電機學 復習資料-

認識電機一、電機的概念與分類1.電機概念電機是借助于電磁原理(原理工作的能量轉換(功能設備。只有給電機輸入能量,它才會輸出能量,并且在其輸入和輸出的能量中至少應該有一方是電能?？梢姟半姍C”一詞本質上是電磁機的簡稱。2.電機種類電機分類方法很多,這里按其功能以及電能性質等綜合地將其分成以下種類:變壓器:是利用電磁原理將交流電能轉換成同頻但電壓等級不同的交流電能的設備。發(fā)電機:是利用電磁原理將機械能轉換成電能的設備。其中,將機械能轉換成直流電能的發(fā)電機稱為直流發(fā)電機;將機械能轉換成交流電能的發(fā)電機稱為交流發(fā)電機。交流發(fā)電機又可分成同步發(fā)電機(轉速pfnn601==同步速和異步發(fā)電機(轉速1nn>同步速,實際中以同步發(fā)電機最為通用,而異步發(fā)電機則很少使用。電動機:是利用電磁原理將電能轉換成機械能的設備。它可分成直流電動機與交流電動機。交流電動機又可分成異步電動機(轉速1nn<同步速和同步電動機,實際中以異步電動機最為普及,同步電動機相對較少。無論發(fā)電機還是電動機都與機械能有關,這就要求它們的結構中有運動部件,為降低這兩類電機的制造成本,運動部件通常都作旋轉運動,稱為轉子;相應地固定部件就稱為定子;而把發(fā)電機和電動機統(tǒng)稱為旋轉電機。變壓器不涉及機械能,所以它是靜止電器。要點:電機的基本作用原理是電磁原理,作用是能量轉換;各類電機的具體功能。二、電機的損耗、發(fā)熱與冷卻電機是能量轉換設備而非能源,所以應該用單位時間內轉換的能量即功率來度量。其中,單位時間內輸入電機的能量稱為輸入功率,用P1表示;單位時間內電機輸出的能量稱為輸出功率,用P2表示。P1與P2的差值稱為功率損耗,用ΔP或p∑表示,即有ΔP=21PP-,功率損耗乘以工作時間就是能量損耗,這兩種損耗通常不加區(qū)分地統(tǒng)稱為電機的損耗。P2與P1的比值稱為電機的效率,用η表示,即有η=12/PP。電機工作時一般總有損耗,故ΔP>0、η<1。P1、P2、ΔP、η均隨電機工作狀態(tài)改變而變化,它們是時變函數(shù),但實際問題往往針對特定狀態(tài)提出,按它們有確定值來分析。工作時所產生的各種損耗都轉變成熱能,將會導致電機的溫度升高,此即發(fā)熱的一方,發(fā)熱量與電機工作方式有關,為一確定數(shù)值;另一方面,電機表面又會向低溫的周圍環(huán)境散熱,散熱量與溫升成一比例系數(shù)(稱為散熱系數(shù)。因此,在電機工作之初,散熱量為零,溫度升高最快;然后隨著溫度升高,散熱量將不斷增大,溫度上升變慢;如果工作時間足夠長,最終將達到散熱量等于發(fā)熱量的動態(tài)平衡,此后溫度停止升高而保持在穩(wěn)定值?？梢?散熱系數(shù)越大,溫升速度就越慢,穩(wěn)定溫升也越低,這對絕緣有利。分析表明:在自然條件下,散熱量與電機單位容量的表面積成正比,而單位容量的表面積與電機的容量成反比,因此,小容量電機自然散熱能夠滿足絕緣要求,而大容量的電機在自然散熱時的溫升往往會超過絕緣允許的限值,這就需要冷卻。所謂冷卻是指提高散熱系數(shù)的人為措施,一般通過適當?shù)慕橘|來實現(xiàn)冷卻,常用的冷卻介質有空氣、氫氣和水。要點:各種功率和冷卻的含義三、電機的結構與制造材料1.電機的電磁結構電機的功能是由其電磁結構決定的。電機的電磁結構由一條主磁路和與它相匝鏈的兩條或兩條以上電路組成。電機種類不同,其主磁路和電路的結構就有所不同。電機的損耗主要產生在其電磁結構部件中,即繞組的銅耗Cup和鐵心的鐵耗Fep。此外,在繞組、機座以及絕緣材料中會產生數(shù)量不大但難于精確計算的附加損耗adp;旋轉電機的轉動部件中還會產生摩擦損耗,稱為機械損耗pΩ。圖0-2電機中的磁路變壓器的主磁路為閉合鐵心。旋轉電機的主磁路,除定、轉子鐵心外,還包含兩段氣隙。當磁通恒定時,鐵心可用整塊鋼鐵材料制作;當磁通隨時間交變時,鐵心中將產生磁滯損耗和渦流損耗,兩者合稱為鐵耗,此時鐵心就必須用表面絕緣、厚度為0.35或0.5mm的硅鋼片疊壓成形。雖然直流和同步電機磁極鐵心中的磁通是恒定的,但由于開槽的影響,磁極表面受齒諧波磁場影響而產生鐵耗,故這類電機的磁極鐵心也要用厚度為1~3mm的厚鋼片疊裝。電機磁路的特點是:它由導磁性能極好的鐵磁性材料和空氣、絕緣材料等導磁性能很差的非磁性材料構成,因此,在兩種材料界面處磁力線垂直與鐵磁材料表面,常分為主磁路和漏磁路。(2繞組繞組是電機電路的核心部分,它一般是用帶絕緣的導體(主要用銅繞制而成的線圈或線圈組合。繞組的作用有流通電流、產生磁場、感應電動勢、承受一定的電壓電流和功率。繞制而成的線圈或線圈組合。一臺電機至少有兩個繞組。繞組可分成開啟式和閉合式兩類。開啟式繞組的特點是每個繞組都有兩個引出線端頭,用來與外部電源或負載相接,以實現(xiàn)電能的輸入或輸出。閉合繞組是將各線圈串聯(lián)成一個閉合回路,形式上屬于分布繞組,它沒有出線端而通過電刷與換向器的接觸,經電刷與外部電路接通。電流在繞組電阻上引起的損耗稱為銅損耗,簡稱銅耗。此外,對旋轉電機而言,起機電能量轉換的核心作用的繞組稱為電樞繞組,它指同步電機的定子繞組與直流電機的轉子繞組。繞組的電路表示:用繞組內阻與電動勢的串聯(lián)支路表示。電動勢同時還反映了主磁路(通和漏磁路(通的影響,即主電動勢e(主磁通感應的電動勢和漏電動勢eσ(漏磁通感應的電動勢。其中,主電動勢存在于除勵磁繞組外的一切繞組中(變壓器一、二次繞組;異步電動機定、轉子繞組;同步電機定子繞組和直流電機的轉子繞組,兩者統(tǒng)稱為電樞繞組;漏電動勢只存在于交流繞組中;勵磁繞組(同步電機轉子繞組和直流電機的定子繞組,通入直流電的直流繞組中,既無漏電動勢、也無主電動勢,即其等效電路為電阻電路。因此,電機最終可簡化為電路分析與2.不同類型電機的電磁結構特點⑴變壓器主磁路:閉合的鐵心電路:兩個繞組套在鐵心上(同時匝鏈主磁通,其中一次繞組(接電源的繞組輸入交流電能,二次繞組(接負載的繞組輸出交流電能。一、二次均為交流電路。一次電路二次電路(a變壓器電路LZ+-+-定子電路轉子電路(b異步電動機電路+-圖0–4各種電機的電路⑵異步電動機——轉速160fnnp<=同步速的交流旋轉電機主磁路:定、轉子鐵心+2段氣隙定子繞組接交流電源(定子為交流電路;轉子繞組短路(20u=,但是轉子電動勢是交流,故轉子也是交流電路。⑶同步電機——轉速160fnnp==同步速的交流旋轉電機主磁路:定、轉子鐵心+2段氣隙定子繞組(也稱電樞繞組接交流電源(同步電動機或輸出交流電(同步發(fā)電機,定子是交流電路;轉子繞組(勵磁繞組接直流電源,故轉子是直流電路。U勵磁電路電樞電路(c同步電機電路+-+-(d直流電機電路U勵磁電路電樞電路+-+-圖0–4各種電機的電路⑷直流電機主磁路:定、轉子鐵心+2段氣隙定子繞組(也稱勵磁繞組接直流電源,定子是直流電路;轉子繞組(電樞繞組接直流電源(直流電動機或輸出直流電(直流發(fā)電機,故轉子也是直流電路。要點:主磁路的構成,鐵心疊裝的場合與目的;繞組的組成、對外聯(lián)系方式(完整電路。3.電機的制造材料(1導電材料——銅(鋁、銀(2導磁材料——鋼鐵(3絕緣材料——天然材料(紙張、油漆、麻布,目前主要用有機合成材料(塑料絕緣材料是電機中耐熱性最差的材料,如果溫度超過材料允許的最高溫度,則材料的絕緣性能等物理、化學性能將快速下降。為此對絕緣材料分級規(guī)定,見下表。最高允許溫升=最高允許溫度-標準環(huán)境溫度(40℃四、磁路1.磁路概念磁路是磁場能量產生、傳輸和消耗的路徑,簡單地說,磁路是指磁通的路徑。磁路是研究磁場問題的簡化方法,這就像電路是研究電場問題的簡化方法一樣,因此,磁路與電路具有很多相同之處,即磁路也分成直流磁路和交流磁路,磁路的物理量、磁路定律、磁路計算方法也與電路有相似之處和類比關系。磁路與電路的主要區(qū)別是:沒有磁絕緣體,磁通可以在任何物質中流通,因此磁路就不受開關控制,磁路中只要存在磁動勢便有磁通流通。2.磁路主要物理量(與電路對應關系磁路主要有以下幾個物理量:⑴磁通Φ磁通是描述磁路中某截面上磁場總體強弱的物理量,單位為Wb(韋伯。磁通與電路中電流的作用相當。普通電機中,磁通是由繞組通電流產生的,其中絕大部分同時匝鏈(或穿越電機的所有繞組,所以稱為主磁通Φ;另有很小一部分僅與該繞組自身匝鏈,故稱為漏磁通σΦ。⑵磁通密度(簡稱磁密B磁感應強度B是描述磁場中各點磁場強弱的物理量,單位為T(特斯拉。它也可以描述某個截面上磁場平均強度,即BAΦ=,A為磁路的截面積。⑶磁場強度H是描述磁場中各點磁場強弱的物理量,單位為A/m。⑷磁導率μ:是描述材料導磁性能優(yōu)劣的物理量,滿足r0μμμ=。其中,rμ是一個無量綱的物理量,稱為相對導磁率;0μ為真空導磁率,其值為0μ=4π×10-7H/m。一般材料的導磁性能與真空相當,即其rμ≈1;鐵磁材料的rμ值約在幾十到數(shù)百萬。以上三個物理量滿足關系式:BHμ=⑸磁動勢F:磁動勢是產生磁場的本領,它是磁路所包圍的電流的代數(shù)和。電機中,磁路包圍的通常是一個電流為i的N匝線圈,即磁動勢FNi=。⑹磁壓降Um:mmUHlRΦ==⑺磁阻Rm:反應磁路對磁通的阻礙作用,mlRAμ=⑻磁導Λ:磁阻的倒數(shù),AlμΛ=。⑼自感L:2LNΛ=;感抗xLω=⑽互感M:它是反應繞組在交流電作用下相互影響的物理量,滿足1212MNNΛ=。變壓器與異步電動機中的互感電抗為勵磁電抗mx;同步電機中的互感電抗為電樞反應電抗ax。3、磁路計算電機磁路的特點是:沿磁路各點的磁場強度矢量jH和路徑jl的方向相同,同時包圍的電流是一個或多個N匝線圈的電流,即總電流為NI,所以,全電流定律又可表示成mmnjjMjkj1j1k1dlHl=HlUINI===?===∑∑∑∑?即各段磁路上的磁壓降等于磁路所包圍的電流代數(shù)和,即ΣHjlj=Ni式中:I為流過線圈的直流電流大小或交流電流的有效值,相應地,閉合磁路中截面相同的各段磁路的磁通Φ、磁場強度Hj和磁壓降UMj就為恒定值或有效值;lj為磁場強度相同的某段磁路的長度。因此,當磁路的尺寸和材料已知時,利用全電流定律可計算出:Ⅰ、產生一定數(shù)量的磁通Φ所需要的勵磁磁動勢和勵磁電流值,具體計算步驟如下:⑴求各段磁路的截面積Aj和長度lj,其中l(wèi)j通常取該段磁路的平均長度;⑵求各段磁路的磁密Bj=Φ/Aj;⑶根據(jù)Bj從相應材料的磁化曲線查出各段的磁場強度Hj和磁導率μj=Bj/Hj,并可求出該段磁路的磁阻Φ==jjjjjMjlHAlRμ。如該段為空氣隙,則磁場強度Hδ=Bδ/μ0;⑷求各段磁路的總磁動勢mmjjMjj1j1FHRNI====Φ=∑∑l;⑸根據(jù)勵磁繞組的匝數(shù)求出勵磁電流I=F/N。Ⅱ、如已知電流I求磁通,則方法是:先假定一個磁通,利用上述步驟求出所需的電流;將求出的電流與給定電流比較,如兩者誤差在允許范圍內,則假定的磁通即為所求;如誤差超過允許值,則根據(jù)求得的電流大小重新假定磁通,直到誤差在允許范圍內?？梢?這種情況往往需要進行疊代多次。4、電磁類比關系(見下表表0-1電磁類比關系要點:磁路及其主要物理量的含義、符號、單位;磁路基本定律及其在電機中的表達式;磁路計算方法。目的:理解磁路基本物理量與基本定律;掌握磁路計算方法,并能根據(jù)計算結果理解旋轉電機中氣隙的含義。五、電機的基本作用原理——電磁原理(包括以下兩條1.法拉第—楞茨定律處在變化的磁場中的導體中將產生感應電動勢,簡稱磁生電。這就是法拉第在1831年發(fā)現(xiàn)的電磁感應現(xiàn)象,也稱電磁感應定律。當導體形成閉合回路時,感應電動勢產生的電流(稱為感。這種阻礙作用就是電抗的概念,即電抗對應于交變場。感應電動勢的一般表達式dedtψ=-這里Ψ稱為磁通鏈,簡稱磁鏈。一般說來,磁鏈是時間和位置的函數(shù),即(,fxtψ=,故感應電動勢可表達為((ddxedtxdttψψψ??=-=-?+-??式中前一項稱為運動電動勢,后一項稱為變壓器電動勢。⑵電機中感應電動勢的表達式變壓器中,繞組套在鐵心柱上并通交流電,構成交流鐵心線圈。靜止的鐵心中的交變磁通msintΦΦω=穿越繞組的全部N線匝,其磁鏈NψΦ=在繞組中產生變壓器電動勢。電動勢的大小為deNdtΦ=-,方向則由右手螺旋定則確定。動勢的大小為eBlv=,方向用右手定則確定。2.安培定律載流導體的周圍將產生磁場,簡稱電生磁。此外,旋轉電機中還用到安培電磁力定律——畢奧?薩法爾定律載流導體在磁場中受到的電磁力(a左手定則確定BB(b磁場相互作用確定【舉例】吸鐵石的原理平行導線通電后的相互作用力要點:電磁感應定律的形式及其在不同電機中的情況;交變場與電抗,即交變磁場對應于感抗、交變電場對應于容抗;普通電機中的磁場是由電流產生的,電流的性質決定了磁場的性質,即直流電產生恒定磁場,故直流電機中沒有電抗;交流電產生交變磁場,每一個交變磁場對應一個電抗,具體說:異步電動機和變壓器中的主磁場對應于勵磁電抗,兩側漏磁場分別對應于漏抗。大小FBIl方向:由左手定則確定應用此式時要求大家樹立一個觀點:即磁場相互作用產生力第一部分變壓器本課程主要討論用來實現(xiàn)電能傳輸、分配的變壓器,稱為電力變壓器,其作用有:⑴變換電壓等級(簡稱變壓。以利于電能的高效傳輸和安全使用;⑵控制電壓水平(簡稱調壓。以保證電能的質量指標,即保證電壓穩(wěn)定在規(guī)定的范圍內。按用途不同,變壓器可分成多種類型。(1電力變壓器:用來實現(xiàn)電能傳輸、分配的變壓器;(2儀用變壓器(又稱為互感器:包括電壓互感器(TA、電流互感器(3特種變壓器:交流電焊機(電焊變壓器、整流變壓器、脈沖變壓器等一、變壓器的結構(要掌握各部件的組成、作用、要求1.電磁部件(也稱器身這部分是變壓器工作的核心部件,包括繞組和鐵心。⑴鐵心:鐵心通常是用0.35mm或0.5mm厚的硅鋼片(為了減小鐵耗疊壓而成的閉合框體,它可分成心柱式和鐵殼式兩種型式。鐵心中套有繞組的部分稱為鐵心柱;其余部分稱為磁軛,用來連通主磁路。鐵心的基本作用是導磁,同時兼作器身的機械支承,所以要求它具有良好的導磁性能和足夠的機械強度。⑵繞組:繞組是用帶絕緣的銅導體繞制而成的線圈或線圈組合,有多種形式。繞組作用是導電并產生磁場,同時感應電動勢,并通過磁場耦合把電能從一次側傳遞到二次側。對繞組的要求有:①每相(匝鏈同樣的主磁通至少有兩個匝數(shù)不同的繞組(供變壓用;②在高壓繞組上引出若干分接抽頭(供調壓用。相關術語高壓繞組是指線圈匝數(shù)多的繞組,其電壓高、電流小、導線細而電阻大;匝數(shù)少的就稱為低壓繞組,它的電壓低、電流大、導線粗而電阻小。輸入電能(或接電源的繞組稱為一次繞組,該側稱為一次側;輸出電能(或接負載的繞組叫做二次繞組,該側稱為二次側。為絕緣方便,低壓繞組繞在內層而高壓繞組繞在外層,一相繞組整體套在鐵心柱上。必須注意,一、二次繞組與高、低壓繞組是不同的概念。(a(b圖1?1繞組套裝在鐵心柱上的情況(a單相變壓器;(b三相變壓器對變壓器,一次電壓高于二次電壓的稱為降壓變壓器;而一次電壓低的稱為升壓變壓器。2.冷卻部件(1油箱:用鋼板焊接而成,用來盛放變壓器油,器身浸在變壓器油中。變壓器油:是變壓器的冷卻介質,這是一種無色透明的礦物油,它盛放在油箱中,變壓器的器身浸在油中。變壓器油起冷卻與加強絕緣雙重作用。(2散熱管:裝在油箱表明,與油箱內部相通,以增大散熱面積。(3散熱器:用薄銅片組合而成,裝在與油箱連通的油管上,以增大散熱面積,散熱器的外面裝一組風扇,以提高散熱效果。(4冷卻器。用于特大型變壓器。3.保護部件(1儲油柜(俗稱油枕:鋼板焊接成的油桶,放在變壓器某側上部,其中大部分沖油,以保證器身可靠浸在變壓器油中。儲油柜的一個端面上裝在油位計(俗稱油標,用來指示油量,供運行人員觀察,以及時補油或放油。儲油柜下部裝一個呼吸器。(2氣體繼電器:裝在連通油箱與油枕的管道上,對氣體的壓力敏感(3安全氣道(俗稱防爆管(4出線套管等二、變壓器的額定值及其相互關系1.額定值:是指變壓器正常使用時應滿足的一組規(guī)定值,包括:(1額定容量NS,單位kVA;基本含義1N2NNSSS==(2一次額定電壓1NU,單位V或kV;一次額定電流1NI,A。三相指線值(3二次額定電壓2NU,指一次為額定電壓下的二次開路電壓,即2N2011N|UUUU==,20I=,單位V;三相指線值(4一、二次額定電流2NI、2NI,A。三相指線值額定值的相互關系:單相變壓器滿足N1N1N2N2SUIUI==三相變壓器滿足N1N12N2NSII=補充:繞組連接方法及其端頭標記繞組連接方法(a(b(c(d圖1?2三相繞組聯(lián)結法(aY聯(lián)結;(bYN聯(lián)結;(cD聯(lián)結(后接,標準接法;(dD聯(lián)結(前接Y(星形連接:將三個(相繞組的尾端連在一起,連接點稱為中性點,中性點出線稱為中性線(帶中性線的星形YN;首端(稱為端點對外出線(稱為端線,俗稱火線?！?三角形連接:將三相繞組的首尾端依次串聯(lián)出閉合回路,三個連接點稱為端點,對外引出三條端線。端點間的電壓稱為線電壓,繞組首尾端間的電壓稱為相電壓;端線電流稱為線電流,繞組內部電Y連接,線電流等于相A(U1、X(U2,低壓a(u1、x(u2;三相,高壓繞組首端用A、B、C,尾端用X、Y、Z表示;低壓繞組首端用a、b、c,尾端用x、y、z表示。注意!!對三相變壓器,額定電流和額定電壓均指線值,但是變壓器的基本方程和等效電路都是從一相導出的,因此計算分析時必須用相值帶入。按照繞組接線方式的不同,變壓器一、二次側的額定相電流1NIφ、2NIφ和額定相電壓1NUφ、2NUφ可分別用下式求出,即對Y接線的側:jNjNIIφ=、jNUφ=(j=1、2,1代表一次側,2代表二次側對Δ接線的側:jNjNUUφ=、jNIIφ=三、變壓器主要物理量及其慣例正方向圖1?3示出了單相變壓器的原理結構和主要物理量,下面說明各物理量的慣例參考方向。1.一次側⑴外加電壓1u或1U:其大小和方向都是給定的;是變壓器工作過程的發(fā)起者。⑵電流1i或1I:它由電壓1U產生并與之成關聯(lián)方向(負載慣例,即電流自高電位端流入繞組。⑶主電動勢1e或1E:它由主磁通Φ產生并與之成右手螺旋方向;⑷漏電動勢1eσ或1Eσ:它由漏磁通1σΦ產生并與之成右手螺旋方向。一次電路主磁路二次電路i1r11σφ11111ddieNLdtdtσσσφ=-=-線性磁路圖1-4變壓器電磁過程2.二次側⑴主電動勢2e或2E,它由Φ產生并與之成右手螺旋方向;⑵電流2i或2I,它是在負載情況下由2E產生并與之方向相同;⑶漏電動勢2eσ或2Eσ,由漏磁通2σΦ產生并與之成右手螺旋方向;L圖1–3原理結構與慣例正方向⑷輸出電壓2u或2U,它是變壓器整個工作過程的最終結果,與2I成非關聯(lián)方向。3.磁通主磁通Φ:在空載時由一次側空載電流0i產生,負載時由一、二次電流共同產生,它與電流成右手螺旋方向;一次漏磁通1σΦ:由一次電流1i產生并與之成右手螺旋方向;二次漏磁通2σΦ:由二次電流2i產生并與之成右手螺旋方向。上述電磁量可見圖1–4所示的變壓器電磁過程。四、變壓器的運行分析1.變壓器的電磁過程(又稱工作原理可用圖1?4表示,也可用文字敘述如下:一次通電后,鐵心中將產生主磁通,從而在各繞組中感應出主電動勢。由于兩側繞組的匝數(shù)不同,進而實現(xiàn)了電壓等級的變換;當二次負載電流變化時,通過主磁通的自動調整作用(調整的結果是主磁通基本保持不變,一次電流發(fā)生相應地變化,從而實現(xiàn)了功率從一次側向二次側的傳遞。此即變壓器的電磁過程,也就是變壓器工作原理。2.變壓器的基本方程一次電路二次電路2rI式中:11111111[][]jjdiEeLLIIxdtσσσσσω==-=-=-,11xLσσω=為一次繞組漏磁電抗(簡稱一次漏抗;222jEIxσσ=-,22xLσσω=為二次漏抗;1r、2r為一、二次繞組電阻。磁動勢平衡:變壓器的主磁通是基本不隨負載變化的,這就要求產生主磁通的磁動勢也不變,即在空載時磁動勢010FNI=等于負載時磁動勢111222((FNIFNI=+=。這就是磁動勢平衡,即有101122NININI=+變比方程:設msintφΦω=,即0Φ=,mΦ為主磁通的最大值負載主磁路空載主磁路參見電路圖,利用KVL可列出變壓器的電壓方程,即一次:111111111(jUEEIrEIrxσσ=--+=-++二次:222222222(jUEEIrEIrxσσ=+-=-+由式11deNdtφ=-和式22deNdtφ=-知:j01j190=+=∠?111mj2904.4490ENfNfNωΦπΦ=-=-=∠-、22m4.4490EfNΦ=∠-,即大小:11m4.44EfNΦ=、22m4.44EfNΦ=,1E、2E滯后Φ90?相位,即感應電動勢滯后相應的磁通90?。于是可得上式可表示成:120mm(jEKEIrx==-+式中,mr稱為激磁電阻,它模擬鐵心損耗的大小;mx稱為激磁電抗,它對應于主磁通。以上方程聯(lián)立如下12211222(UEIrjxEIZUEIrjxEIZNININIEKEIrjxσσ?=-++=-+?=-+=-??=+??==-+?11111112222220110mm((式中:111jZrxσ=+,1111jzZrxσ==+為一次漏阻抗,222jZ=rxσ+為二次漏阻抗,兩者都是常數(shù)。當負載電流很小(輕載時,漏阻抗壓降11IZ、22IZ可忽略不計,即11UE≈-、22UE≈,于是可得重要關系式:111m4.44UEfNΦ≈=(11111UUEEE=≈-==上式是量值改變時變壓器分析的基本依據(jù),此時的變比近似式為:12UKU≈。重載時,空載電流0I可忽略,即101122NININI=+,于是可得122211NIIKNII=≈-=,這就是重載時變比的近似式,該式還表明:在慣例參考方向下,一、二次側的電流近似反相。3.折算法⑴概念所謂折算就是一臺變比為1、而鐵心相同的假想變壓器去代替變比為K的實際變壓器,而保持兩者的磁動勢、主磁通、功率等不變。⑵折算關系若設將變壓器的二次側折算到一次側,并將二次側折算后的量加上標“′”以示與實際量的區(qū)別,即有21NN'=、1K'=,則可得折算關系:①221EKEE'==;(因為主磁通不變②22IIK'=;(因為磁動勢不變,即222222FNIFNI'''===③222rKr'=,222xKxσσ'=,2LLZKZ'=;(因為功率不變,即222222222222((IrjxIrjxσσ'''+=+④22UKU'=。(2222222222((IUEIrjxKEKrjxKσσ'''''=-+=-+⑶折算后的基本方程按以上關系可得折算后變壓器的基本方程如下。1111122222012210mm(((UEIrjxUEIrjxIIIEEIrjxσσ?=-++?'''''=-+??'=+??'==-+?負載方程:L22ZIU''='4.等效電路依據(jù)折算后的基本方程可畫出T形等效電路圖1–5。圖1–6是工程計算中常用近似電路。''(b圖1–5變壓器T形等效電路圖1–6變壓器近似(Г形等效電路五、變壓器的參數(shù)測定1.空載試驗:測量值p0(空載損耗、I0(空載電流、U0(外加試驗電壓;利用試驗數(shù)據(jù)計算勵磁阻抗rm、xm(如下。001mmm020001mm01mm||||||/UZZZZzIrpIrrrxxxxσ?==+≈=???==+≈??=+≈???KK12KKKK122KK12||||UZZZzIprrrIxxxσσσσ?'==+=???'==+???'=+??2.短路試驗:測量值pk(短路損耗、Ik(短路電流、Uk(短路電壓,即試驗電壓;利用試驗數(shù)據(jù)計算短路阻抗rk、xk(如上和短路電壓百分數(shù)Uk%。短路阻抗與溫度有關,需要化為熱態(tài)(75℃數(shù)值。定義:短路電壓百分數(shù)φ?φ=1NCK751NK%UzIU注意:對三相變壓器,如果測量數(shù)據(jù)的一側為Y形接法,計算值用下列數(shù)據(jù)帶入0U=U0測量值I0=I0測量值,p0=p0測量值/3;KU=UK測量值IK=IK測量值,pK=pK測量值/3如果測量數(shù)據(jù)的一側為△接法法,計算值用下列數(shù)據(jù)帶入I0=I0測量值,0U=U0測量值p0=p0測量值/3;KU=UK測量值,IK=IK測量值pK=pK測量值/33.相關問題——標么值⑴概念:一個物理量的標幺值是指其有名值除以該值的同名基準值,即*Bxxx=⑵基準值標幺值的基準值選取如下表⑶標幺值的優(yōu)點①物理狀態(tài)明晰;②參數(shù)趨同;③自動折算;④特殊參數(shù)**KKzU=,即短路電壓百分數(shù)。在用有名值計算時,應注意用相值代入,即有測量值如何化成相值問題,計算的參數(shù)是折算到試驗所在側,最終要折算到同一側。六、變壓器的運行性能1.電壓變化率U?定義式:202*22N100%1UUUUU?-=?=-;計算式:**K2K2(cossinUrx?β??=+***12IISβ===——負載系數(shù)變壓器的電壓變化率通常為百分之幾,且隨容量增大而增大,但不超過15%。2.效率η⑴損耗繞組電阻損耗——銅耗2222CuCu1Cu2KKKN11N(pppmIrmIrpββφ=+===其中2KN1NphKpmIr=——額定銅耗,可見Cup與隨負載變化,稱為可變損耗。鐵耗21.3FempkBf=,這里k是常數(shù);m1mFe1Fe4.44UBAfNAΦ==?？梢?當1U一定時,鐵耗是常數(shù),即與負載無關,故稱為不變損耗。通常Fe0pp≈⑵效率公式N2221N2KN0coscosSPPSppβ?ηβ?β==++⑶當mβ時,即可變損耗等于不變損耗時,變壓器的效率為最大值,其值為2max20coscos2NNSSpβ?ηβ?=+【例】Y,d接法的三相變壓器,SN=100kVA,U1N/U2N=10/0.4kV。在低壓側測得空載試驗數(shù)據(jù)U0=400V、p0=1.5kW、I0=7.22A;在高壓側測得短路試驗數(shù)據(jù)UK=500V、pK=pKN=4kW、IK=I1N。試確定:⑴折算到高壓側的勵磁阻抗rm、xm和短路阻抗rK、xK,并畫出近似等效電路;⑵滿載且cosφ2=0.8滯后時,變壓器的電壓變化率ΔU和效率η?！窘狻恳?、數(shù)據(jù)準備一次額定電流B1N1N1NN1IIA7735.5310kV103kVA100U3SI====?==φ一次額定相電壓B1N1N1UV5.57733kV103UU====φ一次阻抗基準值N21N1B1B1B10003/103/10SUAkVIUZ=Ω===二次額定電流A34.144kV4.03kVA100U3SIN2NN2=?==二次額定相電流B2N2N2IA33.83325033/2503II=====φ二次額定相電壓B2N2N2UV400UU===φ二次阻抗基準值kVA100kV4.0(3SU38.43/250400IUZ2N2N2B2B2B2?==Ω===空載試驗數(shù)據(jù)的相值:V40000==φUU或0*02N4001400UUU===;04.168AIφ===或0*02N7.220.05144.43III===,001500500W33ppφφ===或0*0N1.50.015100ppS===短路試驗數(shù)據(jù)的相值:K288.86VUφ===或K*K1N5000.0510000UUU===;KK1N5.77AIIIφ===或1NK*K1N1N1IIIII===,KK1333.3W3ppφ==或KK*N40.04100ppS===二、按要求計算1.參數(shù)計算①由空載試驗數(shù)據(jù)計算激磁阻抗(折算到低壓側的值勵磁電阻605.0015.0Ipr7751.283/22.7(500Ipr2200m2200m======***φφ或勵磁阻抗2005.01IUz9585.953/22.7400IUz00m00m======***φφ或勵磁電抗079.19rzx5425.917751.289585.95rzx2m2mm222m2mm=-=Ω=-=-=***或②把激磁阻抗折算到高壓側,此時K=(10/3/0.4rm=K2×28.7751=5995Ω或rm=rm*×Z1B=6×1000=6000Ωxm=K2×91.5425=19071Ω或xm=xm*×Z1B=19.0788×1000=19079Ωzm=K2×95.9585=19991.4Ω或zm=zm*×Z1B=20×1000=20000Ω③由短路試驗數(shù)據(jù)計算短路阻抗(折算到高壓側的值短路電阻04.0104.0Ipr407735.53/4000Ipr22kkk22kkK===Ω===***φφ或短路阻抗KKKKKK288.680.05500.055.77351UUzzII*φ**φ===Ω===或短路電抗KK30Ω0.03xx*===或④畫出近似等效電路(要求把參數(shù)標在圖中,并按慣例方向標出各物理量的參考方向2.性能計算把1β=、2cos0.8?=、2sin0.6?=代入計算式,可得電壓變化率**K2K2(cossin1(0.040.80.030.060.05Urxβ???=+=??+?=效率N22N2KN0cos100k0.80.9357110k0.84k1.5kcosSSppβ?ηβ?β?===?++++七、單相變壓器的空載電流i0(1空載電流是指二次側開路時的一次側電流;(2一次側在額定電壓下的空載電流大小0I約為額定電流的百分之幾,且隨容量增大而減小,即***010200.0III===?;(3空載電流以感性為主(性質,包含用于建立磁場(簡稱勵磁的無功分量Iμ和提供鐵耗的有功分量FeI,并且Iμ比FeI大得多;(4作用是勵磁;(5在單相變壓器中,磁路不飽和時i0為正弦波;磁路飽和時i0為尖頂波,見圖2–3。圖2?3作圖法求取變壓器激磁電流波形影響空載電流大小的因素有電源電壓和頻率、一次線圈匝數(shù)、鐵心的磁導率與尺寸。分析過程:第一,磁路計算01FeINHl=,即與(1一次繞組匝數(shù)1N;(2磁路長度Fel有關第二,FeμBH=,即與(3鐵心材料Feμ有關第三,FemmABΦ=即與(4鐵心截面積FeA有關第四,11m44.4fNU=Φ即與(5電源電壓1U(通常為額定電壓不變;(6電源頻率f(通常為額定值50Hz不變有關解答過程方法:根據(jù)條件,從分析過程的反方向解答。即⑴首先用式m111fN44.4EUΦ=≈分析鐵心中主磁通Φm變化情況。⑵再用式FemmAB=Φ分析磁密Bm變化情況。Bm還影響鐵耗3.12mFefkBp=,k為常數(shù)。⑶然后用式mmHBμ=和變壓器空載特性(也稱磁化曲線分析磁路中磁場強度Hm和導磁率μ變化情況。三者關系為:若Bm增大,則Hm增大而μ減小;若Bm減小(↓,則Hm減小而μ增大(↑。⑷最后依據(jù)磁路計算式lmm01mHINF==確定激磁電流I0m的變化情況。⑸以上結論還可用于分析鐵耗、繞組銅耗pCu、激磁電阻rm和激磁電抗xm等量的變化情況。具體看(11N減少(匝間短路:Φm↑→Bm↑→Hm↑、Feμ↓→I0m↑(較快。(2FeA增大(也可減小:Φm不變→Bm↓→Hm↓、Feμ↑→I0m↓。(3Fel增大:Φm不變→Bm不變→Hm、Feμ不變→I0m↑。(4鐵心性能好(Feμ大:Φm、Bm、Hm均不變,Feμ↑→I0m↓。(5f減小(也可增大Φm↑→Bm↑→Hm↑、Feμ↓→I0m↑。(61U減小:Φm↓→Bm↓→Hm↓、Feμ↑→I0m↓。八、三相變壓器1.結構特點電路方面:三相變壓器與單相變壓器的區(qū)別僅在于它的一、二次繞組分別接成星形、帶中性線星形和三角形中的一種。高壓側繞組的首端,用大寫字母Y、YN、D表示,低壓側用小寫字母y、yn、d表示。磁路系統(tǒng),包括:⑴獨立磁路(三相變壓器組,又稱組式變壓器:特點是各相的主磁通只經過自身鐵心閉合,即三相主磁路彼此獨立;⑵相關磁路(三相心式變壓器:特點是每一相的主磁通需要經另外兩相的鐵心才能形成閉合回路,即三相主磁路彼此相關。2.三相變壓器連結組別的判定(同極性端(俗稱同名端概念:一相(匝鏈同一個主磁通繞組中,各繞組的交流電壓瞬時極性相同的端頭稱為同極性端。本質:一相的各繞組從一個同名端到另一個同名端的電壓相位相同。(2連結組別的表示方法格式:高壓側接法(大寫字母,三相變壓器為A、B、C,單相為I,低壓側接法(小寫字母,三相變壓器為a、b、c,單相為i(+組別號(鐘點數(shù)(3連結組別的判定方法第一步:畫高壓側電壓相量圖。第二步:根據(jù)同名端,畫出對應的低壓側電壓相量圖。第三步:將高、低壓側的電壓相量圖上的某一點平移到重合,作為鐘軸心,單相取X、x點,三相取三角形的中心點;從鐘軸到高、低壓側相量圖上字母相同的另一點的連線分別作為時針和分針,兩者構成的鐘點數(shù)即為連結組號。第四步:按格式寫出連結組。(4舉例情況一:Y,y接線的首首同名端【例1】按照接線圖畫出相量圖,判定連結組。ABCabxyYZABCabcxyzXYZABCyzxbcaXYZABCcabzxyXYZABCoBACOabcAoBCOabc【例2】按照接線圖畫出相量圖,判定連結組。zxbcaXYZABCzxcaYZBCcabzxyXYZABCBCa情況二:Y,y接線的首尾同名端【例3】按照接線圖畫出相量圖,判定連結組。abcxyzXYZABCBACOab情況三:Y,d接線第二步的做法,分三小步::(1畫一(豎直線;(2(按照與A相對應的同名端標(出低壓側該相繞組兩端(字母;【解】畫出高壓側電壓三角形如圖中?ABC;第二步先在大三角形中截出低壓側小三角形,然后在A、B、C對應的位置按照同名端標出低壓側的字母。第三步:以作為分針,作為時針,確定鐘點數(shù),即組別號。所以連結組為Y,y0?！窘狻客瑯臃椒膳卸ǔ鲞B結組為Y,y4?！窘狻慨嫵龈邏簜入妷喝切稳鐖D中?ABC;第二步先在高壓側相電壓反向延長,然后在延長線兩端標出高、低壓側的異名端字母。第三步:以作為分針,作為時針,確定鐘點數(shù),即組別號。所以連結組為Y,y2。(3(按照a、b、c順時針方向,找(出低壓側電壓三角形的第三(頂點?！纠?】按照接線圖畫出相量圖,判定連結組。abxyABCYZABCCaOoBACabc3.三相變壓器的諧波問題主要研究三次諧波,其特點是三相同相位,如3C3B3Aiii==。壓器磁路飽和,即磁化曲線U0=f(i0欠(低于線性,此外還有電路原因和磁路原因。電路原因:電路影響三次諧波電流能否流通,進而影響主磁通和繞組電動勢的波形。繞組為星形接法時,三次諧波電流不能流通(即不存在;繞組為帶中性線的星形接法時,三次諧波電流能流通(即可能存在;繞組為三角形接法時,三次諧波電流能在三角形內部流通,但在三角形的外部不能流通。只有在勵磁電流為尖頂波(即有三次諧波時,主磁通和繞組電動勢才可能象希望地那樣為正弦波。Y,y接線時三次諧波電流不存在,Y,yn接線時三次諧波電流極小,因此,這兩種接法下變壓器的空載電流為正弦波、主磁通為平頂波,繞組電動勢為尖頂波。對有一側繞組為Δ接線,則由于三次諧波電動勢在Δ內產生三次諧波電流,進而產生三次諧波磁通,這一磁通能抵消產生三次諧波電動勢的原三次諧波磁通,最終在鐵心中維持一個(存在性不大的三次諧波磁通。這就是三角形接線抑制三次諧波的原理,此時三次諧波幅值級小,認為這類變壓器不出現(xiàn)諧波。磁路原因:主要影響三次諧波的幅值。對Y,y或Y,yn接線的三相變壓器組,經鐵心閉合的三次諧波磁通幅值較大,三次諧波電動勢的幅值更大,可達額定電壓的60%,這會導致繞組嚴重過電壓而造成絕緣擊穿,因此它在實際中不能使用;對Y,y或Y,yn接線的三相心式變壓器,經漏磁路閉合的三次諧波磁通幅值很小,三次諧波電動勢的幅值也不大,但是對大容量變壓器絕緣不利,因此只有容量在1800kVA以下的心式變壓器才能采用接線;大容量變壓器通常都有一側接成三角形。九、變壓器并聯(lián)運行1.理想并聯(lián)及其條件理想并聯(lián)是指:(1空載時,各并聯(lián)變壓器之間沒有環(huán)流,即要求2020ijUU=;(2負載時,各變壓器的負載與其容量成正比,即要求負載系數(shù)ijβ=β,并且各電流同相位。這里,ij為臺號,并且ij≠。理想并聯(lián)條件有:(1額定電壓相同,通常指變比相同;(2連接組別相同;(3短路電壓百分數(shù)相同或短路阻抗標幺值相同;【解】按照上述步驟可判定出連結組為Y,d1。(4短路阻抗角相同。(一般都能滿足2.條件不滿足時變壓器并聯(lián)運行的后果(1變比不同——后果是變壓器之間出現(xiàn)環(huán)流環(huán)流的大小與變比差有關,一般變比相對誤差K?每相差1%,環(huán)流約增加10%的額定電流,因此實際允許變比有誤差,但是要求K?不超過0.5%。環(huán)流的方向是由變比小的變壓器發(fā)出,而變比大的變壓器吸收,因此,如果變比不同的變壓器并聯(lián)運行時,希望變比小的變壓器容量大一些,而變比大的則容量小一些,原因是容量大額定電流就大,提供環(huán)流的能力也強。(2連接組不同——一后果是一定出現(xiàn)極大的環(huán)流。所以實際禁止并聯(lián)。(3短路電壓百分數(shù)不同——后果是負載系數(shù)不等。具體分配關系如下各臺變壓器的負載系數(shù)為2K2NN1K1jjjnijiiSSSSβ===∑各臺變壓器的負載為NK22jNjN1KjjjniiiSuSSSSuβ===∑式中:2S——并聯(lián)變壓器的總負載;NiS——各臺變壓器的額定容量;Kiu——各臺變壓器的短路電壓百分數(shù)?？梢?負載系數(shù)與短路電壓百分數(shù)成反比,短路電壓百分數(shù)小的負載系數(shù)大,最小的負載系數(shù)最大。實際允許短路電壓百分數(shù)不同的變壓器并聯(lián)運行,但是希望短路電壓百分數(shù)大的變壓器容量小、而短路電壓百分數(shù)小的容量大。(4短路阻抗角——對容量相差不大的變壓器,短路阻抗角一般是相同的,即本條件通常能夠滿足。十、變壓器過渡過程1.突然短路設tsin(U2u1N1αωφ+=突然短路電流的表達式:⑴一般表達τ?α?αωtkKkKke-sin(I2-tsin(I2i--+=?≈=-90rxtankk1k?——短路阻抗角;kkkkrxrLωτ==——時間常數(shù);2k2kkxrz+=——短路阻抗⑵??=1800或時,即在電壓過最大值瞬間發(fā)生短路,短路電流表達式為I2(2ie1(I2eI290sin(180I22T(iKmaxxrKtKKkkk±≈=+±=±??=--πτ⑶?±=90α時,即在電壓過0瞬間發(fā)生短路,短路電流表達式為180-0tsin(I2iKk??++=ω將直接進入穩(wěn)態(tài),此種情況短路電流最不嚴重。⑵原因:短路電流大。2.空載合閘(投入——后果是出現(xiàn)勵磁涌流⑴出現(xiàn)勵磁涌流的原因內因(根本原因:磁路飽和;外因:合閘時的電壓瞬時值,在過0時合閘最嚴重;在過最大值時不出現(xiàn)。⑵出現(xiàn)最嚴重勵磁涌流的條件在電壓過0瞬間合閘,經過半個周期出現(xiàn)。最大值約為穩(wěn)態(tài)空載電流的數(shù)十乃至上百倍,即數(shù)倍額定電流。十一、特殊變壓器1.自耦變壓器特點:一、二次之間不僅有磁場聯(lián)系,而且有電的聯(lián)系。其工作原理與普通變壓器類似。功率傳遞:通過功率、感應功率、傳導功率2.三繞組變壓器特點:三個繞組同軸排列,高壓繞組放在最外側,中、低壓繞組按照與高壓繞組間功率傳遞相近就靠近高壓繞組的原則排列。第二部分交流繞組及其電動勢與磁動勢同步和異步電機的定子繞組都是流通交流電流的三相對稱繞組,它們都叫做交流繞組。它們分布在定子鐵心槽中,各相繞組的元件(即線圈,它是構成繞組的基本單元,故稱為元件及其相互間的連接規(guī)律完全相同,三相彼此相差120?電角度,從而構成對稱繞組。一、交流繞組技術數(shù)據(jù)交流繞組通常分成單層繞組和雙層繞組,見右圖。單層繞組又分成疊繞組、鏈式繞組、交叉式繞組和同心式繞組等型式;雙層繞組有疊繞組和波繞組兩種型式。構成繞組需要以下技術數(shù)據(jù):1.定子槽數(shù)Q1:它是一個給定數(shù)值。2.電機(磁極數(shù)2p:也為給定值,p為極對數(shù)。3.定子相數(shù)m1=3,是一個給定數(shù)值。由上述三個給定的數(shù)據(jù)可計算出下列三個技術數(shù)據(jù):4.電機極距12Qpτ=(槽/極,它指每個磁極極面沿圓周方向所占的槽數(shù)。5.每極每相槽數(shù)1123Qqpmτ==。它指每個極面下每相繞組所占的連續(xù)槽數(shù),也是繞組每一個線圈組中串聯(lián)線圈的個數(shù)。當q為整數(shù)時,稱為整數(shù)槽繞組;當q為分數(shù)時,稱為分數(shù)槽繞組。實際交流電機大多采用整數(shù)槽繞組。6.槽距角1Q360p?=α(電角度。它指相鄰兩槽對應位置,即一個槽(包含齒所對應的圓心角。由于電機圓周上有p對磁極,每轉動一對磁極交流電就變化一個周期,故電機轉動一轉交流電變化p個周期。繞組屬于電氣元件,因此要用電角度表示。7.線圈節(jié)距y:用線圈兩邊沿圓周所跨過的槽數(shù)表示。為了盡可能大地產生感應電動勢和電磁轉矩,要求y接近于電機極距τ。必須注意:單層繞組從電磁本質上講是一個整距繞組,其線圈極距y由每極每相槽數(shù)q和繞組型式決定。疊繞組q為任意整數(shù),yτ=;同心式繞組由疊繞組按遠近結合得到;鏈式繞組2q=或4,1yτ=-;交叉式繞組的3q=,每一個線圈組的3個串聯(lián)線圈中,2個1yτ=-,另一個2yτ=-。雙層繞組y是給定值,它通常小于電機極距τ,制成短距繞組,目的是抑制諧波。8.相帶基本含義:指一相繞組在1個或一對極面的極弧下所占的地帶。它有60°相帶和120°相帶劃分方法。常用60°相帶劃分,即把每個磁極沿周向均分成三份,每一份屬于不同的相,稱之為一個相帶,恰好等于?60,稱為?60相帶。一相繞組在1個極面的極弧下所占的連續(xù)地帶。根據(jù)前面的定義,相帶在數(shù)值為11113603606022QpqpmQmα???=?==?9.并聯(lián)支路數(shù)a指從一相繞組的一個出線端看進去的分支路數(shù)。事實上,一相繞組有若干個電動勢大小和相位相同的線圈組組成,這些線圈組可以串聯(lián)也可以并聯(lián)。注意:每條支路的線圈組個數(shù)必須相同,這樣并聯(lián)后支路之間不會內出現(xiàn)環(huán)流。二、交流繞組展開圖及其畫法單層交流繞組:掌握疊繞組、鏈式繞組、交叉式繞組的展開圖;雙層交流繞組:掌握疊繞組展開圖。展開圖畫法:(以3相、4極、24槽、60?相帶、并聯(lián)支路1a=的單層疊繞組為例第一步:確定繞組技術數(shù)據(jù),共9個(單層給定5個、雙層給定6個。第二步:畫展開圖。它可分成以下步驟:1.均勻地畫出Q1(=24個槽(在連接時作為線圈的邊,并對它們順序編號;2.把Q1個槽分成三相。做法是:⑴從1號槽開始,把連續(xù)的q(234242pmQ11=?==個槽分成一組(一個相帶直到全部分完(,并順序將各組編號;⑵第1、4、7、10…組的各槽屬于A相;第3、6、9、…組的各槽屬于B相;第5、8、11、…、2組的各槽屬于C相。n磁極旋轉方向n磁極旋轉方向⑶連成一相。根據(jù)給定的并聯(lián)支路數(shù)a(=1,將每相各線圈組串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)。最終在剩下的兩個端頭引出兩根線,作為該相繞組的出線。n磁極旋轉方向n磁極旋轉方向說明:為了確定線圈端頭的連接規(guī)則,首先將展開圖均勻地分成2p個區(qū)域,各區(qū)域分別相間地標出N、S極;然后將線圈邊所處的磁極極性標在該邊對應的引出端頭上。串聯(lián):將N頭與S頭相連;并聯(lián):將N頭與N頭相連、S頭與S頭相連。n磁極旋轉方向2p=4,24槽單層鏈式繞組n磁極旋轉方向2p=4,24槽單層同心式繞組2p=4,36槽單層疊繞組(b2p=4,36,a=2槽單層交叉式繞組2p=4,24槽雙層疊繞組三、交流繞組的電動勢1.一相繞組的基波相電動勢⑴大小:1w114.44EfKNφ=Φ,單位V。Φ——每極基波磁通;N1——串聯(lián)匝數(shù)。⑵頻率:60pnf=,單位Hz。n——電機轉速。⑶相位:與時間有關,不確定。⑷相序:與轉向有關。2.一相繞組的諧波相電動勢⑴大小:VNfEw,單位νννφνΦ=1K44.4;⑵頻率:Hzff,單位νν=。要掌握以上各式中字母的含義:νννpdKKK?=w——ν次諧波繞組系數(shù),9,7,5,3,112k=+=ν…;注意0K>νw2qsin30sin(2qsin2qsinKdνανναανν??==——ν次諧波分布系數(shù);90ysin(Kp??=τνν——ν1p=ν3.諧波電動勢的削弱和消除方法⑴采用Y接線:消除線電動勢中的3次及其奇次倍諧波。⑵采用短距線圈(僅適用于雙層繞組:當τνν1y-=時,消除ν次諧波,例如,τ54y=消除5次;τ76y=消除7次;τ65y=同時削弱5、7次諧波。⑶采用分布繞組:各次諧波都得到削弱。⑷結構上保證產生正弦波磁場。4.單相繞組的合成電動勢大小?++=φφφφ252321EEEE5.三相繞組合成電動勢大小Y接法:相電動勢??++++=φφφφφφ2927252321EEEEEE;線電動勢EEEEE(3E2132********L??++++=φφφφφΔ接法:相電動勢??++++=φφφφφφ213211272521EEEEEE;線電動勢??++++=φφφφφ213211272521LEEEEEE四、交流繞組的磁動勢設三相對稱電流:sinAitφω=,sin(120Bitφω-,sin(120Citφω+1.單相交流繞組通交流電所產生的磁動勢⑴性質為階梯波分布的脈振磁動勢,脈振頻率與交流電頻率f相同。⑵傅立葉級數(shù)表達式為:m1sinsinAFFxtνννπωτ∞==∑m122sin(sin(33BFFxtνννπτωπτ∞==--∑m122sin(sin(33CFFxtνννπτωπτ∞==++∑ν次諧波脈振磁動勢的幅值;21kν=+,k為自然數(shù)。2.三相對稱繞組通對稱三相交流電所產生的磁動勢⑴基波合成磁動勢A1m1m1B1m1m1C1m1m111sin(sin(2211sin(sin(1202211sin(sin(12022fFtFtfFtFtfFtFtθωθωθωθωθωθω?=-++???=-+++????=-++-???1A1B1C1m13sin(2ffffFtθω=++=-它是一個圓形旋轉磁動勢,表達式為111cos(2mmFFxtπωτ=-。其:①幅值(轉動半徑為112mmF,即基波脈振幅值的2m1倍;②轉速(稱為同步速160fnp=;③轉向:由電流相序決定,從超前電流相轉向滯后電流相;④磁場軸線(即旋轉的正弦波磁動勢的最大值位置線:與電流為最大值的那相繞組軸線重合,或與電流為零的那相繞組軸線垂直。⑵諧波合成磁動勢①61kν=+次為圓形旋轉磁動勢,表達式為1mcos(2mFFxtνννπωτ=+。其:幅值為1m2mFν,即ν諧波脈振幅值的12m倍;轉速1nnνν=;轉向與基波相同。②61kν=-次為圓形旋轉磁動勢,表達式為1mcos(2mFFxtνννπωτ=-。其:幅值為1m2mFν,即ν諧波脈振幅值的12m倍;轉速1nnνν=;轉向與基波相反。③63kν=+次合成磁動勢0Fν=,即不存在。第三部分異步電動機一、異步電動機基本知識1.結構定、轉子主要結構部件的組成、作用和要求2.轉動原理敘述或圖示法描述異步電動機的轉動原理j(時軸轉動原理圖相關問題:⑴轉差1nnn?=-,含義:旋轉磁場(定子、轉子磁場相對靜止,即都是同步速轉速與轉子轉速的差。它是轉子繞組切割旋轉磁場的轉速。⑵轉差率11nnsn-=:含義:轉差與同步速的比值稱為轉差率。⑶轉差率與電機工作狀態(tài)的關系:對電動機,01s<<,通常s約為百分之幾,n、1n、M三者同方向,并且負載重,轉速低,轉差率大(注:負載重表明負載轉矩大,這就要求電磁轉矩也大,就進而轉子電流大、轉子電動勢大,因為eBlv=,故要求轉子切割旋轉磁場的速度,即轉差n?大,所以轉速低;對發(fā)電機,0s<,n、1n與M反方向;在電磁制動狀態(tài)下,1s>,1n、M與n反方向。說明:M與n同方向時稱為驅動轉矩,反方向時稱為制動轉矩。⑷改變電動機轉向方法:改變通電相序,即交換任意兩相接線;原理:電動機轉向由旋轉磁場轉向決定,而旋轉磁場轉向由通電相序決定。3.技術數(shù)據(jù)⑴額定值NP、NU、NI、Nη、Nn、Ncos?的含義,相互關系NNNNNcosPI?η。注意:N2NPP=,1NNNNcosPI?,2N1NNPPη=。⑵堵轉電流(又稱起動電流倍數(shù)stN/II;堵轉轉矩(又稱起動轉矩倍數(shù)stN/MM。⑶最大轉矩倍數(shù)(又稱過載能力mmaxN/KMMλ==。二、異步電動機等效電路1.電磁過程與主要物理量:與變壓器相似2.基本方程⑴定子電壓方程:11111(jUEIrxσ=-++①⑵轉子電壓方程:22222(j0sssUEIrxσ=-+=轉子頻率為21fsf=,1f為定子頻率即電源頻率f。式中,220sEsE=、22sxsxσσ=,20E、2xσ分別為堵轉時(此時21ff=轉子電動勢和漏抗。因此將轉子折算到不動(即21ff=情況(稱為頻率折算后的轉子電壓方程為20222(/j0EIrsxσ-+=②2022222/jssErsxIσψψ=+∠,2cos1sψ=≈可見,轉子電動勢與電流基本同相位。3.磁動勢平衡與變壓器相似,異步電動機的主磁通也是基本不變的,即它在空載時與負載時的數(shù)值相等,要求兩種情況下的磁動勢也相等。這就是磁動勢平衡,在頻率折算后它可表示成012FFF=+或w11w11w121120120.90.90.9222kNkNkNmmmIIIppp=+③4.參數(shù)折算意義與變壓器中的折算相同,就是折算到轉子與定子繞組的有效匝數(shù)、相數(shù)都相同,而保持電磁過程中的主磁通、磁動勢、功率等不變。設w1111w12220ekNEkkNE==為電壓變比,又稱電動勢變比1w11122w1221imkNIkmkNI==為電流變比,參數(shù)折算關系:①20201eEkEE'==;②22iIIk'=;③22eirkkr'=,22eixkkxσσ'=。按以上關系可得異步電動機折算后的基本方程如下:111112222120120mm(j(j(jUEIrxEIrxIIIEEIrxσσ?=-++?''''=+??'+=??'==-+?5.等效電路根據(jù)折算后的基本方程可畫出T形等效電路''圖中:21srs-'稱為模擬電阻,它模擬電機的機械負載;參數(shù)mr稱為勵磁電阻,它模擬鐵心損耗的大小;參數(shù)mx稱為勵磁電抗,它對應于電機的主磁通。由等效電路可得下述結論:①電機的負載越重,則模擬電阻越小,轉差率s越大,而轉速n越低;定子電流1I和轉子電流2I都越大。②當電機處于理想空載,即1nn=時,此時0s=,模擬電阻為無窮大,相當于轉子開路(20I=,1I最小且比空載電流0I還?、郛旊姍C處于堵轉,即0n=時,此時1s=,模擬電阻等于0,相當于轉子短路,1I和2I最大可達額定電流的數(shù)倍,可能燒壞電機。6.空載電流其性質、作用與變壓器相同;大小比變壓器大(因為主磁路含有氣隙,導磁性能比變壓器差,約為額定電流百分之十幾到幾十,容量越大,百分數(shù)越小。7.籠形異步電動機參數(shù)極數(shù)恒等于定子極數(shù)2p;相數(shù):當轉子槽數(shù)Q2為極對數(shù)p的整數(shù)倍時,相數(shù)m2就是該倍數(shù),否則m2=Q2。匝數(shù):N2=0.5繞組系數(shù):Kw=1二、異步電動機功率1.功率平衡⑴各種功率與損耗輸入功率P1是電功率,它克服定子銅耗2Cu1111pmIr=、鐵心損耗2Fe10mpmIr'=后轉換成電磁功率(通過主磁場從一側電路傳遞到另一側電路的電功率22em1202212srPmEICosmIsψ''''==;電磁功率克服轉子銅耗2Cu2122pmIr''=后轉換成內機械功率2212em(1(1srPmIsPMsΩΩ'-'==-=?;內機械功率克服空載損耗0adpppΩ=+后從軸上輸出機械功率P2。這里pΩ為機械損耗,adp為附加損耗。由此可畫出功率流程圖。Cu111⑵功率平衡關系從功率流程圖中可得以下平衡關系:總功率平衡關系:12PPp=+∑這里Cu1FeCu20ppppp=+++∑為總損耗。機械功率平衡關系:20PPpΩ=+兩個重要功率關系:em(1PsPΩ=-和Cu2empsP=⑶功率平衡關系的應用利用以上關系可進行功率與損耗計算、以及轉速和轉差率計算等。三、異步電動機的轉矩及轉矩平衡1.功率與轉矩關系電磁轉矩19.559.55PPPMnnδΩΩΩ===;負載轉矩2229.55PPMnΩ==;其中額定負載轉矩NNNN9.55PPMnΩ==空載轉矩009.55ppMnΩ==。2.轉矩平衡20LMMMM=+=。LM靜負載轉矩,這是電機穩(wěn)定運行的必要條件。四、異步電動機的M-s曲線1.電磁轉矩的表達式由于ememem111(1(1/2sPpPPPMspfωπΩ-====Ω-Ω,把電磁功率emP帶入其中可得⑴電磁轉矩的物理表達式1202222M221coscoscos2ssspmEIMICIfψψΦψπ''''===式中:MC=2cossψ=為——轉子功率因數(shù)。⑵電磁轉矩的參數(shù)表達式222212112221111222[((]rrpmIpmUssMrffrxxsσσππ'''==''+++由該式可畫出異步電動機的M-s曲線(見課本。圖中①額定運行點A電機穩(wěn)定運行,電磁轉矩M與靜負載轉矩LN0MMM=+平衡。②最大電磁轉矩點(又稱臨界點B坐標為臨界轉差率ms最大電磁轉矩2maxM=可見,當轉子電阻參數(shù)2r'增大時,maxM將不受影響,ms則比例增大;當外加電壓1U改變時,ms保持不變,maxM則隨電壓的平方變化。轉子串聯(lián)的調速電阻減小情況的變化過程轉子串聯(lián)的調速電阻增大情況的變化過程③起動點C電機處于堵轉狀態(tài),此時0n=,1s=,1I和2I最大,后面將專門討論。五、異步電動機的起動1.基本概念⑴起動:指電動機從通電開始到轉速穩(wěn)定的過渡過程。啟動是一個機電暫態(tài)過程,由于機械暫態(tài)的時間常數(shù)比電氣暫態(tài)的時間常數(shù)大得多,故分析時認為電量為常數(shù)。⑵起動的必要條件:起動初瞬的電磁轉矩(稱為堵轉轉矩stM必須大于電機的靜負載轉矩LN0MMM=+,這樣電機才能獲得加速度,從而最終達到穩(wěn)定轉速。2.啟動方法⑴直接起動外加額定電壓而不采取任何限制電流的措施,這就是直接起動。直接起動時啟動電流大小:1stkUIz==,它與負載大小無關,與電源電壓成正比,與電機短路阻抗成反比。直接起動時啟動轉矩:2112st212kpmUrMfzπ'=?？梢?電流很大而電磁轉矩222stMMMCICIΦψΦ''==cos⑵間接起動對籠形異步電動機,只能采用降壓起動,它有五種方法可實現(xiàn),實用地為其中三種。即①定子串電抗器xL:相當于定子電抗11Lxxxσ=+增大,在此可以理解成電抗器上消耗一個電壓而使加到電機的實際電壓111UkUk'=<,,起動電流減小為ststIkI'=、起動轉矩減小為2ststMkM'=。②Y-Δ起動:啟動時繞組接成Y,相當于電壓降為11/UU'=,起動電流和起動轉矩均減小為直接起動的三分之一。只有正常為△接線的電動機才可以。③補償器(即降壓自耦變壓器起動:設變比A1k>,則起動電流(自耦變壓器的一次側電流,電機從線路中吸收的電流2stAstIkI'=