電機(jī)學(xué)自學(xué)材料

緒論(introduction)

一、電機(jī)及電機(jī)學(xué)概念(electricmachineandeIectricmachinetheoryconcept)

1.電機(jī)定義：是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。

2.電機(jī)分類：(按運(yùn)動方式分類)

一靜止電機(jī)----------------變壓器

電機(jī)Jr直流電機(jī)

旋轉(zhuǎn)電機(jī)1

1上流電機(jī)?步電機(jī)

同步電機(jī)

3.電機(jī)學(xué)及性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課

4.本門課學(xué)習(xí)方法：①抓住主要矛盾；

②理論聯(lián)系實際；

③善于運(yùn)用對比的方法。

二、電機(jī)中的材料(materiaIs)

1.導(dǎo)電材料：線圈(銅、鋁)

2.導(dǎo)磁材料：鐵磁材料(重點(diǎn)介紹)

3.結(jié)構(gòu)材料：鑄鐵、鑄鋼和鋼板等

4.絕緣材料：聚酯漆、環(huán)氧樹脂、玻璃絲帶、電工紙、云母片等(A、E、B、F、H、C)

三、鐵磁性材料的磁化特性:(characteristicofferromagneticmateriaI)

1.鐵磁性物質(zhì)的磁化

鐵磁材料：鐵、鍥、鉆及其合金

磁化曲線：B=

特性：①具有高的導(dǎo)磁性能；②磁化曲線呈非線性(飽和特性)

2.磁滯回線

①磁滯現(xiàn)象：B的變化總是滯后H的變化；”=0時8的值，稱為剩磁坊；

②基本磁化曲線：B=/(")；

③鐵磁材料［軟磁材料：〃高，々小，磁滯回線窄而長，如：鑄鋼、硅鋼、坡莫合

《金，制作電機(jī)鐵心；

、硬磁材料：N不高，Br大，磁滯回線寬而胖，制造永久磁鐵；

3.磁滯損耗和渦流損耗

①磁滯損耗：磁疇之間產(chǎn)生摩擦而產(chǎn)生的，P/，8乃：

②渦流損耗：渦流與鐵心電阻相作用產(chǎn)生日損耗，PFe=『B；/」Re

③鐵損：磁滯損耗+渦流損耗，

四、電機(jī)中的基本電磁定律(basicelectromagneticIaws)

1.磁路中的幾個基本定律

①全電流定律一安培環(huán)路定律(lawoftotalcurrent)

SHdl^Yl

舉例：

工程上：￡Hl=?線圈：±Hl=NI

*電流方向的判斷：

②磁路的基爾霍夫第一定律：z①=°

*說明磁通是連續(xù)的。

③磁路的基爾霍夫第二定律：*1=

①=￡=LFR=—

④磁路歐姆定律：Rm心m心

*鐵磁材料的R，”不為常數(shù)。

2.電路中的兩個基本定律

①基爾霍夫第一定律：=°

②基爾霍夫第二定律：?

3.電磁感應(yīng)定律(electromagneticinductivelaw)

N“d①

e=----=-N---

dtdt

變壓器電動勢：同上；

運(yùn)動電動勢：e=Blv

*判斷方向：右手定則

4.電磁力定律：f=Bil

*判斷方向：左手定則(主要用于分析旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩)

第一篇變壓器transformer

1.變壓器的定義：它是一種靜止的電機(jī)，通過線圈間的電磁筋應(yīng)關(guān)系，將某一等級的

交流電壓轉(zhuǎn)換為何頻寬的另一等級的交流電壓。

2.變壓器的用途：

3.電力變壓器：用于電力系統(tǒng)升、降電壓的變壓器。

第一章變壓器的基本工作原理和結(jié)構(gòu)

(basicoperationprincipleandstructureoftransformer)

一、基本結(jié)構(gòu)(basicstructure)

器身：由鐵心和線圈組成。

1.鐵心：構(gòu)成主磁路，機(jī)械骨架，由硅鋼片迭成

①材料：0.35mm厚涂有絕緣漆膜的硅鋼片，導(dǎo)磁性能好，可減少鐵損；

②鐵心形狀：矩形、十字形等；

③迭片方式：交迭式迭裝

2.線圈：導(dǎo)電部分，銅線或鋁線

*為便于線圈和鐵心絕緣，低壓靠近鐵心柱在里面，高壓在外面；

線圈在鐵心上排列方式J同心式

j交迭式

3.油箱和冷卻裝置：

*變壓器油的作用：絕緣和冷卻

4.絕緣套管：用于引線

5.保護(hù)裝置和其他

二、基本工作原理(basicoperationprinciple)

若g]?ocN]

e2?M2ocN2

WjN1

可見，%M只要改變線圈的匝數(shù)，就能達(dá)到改變電壓的目的。

三、變壓器的分類（classificationoftransformer）

1.用途分：升壓變壓器、降壓變壓器；

2.相數(shù)分：單相變壓器和三相變壓器；

3.線圈數(shù)：雙線圈變壓器、三線圈變壓器和自耦變壓器；

4.鐵心結(jié)構(gòu)：心式變壓器和組式變壓器；

5.冷卻介質(zhì)和冷卻方式：油浸式變壓器和干式變壓器等；

6.容量大?。盒⌒妥儔浩鳌⒅行妥儔浩?、大型變壓器和特大型變壓器。

四、變壓器的型號和額定值（typeandratedvaIue）

1.型號：表示一臺變壓器的結(jié)構(gòu)、額定容量、電壓等級、冷卻方式等內(nèi)容。

例如：SL-500/10：表示三相油浸自冷雙線圈鋁線，額定容量為500kVA,高壓側(cè)額定

電壓為10kV級的電力變壓器。

2.額定值：

S'：銘牌規(guī)定在額定使用條件下所輸出的視在功率。

Sv：指變壓器長時間運(yùn)行所承受的工作電壓。（三相為線電壓）

U'N：規(guī)定加在一次側(cè)的電壓；

02N：一次側(cè)加額定電壓，二次側(cè)空載時的端電壓。

電變壓器額定容量下允許長期通過的電流有八和AN（三相為線電流）。

九：我國工頻:50Hz；

還有額定效率、溫升等額定值。

3.單相變壓器的關(guān)系式：SN=U/N

三相變壓器的關(guān)系式：SN=MU/N

**:對于雙線圈變壓器一、二次側(cè)的額定容量相等。（由于其效率高）

4.舉例：一臺Y,dll聯(lián)接的三相變壓器，額定容量為3150kVA,UMU2N=35/6.3kV,求：

①變壓器一、二次額定電壓和額定電流？

②變壓器一、二次線圈的額定電壓和額定電流？

**思考題：原邊加直流電壓是否可以？為什么？

第二章單相變壓器運(yùn)行原理及特性

(operationprincipleandcharacteristicofsinglephasetransformer)

1.從空載和負(fù)載運(yùn)行時的電磁關(guān)系出發(fā)，導(dǎo)出基本方程式、等效電路和相量圖；

2.分析穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能(電壓變化率、損耗和效率)

*適用于三相變壓器的對稱運(yùn)行。

第一節(jié)單相變壓器的空載運(yùn)行

(no-loadoperationofsinglephasetransformer)

一、電磁現(xiàn)象(electromagneticphenomenon)

1.空載定義："=0

2.物理過程：

*電機(jī)中各物理量正方向的規(guī)定

3.仇和①I。區(qū)別：

①在性質(zhì)上：①。與I。非線性關(guān)系；①I。與I。線性關(guān)系；

②在數(shù)量上：?。占99%以上；中占現(xiàn)以下；

③在作用上：6傳遞能量的媒介；漏抗壓降。

二、空載時各物理量(physicalquantitiesofno-load)

1.原邊電壓變壓器一次線圈所接的電網(wǎng)電壓；

2.空載電流空：

①作用：一是用來激磁，產(chǎn)生主磁通；二是供空載損耗。

???

②組成：/o=/Oo+/Or

③性質(zhì)：感性無功；

④大?。??8%；二，。叫「,稱為激磁電流。

**/。為什么越小越好？

⑤波形：磁路飽和：尖頂波；磁路不飽和：正弦波。

*實際需要：將多頂波的空載電流等效為正弦波。

3.空載磁動勢力。

Fo=N'o……建立空膂磁場

4.主磁通而。與一次漏磁通

5.主磁通感應(yīng)的電動勢

d①八

mm/G=_乂1——-=2^V,Osin(69r-90°)

設(shè)①0二①,〃smw,則IdtJ)

E]=-j4A4JN}iin

??

同理可得：E1=-j444M①m

*結(jié)論：&(馬)8廣乂02)?①叫在相位上滯后(k,90°。

6.一次漏感電動勢片*

小小."eg=-N[①9=2時N、①sin(w-90°)

設(shè)①s=①im“sina,則s1dt

=-J4.44/?V1OIOT?

又可得：

N?

$=2時——

式中：R，，s=常數(shù)，為一次繞組的漏電抗。

*電抗的概念可以推廣。

*

lor}

7.一次線圈電阻壓降

8.空載損耗°

Po=PFe+Pc,.KPFe8B：./3

*空載損耗約占(0.2—1)%,隨容量的增大而減小。

三、空載時的電磁關(guān)系(electromotiverelationshipofno-load)

1.電動勢平衡方程：

①一次側(cè)：t/i=-￡'i+/orl+j/ox,=-Ei+/oZt

忽略IZ,則有:■"瓦=自44處(跖

①—___!__?____!__

即’”一4.444「4.44/7V,

*結(jié)論：影響主磁通大小的因素是：電源電壓Ui、電源頻率f和一次側(cè)線圈匝數(shù)N”

與鐵心材質(zhì)及兒何尺寸基本無關(guān)。

②二次側(cè)：U2。gEINTJTJ

2.變比：E2N2U20U?N*降壓K〉1；升壓K<1；

U1N

**三相變壓器：Y,d接線石U2M

D,y接線U2N

Y,y和D,d接線U?N

3.等效電路：

令：一日=/oZ,“=（小+JXJ/O

*。"和X，”的物理意義；

則有：U'=~E'+IoZi=（5+",“）/°+（1+jx^Io

式中：Z,,,、X,,和卻?隨磁?路飽和?程度的增加而減小。

等效電路為：小=/°Z,"+/°Z|

由于0〉h,xjX,,可得簡化等效電路：tw.

UiEIXm

變壓器空載時的簡化等效電路

**空載電流的大?。喝Q于激磁阻抗的大小，從變壓器運(yùn)行的角度看，希望空載電流

越小越好，因此變壓器采用高導(dǎo)磁率的鐵磁材料，以增大以減少

Io,提高變壓器的效率和功率因數(shù)。

4.相量圖：

①空載時的方程式：(總結(jié))

②空載時的相量圖：

**變壓器空載運(yùn)行時，c°s°o很低，一般在0.1?0.2之間。

第二節(jié)單相變壓器的負(fù)載運(yùn)行

(loadoperationofsingle-phasetransformer)

一、磁動勢平衡關(guān)系(magnetomotiveforce(mmf)balancerelationship)

1.負(fù)載運(yùn)行定義：在九，IN下，二次線圈接以負(fù)載的運(yùn)行狀態(tài)。

2.負(fù)載時的電磁過程

a工勺

1------------------------?%七

3.磁動勢平衡方程式：(1)磁動勢形式：F^+F2=F0

11=/o+(------)

(2)電流形式k

*解釋方程的物理意義X1N,

若忽略I。，則有：12KM注意大小和相位。

二、電動勢平衡方程(electromotiveforce(emf)balanceequation)

Ui=-E\+hrx4-j/1Xj=-Ei+/iZ]

U2=E2-I2r2-jhx2=E2+12Z2

hA/,+/2N2=/oN]

區(qū)=叢

E2N2

Ei=~/oZm

U2=hZL

三、折算(conversion)

1.折算目的：獲得等效電路；簡化計算；畫相量圖

2.折算方法：N?=N,

3.折算原則：小2="和二次側(cè)的各功率保持不變

4.折算的物理量：

①二次側(cè)電流：口=h/k

②二次側(cè)電動勢的折算：

E/=kE2

E2/=kE2

IV=kU2

③二次側(cè)阻抗的折算：2

R/=kR2

X2。'=k2X20

2

Ri/=kRL

2

XJ=kXL

5.折算后的方程：

Ui=—E1+/1Z1

U2—E2—12Z2

Ei=Ez

??I?

/1+，2=7o

Ei=-/oZm

四、等效電路和相量圖(equivalentcircuitandphasordiagram)

1.形等效電路和相量圖

①“T”形等效電路

rm

U1El=E2XmU2ZJ

②相量圖

2.近似等效電路

一般IuZ,<0.08U1N時采用

3.簡化等效電路和相量圖

①簡化等效電路：忽略I。

②電壓方程式：Ui=IM+jXk)-U?

〃=八+八；

Xk=X\°+X；°

其中：A=rk+Jxk

③簡化相量圖：要求掌握。

<|>

*說明：AABC為阻抗三角形；對于一臺已制成的變壓器，其形狀是固定的。

**短路阻抗大小的意義：①從正常運(yùn)行角度，希望小些；

②從短路角度看，希望大些，可限制短路電流。

第三節(jié)變壓器參數(shù)的測定

(measurementoftransformerparameters)

說明：通過空載和短路試驗測取。

一、空載實驗(no-loadtest)

1.目的:通過測量Io,Ui,U20及PO來計算K,Io(%),PFe,Zm=rm+jXm以及判斷鐵心

質(zhì)量和線圈質(zhì)量。

2.接線：一般低壓側(cè)加壓，高壓側(cè)開路

3.步驟：①低壓側(cè)加電壓，高壓側(cè)開路；

②電源電壓由0?1.2由(或1.2UN?0),測Ui、U2o>Io和Po值;

③可得Io=f(UD及Po=f(Ui)

**單方向激磁。

4.計算:

U20

①變比:

，0(%)=4x100

②，IN

③%=Po

zm=y-〃=*

④由空載簡化等效電路，得：4;I。

5.注意：①外和X?,是隨電壓的大小而變化的，故取對應(yīng)額定電壓時的值。

②空載試驗在任何一方做均可，高壓側(cè)參數(shù)是低壓側(cè)的1?倍。

③三相變壓器必須使用一相的值。

④cos°o〈0.2,很低，為減小誤差，利用低功率因數(shù)表。

二、短路實驗(shortcircuittest)

1.目的：測IK、UK及PK,計算UK(%),pcu,ZKF+JXK。

3.步驟：①高壓側(cè)接電源，低壓側(cè)短接；

②電壓由0?t,使IK=0-1.2IN,分別測IK、UK及PK;

③可得1K=f(UK),線性；PK=f(UK),拋物線。

4.計算：

①PC產(chǎn)PK=PK(PiePCu+PFe—PCu,二,電嫄電壓很低PF產(chǎn)0)

ZK-rK=與---2

②由簡化等效電路，得晨；lK；XKWKTK

1,1

八

*一般認(rèn)為:斗;

③溫度折算：線圈電阻與溫度有關(guān)，國標(biāo)規(guī)定向75。。換算;

_235+75.

對銅線：=235+8心

225+75

r7c-rK

對鋁線：225+e

...ZK75。。=yrK15℃+XK

**①三相變壓器必須使用一相的值。

②短路試驗在任何一方做均可，高壓側(cè)參數(shù)是低壓側(cè)的I?倍。

三、短路電壓(阻抗電壓)(shortcircuitvoltage)

L定義：短路試驗時，使短路電流為額定電流時一次側(cè)所加的電壓，成為短路電壓UK

即UKN=I1NZK75-C

**記作：額定電流在短路阻抗上的壓降，亦稱作阻抗電壓。

uK(%)=—X100%=j'K觸.X100%

2.短路電壓百分值：U\NUIN

/,A，WC

MK(%)^X100%

短路電壓有功分量：丸

MK(%)=^^X100%

短路電壓無功分量：IN

3.UK對變壓器運(yùn)行性能的影響：短路電壓大小反映短路阻抗大小

①正常運(yùn)行時希望小些，電壓波動?。?/p>

②限制短路電流時，希望大些。

**中、小型變壓器：(4-10.5)%；

大型變壓器：(12.5?17.5)機(jī)

第四節(jié)標(biāo)么值及其應(yīng)用

(pre-unitvaIueandapplication)

一、標(biāo)么值的定義(definitionofpre-unitvalue)

實際值

標(biāo)么值

基準(zhǔn)值

*實際值與基準(zhǔn)值必須具有相同的單位。

二、基準(zhǔn)值的選取(selectionofbasicvalue)

1.通常以額定值為基準(zhǔn)值，各側(cè)的物理量以各自側(cè)的額定值為基準(zhǔn)

JJI_U\N

例如：變壓器一次側(cè)選LN；

變壓器二次側(cè)選;

由于變壓器一、二次側(cè)容量相等，均選SN

**①額定值的標(biāo)么值為1;②標(biāo)么值的表示為在原符號右上角加“*”表示;

③使用標(biāo)么值表示的基本方程式與采用實際值時的方程式在形式上一致。

u；=4-/；，z：='

舉例：UIN.【IN；Z1N

u*_u?『_L/一三

U2―11~J句一

U2N；，2N；

?_U*\N_11*=P°_______

Z?,-―-r~-，"-，*2*/*2?2

I。I。./0.x,“=也,-rm

2.實際值、標(biāo)么值和百分值的關(guān)系

①實際值=標(biāo)么值X基準(zhǔn)值

②百分值=標(biāo)么值x100%

三、優(yōu)缺點(diǎn)(meritsandshortcomings)

1.優(yōu)點(diǎn)：①便于分析比較；

②直觀反映變壓器運(yùn)行情況，如：0.9,/；=1.05(過載)

③物理意義不同的物理量，具有相同的數(shù)值；

=UK，「K=liKa^XK~UKr

④采用標(biāo)么值后，不必折算了；

⑤采用標(biāo)么值后，三相變壓器的計算公式與單相變壓器的計算公式完全相

同。

2.缺點(diǎn):①沒有單位；②物理概念比較模糊。

第五節(jié)變壓器的運(yùn)行性能

(operationcharacteristicsoftransformer)

一、電壓變化率(voltageregulationfactor)

1.原因：內(nèi)部漏阻抗壓降的影響；

一二力。一力/2廣%=〃-入=1一與

2,定義式：U2NU2NU\N

3.參數(shù)表達(dá)式：由簡化相量圖，可得：(推導(dǎo)過程略)

AM=cos"+x,Ksin(/)2)

P——，2

式中：IN"稱為負(fù)載系數(shù)，直接反應(yīng)負(fù)載的大小，如夕=°,表示空載；

B=l,表示滿載;

**影響Au的因數(shù)：①負(fù)載大小夕；②短路阻抗標(biāo)么值；③負(fù)載性質(zhì)。2

二、變壓器的電壓調(diào)節(jié)(voltageregulationoftransformer)

1.通過改變高壓側(cè)分接頭（即改變高壓側(cè)線圈的匝數(shù)）來調(diào)壓。

±5%

2.分接頭：（±2x2.5%

'無激磁調(diào)壓

3.調(diào)壓方法：i有載調(diào)壓

損耗和效率(lossandefficiency)

基本銅損：原副線圈直流電阻的損耗

［附加銅損：漏磁場引起的

基本鐵損：磁滯和渦流損耗

［附加鐵損：鐵心、迭片間引起的

**鐵損--------不變損耗；銅損----------可變損耗。

〃=J100%

2.效率：P\

*變壓器的效率比較高，一般在（95?98）%之間，大型可達(dá)99%以上。

7=（1-x100%=（1—爪+PCK_）*100%

P\8+PFe+

令：匕＞=%

PC.=(}￥PKN=P2PKN

，2N

p2=4/2cos。2=/3U2NI2NCOS%=肉Ncos02

7=(1------------P。4°%,)x100%

際cos/+4+〃小

**結(jié)論：①效率大小與負(fù)載大小、性質(zhì)及空載損耗和短路損耗有關(guān)。

②效率特性：〃=/（夕）

③最大效率：

也=04=m2

令：印得\PKN即/2「仙=%（或銅損==鐵損）時，有

〃=1________________

A?^COS^2+2P0

**說明：變壓器的鐵損總是存在，而負(fù)載是變化的，為了提高變壓器的經(jīng)濟(jì)效益.，提

高全年效益，設(shè)計時，鐵損應(yīng)設(shè)計得小些，一般取以，=0-5?66,對應(yīng)的PKN與Po之

比為3?4。

第三章三相變壓器

(three-phasetransformer)

本章主要內(nèi)容：①磁路系統(tǒng)；②電路系統(tǒng)；③線圈中的空載電動勢波形

第一節(jié)三相變壓器的磁路系統(tǒng)

(magneticcircuitsystemofthree-phasetransformer)

按鐵心結(jié)構(gòu)分：

1.組式變壓器：各相磁路彼此無關(guān)，即三相磁路是獨(dú)立的；

原邊外施三相對稱電壓一三相對稱磁通一由于磁路對稱，產(chǎn)生三相對稱的空載電流

2.心式變壓器：各相磁路彼此相關(guān)，有電和磁的聯(lián)系；

原邊外施三相對稱電壓一三相對稱磁通一但由于磁路不對稱，產(chǎn)生的三相空載電流

不對稱，且中間電流小。

*組式和心式變壓器的比較：

①組式變壓器：受運(yùn)輸條件或備用容量限制采用

②心式變壓器：省材料，效率高，占地少，成本低，運(yùn)行維護(hù)簡單，廣泛應(yīng)用。

第二節(jié)三相變壓器的電路系統(tǒng)

(circuitsystemofthree-phasetransformer)

一、線圈首、末端的標(biāo)志及極性(markofhead,endandpolarity)

1.變壓器線圈的首、末端標(biāo)志

單相變壓器三相變壓器

線圈名稱

々山

首端木—p.項首端木—4-項xiii中占

高壓線圈AXABCXYZ0

低壓線圈aXabcxyz0

中壓線圈AmxmAmBmCmXmYmZmOm

2.極性：指瞬時極性——同名端

由線圈的繞向和首末端標(biāo)志決定

二、單相變壓器的連接組別(connectionsofsingle-phasetransformer)

1.定義：反映單相變壓器高、低壓線圈電動勢(或電壓)之間的相位關(guān)系，它由線圈

的繞向和首末端標(biāo)志決定。

2.單相變壓器的連接組別：1,10；1,16

*>i@)LIO；1,16的意義;

②國標(biāo)規(guī)定：I,10為標(biāo)準(zhǔn)連接組別。

三、三相變壓器線圈的連接組別(connectionsofthree-phasetransformer)

1.連接方式：Y或D；(y,d)一一復(fù)習(xí)電路知識

2.定義：反映三相變壓器對稱運(yùn)行時，高、低壓側(cè)對應(yīng)線電動勢(或線電壓)之間的

相位關(guān)系，它與線圈的繞向和首、末端標(biāo)記及高、低壓線圈的連接方式有關(guān)。

3.時鐘表示法：(位形圖)

舉例：

位形圖Y,y0

作圖步驟：①先畫出高壓線圈的位形圖；

②便于比較，將A,a連成等電位點(diǎn)；

③畫出低壓側(cè)的位形圖；

④將AB,ab連線，得出結(jié)論。

4.國標(biāo)規(guī)定了五種標(biāo)準(zhǔn)連接組：Y,ynO；Y,dll；YN,dll；YN,yO；Y,y0。

**①凡Y,y或D,d連接均為偶數(shù)；②凡Y,d或D,y連接均為奇數(shù)。

**本節(jié)課將原理講完后，主要讓學(xué)生自己練習(xí)。

第三節(jié)磁路和線圈連接方式對空載電動勢波形的影響

(influenceofmagneticcircuitandcircuitsystemtoemfwave)

復(fù)習(xí)電路知識：①非正弦波(如e,i,<!>)可分解成：基波+3次諧波+5次諧波+……,

主要是3次諧波的影響，其余忽略不計。

②3次諧波特點(diǎn)：三相大小相等、相位相同、3倍基波頻率。

磁路和線圈連接方式對空載電動勢波形的影響

接線Y.yYN,y或D,yY.dY,yn

波形組式心式組式心式正常運(yùn)行組式心式

激磁電流正弦正弦尖頂尖頂正弦正弦正弦

主磁通平頂基本正弦正弦正弦基本正弦平頂基本正弦

感應(yīng)電動勢尖頂基本正弦正弦正弦基本正弦尖頂基本尖頂

**說明：Y,yn接線空載時與Y,y接線情況完全相同。

思考題：Y,d接線的三相變壓器，三次諧波電動勢在d中能形成環(huán)流，而基波電動勢

在d中能否形成環(huán)流，為什么？

第四章變壓器運(yùn)行

(theoperationoftransformer)

第一節(jié)變壓器的并聯(lián)運(yùn)行

(paralleiconnectionoperationoftransformer)

前言：1.定義：幾臺變壓器的原、副線圈分別連接到原、副邊的公共母線上，共同向

負(fù)載供電。

2.優(yōu)點(diǎn)：①可靠性；②經(jīng)濟(jì)性。

一、理想條件(idealcondition)

1.理想情況：①空載時副邊無環(huán)流；

②負(fù)載后負(fù)載系數(shù)相等；

③各變壓器的電流與總電流同相位。

2.理想條件：①各變壓器的原、副邊的額定電壓分別相等，即變比相等；

②各變壓器的連接組號相同；

③各變壓器的短路阻抗(短路電壓)標(biāo)么值相等，且短路阻抗角也相等。

二、不滿足并聯(lián)條件的分析(analysis)-以兩臺變壓器并聯(lián)運(yùn)行為例來分析

1.變比不等時的并聯(lián)運(yùn)行，設(shè)

①空載運(yùn)行時的環(huán)流(原邊向副邊折

算)

變比不等空載時的并聯(lián)運(yùn)行

￡L_￡L

K,K?

C-

空載時有環(huán)流:ZKI+ZK"

ZKI

②負(fù)載運(yùn)行:

負(fù)載時變壓器并聯(lián)運(yùn)行電路

121=Iu+I。

/2"=1LI1-10

*結(jié)論：變比大的變壓器承擔(dān)的電流小，變比小的變壓器承擔(dān)的電流大。

2.組別不同時并聯(lián)運(yùn)行

組別不同時，副邊線電動勢最少差30°,由于短路阻抗很小，產(chǎn)生的環(huán)流很大。

**結(jié)論：組別不同，絕對不允許并聯(lián)。

3.短路阻抗標(biāo)么值不等時的并聯(lián)運(yùn)行

11Z*=/〃ZK"

1J71J7

1I「IN八KI1II1UNKII

-------X----------------=---------X------------------

//NUN/〃NUN

BZKI=°"ZKU

PiPn=:

KI/KII

**結(jié)論：各變壓器所分擔(dān)的負(fù)載大小與其短路阻抗標(biāo)么值成反比，短路阻抗標(biāo)么值大

的變壓器分擔(dān)的負(fù)載小，短路阻抗標(biāo)么值小的變壓器分擔(dān)的負(fù)載大。

4.變壓器運(yùn)行規(guī)程規(guī)定：

①變比不同和短路阻抗標(biāo)么值不等的變壓器，在任何一臺變壓器都不會過載的情況

下，可以并聯(lián)運(yùn)行。

②短路阻抗標(biāo)么值不等的變壓器并聯(lián)運(yùn)行時，應(yīng)適當(dāng)提高短路阻抗標(biāo)么值大的變壓

器的二次電壓(即適當(dāng)減小其電壓變比)，以使并聯(lián)運(yùn)行的變壓器的容量均能得以充

分利用。

第二節(jié)三相變壓器的不對稱運(yùn)行

(unsymmetricaloperationofthree-phasetransformer)

前言：①三相變壓器的外施電壓-一般是對稱的，其不對稱往往是由負(fù)載不對稱所致。

如：變壓器二次側(cè)接有較大的單相負(fù)載、照明負(fù)載三相分配不平衡等。

②分析不對稱運(yùn)行方法：對稱分量法。

一、對稱分量法(以電流為例)(symmetriccomponentsmethod)

1.定義：實際上是一種線性變換，它是把一組三相不對稱的正弦量分解成三組互為獨(dú)

立的三相對稱的正弦量，它們分別是：

,0.0.0

①零序分量：三相對稱的正弦量，大小相等，相位相同，即/A=/B=/C；

②正序分量：三相對稱的正弦量，大小相等，相位互差120°,相序為A-B—C,

.+.+.+.+

即幾=4=a/A,式中：a=eyl20°,a1-e~ji2^,\-\-a+a~=0.

③零序分量：三相對稱的正弦量，大小相等，相位互差120°,相序為A—C-B,

g|jIB=aIA,IC=a'IA

,0

1A1

111A

2

IA—laaIB

3,

\a'a

IAIc

2.分解公式：L

—＞三相變壓器的各序阻抗和等效電路(sequenceimpedanceandequivalent

circuit)

1.正序阻抗和等效電路

①正序阻抗：正序電流所遇到的阻抗，Z+=ZK,相序為：AfBfC；

②等效電路：

2.負(fù)序阻抗和等效電路

①負(fù)序阻抗：負(fù)序電流所遇到的阻抗,

Z=Z+=ZK,相序為：A—C-8；

3.零序阻抗和等效電路

①零序阻抗：零序電流所遇到的阻抗；

②等效電路：由零序電流本身特點(diǎn)，其產(chǎn)生零序磁通與線圈的連接方式和鐵心結(jié)構(gòu)有

關(guān)。

且Z,“〉〉Z，〉ZK

三、Y,yn接線三相變壓器帶單相負(fù)載(single-phaseloadofthree-phase

transformerwithY,ynconnection)

如圖：一次外施三相對稱電壓，單相負(fù)載ZL接a相，為了簡單起見，副邊量已折算至

原邊，不加折算符號。

分析：根據(jù)不對稱條件，列端點(diǎn)方程:

Ib=0

l(=0

T『1'3UA

I=Ia=3Ia=---------------------------------7--------------

2ZK+Z,+Z,?+3Z,

..+.—.0.+.+

Ua=U?+Ua+Ua=IZ,=3IaZt=Ia(3Z,)

I=Ia=31a=---------------------------------

得：2Z*+Z2+Z/〃+3ZL

—Z'+ZL

忽略漏阻抗，得3

**可見，零序阻抗z，”對單相負(fù)載電流影響甚大。

①組式變壓器：此時「

Z,“=Z,：,Z0,lK=3U：Jzm=3IOf所以不能帶單相負(fù)載;

<70

②心式變壓器：z,“很小，負(fù)載電流主要

**中性點(diǎn)位移：當(dāng)副邊三相電壓不對稱，帶負(fù)載相電壓下降，而不帶負(fù)載相電壓反而

升高了，但線電壓仍為對稱。并且零序電動勢越大，中性點(diǎn)位移就越

嚴(yán)重。

第三節(jié)瞬變過程

(transientprocedureoftransformer)

前言：①瞬變過程：變壓器從一種穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)過度到另一種穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

②包括：副邊突然短路和空載合閘到電網(wǎng)上等。

一、變壓器副邊突然短路(secondarywindingsuddenshortcircuit)

假設(shè)：短路前為空載，相當(dāng)于以、LK電路在正弦激勵下的零狀態(tài)響應(yīng)。

設(shè)：電源電壓%=&4sin(加+四)

XlrKXK(LK)式中：”為短路瞬間電網(wǎng)電壓初相角；

等效電路：

U1

V

d*

u,=J2asin（6W+〃）=L*——+

列KVL方程：Kdi

）

得：iK=Ks'Mcot+w—<PK-ClKs'Mw—（pQe"=|"+日

穩(wěn)態(tài)分量-----------瞬變分量

r5

1K-,—

式中：g+x：......穩(wěn)態(tài)短路電流有效值；

1

（pK=tan-?90℃/乂火〉〉展）

限.......短路阻抗角；

TK=~

展..短路電流衰減時間常數(shù)；

1.當(dāng)f=0"=90°（即U1最大）時突然短路

4=0JK=iK.發(fā)生穩(wěn)態(tài)短路，短路電流最小，即（10?20）INO

2.當(dāng)t=0,"=°（即5=0）時突然短路

〃初始值最大，最嚴(yán)重情況；々=拒〃411（初-90。）+收短路后，經(jīng)半個

T

—（cot=萬）

周期2時，突然短路電流達(dá)到最大值（稱為沖擊電流）即為（24?36）IN。

二、變壓器空載合閘（closingswitchwithoutload）

穩(wěn)態(tài)空載:（2~8）%IN!

變壓器空載合閘：產(chǎn)生激磁涌流，為兒倍的IN;

等效電路：

①o°①,"sin(@f+材一％)一①,“sin(夕一%)e"=①。+①;

1.當(dāng)f=0〃=90°(即ui最大)時空載合閘

空載電流為正常時的空載電流；

2.當(dāng)f=0,"=°(即ui=O)時空載合閘

T_

經(jīng)半個周期I"”"》)時，①。max=2R“

**突然短路與空載合閘時的磁路情況；

**空載合閘對變壓器本身無危害，但變壓器有可能不能合閘。

第二篇異步電機(jī)

(asynchronousorinductionmachine)

前言：①定義：異步電機(jī)(也叫感應(yīng)電機(jī))是一種交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)，它的轉(zhuǎn)速除與電網(wǎng)

頻率有關(guān)外，還隨負(fù)載而變。

②應(yīng)用：主要作電動機(jī)使用，如：機(jī)床；水泵；家用電器；

③它的功率因數(shù)永遠(yuǎn)是滯后的。

第五章異步電動機(jī)的基本工作原理與結(jié)構(gòu)

(basicoperationprincipleandstructureofthree-phase

asynchronousmotor)

一、基本結(jié)構(gòu)(basicstructure)

1.定子：定子鐵心：磁路一部分，低硅鋼片0.5mm

(stator)＜定子繞組：電路一部分，銅線

、機(jī)座：固定和支撐定子鐵心

2.轉(zhuǎn)子:［轉(zhuǎn)子鐵心：磁路一部分，低硅鋼片0.5mm

(rotor)"轉(zhuǎn)子繞組：/籠型繞組

、轉(zhuǎn)軸〔繞線式繞組

3.氣隙(gap)：對于中小型異步電機(jī)，氣隙一般為0.1?1m叫為了降低電機(jī)的空載電

流和提高電機(jī)的功率，氣隙應(yīng)盡可能小。

二、基本工作原理(basicoperationprinciple)

1.電生磁：定子繞組接到三相電源上，定子繞組中將流過三相對稱電流，氣隙中將

建立基波旋轉(zhuǎn)磁動勢，從而產(chǎn)生基波旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)速為：P;

2.動磁生電：轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生電動勢并在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的電流；轉(zhuǎn)子自身閉合;

3.電磁力定律：轉(zhuǎn)子帶電導(dǎo)體在磁場中受電磁力的作用，并形成電磁轉(zhuǎn)矩，推動電

機(jī)旋轉(zhuǎn)起來。

思考：1)n和％是否可以相等？2)電機(jī)的轉(zhuǎn)向由隨決定？3)何謂異步？

**說明：①轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向與電流相序有關(guān)，若要改變轉(zhuǎn)向，只需改變相序，即對調(diào)任

意兩根電源線。

②轉(zhuǎn)速n＜同步轉(zhuǎn)速n,

三、三種運(yùn)行狀態(tài)(threeoperationstates)

nx—n

1.轉(zhuǎn)差率定義：‘/

起動瞬間：n=0,S=l；理想空載：n^m,s^O；正常運(yùn)行：SN=0.01~0.06；

n=(l-S)ni

2.三種運(yùn)行狀態(tài)：

狀態(tài)電動機(jī)發(fā)電機(jī)電磁制動

n與s關(guān)系n<nb0<s<ln>nbs<0n與m反向，n<0,s>l

E.反電動勢電源電動勢反電動勢

Tem驅(qū)動制動制動

能量轉(zhuǎn)換電能f機(jī)械能原動機(jī)機(jī)械能f電電+機(jī)械能一內(nèi)部損耗(短

能路)

四、型號和額定值(typeandratedvalues)

1.型號

例如:Y112S-6

[?---------極數(shù)6極

|短機(jī)座

規(guī)格代號：中心高112mm

----------------產(chǎn)品代號：異步電動機(jī)

2.額定值

①額定功率P.：電動機(jī)在額定情況下運(yùn)行，由軸端級為物夠功率，單位為W,kWo

②額定電壓U.：電動機(jī)在額定情況下運(yùn)行，施加在定子繞組上的線電壓，單位為V。

③額定頻率fN：50Hzo

④額定電流IN：電動機(jī)在額定電壓、額定頻率下軸端輸出額定功率時，定子繞組的線

電流,單位為A。

⑤額定轉(zhuǎn)速.：電動機(jī)在額定電壓、額定頻率、軸端輸出額定功率時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，

單位為r/mino

對于三相異步電動機(jī)，額定功率：

PN)/NCOS°N

對于380V低壓異步電動機(jī)，則有：一個千瓦兩個電流：I】N*”N

3.接線

對于三相異步電動機(jī)定子繞組可以接成星形或三角形。

定子接線方式：

Y接D接

第六章交流電機(jī)繞組、電動勢及磁動勢

(winding,emfandmmfofalternatingcurrentmachine)

前言：本章介紹交流電機(jī)的共同問題。

第一節(jié)交流繞組簡介

(theoutIineofaIternatingcurrentwinding)

一、基本知識(basicknowledge)

1.交流繞組的基本要求

①三相繞組對稱，以保證三相電動勢(或磁動勢)對稱；

②在導(dǎo)體數(shù)一定時，力求得到盡可能大的電動勢和磁動勢；

③電動勢和磁動勢波形盡可能接近正弦波形；

④用銅量少、工藝簡單，便于安裝檢修。

2.交流繞組的分類

①根據(jù)繞法：迭繞組和波繞組；

②根據(jù)槽內(nèi)層數(shù)：單層繞組和雙層繞組。

二、基本概念(basicconcept)

兀DtZ

T-——或N=——

1.極距T：2P2p

2.線圈節(jié)距y：整距y=j短距

3.空間電角度(或電角度)：空間電角度=px機(jī)械角度

px360°

a------------

4.槽距角a(電角度)：Z

Z

5.每極每相槽數(shù)q:2Pm

6.相帶：60°相帶，分相AZBXCY

7.槽電勢星形圖

8.展開圖繪制方法①計算極距

②計算槽距角a；

③計算每極每相槽數(shù)q；

④分相：采用60。相帶;

⑤畫展開圖；

⑥端線連接。

三、舉例(forexample)

第二節(jié)交流繞組基波電動勢

(fundamentaIemfofalternatingcurrentwinding)

一、交流繞組基波電動勢(fundamentalemfofalternatingwinding)

1.一根導(dǎo)體的電動勢

f=里

①電動勢頻率：60

②電動勢波形：由0=8皿可知，由氣隙磁密沿氣隙分布的波形決定;

③基波電動勢大?。篍”=222/9

式中：叫為每個磁極基波電動勢的大小。

2.線匝電動勢及短矩系數(shù)

k”=sin2180°

，短矩系數(shù)：'7

%=4.449心

3.線圈電動勢

設(shè)線圈為N,匝數(shù)，則有：%=444雙中際

4.線圈組電動勢及分布系數(shù)

Eq=4.44%”卻血

q個線圈組成，集中繞組：

&?>1)=4.44%NAI①此1

分布繞組:

67sin—

分布系數(shù)：2

物理意義：

繞組系數(shù)：七1=2小

物理意義:

5.一相繞組電動勢

一相繞組中的基波電動勢：“6=4.44加上1①?

N=P^-

單層繞組：a;雙層繞組：a

二、改善電勢波形的方法(themethodofimprovingemfwave)

1.設(shè)計制造電機(jī)時，盡可能使Bs沿空間分布為正弦波形；

2.采用Y接線，消除線電勢中3及3的倍數(shù)次諧波；

3.采用短矩繞組：

TfaE=4.44jNkk^

基波plylq

V次皆

波？。%人皿

fv=Wav=va=4.44

_v-1

心=°則嗎”°取―1/'消除V次諧波電勢

5

V=—T

舉例：5、7次諧波，選’6

4.采用分布繞組。降低％”,同上。

**思考題：是否分布越多越好？

第三節(jié)交流繞組磁動勢

(mmfofalternatingcurrentwinding)

說明：本節(jié)只定性分析繞組的基波磁動勢的性質(zhì)。

一、單相繞組的基波磁動勢一脈動磁動勢

(fundamentaImmfofsingle-phasewinding-pulsatingmmf)

1.整距集中繞組的磁動勢

設(shè)氣隙均勻，通以正弦交流電流，，=血/sin初，Nc匝，則

《Hdl==Nci

V2.

f=-Ni-y1N,sincot=F,、“,sincot

每個氣隙上的磁動勢為:Jcc2c

*結(jié)論：①波形：矩形波