电气工程与自动化专业英语中文翻译

电气0714班专业英语复习资料 仅供参考 欢迎指正第一章 电路基本原理第一节 电流与电压u（t）和i（t）这两个变量是电路中最基本的概念，描述了电路中各种不同的关系。电荷与电流电荷与电流的概念是解释一切电气现象的基础原则。而电荷也是电路的最基本的量。电荷是构成物质的原子的电气属性，单位是库仑（C）。通过基础物理学，我们了解到一切物质都是由被称为原子的基本粒子构造而成的，每个原子中都包含电子、质子和中子。我们还知道电子上的电荷带负电，每个电子上的电量是1.6021010-19库仑。质子带与电子相等的正电荷。原子上质子与电子的数目相等，使其呈中性。我们来考虑电荷的运动。电或电荷的独特之处就是它们可以移动，也就是说电荷可以从一个地方移动到另一个地方，从而转换成另外一种形式的能量。当把一根导线接在电池（一种电源）的两端时，电荷受迫而运动；正电荷与负电荷分别向相反的两个方向移动。这种电荷的移动产生了电流。习惯上，我们把正电荷移动的方向或负电荷移动的反方向称为电流的方向，如图1-1所示。这种说法是由美国科学家、发明家本杰明富兰克林提出的。即使我们知道金属导体中的电流是由于带负电荷的电子（运动）而产生的，（我们）也使用默认的习惯，将正电荷运动的方向定义为电流的方向。因此，电流是单位时间内电荷的变化率，单位是安培（ampere，A）。在数学上，电流i、电荷q和时间t的关系为 i= （1-1）将等式的两边同时进行积分，则可得到电荷在时间t和t0之间的变化。有q=idt （1-2）在等式（1-1）中我们给电流i的定义表现了电流不是一个定值量，电荷随时间的变化不同，电流也与之呈不同的函数关系。电压、电能与电功率使电子在导体中定向运动需要做功或能量转换。功由外电动势提供，最典型的就是图1-1中的电池。外电动势也可理解为电压或电位差。电路中，a、b两点之间的电压Uab等于从a到b移动单位电荷所需能量（所做的功），有Uab= （1-3） w代表电能，单位是焦耳（J）；q代表电量。单位是库仑（C）。电压Uab的单位是伏特（V），为纪念发明伏达电堆的意大利物理学家亚历山德罗安东尼奥伏特而命名。因此电压（电位差）是移动单位电荷所需要的能量，单位是伏特（V）。 图1-2显示了电气元件（用一个矩形框代替）a、b两点间的电压。符号+和-用来定义参考方向或电压极性。Uab可以用两种方法诠释：a点的电位比b点高出Uab；相对b点而言，a点的电位是Uab。通常，有以下逻辑关系：Uab=-Uba （1-4） 虽然电流和电压是电路中最基本的两个量，仅仅用它们两个是不够的。在实际应用中，我们还要知道功率和电能。为了将电能和电功率与电流和电压联系起来，我们回忆一下物理中讲过的功率是单位时间内吸收或消耗的能量，单位是瓦特（W）。我们用它表达电功率、电能之间的关系 p= （1-5）其中p是电功率，单位是瓦特（W），w是电能，单位是焦耳（J），t是时间，单位是秒（s）。根据等式（1-1）、（1-3）、（1-5），我们得出 p=ui （1-6）由于u和i视乎时间而定，等式（1-6）中的功率p是（一个）时间变量，称为瞬时功率。电气元件产生或消耗的功率是元件两端电压和通过元件电流的乘积。如果功率带有“+”号，意味着功率被输出或者说该元件消耗功率。相反，如果功率带“-”号，意味着该元件释放功率。但怎样才能知道功率带“+”号还是带“-”号呢？在决定功率符号时电流方向和电压极性起主要作用。因此注意图1-3（a）中电压和电流的关系非常重要。若想要功率带“+”号，电压方向与电流极性必须顺从图1-3（a）中所示情况。这就被称为关联参考方向。在关联参考方向下，电流从电压的正极端流入。这种p=ui或ui0的情况意味着元件消耗电能。如果p=-ui或ui0，向图1-3（b）那样，（则表明）元件在释放或产生电能。实际上，任何电路都必须遵守能量守恒定律。所以，电路中功率的代数和在任意时刻一定是零，即 p=0 （1-7） 这再次证明了一个事实：电路中电能的总产生等于总消耗。由等式（1-7）可得从t0到t时刻，电气元件产生或消耗的总电能为 w=pdt （1-8）第二节 电路元件电路其实就是简单地把各种元件连接到一起。在电路中有两种元件：无源元件和有源元件。有源元件能够产生电能，而无源元件则不能。电阻、电容和电感是无源元件中的代表，而电压源和电流源是有源元件中最重要的，通常为与之连接的电路提供电能。独立电源理想的独立电源属于有源元件，能提供固定的电压或电流，完全不受电路中其他因素的影响。独立电压源是一种两端保持固定电压的二段元件，比如电池或发电机。该电压完全不受元件中电流的影响。在图1-4（a）所示电压源的符号中，两端之间有u伏特的电压。图中的极性表示a端电位比b端高出u伏。这样，如果u0，则表明a端电位比b端电位高；而如果u0，当然表示a端电位比b端低。在图1-4（a）中，电压u可能是时变的，也可能是固定的。当电压固定的时候，我们可将其写作U。图1-4（b）中的符号通常用于固定电压源，例如两端电压为U伏的电池。对固定电压源而言我们既可以使用图1-4（a），也可以使用图1-4（b）。或许我们会发现其实图1-4（b）的极性标注有点多余，因为电源的极性可以通过长线与短线的相对位置判断出来。独立电流源是提供固定电流的二段元件，元件中的电流完全不受电压的影响。图1-5是独立电流源的符号，其中i为固定电流，箭头的方向表明了电流的流向。独立电源通常只给外电路输出电能而不消耗。那么如果电源两端的电压为u，而电流i从电压u的正极流出，说明电源向外电路释放功率，其值为p=ui；反之则为吸收功率。例如在图1-6（a）中电池向外电路释放24W功率,而在图1-6（b）中电池吸收24W功率。当对其充电时，就会发生这种情况。受控源理想受控源是一种有源元件，其输入量受另一电压或电流控制。受控源通常用菱形符号表明，如图1-7所示。由于受控源的控制由回路中的电压、电流或其他因素来完成，而电源可以既是电压源又可以是电流源，所以受控源可分为四类，分别是：（1） 电压控制电压源（VCVS）（2） 电流控制电压源（CCVS）（3） 电压控制电流源（VCCS）（4） 电流控制电流源（CCVS）晶体管、运算放大器和集成电路中的电路等元件的元件模型中可以用到受控源。应当注意的是，理想电压源可以向电路提供任意电流以保证其端电压为规定值，而理想电流源可以向电路提供任意电压以保证规定电流。因此，理论上理想电源可以提供无限的电能。还应当注意的是电源不仅为电路提供电能，还可以消耗电路中的电能。对电压源而言，我们知道它的输出电压，而不能确定输出电流；同理，我们可以确定电流源的输出电流但不能确定其输出电压。第六节 正弦交流电路分析与三相电路电路元件的相量关系通过建立电阻、电感、电容三种无源器件相电压与相电流之间的关系，我们可以将正弦稳态电路的分析进一步简化。电阻是最简单的情况。在时域中，如图1-17（a）所示，若通过电阻R的电流为i=Imcos（t+），根据欧姆定律，R两端的电压则为u（t）=Ri（t）=RImcos（t+） （1-23）换成相量形式则为ImRm =R (1-24)图1-17(b)表明在相量域内电阻的电压-电流关系依然与时域中一样遵循欧姆定律。式1-24中电压和电流的关系是矢量关系，如图1-18的相量图所示。对于电感L而言，假设流过内部的电流为i=Imcos（t+），则电感两端的电压为u=L=-L Imsin（t+） （1-25）还可写作u=L Imcos（t+90o） （1-26）转换成相量形式为=LImej（+90）=LImeje j90=LIme j90 （1-27）由于Im=，e j90=j，故有=jL （1-28）表明电压的大小为LIm，相位为+90o，电流与电压相位相差90o。具体说来，电压滞后电流90o。图1-19为电感的电压-电流关系图，图1-20为其相量图。对电容C而言，假设两端的电压为u=Umcos（t+），则流过电容的电流为i=C （1-29）类似于电感的分析步骤，可得=jC （1-30）表明电压与电流相位相差90o，具体而言，电流超前电压90o。图1-21为电容的电压-电流关系，图1-22为其相量图。正弦交流电路分析对于交流电路，欧姆定律和基尔霍夫定律也同样适用。电路简化分析的方法（节点分析法、网孔分析法、戴维南定理等）都可以用以分析交流电路。由于这些方法在直流部分都已经提过了，所以我们主要来介绍交流电路的分析步骤。交流电路的分析通常包括三步：（1） 将电路变形为相量域或频域形式；（2） 用节点分析法、网孔分析法、叠加定理等解决；（3） 将相量形式的结果转换回时域形式。三相平衡电压典型三相系统包括三个电压源以及通过导线与之连接的负载。一个三相系统相当于三个单相电路。电路中的电压源既可以像图1-23（a）那样作星形连接，也可以像图1-23（b）那样作三角形连接。现在来看图1-23（a）中星形连接的电压源。电压an、bn、cn分别是a、b、c线之间的电压，称为相电压。如果三个电压源的幅值和频率都相同，而相位相差120o的话，就可称为三相平衡，即an+bn+cn=0（1-31）Uan=Ubn=Ucn（1-32）由于三相电压相位互差120o，他们之间存在两种相序：一种如图1-24（a）所示，用数学语言表示为an=Up0obn= Up-120ocn= Up-240o= Up+120o其中Up为电压有效值。这种相序称为abc相序或正序。在正序中，an相位超前于bn，bn超前cn。另一种情况如图1-24（b）所示，称为负序或acb相序。在负序中，an超前cn，而cn超前bn。实际上，相序就是相电压各自达到最大值的次序，由相量图中各波形达到最高点的先后决定。在三相配电系统中相序非常重要，决定着负载电动机的转动方向。与三相电源的连接形式一样，三相负载也既可以作星形连接也可作三角形连接，视实际应用而定。图1-25（a）表示的是星形负载，而图1-25（b）表示的是三角形负载。在图1-25（a）中，如果没有中线，则称为三线制系统，否则称为四线制系统。（当然，三角形连接的结构决定了不可能存在中线）只有阻抗大小和阻抗角均相同，才能称为平衡负载。由于三相电源和负载都既可以星形连接又可以三角形连接，故可以有四种组合方式：Y-Y连接（也就是Y形电源，Y形负载）、Y-连接、-连接、-Y连接。在此提出平衡三角形负载比平衡星形负载应用更为广泛。因为负载作三角形连接时，阻抗改变比较方便。星形连接时由于存在中线，阻抗改变不太方便。而另一方面，由于三相电压稍有不平衡就会在三角形电源的网孔中产生环流，因而实际中三角形连接的电源并不常用。第二章 电子学第一节 引言如果只是说现在我们生活在电子时代的话似乎保守了点。从无处不在的集成电路到同样无处不在的计算机，我们每天都在接触电子设备和电子系统。在飞速发展的技术型社会中的每个领域科学、工程、音乐、医药、维护甚至谍报领域中，电子学都起相当大，而且越来越大的作用。总的来说，需要我们关心的工作都可以归结到“信号处理”方面。现在就来探究一下这一方面的具体含义。信号凡是其大小或随时间的变化包含信息的物理变量都可以称为信号。信息可以是无线广播的演讲和音乐，可以是室内温度一类的物理量，也可以是类似于股票交易记录的数字数据。在电子系统中，携带信息的变量是电压和电流。当我们说“信号”的时候，就是意味着电压和电流。然而，我们讨论的许多概念都可以用在含有不同信息的变量的系统中，比如，机械系统和液压系统通常可以用相应的电气系统模拟代替。所以对电气系统性质的理解，为对更广范围的物理现象的理解奠定了基础。模拟信号和数字信号信号有两种方式来携带信息、模拟信号靠随时间连续变化的电压电流来携带信息，比如，在图2-1中，当两点的温度不相同时，热电偶就会输出一个电压。如果两点间温度发生变化，那么热电偶两端的电压也跟着改变。这电压就是用模拟的形式体现了温度的差异。另一种信号称为数字信号。数字信号可以在两个离散的范围内呈现一定值。这种信号常用于表示开-关或是-否的状态。在普通家用温度调节器中，就应用数字信号来控制炉温。当室温降到预设温度以下时，调节器温度闭合将炉子打开；当室温足够高时，开关断开使关闭。开关中的电流根据温度的变化输出一个信号：在“太冷”时使炉子打开，“不太冷”时使炉子关闭。信号处理系统是一些部件与设备之间相互联系的情况，它可以接收一个或者多个输入信号，并将输入信号作某种形式的处理，比如提炼信息或提升信息的质量，并将信息在恰当的时间以恰当的方式输出。图2-2描述了这种系统的部件组成。中间的两个图代表着两种处理方式（模拟和数字），而他们之间的方框代表模拟信号与数字信号的相应转换（A/D为模-数，D/A为数-模），其余的方框包含输入与输出将信号带入或带出系统。有很多有物理量转化而来的电信号是通过被称为传感器的仪器而得到的。我们已经接触过一类模拟传感器，即热电偶。热电偶将温度差（物理量）转化为电压（电量）。通常，传感器是将物理量或机械量转换成相应电压或电流的设备。然而，与热电偶不同的是，大多数传感器需要外加某种激励才能工作。系统的输出可以有很多形式，取决于输入信号包含信息要达到的目的。要显示这些信息，既可以用模拟形式（例如用仪表指针的指向表示变量数值），也可以用数字形式（利用一系列数码显示管显示相应的数字），另外的形式有将输出转化为声音（用扬声器），或者将输出信号作为另一个系统的输入，再或者将输出作为某种触发信号。第四节 运算放大器引言运算放大器属于高增益差动放大器，于二战期间臻于完善。运算放大器促成了模拟计算机的发明，有一段时间内模拟计算机称为“差动分析器”，因为当时用它来解差动方程。差动放大器还是许多重要仪器的基础组成部分。模拟运算放大器由基本差动放大器、反馈电路以及其他提供线性响应、稳定度、漂移消除等属性的补偿放大电路组成。这种复杂的形式是由于运算放大器既放大交流信号也放大直流信号，各级放大之间不允许耦合的存在。这样的话，由于温度变化和电源波动等原因产生的输出电压的漂移会导致一些长期的变化，隔离它们也就变得越发困难。晶体管发明出来以后，固态运算放大器被用作积分电路。现在，运算放大器用来构造高品质、低功耗的模拟放大器，并且能够在很多情况下避免使用单独的晶体管放大电路。对大多数放大电路以及许多测量控制电路来说，只要采用带反馈电路的运算放大器就可以满足设计要求了。运算放大器以双列直插式或其它形式在集成电路方面的应用使模拟信号问题的处理方式在很多方面上与数字逻辑问题相似，即通过集成电路间的相互联系。运算放大电路图2-5为运算放大器的符号。它有两个输入端：用+号标注的称为同向输入端，而用-号标注的称为反向输入端。运算放大器所放大的是两个输入电压的差值。由于放大器的开环增益可达到105106倍，所以即便只有几微伏的电压差也能输出相当可观的数值。由于运算放大器属于差动放大器，所以两个输入端之间必须建立起恰当的联系。如果两个输入端分别加上两个不同的正电压，而同相端的电位比反相端高的话，运算放大器就会输出最大（饱和）值；如果电压关系换过来，即反相输入电压大于同相输入电压，则运算放大器会输出最小值，即负的饱和值。不论什么时候电压关系发生改变，输出极性都会很迅速地转换过来。哪怕电压大小仅仅改变了几微伏，运算放大器也能立刻输出一个足够大的电压波动，所以运算放大器很适合做比较器。当运算放大器工作在线性范围之内时，必然在同相和反相输入端存在一点电压差异。在分析运算放大电路时，由于运算放大器的高开环增益，所以我们不能将输出差异忽略。有些情况下我们会将其看作0。而由于负反馈的电压可以使输出端电压差减小，所以当输出电压反馈到输入端时输出电压不会继续增大。运算放大器还具有两个另外的属性：输入阻抗大，约为106；输出阻抗小，大约100。这两个属性使运算放大器更加有用，因为它们使得电流很小的信号源也能直接驱动运算放大器。同时，运算放大器也能驱动对信号有较高要求的设备。概括起来，良好的运算放大器应当具有大到100万或更大的开环增益，非常小的同相端与反相端电压差，高输入阻抗，低输出阻抗。而理想的运算放大器的开环增益应为无穷大，同相端与反相端应等电位，输入阻抗无穷大，输出阻抗为零。很多运算放大器需要两个大小相等但极性相反的电源，典型的有12V和15V。其它的运算放大器可能只需要一个单电源，如+15V。运算放大器输出电压的有效范围大约是电源的80%，当供电电源为双边15V时，输出的最大电压约为12V。很多运算放大器都存在其局限性，需要说明的有其中两个。一个是当信号频率上升时，增益会迅速下降。频率即使上升极小仅为10Hz，电压增益就开始下降（每上升10Hz，功率下降20dB）。通过加入负反馈扩展频带，可以消除这种增益-频率的限制。另一种则为大多数运算放大器在输入信号变化时作出反应的速率不够。与数字门电路相比，运算放大器在这方面有缺陷。普通运算放大器的转换速率约为1V/s。TTL数字门的转换速率大约是运算放大器的500倍。应用负反馈产生的优势加强了运算放大器的重要性。运算放大器与门电路同时使用，处理分析数据，共同发挥最大优势。第三章 电力电子技术第一节 半导体开关在电力电子系统中，半导体开关是至关重要的组成部件。半导体开关本来被认为可以当作机械开关的替代品，但是由于半导体本身性质以及制造工艺的原因，受到了很大限制。开关损耗电力电子装置中主要有两种损耗：开关损耗寄生损耗。寄生损耗包括电感和变压器的线圈电阻损耗、电容的介电损耗、磁滞和涡流损耗等。而开关损耗则相对显著，能够得到控制。开关损耗进一步可以分为三种：通态损耗断态损耗暂态损耗。通态损耗电气开关在通态时可以通过很大的电流，但开关两端存在电压。通态功率损耗由 Pon=usonif (3-1)计算而得。uson代表通态情况下的开关电压，而if代表通态情况下流过开关的电流。比如，典型的电力二极管和其他电力晶体管在通态时两端会存在约0.5V-1V的压降。通态电流大概为几百到几千安。所以说通态损耗非常重要。断态损耗电气开关在断态可以承受很高的电压，但仍有漏电流从中通过。断态功率损耗由 Poff=usoffir (3-2)计算而得。usoff代表断态反向电压，而ir代表开关中的反向电流。比如，典型电力二极管和其它电力晶体管在断态时反向电压会高达几百到几千伏，而反向电流只有几微安到几毫安。暂态损耗实际开关设备的电压转换速度和电流换向速度都受到限制。这样的转换速度使开关器件中的功率损耗越发升高。我们分别从两种负载情况讨论开关损耗：感性负载和容性负载。感性负载中的开关假设电感足够大，从而它产生一个稳定的电流Io。设初始开关是断开的，电感通过二极管V1放出大小为+Io的电流。当开关闭合时，流过开关的电流开始由零线性地增大至+Io，其间二极管V1维持导通。导通的二极管两端电压为零（理想二极管），那么，开关两端的电压保持定值Us。当电流不再升高，二极管截止，开关两端的电压线性地下降至零。当开关再次断开，两端电压又开始线性地升高至+ Us，其间二极管V1截止，流过开关的电流与流过电感的电流都为Io。开关两端的电压达到零以后，流过开关的电流开始由Io向下降落，降落的电流通过此时导通的二极管流通。最终流过开关的电流下降至零。如图3-1所示，为感性负载的开关波形。其开关损耗由 Psw=UsIoton1+ton2+toff1+toff2f（s） (3-3)计算得出。感性负载中的开关功率损耗与阻性负载类似，但数值上大约是阻性负载功耗的六倍。开关频率的上限也大约是阻性负载的一半。fsmax= (3-4)容性负载中的开关假设电容足够大，从而产生一个稳定的电压Uo。设初始开关是闭合的，那么流过开关的电流是Is，电容两端的电压为Uo，开关两端的电压为零，二极管V1反偏。当开关断开时，开关两端的电压开始升高至+ Uo，其间二极管一直截止。电压升高的过程中，通过开关的电流保持为Is。当电压不再升高时，二极管导通，开关两端的电压固定为Uo，流过开关的电流线性地降到零。当开关再次闭合时，流过其中的电流开始线性地升高至Is，其间二极管V1维持导通。开关两端的电压保持定值Uo。流过开关的电流到达Is之后，二极管截止，开关两端的电压线性地降到零。容性负载的开关损耗与感性负载大致相似。减小开关损耗的方法通常有两种：将开关中的能量转移至无损耗电路，或者在零电流或零电压状态下开关。第一种方法称为缓冲，第二种称为零电压或零电流开关。第四章 电机学第一节 感应电机运行原理图4-1所示的旋转磁铁和铜盘实验说明了感应电机运行的基本原理。当蹄形磁铁转动时，旋转磁场穿过磁盘，使其内部产生感应电流。产生的定向电流致使铜盘跟随蹄形磁铁的旋转而转动。根据弗莱明右手定则，当旋转方向如图所示时，感应电流的方向亦如图所示。弗莱明右手定则：将右手的拇指、食指和中指均相互垂直放置，食指指向磁场的方向，拇指指向导体相对运动的方向，则中指的方向就是感应电动势的方向。应当注意导体相对运动的方向与磁场旋转方向相反。通过应用弗莱明右手定则，可以确定铜盘所受的力与磁场旋转的方向一致。弗莱明左手定则：将左手的拇指、食指和中指均相互垂直放置，食指指向磁场的方向，中指指向感应电流的方向，则拇指的方向就是受力的方向。尽管铜盘会随着旋转磁场一同旋转，但它永远不会达到与磁铁同样的速度。这是因为假如可以达到的话，它们之间就不存在相对运动了，而铜盘中的感应电流也随之失去。旋转磁场与铜盘的速度差称为滑差，它对于感应电机的运行至关重要。感应电动机中，旋转磁场由定子绕组提供，而转子的导体中产生感应电流。虽然蹄形磁铁和铜盘与现在的感应电机结构上有相当大的差异，但是基本工作原理是相通的。旋转磁场对感应电动机的运行至关重要。在实际电机中旋转磁场是通过空间上交替布置的绕组和时间相位上相互交替的励磁电压来实现的。转子由叠在一起的硅钢片冲压而成，转子绕组由带有冲压槽的导杆组成。导杆两端用短路环进行短路。带有短路环而不含铁芯在内的结构称为鼠笼型，如图4-2所示。在小型或中型功率的电机中，转子用铸铝来代替铁芯。在大功率交流电机中，铸铝铁芯并不适用，所以在槽内插入铜导杆。铜导杆在两端都用铜短路环予以短路，短路环被焊在导杆上。有时候使用青铜或其它合金代替铜制作鼠笼以及短路环。不同的转子生产厂家对于使用铸铝还是铜的分界点不同，但几乎所有上千马力的电动机转子都使用带导杆的铁芯。另一种取决于电动机大小的结构特点是使用的绕组类型。对中小型交流电机来说，大多数采用散绕形式。这类绕组采用圆形截面的导线构成，将它们放入定子槽内，使之在尾端呈现菱形。由于导线随意地绕在固定线圈上，所以称为“散绕”。而对于大型交流电机，尤其是2300V以上的高电压电机来说，就要用到模绕线圈了。这些线圈采用矩形截面的导线构成，将它们弯曲成型后缠上绝缘带。在制作定子绕组时，线圈被做成适当的尺寸，以便将整个线圈放入定子槽内。由于将模绕线圈在放入定子槽之前更易增加额外绝缘，所以它在高电压绕组中得到应用。第四节 变压器变压器的形式和结构变压器是一种通过磁场感应作用将某种电压等级的交流电转换成另外一种电压等级的交流电的设备。变压器内含有一根铁磁芯，上面绕着两个或以上的绕组。（通常）线圈之间没有直接的连接，它们之间的唯一联系是铁磁芯周围共同的磁通。变压器的第一端绕组连接在交流电源上，而第二端（或第三端）绕组给负载供电。其中连接电源的绕组称为一次绕组或输入绕组，而连接负载的绕组称为二次绕组或输出绕组。如果变压器还有第三个绕组的话，那么称之为三次绕组。电力变压器的铁芯分为两类。一类是由变压器绕组缠绕在一个简单的矩形钢片叠成的铁芯两边而构成。这种结构称为铁芯式结构。另一类是由变压器绕组绕在一个三端铁芯的中间一端而构成。这种结构称为壳式结构。不管采用哪种结构，铁芯都由相互绝缘的层叠钢片构成，以便将涡流减至最小。实际变压器绕组都是将高压绕组绕在最顶端，而低压绕组绕在最里面。这样的排列有两个目的：减小了高压绕组与铁芯之间的绝缘问题。比较将两个绕组隔开一定距离而言，这样做漏磁通更小。电力变压器根据它们在电力系统中的应用有很多不同的名称：连接发电机输出端，用来升高至输电电压的变压器称为单元变压器。连接输电线另一端，将输电线电压降至配电电压的变压器称为变电变压器。而最终将配电电压降至实际应用电压的变压器称为配电变压器。这些变压器的结构基本相同，唯一的区别就是用途。除了多种多样的电力变压器之外，电机与电力系统中还用到两种特种变压器。第一类特种变压器是专门用以对高电压取样，然后产生一个与之成正比的较低的电压。这样的变压器称为电压互感器。普通电力变压器也可以产生与一次电压成正比的二次电压，它们之间的区别是电压互感器只需要承受很小的电流。第二类特种变压器是专门用以提供比一次侧电流小很多却正比于一次电流的二次电流的。这种变压器称为电流互感器。变压器的等效电路实际变压器的损耗必须根据变压器的特点，建立准确的模型来统计。建立的模型结构中主要考虑以下几点：铜耗。即变压器一、二次绕组的电阻发热损耗，其值与绕组电流的平方成正比。涡流损耗。即变压器铁芯内的电阻发热损耗。磁滞损耗。磁滞损耗与每半个周期铁芯周围的磁场的变化有关。漏磁通。逸出铁芯，仅穿过其中一个绕组的磁通称为漏磁通。逸出的磁通在一次和二次绕组中产生自感作用，自感的影响不容忽视。我们可以建立一个涉及实际变压器所有主要缺点的等效电路，依次考虑每个缺点，其作用通过变压器模型显示出来。铜耗是最容易建模的。它是变压器一次和二次绕组中的电阻损耗。在一次回路中假设电阻Rp，二次回路中假设Rs，就可以对其进行建模。一次绕组中的漏磁通ip产生电压eip，而二次绕组中的漏磁通is产生电压eis。由于大多数漏磁通通过空气传递，而空气的磁阻比铁芯大得多，所以ip和ip成正比，而is与is也成正比：其中Lp为一次绕组的自感，而Ls为二次绕组的自感。于是，漏磁通可以通过一次绕组和二次绕组来建模。如何对铁芯产生的影响进行建模呢？磁化电流im与作用于铁芯的电压成正比（在非饱和区），并滞后该电压90o，所以可以通过并联于一次电压源的电抗Xm来建模。铁耗电流in+e与作用于铁芯的电压成正比，而且与其同相，所以可以通过并联于一次电压源的电阻Rm来建模。（要注意这两个电流实际上都是非线性的，所以Xm和Rm的值与实际励磁效应时近似相同。）图4-4为得到的等效电路。注意励磁支路的元件的位置在一次侧电阻Rp和电感Lp之后。这是由于实际作用于铁芯的电压与除去绕组内部压降的输入电压确实相等。第五章 计算机第一节 计算机基础大多数人的脑子里都有一张计算机的蓝图，但是由于计算机的形状规格和从事任务都各不相同，以致人们难以提取其共同特点给其下一个通用的定义。总的来说，计算机是一种通过存储的命令来接收信号，处理储存数据，从而产生输出信号的设备。所有输入计算机系统的东西都可以称作信号。信号可以由人提供，也可以由外界环境而取得，还可以通过另一台电脑来传输。计算机可以接收的输入信号包括文件中的字符，计算中的数字、图片，恒温器中的温度，麦克风中的声音信号以及计算机软件中的操作指令等。鼠标、键盘一类的输入设备，用来搜集输入信号，并将其转换成计算机能够识别的电信号。在运算过程之中，数据指的是代表事实、对象以及想法的符号。计算机有很多控制数据的形式，我们称之为控制处理。告诉计算机如何执行任务的一系列指令被称为计算机程序，简称程序。程序作用于软件，使得计算机完成特定的任务。在计算机内部，绝大多数处理过程都由称之为中央处理单元（CPU）的部分中完成，CPU有时被称为计算机的“大脑”。计算机存储数据，以便作处理之用。根据使用数据的形式，大多数计算机有不止一处存储数据的地方。计算机临时存储数据以待处理存储或输出的区域称作寄存器，而可以永久存储暂时不需要立即处理的数据的区域称为存储器。计算机得出的结果称为输出。计算机的输出有很多种，如报告、文档、音乐、图表和图片等。输出设备能够显示处理结果、打印处理结果或传输处理结果。计算机非常灵活，能够执行各种各样的任务，但对于某些特定的任务来说，用一种类型的计算机的效果比另一种要好一些。计算机可以分为个人电脑、手提电脑、工作站、主机、超级计算机以及服务器。个人电脑属于微型计算机的一种，为满足个人的计算需求而设计。它通常广泛地应用于计算处理中，比如文字处理、照片编辑、电子邮件以及互联网访问。个人电脑分为台式电脑和笔记本电脑。手提电脑被设计的非常小巧，可以放在口袋里。它靠电池供电，在用的时候可以拿在手上使用，也叫做PDA或掌上电脑。这种电脑通常用作电子记事本、地址簿、计算器或者便签本。由于手提电脑的处理速度比较慢，而且屏幕小，所以它不足以完成台式机或笔记本所能完成的大部分工作。手提电脑只是作为辅助计算而设计的，而不是作为主要的计算机应用。广告上称为工作站的计算机通常是为专业任务而设计的强力台式机。工作站能完成那些要求很高处理速度的任务，比如医学影像和计算机辅助设计。有些工作站包含一个以上的微处理器，而大多数都具有为制作显示三维动画而特别设计的电路系统。由于其成本原因，工作站通常只用来设计任务，而不作一般的电脑使用，比如文字处理、照片编辑、网络访问。如果将几台普通个人电脑连入局域网，那么它也可以称为工作站。计算机网络意味着两台或以上的计算机以及其它设备为共享数据和程序而相互连接。局域网（LAN）是在有限地理区域中建立起的计算机网络，比如用于学校计算机实验室或作小型商业活动之用。主机是一种能够为成百上千的用户同时处理数据的庞大而昂贵的计算机，它通常用于商业活动或政府中大量数据的集中存储、处理及管理。当要求使用可靠、数据安全、可集中控制的计算机时，主机便成了首要选择。如果某种计算机在当时属于世界上速度最快的计算机的行列之中，那么它就可以称为超级计算机。由于其速度之高，所以可以完成其它计算机所不能完成的复杂任务。超级计算机的用途一般包括破译密码、全球气候系统建模以及核爆炸仿真。有一次超级计算机作出的高质量仿真中，电脑追踪了随台风移动的上千颗灰尘的运动轨迹。在计算机行业中，“服务器”这个词语有多种含义。它既可以代表计算机硬件，也可以代表某种软件，或者代表硬件和软件的组合。无论如何，服务器的功能是为网络（互联网或局域网）中的计算机“服务”，为其提供数据。从服务器中请求数据的个人电脑、工作站或软件被称为客户。例如，在网络上，服务器可以响应客户对网页的请求。服务器也可以处理互联网上客户间源源不断的电子邮件。服务器还可以供客户通过局域网共享文件，或者集中使用打印机。个人计算机系统计算机系统通常指计算机以及与之相连的一切输入、输出和存储设备。个人计算机系统的核心是台式机或笔记本电脑。除了个人电脑表面的差异之外，个人电脑系统通常包含以下组成部分：（1）计算机系统单元。系统单元包括主板、微处理器、电源以及存储设备。对大多数笔记本电脑来说系统单元还包括内置键盘和扬声器。（2）显示设备。大多数台式机都使用独立的显示器，而笔记本电脑则使用平板LCD屏幕（液晶显示屏）。（3）键盘。大多数计算机都配备键盘，用作首要的输入设备。（4）鼠标。鼠标是另外一种输入设备，为控制屏幕画面上的东西而设计。（5）软盘驱动器。软盘驱动器是一种存储设备，可以对软盘进行数据的读写。软盘是一张可移动的圆形迈拉塑料片，上面覆盖着一层薄薄的磁性氧化物，并且用保护套予以封装。当前个人电脑最常见的软盘为3.5英寸，容量为1.44MB。（6）硬盘驱动器。硬盘包括一个或以上的金属磁盘，装在驱动器内部，它通过上面的磁化点，能够存储上亿的数据字符。硬盘的存储能力是软盘的很多倍，并且速度也快得多。通常硬盘安装在系统单元内部。（7）CD-ROM或DVD驱动器。CD-ROM驱动器运用激光技术读取永久存储在电脑CD或音乐CD中的数据。而DVD驱动器可以读取电脑CD、音乐CD、电脑DVD以及DVD电影盘的数据。“ROM”中的“RO”代表“只读”，意味着驱动器只能读取磁盘中的数据，但是不能用其存储新的数据。（8）CD刻录机。很多计算机（尤其是台式机）都有CD刻录机，可以刻录以及复制CD。（9）声卡和扬声器。台式机中有内置的基本扬声器，但它仅限于发出“嘟嘟”的声音。称为声卡的小电路板，可以满足对高质量音乐、对白以及音效的要求。台式机的声卡可以将信号发送到外置扬声器。笔记本电脑的声卡将信号发送到嵌入到系统单元的扬声器上。（10）调制解调器。几乎每台计算机都有内装的调制解调器，用来通过普通电话线建立网络连接。（11）打印机。打印机是一种将计算机产生的文本或图片打印到纸上的输出设备。除了以上提到的设备之外，为了提高计算机系统的功能还可以添加另外的外围设备，例如数码相机、扫描仪、控制杆或图形板。第六章 电力系统第一节 引言现代社会对电的依赖性比以前任何时候都高。如果全球都突然断电，产生的后果简直无法想象。作为给社会生活供电的电力系统（或电能系统），是工业社会不可或缺的一部分。世界上第一套电力系统名垂青史的珍珠街电站由托马斯爱迪生发明，并于1882年投入运行。它属于直流电力系统，含一台蒸汽直流发电机，可以给半径大约1.5千米之内的区域中的59个用户供电。负载都是白炽灯，通过地下电缆系统供以110V的电压。仅仅几年以后，世界大多数大城市就用上了类似的系统。1884年弗兰克斯普雷格发明电机以后，电机也成为了这种系统的负载。这使得该系统开始成为世界上最大规模的工业之一。尽管直流电力系统最初应用广泛，最终还是被交流电力系统代替。到1886年时，直流系统的局限性已经变得非常明显：它们输送电能的距离相当短。在长距离输电时为了将功率损耗（I2R）和电压降落控制在可以接受的范围内，必须提高电压等级，而电能产生和使用时并不能承受这么高的电压，所以就需要使用较为方便的变电方式。法国巴黎的L.Gaulard和J.D.Gibbs研发的变压器及交流输电技术，从而推动了交流电力系统的产生。1889年，第一条交流输电线在北美俄勒冈的Willamette Falls与波特兰投入使用。它是一条单相输电线，输电电压为400伏，距离为21千米。经Nikola Tesla研发了多相电力系统之后，交流电力系统的吸引力更大了。截至1888年，Tesla已经申请了关于交流电机、发电机、变压器和输电系统的专利。Westing house公司买下了这些早期发明的专利，他们最终成为了初期交流电力系统的雏形。在18世纪90年代，曾经进行过相当多的关于电气工业应以交流还是直流为标准的争论。在18世纪的末段，交流系统最终超过了直流系统，原因如下：（1）交流系统中电压等级比较容易转换，从而使电能产生、传输以及使用时用到不同的电压，更加灵活。（2）交流发电机比直流发电机的结构简单。（3）交流电机比直流电机要便宜。第一条三相线路2300伏，12千米的输电线于1893年在北美的南加利福尼亚投入运行。在交流输电的早期，并没有对频率的统一标准。曾经使用过的频率有多种：25、50、60、125和133赫兹。频率的差异使相互连接变得困难。最终北美采用了60赫兹为标准频率，而其它很多国家使用50赫兹作为标准频率。日益增长的对远距离大容量功率输送的需求导致所使用的电压水平不断提高。为了防止不同大小的电压无限制地增多，工业上使用标准标准化电压等级。在美国，高电压等级（HV）有115KV、138KV、161KV以及230KV，而超高电压等级（EHV）有345KV、500KV和765KV。在中国，高电压等级有10KV、35KV、110KV；超高电压等级有220KV、330KV（仅在中国西北）和500KV。不久的将来，中国西北将建成第一条750KV输电线路。随着直-交转换设备的不断发展，高压直流输电系统（HVDC）在特殊场合变得更有吸引力，更加经济。HVDC可用来进行远距离大容量的功率输送，并且可以在由于系统稳定限制或系统额定频率不同使交流联网不能实现的情况下提供一个异步联网的手段。对电力系统来说最基本的要求是给用户提供连续的，电压频率合适的电能。由于电能不能用简单经济的方式大量存储，所以电能的生产与消耗必须同步进行。电力系统中任何一个环节中的故障都有可能导致用户供电的中断。所以，对电力系统来说给系统提供可靠的电能，保持正常连续运行才是最重要的。第七章 电力系统保护第一节 引言电力系统在稳态运行中会受到各种电气设备故障的频繁干扰。为了维持电力系统的正常运行，必须采用有效、高效、可靠的保护措施。电力系统中的部件都是按正常工作条件设计的，然而，由于任何原因，比如说故障，出现非正常运行状态，就有必要采用一种可以检测到这些异常状况的设备，然后将发生故障的部分切除，也就是尽可能快地与系统其它部分隔离。这种手段非常必要，因为电力系统中的部件不可能依照有可能发生的最严重的故障来设计，那样会大大提高整个系统的成本。因而，如果电力系统网络中发生这种故障的话，就希望将受影响的部分快速地从系统中切除，以便尽快恢复其余部分的正常供电。保护措施包括保护继电器和开关电路，也就是断路器。保护继电器的功能相当于大脑，是非常重要的组成部分。保护继电器有感知功能，感应到故障，确定发生地点并给相应的断路器发出命令，使其跳闸。断路器接到保护继电器发出的命令以后，将且仅将故障元件断开。这就是保护电路必须要可靠，易维护，操作快的原因。在早期曾经使用过感应磁盘式的电磁继电器，然而它们很快就被倒置杯，也就是空心柱所代替，新使用的继电器称为感应杯或感应柱继电器。现在这种继电器仍然在使用，它有几个重要特性，比如速度较高，在固定输入下转矩较高，并且转矩平稳。然而，随着电子管的出现，20世纪40年代间具有显著优点的电子继电器被开发了出来。随着20世纪50年代固态元件的发明，具有很多优点的静态继电器也被开发了出来。20世纪60年代和80年代，计算机在保护继电中的使用分别开始了研究和实践。目前，以微型计算机为基础的继电方式由于具有很多优势（比如在自检功能和灵活性上），在全世界的电力系统中都得到广泛应用。整个系统保护分为以下的部分：（）发电机保护（）变压器保护（）母线保护（）馈线保护（）输电线保护。保护继电器基本要求任何要求保护电力系统部件免受故障一类的异常状态的影响的保护手段都包含两种基本元件：（）保护继电器（）断路器。主要作整个保护手段“大脑”之用的保护继电器占非常重要的地位。因此，需要选择合适、可靠、高效、快速的保护继电器。保护继电器必须满足以下要求：（1）由于在设计完好的正常系统中故障一般并不多见，继电器只是偶然情况下才运行使用，也就是说继电器通常是闲置的，但是一旦故障发生就必须动作。即它一定要可靠。（2）由于可靠性一部分上依靠于维护，所以继电器必须易于维护。（3）继电器的误操作有两种方式：一种是发生故障时没有动作，而另一种是没有故障发生却产生了动作。实际上，继电器必须在发生故障时准确动作，其它时间则绝不能动作。（4）继电器必须保持足够高的灵敏度，以区分正常系统与故障系统。保护继电器保护继电器的功能是感应到故障，并给断路器的跳闸线圈通电。下面介绍的各种保护继电器是用于同步电机、母线、变压器以及其它设备或输电线保护中的。（1）过电流继电器；（2）低电压继电器；（3）低频继电器；（4）方向继电器；（5）热继电器；（6）相序继电器，又分（）负序继电器（）零序继电器，（7）差动继电器和比率差动继电器；（8）距离继电器，比