓷执行器和纳米执行器等 执行器的分类 结构(构造)型执行器（按能源分类）物性型执行器（按效应分类）执行行器电动执行器气动执行器液动执行器以压缩空气为动力的一种执行机构

6、电动式流体式压电执行器静电执行器电致与磁致伸缩执行器光化学执行器仿生执行器利用金属的形状记忆效应利用光化学效应利用电致与磁致伸缩效应利用静电效应利用逆压电效应这种利用物性效应的执行器与利用该效应的传感器一一对应且两者互为逆效应通过物体的结构要素实现对目的物的驱动和操作利用物体的物性效应（包括物理效应、化学效应、生物效应等）实现对目的物的驱动与操作1.3 执行器的构成1基本型 对于一般执行器，基本上都是由输入量经过信息转换后变成输出量。输入量一般是作为控制信号的电学量，变换元件输入输出电学量热学量光学量力学量热学量光学量与声学量力位移速度加速度致冷致热执行器的基本构成 而输出量多为力学量（力、位

7、移、速度、加速度），当然也有一部分热学量，中间部分为变换元件。将这种执行器称为基本型结构。执行器的构成2放大型 放大型又分为有源放大与无源放大。如果再加上能源或偏压源，则能使输出能量远大于输入能量。如电磁执行器，加上较大的磁场（偏压源），就能获得较大能量的输出。变换元件输入输出带放大器的执行器构成放大元件变换元件输入输出放大元件能源执行器的构成3补偿型 为了对执行器变换元件的非线性或对环境的影响进行补偿，往往采用补偿型结构，采用两个相同的变换元件，其中一个增设的元件起到克服环境影响的补偿作用，变换元件输入变换元件环境能源输出补偿型执行器的结构执行器的构成4推挽型 输入信号同时加入两个性能相同、

8、变换方向相反的变换元件上，对推动元件形成推挽形式，可以成倍提高灵敏度。变换元件相同输入变换元件推挽型执行器的结构输出放大器与信号 推挽型执行器典型实例是压电双晶式执行器，在同一时刻，一部分晶体产生拉伸，另一部分晶体产生压缩，从而使弯曲变形成倍增大。执行器的构成5执行器/传感器复合型 以上所列各类执行器的输出结果均为未知（未检测）。变换元件敏感元件输出输出输入复合型执行器的结构 在实际应用中，为了检测执行器的输出效果，在输出端加上敏感元件或传感器，为了实现闭环控制，将所检测结果再返间给输出端。执行器的构成6自感知型 自感知(self-sensing)型执行器与上述的传感器/执行器复合型最大的区别

9、是，前者是执行元件与传感器的敏感元件集成于一身。变换元件输入敏感元件自感知型执行器的结构输出 既做到结构集成又做到信息集成，也就是说，执行元件与传感元件是同一个元器件构成，并且采用闭环控制，以便使执行器得到最优的控制效果。该执行器兼具自检与自律功能，是目前执行器的重要发展方向之一，该执行器多用在振动的主动控制装置上。执行器的构成7智能（仿生）型变换元件敏感元件智能型执行器的结构输出控制单元输入 智能（仿生）型执行器是执行器与传感器、控制器（微处理器）的集成。智能执行器除具有一般执行器的功能外，还具有执行结果的自感知、故障的自诊断、环境的自适应、损伤的自修复等智能化功能。可见是一种更高一级形式的

10、执行器，是未来执行器发展的重要方向之一。1.4 电动执行器的现状及发展方向电动执行器的现状及发展方向 电动执行器是控制系统中的一个十分重要的现场驱动装置，其能电动执行器是控制系统中的一个十分重要的现场驱动装置，其能源获取方便，安装调试简单，在电力，冶金，石油，化工等工业部门源获取方便，安装调试简单，在电力，冶金，石油，化工等工业部门等到越来越广泛等到越来越广泛 的应用。（在工业过程中的）电动执行器包括电动的应用。（在工业过程中的）电动执行器包括电动执行机构和调节阀两部分，控制精度主要决定于电动执行器的控制性执行机构和调节阀两部分，控制精度主要决定于电动执行器的控制性能，它能够将系统的控制信号转

11、换成输出轴的角位移，直线位移，能，它能够将系统的控制信号转换成输出轴的角位移，直线位移，控制阀门等截流件的位置或其它调节机构，使被控介质按系统要求状控制阀门等截流件的位置或其它调节机构，使被控介质按系统要求状态工作。态工作。（二）国际状况（一）国内现状 一.电动执行器的研制及应用现状 一.电动执行器的研制及应用现状（一）国内现状 我国电动执行器的研制起步较晚，是从苏联有触点的执行机构进我国电动执行器的研制起步较晚，是从苏联有触点的执行机构进行仿制开始的，行仿制开始的，60年代末年代末70年代初，逐步发展了年代初，逐步发展了DDZ-型和型和DDZ-型产品。型产品。80年代以来，随着电力电子技术的

12、发展，电动执行器发展快速，无年代以来，随着电力电子技术的发展，电动执行器发展快速，无触点的触点的DKJ型角行程和型角行程和DKZ型直行程电动执行机构两大类产品进入市型直行程电动执行机构两大类产品进入市场，场，DKJ，DKZ是我国最早的，唯一生产的电动执行器，此产品以结是我国最早的，唯一生产的电动执行器，此产品以结构简单，经济实用等优点被最早的国营大型企业使用。构简单，经济实用等优点被最早的国营大型企业使用。目前国内普遍使用目前国内普遍使用DKJ型和型和DKZ型两大类产品，一些企业使用型两大类产品，一些企业使用DKJ，DKZ的更新换代产品，但在控制要求较高的实验、生产控制中，的更新换代产品，但在

13、控制要求较高的实验、生产控制中，主要是依赖价格较高的国外智能产品。随着各种过程控制要求的不断主要是依赖价格较高的国外智能产品。随着各种过程控制要求的不断提高，电动执行器必须提高控制性能，才能真正提高自动控制水平。提高，电动执行器必须提高控制性能，才能真正提高自动控制水平。随着现代工控计算机管理的发展，目前我国仪器仪表行业整体综随着现代工控计算机管理的发展，目前我国仪器仪表行业整体综合技术水平普遍上升，微电子技术和计算机技术在仪器仪表产品中普合技术水平普遍上升，微电子技术和计算机技术在仪器仪表产品中普遍采用，多数产品实现了智能化。今天，遍采用，多数产品实现了智能化。今天，DKJ，DKZ系列与以前

14、相比系列与以前相比有了两大实质性改进：有了两大实质性改进：（）生产出直接受计算机控制的智能电子型，户外型，隔爆型等改进（）生产出直接受计算机控制的智能电子型，户外型，隔爆型等改进型产品；型产品；（）将电路控制部分灌封在一个小型塑料盒中，即模块，形成了便于（）将电路控制部分灌封在一个小型塑料盒中，即模块，形成了便于维护的即插即用型。因此，普通维护的即插即用型。因此，普通DKJ型和型和DKZ型的可靠性，精度，负型的可靠性，精度，负载能力，信号品质系数等性能有了很大提高，而且对环境条件的要求载能力，信号品质系数等性能有了很大提高，而且对环境条件的要求降低了很多；降低了很多；智能型的电动执行器实现了智

15、能控制，防护等级高，控制精度较智能型的电动执行器实现了智能控制，防护等级高，控制精度较高，重量轻，稳定性好的功能。高，重量轻，稳定性好的功能。（二）国际状况 自自1929年年LIMITORQUE公司制造出了世界第一台电动执行机构以公司制造出了世界第一台电动执行机构以来，国际上电动执行器技术水平发展迅速。来，国际上电动执行器技术水平发展迅速。20世纪世纪80年代起，国外相年代起，国外相继推出了符合各种现场总线标准的智能执行器，在工业现场取得了较继推出了符合各种现场总线标准的智能执行器，在工业现场取得了较好的应用效果。由于高新技术的迅猛发展，目前国外已开发出新一代好的应用效果。由于高新技术的迅猛发

16、展，目前国外已开发出新一代智能电动执行机构产品，电子智能电动执行机构产品，电子 计算机技术，微机控制技术已在阀门计算机技术，微机控制技术已在阀门设计中得到广泛应用。这些智能化电动执行器功能强大，简单可靠，设计中得到广泛应用。这些智能化电动执行器功能强大，简单可靠，技术先进。国际上智能电动执行器有以下特点：技术先进。国际上智能电动执行器有以下特点：（）智能通信，智能控制智能电动执行器利用微机技术和现场通信技（）智能通信，智能控制智能电动执行器利用微机技术和现场通信技术，实现双向通信，术，实现双向通信，PID调节，在线自动标定，自校正与自诊断等多调节，在线自动标定，自校正与自诊断等多种控制技术要求

17、的功能，有效提高控制水平。种控制技术要求的功能，有效提高控制水平。（）机电一体化新型智能电动执行机构将伺服放大器与执行机构合为（）机电一体化新型智能电动执行机构将伺服放大器与执行机构合为一体，驱动电路应用功能强大的集成模块，结构简单，控制性能好。一体，驱动电路应用功能强大的集成模块，结构简单，控制性能好。（）控制策略更为先进，先进的控制方法有利于解决电机的惯性问题，（）控制策略更为先进，先进的控制方法有利于解决电机的惯性问题，实现准确定位，提高控制精度。实现准确定位，提高控制精度。Nucom电动执行器利用先进的电制动电动执行器利用先进的电制动技术，控制精度可达技术，控制精度可达1/250，国产

18、的普通型，国产的普通型DKJ电动执行器控制精度电动执行器控制精度一般为一般为2.5/100。二.电动执行器的发展 电力电子技术，计算机技术及通讯技术的快速发展必将推动电动执行器更加快速的发展，机电一体化将取代分体式结构；智能通讯取代模拟；控制精度将越来越高，使用环境越来越广；功能更加强大，可靠性更高，以适应不断发展的自动控制的要求。（三）小型化，机电一体化（二）数字化，智能化（一）总线化，网络化（一）总线化，网络化 国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化（国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化（Factory Automation）工程技术在最近十年来得到了长足的发展，作为自动控）工程技术

19、在最近十年来得到了长足的发展，作为自动控制中自动化仪表之一的电动执行器为适应这一发展趋势，也应具有标制中自动化仪表之一的电动执行器为适应这一发展趋势，也应具有标准的串行通信接口和专用的局域网接口，以增强其与其它控制设备间准的串行通信接口和专用的局域网接口，以增强其与其它控制设备间的互联能力，只需要一根电缆或光缆，就可以将数台，甚至数十台电的互联能力，只需要一根电缆或光缆，就可以将数台，甚至数十台电动执行器与上位计算机连接成为整个数控系动执行器与上位计算机连接成为整个数控系 统。现场总线是安装在统。现场总线是安装在生产过程区域的现场设备生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置仪表与控

20、制室内的自动控制装置/系统之间系统之间的一种串行，数字式，多点通信的数据总线现场总线企业网作为今后的一种串行，数字式，多点通信的数据总线现场总线企业网作为今后控控 制系统的发展方向，以其所具有的开放性，网络化优点，使它与制系统的发展方向，以其所具有的开放性，网络化优点，使它与Interent的结合成为可能，现场总线技术应用于电动执行器成为必然的结合成为可能，现场总线技术应用于电动执行器成为必然趋势。现场总线技术的应用，取代了传统的趋势。现场总线技术的应用，取代了传统的420mA模拟信号，实现模拟信号，实现了电动执行器的远程监控，状态，故障，参数信息传送，完成远程参了电动执行器的远程监控，状态，

21、故障，参数信息传送，完成远程参数化工作，提高了它的可靠性，降低了系统及数化工作，提高了它的可靠性，降低了系统及 工程成本。目前有影工程成本。目前有影响的现场总线主要有响的现场总线主要有PROFIBUS，FF，HART，CAN等，其实，国等，其实，国外目前的智能电动执行器一般都带有现场总线接口，我国也开发外目前的智能电动执行器一般都带有现场总线接口，我国也开发 了了一些带现场总线接口的智能执行器。一些带现场总线接口的智能执行器。（二）数字化，智能化 智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，价格低廉的单片机智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，价格低廉的单片机和新型高速微处理器将全面代替模拟电子

22、器件为主的电动执行器的控和新型高速微处理器将全面代替模拟电子器件为主的电动执行器的控制单元，从而实现完制单元，从而实现完 全数字化的控制系统。全数字化的实现，将原全数字化的控制系统。全数字化的实现，将原有的硬件控制变成了软件控制，从而可以在电动执行器中应用现代控有的硬件控制变成了软件控制，从而可以在电动执行器中应用现代控制理论的先进算法（如：最优控制、人工智能、模制理论的先进算法（如：最优控制、人工智能、模 糊控制、神经元糊控制、神经元网络等）来提高控制性能。传统的电动执行器一般被看作是线性系统，网络等）来提高控制性能。传统的电动执行器一般被看作是线性系统，由放大环节和积分环节组成，但实际上，

23、绝大多数执行器参数在运行由放大环节和积分环节组成，但实际上，绝大多数执行器参数在运行期间会显期间会显 著地发生改变，应用参数调度和模型辨识自适应控制将大著地发生改变，应用参数调度和模型辨识自适应控制将大大提高电动执行器的控制性能。相对气动液动执行器来说，接线简单、大提高电动执行器的控制性能。相对气动液动执行器来说，接线简单、功能强大、使用可靠的智能电动执行功能强大、使用可靠的智能电动执行 器将不断扩大应用范围。器将不断扩大应用范围。（三）小型化，机电一体化 电力电子的高度集成化，单片机的使用以及一些功能强大模块的电力电子的高度集成化，单片机的使用以及一些功能强大模块的使用，使电动执行器的体积越

24、来越小，向小型化，轻便化发展。目前，使用，使电动执行器的体积越来越小，向小型化，轻便化发展。目前，智能电动执行器一智能电动执行器一 般将整个控制回路线装在一台现场仪表里，将伺般将整个控制回路线装在一台现场仪表里，将伺服电机，现场仪表控制器安装为一体，电动执行器一体化，使得执行服电机，现场仪表控制器安装为一体，电动执行器一体化，使得执行器的安装与调试工作都得到了简化；将整个控制器的安装与调试工作都得到了简化；将整个控制 回路装在一台现场回路装在一台现场仪表里，又减少了因信号传输中的泄露和干扰等因素对系统的影响，仪表里，又减少了因信号传输中的泄露和干扰等因素对系统的影响，提高了系统的可靠性。提高了

25、系统的可靠性。国际上，电动执行器正朝着小型化，一体化，数字化，智能化，国际上，电动执行器正朝着小型化，一体化，数字化，智能化，总线化和网络化（通讯化）方向快速发展，国产电动执行器在产品的总线化和网络化（通讯化）方向快速发展，国产电动执行器在产品的品种、控制精度、工艺水平、可品种、控制精度、工艺水平、可 靠性、智能化和网络化方面还有较靠性、智能化和网络化方面还有较大差距，具有自主知识产权的高性能电动执行器十分匮乏。大差距，具有自主知识产权的高性能电动执行器十分匮乏。在国内在国内,现在有不少科研院所以现场总线技术及工业以太网技术现在有不少科研院所以现场总线技术及工业以太网技术为平台，实现了设备级的

26、网络通讯，并通过高性能微处理器，在执为平台，实现了设备级的网络通讯，并通过高性能微处理器，在执行机构的内部嵌入了操作系统，为后续功能扩展和技术升级奠定了行机构的内部嵌入了操作系统，为后续功能扩展和技术升级奠定了基础，使智能型执行器实现了本质飞越。基础，使智能型执行器实现了本质飞越。第二章第二章 变压器变压器 异步电动机和很多重要的控制元件的运行是基于变压器的工作原理。2.1 变压器的用途和结构变压器的用途和结构一、变压器的用途一、变压器的用途 改变交流电压（或电流）的大小。如小功率电源变压器。阻抗匹配，信号传递，信号合成，电气隔离。二、变压器的基本结构变压器的基本结构 绕组和铁心。绕组 原绕组

27、和副绕组。原绕组和电源或输入电 压相连，输入端。副绕组 与负载相连，输出端。铁心 增加磁密和磁通。硅钢片叠成，高频时用 铁氧体。2.2.1 变压器的工作原理变压器的工作原理 在同一铁芯上分别绕有匝数为在同一铁芯上分别绕有匝数为W1和和W2的两个高、低压绕组，其中的两个高、低压绕组，其中接电源的、从电网吸收电能的接电源的、从电网吸收电能的AX绕组称为原绕组（一次绕组），接绕组称为原绕组（一次绕组），接负载的、向外电路输出电能的负载的、向外电路输出电能的ax绕组称为副绕组（二次绕组）。绕组称为副绕组（二次绕组）。当原绕组外加电压当原绕组外加电压U1时，原边就有电流时，原边就有电流I1流过，并在铁芯

28、中产生流过，并在铁芯中产生与与U1同频率的交变主磁通同频率的交变主磁通，主磁通同时匝链绕原、副绕组，根据电，主磁通同时匝链绕原、副绕组，根据电磁感应定律，会在原、副绕组中产生感应电势磁感应定律，会在原、副绕组中产生感应电势E1、E2，副边在，副边在E2的作的作用下产生负载电流用下产生负载电流I2，向负载输出电能。，向负载输出电能。2.2 变压器的理论基础变压器的理论基础根据电磁感应定律则有：根据电磁感应定律则有：dtdWdtdedtdWdtde222111式中式中k为变压器变比为变压器变比若忽略绕组内阻和漏磁通，若忽略绕组内阻和漏磁通，原、副绕组端电压近似为：原、副绕组端电压近似为：2211E

29、UEUkWWEEUU212121图中图中W1、W2分别为原、副绕组匝数；分别为原、副绕组匝数；u1为电源电压；为电源电压；i1为原边电流为原边电流；F F 、F F1s1s分别为主磁通和漏磁通；分别为主磁通和漏磁通；e1、e1s s、e2分别为原边感应电势、漏感电分别为原边感应电势、漏感电势和副边感应电势；势和副边感应电势；u2为副边电压，为副边电压，i2为副边电流。为副边电流。dtdWdtde1111漏磁通漏磁通F F1s1s在原边绕组在原边绕组中产生的感应电势为中产生的感应电势为主磁通主磁通F F在原、副边绕组中在原、副边绕组中产生的感应电势为产生的感应电势为2.2.2 变压器的空载运行变

30、压器的空载运行 变压器空载运行也称无载运行，它是指原边绕组加电源电压，副边变压器空载运行也称无载运行，它是指原边绕组加电源电压，副边绕组开路，其电流为零。这时的变压器相当于一个铁心线圈，电磁关绕组开路，其电流为零。这时的变压器相当于一个铁心线圈，电磁关系比较简单。从空载情况入手，符合系比较简单。从空载情况入手，符合“由浅入深由浅入深”的认识规律。的认识规律。图为变压器中空裁运行的原理图。在原边绕组施加一正弦交变电图为变压器中空裁运行的原理图。在原边绕组施加一正弦交变电压压 ul 后，使有空载电流后，使有空载电流 i0 流过，并产生空载磁势流过，并产生空载磁势 W1i0。在磁势在磁势 W1i0

31、的作用下产生磁通，其大部分在铁心中经过，同时与原、副边绕组匝的作用下产生磁通，其大部分在铁心中经过，同时与原、副边绕组匝链。这些磁通称为主磁通，用链。这些磁通称为主磁通，用F F表示；表示；少量磁通主要在空气少量磁通主要在空气 中经过，且只与产生中经过，且只与产生 它的绕组相匝链的磁它的绕组相匝链的磁 通，这些磁通称为漏通，这些磁通称为漏 磁通，用磁通，用F F1s1s 表示。表示。在交变电压的作用下，磁通在交变电压的作用下，磁通F F、F F1s1s均随时间交变，因均随时间交变，因此在绕组中产生感应电势。此在绕组中产生感应电势。一一.磁通和感应电势磁通和感应电势 u1为电源电压；为电源电压；

32、i0为原边空载电流为原边空载电流；F F、F F1s1s分别为主分别为主磁通和漏磁通；磁通和漏磁通；e1、e1s s、e2分别为原边感应电势、漏感电势分别为原边感应电势、漏感电势和副边感应电势；和副边感应电势；u20为副边空载电压。为副边空载电压。dtdWe111漏磁通漏磁通F F1s1s在原边绕组中在原边绕组中产生的感应电势为产生的感应电势为主磁通主磁通 F F 在原、副边绕组中产生的感应电势为在原、副边绕组中产生的感应电势为dtdWe dtdWe2211二二.变压器空载运行电压平衡式变压器空载运行电压平衡式dtdWe111FdtdWe22dtdWe11u1=-e1-e1s s+r1 i0因

33、为副边绕组开路，故开路电压因为副边绕组开路，故开路电压u20=e2写成相量形式，则写成相量形式，则01111IrEEU220EU 设原绕组内阻为设原绕组内阻为r1，当绕当绕组内通过电流时会产生压降组内通过电流时会产生压降I0r1，同时考虑漏磁通的影响，同时考虑漏磁通的影响，应用基尔霍夫第二定律原边应用基尔霍夫第二定律原边电压方程为：电压方程为：忽略绕组内阻和漏磁通时原副边电压关系忽略绕组内阻和漏磁通时原副边电压关系 设忽略原绕组内阻设忽略原绕组内阻r1和原边漏磁通和原边漏磁通F F1s s，则有：，则有：11EUkWWEEUUUU212120121当当k1为降压变压器；为降压变压器；k1为升压

34、变压器。为升压变压器。漏磁通漏磁通F F1s s只占主磁通的只占主磁通的(0.10.2)%，主磁通主磁通F F与与i0之之间呈非线性关系，能向副边传递能量；而漏磁通间呈非线性关系，能向副边传递能量；而漏磁通 F F1s s与与i0 之间呈线性关系，它只匝链一次绕组，而不匝链二次绕组，之间呈线性关系，它只匝链一次绕组，而不匝链二次绕组，不能向副边传递能量。不能向副边传递能量。220EU1.主电动势与主磁通的关系主电动势与主磁通的关系tUusin211设外加电源电压设外加电源电压 u1 为正弦交流量，其瞬时值为：为正弦交流量，其瞬时值为：电源电压电源电压 u1 -e1，故，故e1也按正弦变化也按正

35、弦变化，由，由 三三.感应电动势、主磁通、激磁电流感应电动势、主磁通、激磁电流主磁通按余弦规律变化，设主磁通瞬时值为：主磁通按余弦规律变化，设主磁通瞬时值为：dtdWe11tmmcos1.主电动势与主磁通的关系主电动势与主磁通的关系tEtWdtdWemsin2cos2222tEtWdttdWdtdWemmsin2sin)cos(11111mmWEE1112式中：式中：根据电磁感应定律，主磁通在原边感应的电势瞬时值为：根据电磁感应定律，主磁通在原边感应的电势瞬时值为：同理可得主磁通在副边感应的电势为同理可得主磁通在副边感应的电势为:mmmfWWfWE222244.422可见，原边感应电势作正弦变

36、化，其相位滞后主磁通可见，原边感应电势作正弦变化，其相位滞后主磁通90度。度。副边感应电势也作正弦变化，其相位也滞后主磁通副边感应电势也作正弦变化，其相位也滞后主磁通90度。度。mmmmfWWfWEE1111144.42222FFFFmmmmfWjWjEfWjWjE22211144.4244.42原、副边的感应电势用相量式表示为：原、副边的感应电势用相量式表示为：可见，感应电势的大小与匝数和主磁通幅值成正比，可见，感应电势的大小与匝数和主磁通幅值成正比，相位滞后于主磁通相量相位滞后于主磁通相量90。当忽略原绕组内阻当忽略原绕组内阻r1和原边漏磁通和原边漏磁通F Fs s1时，时，则则有：有：m

37、fWEUF11144.4上式说明，在电源频率一定时，铁心中主磁通的幅值主要上式说明，在电源频率一定时，铁心中主磁通的幅值主要由电源电压有效值决定，且近似成正比关系。由电源电压有效值决定，且近似成正比关系。11eu2.等值电路等值电路 变压器中既有电路、磁路问题，又有电与磁之间相互联变压器中既有电路、磁路问题，又有电与磁之间相互联系问题。为了分析问题方便，在不改变变压器电磁关系条件系问题。为了分析问题方便，在不改变变压器电磁关系条件下，工程上常用一个线性电路来代替变压器这种复杂的电磁下，工程上常用一个线性电路来代替变压器这种复杂的电磁关系，这个线性电路就称为等值电路。关系，这个线性电路就称为等值

38、电路。等值电路的推导等值电路的推导由原边由原边AXAX端看存在：端看存在：11010101010zzzIEIzIEIUzmmmmjxrIEz01式中式中其中其中z zm m称为励磁阻抗；称为励磁阻抗；r rm m称为励磁电阻，它表示铁芯中的称为励磁电阻，它表示铁芯中的损耗；损耗；x xm m称为励磁电抗，它表示铁芯中主磁通产生的电抗。称为励磁电抗，它表示铁芯中主磁通产生的电抗。z zm m、r rm m、x xm m统称为变压器励磁参数。统称为变压器励磁参数。等值电路等值电路 由于铁芯有饱和现由于铁芯有饱和现象，象，rm和和xm不是常数，是不是常数，是随铁芯饱和程度增大而随铁芯饱和程度增大而减

39、小的参数，但实际上，减小的参数，但实际上，电源电压可近似认为稳电源电压可近似认为稳定，故励磁参数也可近定，故励磁参数也可近似认为是常数。似认为是常数。励磁参数励磁参数rm和和xm，它们可通过实验测得。它们可通过实验测得。11010101010zzzIEIzIEIUzm主磁通主磁通 F F 和激磁电流和激磁电流i0的关系称为铁心的磁化曲线。图中的关系称为铁心的磁化曲线。图中 F Fm为对应额定电压时的主磁通的幅值。为对应额定电压时的主磁通的幅值。F F小于此值时，磁小于此值时，磁化曲线近似为线性；超过此值后，主磁通就逐渐趋向饱和，化曲线近似为线性；超过此值后，主磁通就逐渐趋向饱和，此时，如果再增

40、加此时，如果再增加 F F，即增加，即增加u1，则电流就会急剧增加，则电流就会急剧增加，这样变压器就会因过热而马上烧毁。因此在使用变压器时，这样变压器就会因过热而马上烧毁。因此在使用变压器时，必须注意变压器的额定电压和电源电压要一致。必须注意变压器的额定电压和电源电压要一致。011IWF 021112IfWREUmm0mm/RIW/RF11220111124.444.44mmIUEfWfWRF其中磁链其中磁链漏磁通漏磁通F F1s1s在原边绕组中产生的感应电势为在原边绕组中产生的感应电势为dtddtdWe1111tsinLI2dtdiLe10011011iL，原边的漏电动势的瞬时值为，原边的漏

41、电动势的瞬时值为 可见，漏电动势也作正弦变化，相位滞后于空载电流可见，漏电动势也作正弦变化，相位滞后于空载电流90。其。其有效值为有效值为1010101xILILI221E2.漏电动势与漏磁通的关系漏电动势与漏磁通的关系将漏电动势写成相量形式将漏电动势写成相量形式101xI jEss101xI jE 则，则，为漏抗压降为漏抗压降3.空载励磁电流分析空载励磁电流分析101xI jE01111IrEEU220EU2.2.3 单相变压器的负载运行单相变压器的负载运行 变压器负载运行是指原边接电源，副边接负载变压器负载运行是指原边接电源，副边接负载ZL时的时的工作状态。如下图所示，这时副边有负载电流工

42、作状态。如下图所示，这时副边有负载电流 I2 通过，原通过，原边电流为边电流为 I1，各量正方向规定与空载运行时相同。，各量正方向规定与空载运行时相同。变压器负载运行时电磁关系变压器负载运行时电磁关系11iu222udtdWedtdWess111111FWidtdWe11s1mF0222FWis22idtdWess222一一.变压器负载运行电压平衡式变压器负载运行电压平衡式u1=-e1-e1s s+i1 r1 写成相量形式，则写成相量形式，则111111111111ZIE)jx(rIErIEEU 应用基尔霍夫第二定律原、应用基尔霍夫第二定律原、副副边电压方程为：边电压方程为：222222222

43、222ZIE)jx(rIErIEEUu2=e2+e2s 2s i2 r2 L22ZIUdtdiLe111sdtdiLe222s式中式中r2、x2、Z2分别为副边绕组的内阻、漏电抗和漏阻抗，分别为副边绕组的内阻、漏电抗和漏阻抗，ZL为负载阻抗。为负载阻抗。111xI jEs222xI jEs二二.负载运行时的磁势平衡方程式负载运行时的磁势平衡方程式102211WIWIWI 负载时，副边电流由零增加到负载时，副边电流由零增加到I2，与此同时，原边电流从空载电与此同时，原边电流从空载电流流I0变化为负载电流变化为负载电流I1，原副边都有电流，所以合成磁势为，原副边都有电流，所以合成磁势为I1W1+I

44、2W2，它应等于产生主磁通的励磁磁势，我们用它应等于产生主磁通的励磁磁势，我们用 I0W1表示表示11111rIEEU 励磁磁势励磁磁势I0W1的大小决定于负载时主磁通的大小决定于负载时主磁通F F 的大小，而主磁通的大小，而主磁通F F 决定于负载时感应电势的决定于负载时感应电势的E1大小。负载运行时电压平衡关系为大小。负载运行时电压平衡关系为 因为原边电流从空载时的因为原边电流从空载时的 I0 变成有载时的变成有载时的 I1，而，而 U1 保持不变，保持不变，因此，严格地说，有载时的感应电势置因此，严格地说，有载时的感应电势置E1 和被和被E1 决定的主磁通决定的主磁通m、激磁磁势激磁磁势

45、I0W1，都和空载时的不同。但是在实际的变压器中，都和空载时的不同。但是在实际的变压器中，E1 1s s、I1r1 与与 E1 比较起来，其数值都很小。经相量相减后比较起来，其数值都很小。经相量相减后E1实际上仍与实际上仍与U1差不多，因此在有载时，差不多，因此在有载时，U1 仍近似等于仍近似等于E1。所以在变压器带负载。所以在变压器带负载时，其激磁磁势时，其激磁磁势 I0W1，虽不是恒值，但变化并不大，与空载磁势，虽不是恒值，但变化并不大，与空载磁势相差不多，因此有载时的激磁电流相差不多，因此有载时的激磁电流 I0与空载电流与空载电流 I0 实际相差不多，实际相差不多，因此，可以用因此，可以

46、用 I0 代替代替 I0，10102211WIWIWIWI二二.负载运行时的磁势平衡方程式负载运行时的磁势平衡方程式将上式两边同除于将上式两边同除于W1，得：，得：)kI(I)IWW(II2021201102211021WIWIWIFFF 负载时原边电流由两部分组成：一部分用来在铁心中建立主磁通负载时原边电流由两部分组成：一部分用来在铁心中建立主磁通F Fm，称为励磁分量，称为励磁分量I0，它基本不随负载变化；另一部分，它基本不随负载变化；另一部分-I2/k 用来抵用来抵消副边电流所产生的磁势，后一分量是在有载时才有的，称为负载分消副边电流所产生的磁势，后一分量是在有载时才有的，称为负载分量。

47、即用以抵消副边电流量。即用以抵消副边电流 I2 对主磁通对主磁通F Fm产生的影响，它随负载变化产生的影响，它随负载变化而变化。因此随着副边电流的增加，原边电流也相应增加，这样电功而变化。因此随着副边电流的增加，原边电流也相应增加，这样电功率便从原边传到副边。由此可见，变压器中的功率传递和变压作用都率便从原边传到副边。由此可见，变压器中的功率传递和变压作用都是基于原副边绕组之间的互感作用。是基于原副边绕组之间的互感作用。激磁电流分量激磁电流分量I0 一般占原边电流一般占原边电流 I1 额定值的额定值的10以下，即以下，即 I0I1，忽略，忽略 I0 时，原、副边电流关系为：时，原、副边电流关系

48、为：kWWII11221（或用有效值表示为：）（或用有效值表示为：）上式表明，负载运行时，原、副边电流与它们的匝数成反比，说明变压上式表明，负载运行时，原、副边电流与它们的匝数成反比，说明变压器在变电压的同时，也能变电流。器在变电压的同时，也能变电流。从负载运行的电磁关系分析可知，由于副边出现了负载电流从负载运行的电磁关系分析可知，由于副边出现了负载电流I2，在在副边要产生磁势副边要产生磁势F2=I2W2，使主磁通发生变化，从而引起，使主磁通发生变化，从而引起E1、E2的变化，的变化，E1的变化又使原边从空载电流的变化又使原边从空载电流I0变化为负载电流变化为负载电流I1，产生的磁势为，产生的

49、磁势为F1=I1W1，它一方面要建立主磁通，它一方面要建立主磁通m，另一方面要抵消，另一方面要抵消F2对主磁通的对主磁通的影响。由于负载时的影响。由于负载时的 I1Z1 很小，约占很小，约占35%U1N，忽略，忽略I1Z1 时有时有U1-E1则可认为空载时主磁通与负载时主磁通近似相等。因此，当则可认为空载时主磁通与负载时主磁通近似相等。因此，当U1（有效（有效值）不变时，一次绕组内感应电势的有效值近似不变，根据值）不变时，一次绕组内感应电势的有效值近似不变，根据 磁通磁通m亦亦近似不变，此性质可通俗成为近似不变，此性质可通俗成为“恒压下有恒磁通恒压下有恒磁通”mfWEU11144.4上述方程概

50、括了变压器中的电磁关系，称为变压器稳态运行时的上述方程概括了变压器中的电磁关系，称为变压器稳态运行时的基本方程式。利用这组基本方程式，便能对变压器进行定量计算。基本方程式。利用这组基本方程式，便能对变压器进行定量计算。但是解复数方程组是相当复杂的，为了直观和形象化，可画出等但是解复数方程组是相当复杂的，为了直观和形象化，可画出等效电路图效电路图由此可见，原、副边在电路上无直接联系，故此图尚不便于计算，由此可见，原、副边在电路上无直接联系，故此图尚不便于计算，引入参数折算后，便于得出变压器一、二次侧有电路直接联系的引入参数折算后，便于得出变压器一、二次侧有电路直接联系的等效电路并简化定量计算。下