电机学009电机学复习

一、磁路的概念磁路：磁通所通过的路径.主磁通：由于铁心的导磁性能比空气要好得多，所以绝大部分磁通将在铁心内通过,这部分磁通称为主磁通。漏磁通：围绕载流线圈、部分铁心和铁心周围的空间，还存在少量分散的磁通，这部分磁通称为漏磁通。,第一章磁路,主磁路：主磁通所通过的路径。漏磁路：漏磁通所通过的路径。励磁线圈：用以激励磁路中磁通的载流线圈。励磁电流：励磁线圈中的电流直流:直流磁路例如:直流电机交流:交流磁路例如:变压器,二、磁路的基本定律,1安培环路定律公式:式中，若电流的正方向与闭合回线L的环行方向符合右手螺旋关系时，i取正号，否则取负号。,2磁路的欧姆定律公式:与电路中的欧姆定律的相似性,铁磁材料的磁导率不是一个常数，所以由铁磁材料构成的磁路，其磁阻不是常数，而是随着磁路中磁通密度的大小而变化，这种情况称为非线性。,定律内容:,公式:,3磁路的基尔霍夫第一定律,穿出(或进入)任一闭和面的总磁通量恒等于零(或者说,进入任一闭合面的磁通量恒等于穿出该闭合面的磁通量),这就是磁通连续性定律.,4磁路的基尔霍夫第二定律定律背景:磁路计算时，总是把整个磁路分成若干段，每段为同一材料、相同截面积，且段内磁通密度处处相等，从而磁场强度亦处处相等。定律内容:沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁路磁压降的代数和。,1.4铁磁材料特性,一、铁磁材料的磁化及磁导率铁磁材料在外磁场中呈现很强的磁性，此现象称为铁磁物质的磁化。磁导率=B/H；B为磁感应强度（磁通密度）；H为磁场强度磁畴示意图1-6.,二、磁化曲线和磁滞回线1起始磁化曲线定义:将一块尚未磁化的铁磁材料进行磁化，当磁场强度H由零逐渐增大时，磁通密度B将随之增大，曲线B=f(H)就称为起始磁化曲线.曲线附图1-7.分析:起始磁化曲线基本上可分为四段,如下,铁磁材料磁化曲线示意图1-7.应用:设计电机和变压器时，为使主磁路内得到较大的磁通量而又不过分增大励磁磁动势通常把铁心内的工作磁通密度选择在膝点附近,2磁滞回线示意图:图1-8.相关重要概念剩磁:去掉外磁场之后，铁磁材料内仍然保留的磁通密度.矫顽力:要使B值从减小到零，必须加上相应的反向外磁场，此反向磁场强度称为矫顽力.,磁滞:铁磁材料所具有的这种磁通密度B的变化滞后于磁场强度H变化的现象.磁滞回线:呈现磁滞现象的B-H闭合回线.磁滞现象是铁磁材料的另一个特性。,3基本磁化曲线定义:对同一铁磁材料，选择不同的磁场强度进行反复磁化，可得一系列大小不同的磁滞回线,再将各磁滞回线的顶点联接起来，所得的曲线.示意图1-9.附:电机中常用的硅钢片、铸铁和铸钢的基本磁化曲线。,三、铁磁材料1软磁材料定义:磁滞回线窄、剩磁和矫顽力Hc都小的材料.附图1-11a.常用软磁材料:铸铁、铸钢和硅钢片等。,2硬磁(永磁)材料定义:磁滞回线宽、和Hc都大的铁磁材料称为硬磁材料.附图1-11b.磁性能指标剩磁矫顽力最大磁能积,四、铁心损耗1磁滞损耗定义:铁磁材料置于交变磁场中时，磁畴相互间不停地摩擦、消耗能量、造成损耗，这种损耗称为磁滞损耗。公式:应用:由于硅钢片磁滞回线的面积较小，故电机和变压器的铁心常用硅钢片叠成。,2涡流损耗相关概念涡流:环流在铁心内部围绕磁通作旋涡状流动.涡流示意图1-12.定义:涡流在铁心中引起的损耗.公式:应用:为减小涡流损耗，电机和变压器的铁心都用含硅量较高的薄硅钢片叠成。,3铁心损耗定义:铁心中磁滞损耗和涡流损耗之和表达式:,第三章变压器,单相变压器的一次、二次绕组的额定电流为I1N=SN/U1NI2N=SN/U2NSN=U1N.I1N=U2N.I2N三相变压器的一次、二次绕组的额定电流为I1N=SN/3U1N(线值）I2N=SN/3U2NSN=3U1NI1N=3U2NI2N(线值）SN=3U1N.I1N=3U2N.I2N(相值）,一、变压器空载运行,变压器一次绕组加上交流电压，二次绕组开路的运行情况。单相变压器空载运行时的各物理量,主磁通,漏磁通,三、变压器负载运行,I0N1=I1N1+I2N2,四、变压器等效电路,1.“T”形等效电路,五、相量图,变压器负载运行时的相量图（图2-14）,实际值,对于三相变压器一般取额定相电压、额定相电流作为电压、电流的基值，额定视在功率作为功率的基值,1)无论容量相差多大，用标幺值表示的参数性能数据变化不大。I0*=0.5%3.5%Zk*=4%10.5%,2)二次侧物理量标幺值=该物理量的折算值对一次侧基值的标幺值,3）uk*=Zk*；ukr*=Rk*=pk*Ukx*=Xk*,4）相值标幺值=线值标幺值,标幺值,变压器运行性能,DU%=(U1N-U2)/U1N100%ab/U1N100%=(I1rscosj2+I1xssinj2)/U1N100%=b(I1Nrscosj2+I1Nxssinj2)/U1N100%=b(rs*cosj2+xs*sinj2)100%其中:b=I1/I1N,h=1-(p0+b2pLN)/(bSNcosj2+p0+b2pLN),A,B,C,A、B、C顺时针方向标注,a,AX-BY-CZ-AX联结顺序,变压器理想并联运行的要求在并联组空载时各变压器之间无环流负载时,各变压器能合理分担负载输出电流同相位只有如此，才能使整个并联组可以得到最大的输出电流.变压器并联运行的条件变比相等，且原、副方UN分别相等联结组别相同各变压器的短路阻抗标幺值都相同上述三个条件中，第二个要求必须严格保证，否则两台变压器构成的回路产生极大环流，烧毁变压器线圈。,七、变压器的并联运行,短路阻抗标幺值不同时负载分配:核心计算公式,1:2=ZK2*:ZK1*SM=SN11+SN22,对单相变压器磁路饱合时情况有：（1）若为正弦波形时，则i0为尖顶波，即有三次谐波电流i03；（2）若i0是正弦波时，则为平顶波，即有三次谐波磁通03。（3）对单相变压器：i03(三次谐波空载电流)和i01(基波空载电流)可自由流通。对三相变压器：i03A=I03msin3ti03B=I03msin3(t-120)=I03msin3ti03C=I03msin3(t-240)=I03msin3t在三相绕组中，三次谐波电流各相具有大小相同，相位也相同的特点。思考方法：1联结方面：若三相绕组接成Y型则i03无法流通；若接成YN或D型则i03可以流通。2铁心结构影响：分组式和芯式思考。,三、磁路结构和绕组联结方法对电势波形的影响,三、磁路结构和绕组联结方法对电势波形的影响,（一）、“Y，y”联结一次侧为Y接的三相绕组中，i03三次谐波电流不能流通，故励磁电流i0接近正弦波，此时铁心中磁通波形取决于磁路结构。知识补充谐波1、三相组式变压器各相磁路独立励磁电流i0接近正弦波，此时铁心中磁通波形为平顶波。=1+3，3(三次谐波磁通)可以沿铁心闭合流通，铁心磁阻小，3含量较大。一、二侧感应电动势为：e1=e11+e13e2=e21+e23一次谐波感应相电势有效值：E11=4.44fN1m1三次谐波感应相电势有效值：E13=4.44(3f)N1m3故E13/E11=3m1/m3三次谐波感应电势的合成幅值可达基波值的45%60%（图），会引起过电压，危及绕组绝缘，故国家规定不允许使用“Y，y”联结的组式变压器。,三、磁路结构和绕组联结方法对电势波形的影响,2三相芯式变压器三相磁路互相关联，三次谐波磁通各相相位相同，大小相同相互抵消，不能沿铁心闭合。只有从铁轭处散出经变压器油箱壁和空气而闭合，非铁磁材料磁路的磁阻大，三次谐波磁通不易流通。磁通基本接近正弦，从而每相电势也接近正弦波。三次谐波磁通通过油箱以3倍频率脉振在油箱壁中产生涡流损耗，会引起效率下降。当变压器容量不大于1600KVA时我国配电变压器采用心式铁心结构Y，yn0联接组。,三、磁路结构和绕组联结方法对电势波形的影响,（二）、“YN，y”联结3次谐波电流均可在原绕组畅通。因此即使在磁路饱和的情况下，铁心中的磁通呈正弦波形，从而每相电势接近正弦波而且不论是线电势，相电势，不论是原边，还是副边电势，其波形均呈正弦形。（三）、“D，y”联结和“Y，D”联结1“D，y”联结3次谐波电流可流通，磁通呈正弦波形，从而每相电势接近正弦波。2“Y，D”联结原边接通三相交流电源后，一次侧3次谐波电流均不能在原绕组畅通，因而、e1、e2中出现3次谐波。但副边为D联接，故三相3次谐波电势将在闭合的三角形中产生3次谐波环流。如图,三、磁路结构和绕组联结方法对电势波形的影响,主磁通由作用于铁心上的合成磁动势所激励,一次侧正弦波电流激励,二次侧三次谐波电流激励,+,=,一次侧尖顶波激励电流的效果,主磁通、相电动势为正弦波,结论：为使相电动势波形接近为正弦波，必须有一侧为D联接,第四章交流绕组的基本理论,一、基本要求三相绕组对称，以保证三相电动势（或磁动势）对称；在导体数一定时，力求得到尽可能大的电动势和磁动势；电动势和磁动势波形尽可能接近正弦波形；用铜量少、工艺简单，便于安装检修。,二、绕组电动势计算中相关系数：，短矩系数：q个线圈组成，集中绕组：分布绕组：分布系数：绕组系数：,三、削弱谐波电动势的方法1.使气隙中的磁场分布尽可能接近正弦波；2.采用对称三相绕组，接成星形或三角形消除3次或3的奇数倍次谐波；3.采用短距绕组，短1/v极距，则可以消除v次谐波；4.采用分布绕组。,.是一波幅恒定的旋转波，叫圆形旋转磁动势。.电流在时间上经过多少电角度，则圆形旋转磁动势基波在空间上转过同样数值的电角度。.圆形旋转磁动势基波的旋转电角速度等于电流的电角频率；圆形旋转磁动势基波的旋转速度n1=60f1/p为同步速度。.当某相电流达到正的最大时，那么圆形旋转磁动势基波的正波幅将位于该相绕组的相轴上。.圆形旋转磁动势基波由超前相电流所在的相绕组轴线转向滞后相电流所在的相绕组轴线.绕组的相对位置不变，改变电流的相序，则会改变旋转磁场的转向。,三相绕组的基波合成磁动势,二、图解法,1、单相正弦脉振磁势的分解设A相绕组通过电流：,其基波磁势为：,第一项为正向旋转磁势，第二项为负向旋转磁势，所以脉振磁势可分解为两个转速相同，转向相反的旋转磁势，每个旋转磁势的幅值为脉振磁势最大幅值的一半。,4.4.3圆形和椭圆形旋转磁动势,一、对称绕组流过不对称电流时的合成基波磁动势1.电流的表示,2.合成基波磁动势,对称绕组流过不对称电流时的合成基波磁动势合成磁动势的性质：.当F+=F-时，为脉动磁动势；.当F+=0或F-=0时，为圆形旋转磁动势；.当F+F-时，为椭圆形旋转磁动势。,脉振磁动势：幅值出现的空间位置不随时间变化，但幅值的大小随时间变化。,二、脉振磁动势、圆旋磁动势、椭圆旋转磁动势比较：,圆形旋磁动势：幅值出现的空间位置随时间变化，但幅值的大小不随时间变化。椭圆旋转磁动势：幅值的空间位置、幅值的大小都随时间变化,第六章同步电机,一、基本工作原理三相电动势的大小和相序：相序：由转子转向决定；感应电动势的频率：,二、结构型式1.转极式；转枢式。转枢式只用于小型电机，一般容量稍大的同步发电机均采用转极式。,6.1概述,二、结构型式2.转极式的同步发电机有两种型式：隐极式适于高速旋转，多用于汽轮发电机；凸极式适于低、中速旋转，常用于水轮发电机。,6.1概述,三、型号和额定值1.额定值额定功率PN（MW）：是该台电机安全运行的最大允许输出功率；额定电压UN（kV）：是该台电机长期安全工作的最高电压，指线电压；额定电流IN（A）：是该台电机正常连续运行的最大工作电流，指线电流；,6.1概述,五、型号和额定值1.额定值额定频率fN：我国标准工频为50Hz。额定功率因数：指电机在额定运行时的功率因数。2.额定值之间的关系：,6.2同步电机的运行原理,一、空载运行二、电枢反应定义：电枢反应电枢电流产生的磁动势对气隙磁场的影响。性质：决定于励磁电动势E0和电枢电流I0之间的相位差角。,6.2同步电机的运行原理,隐极同步发电机的负载运行不考虑饱和时2.1电磁物理关系,6.2同步电机的运行原理,三、隐极同步发电机的负载运行不考虑饱和时2.3相量方程式、相量图和等效电路,时空矢量图和等效电路,6.2同步电机的运行原理,四、凸极同步发电机的负载运行1.不考虑饱和时1.1电磁关系,6.2同步电机的运行原理,四、凸极同步发电机的负载运行1.不考虑饱和时1.2基本方程式、相量图,不饱和时的相量图,6.2同步电机的运行原理,四、凸极同步发电机的负载运行1.不考虑饱和时1.3具体用法,五、并联运行,（1）条件1.电压波形相同2.频率相同3.电压大小相同4.相位相同5.相序相同,（2）方法1.准同期法2.自同期法,6.4.2功率与转矩平衡方程,一、功率平衡方程对隐极机有Pem=mE0Icos对凸极机有Pem=mE0IcosmIdIq(Xd-Xq)二、转矩平衡方程T1-（Tmec+TFe+Tad)=Tem,6.4.3功角特性,一、功角特性1.对凸极机有Pem=mE0Usin/Xd+0.5mU2sin2(1/Xq)-(1/Xd)对隐极机有Pem=mE0Usin/Xt,6.4.3功角特性,一、功角特性2.基本电磁功率与附加电磁功率基本电磁功率：mE0Usin/Xd附加电磁功率：0.5mU2sin2(1/Xq)-(