电机学教案详解_.doc
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电机学教案详解_.doc
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绪论
一、电机在国民经济中的作用
电能是现代主要的能源,而电机是与电能的生产、传输和使用紧密相关的能量转换装置,它不仅是工业、农业、交通运输业、国防工业、IT技术产业的重要设备,而且在日常生活中的应用也越来越广泛。
人类早期使用的原动力是畜力、水力和风力,后来发明了蒸汽机、柴油机、汽油机,十九世纪发明了电动机,由于电动机有以下优点
(1)电机的效率高,运行经济;
(2)电能的传输和分配比较方便;
(3)电能容易控制。
所以电动机的应用越来越广泛,现在绝大部分生产机械都采用电动机进行拖动,即用电动机作为原动机。
让电机运转需要电能,电能主要来自发电机,为了经济的传输和分配电能需要变压器,另外随着自动化程度的不断提高,自动控制技术得到空前的发展,出现了各种各样的控制奠基,此外在文教、医疗卫生、信息产业及日常生活中奠基的应用将会愈加广泛。
二、电机的主要类型
电机的型式和种类很多,但其工作原理都是基于电磁感应定律和电磁力定律,电机的分类方法很多,按功能进行分类,可分为:
(1)发电机将电能转换为机械能
(2)电动机将机械能转换为电能
(3)变压器将电能变换为不同等级的电能
(4)控制电机作为控制系统中的元件
三、我国电机工业发展概况
解放前电机工业极端落后,仅几个城市有电机制造厂。
解放后电机工业发展很快第一个五年计划结束时,年产量和单机容量都较解放前提高了几十倍。
改革开放以来我国电机工业在引进、吸收和消化国外先进技术的基础上对原有电机进行了优化设计,使电机性能大大提高,并相继研制和开发了多种新系列电机,不仅满足了国内生产需要,而且向国外出口。
目前我国已开发制成125个系列,900多个品种,几千种规格的各种电机。
电机工业发展趋势是电子与电机工业结合,开展新原理、新结构、新材料电机的研制工作。
第一章:
磁路
主要内容:
磁路基本定理,铁磁材料的特性及交。
直流磁路。
1-1磁路的基本定理
本节介绍磁路的基本定律及磁路计算。
一.磁路的概念
在工程上为了得到较强的磁场,广泛的利用了铁磁物质,在电机,变压器等设备中应用铁磁物质制成一定的形状人为的构成磁路的路径,使磁路主要在这部分空间内分布,这种磁路所通过的路径称为磁路。
下面分别为变压器和直流电机的磁路。
这样就把分布在整个空间的磁路问题,简化为局限在一定范围内的磁路问题,即转化为磁路问题。
如同电流流过的路径称为电路一样。
磁通通过的路径为磁路。
由于铁心的导磁性质比空气好的多,所以绝大部分磁通在铁心中通过,这部分磁通称为主磁通。
经过空气隙闭和的磁路为漏磁通。
用以产生磁路中磁通的载流线圈称为励磁线圈,其电流称为励磁电流(或激磁电流)
二、磁路的基本定律
下面分别介绍在进行磁路分析和计算时常用的几条定理
1、安培环路定理(或称全电流定理)
在磁路中沿任一闭合路径L,磁场强度H的线积分等于该闭和回路所包围的总电流即:
(1-1)
电流的参数方向与闭合路径方向符合右手螺旋关系取正号,反之为负.
若沿长度L。
磁路强度H处处相等,且闭和回路所包围的总电流是由通过I的N匝线圈提供,则上式可写成:
HL=Ni(1-2)
2、磁路的欧姆定律
若铁心上绕有通有电流I的N匝线圈,铁心的截面积为A,磁路的平均长度为L,材料的导磁率为μ,不计漏磁通,且各截面上的磁通密度为平均并垂直于各截面则:
(1-3)
(1-4)
(1-5)
上式称为磁路的欧姆定律,与电路欧姆定律形式上相似。
注:
Rm与电阻R对应,两者的计算公式相似,但铁磁材料的磁导率μ不是常数,所以Rm不是常数。
3、磁路的基尔霍夫第一定律
对于有分支磁路,任意取一闭合面A,由磁通连续性的原则,穿过闭合面的磁通的代数和应为零,即:
(1-6)
该定律称为基尔霍夫第一定律
4、磁路的基尔霍夫第二定律
沿任何闭和磁路的总磁动势恒等于各段磁压降的代数和,即:
该定律称为基尔霍夫第二定律
电机和变压器的磁路总是由数段不同截面,不同材料的铁心组成,而且还可能含有气隙,在进行磁路计算时总是将磁路分成若干段,每段为同一材料。
且截面积和磁密处处相等,见教材P7图1-5所示,磁路由三段组成,两段为截面积不同的铁磁材料,一段为空气隙,铁心上的励磁磁动势NI则:
(1-7)
三、磁路和电路的类比和区别:
磁路和电路的类比关系:
磁路
电路
1.物理量
磁动势
磁通量
磁阻
磁导
磁导率
电动势E=IR
电流I
电阻R
电导G
电导率
2.基本定律
欧姆定律
基尔霍夫第一定律
基尔霍夫第二定律
欧姆定律I=
基尔霍夫第一定律
基尔霍夫第二定律
电路与磁路的区别:
1.电路中有电流就有功率损耗。
磁路中恒定磁通下没有功率损耗;
2.电流全部在导体中流动,而在磁路中没有绝对的磁绝缘体,除在铁心的磁通外,空气中也有漏磁通;
3.电阻为常数,磁阻为变量;
4.对于线性电路可应用叠加原理,而当磁路饱和时为非线形不能应用叠加原理。
总上所述磁路与电路仅是数学形式上的类似,而本质是不同的。
1-2常用铁磁材料及其特性
为了在一定的励磁磁动势作用下能激励较强的磁场(因为:
B=Hµ)从而使电机及变压器等装置的尺寸缩小,重量减轻,性能改善,必须增加磁路的磁导率µ,由于铁磁物质具有高磁导性能,工程上往往利用它来使尽可能多的磁通约束在有限的范围内。
所以电机和变压器的铁心用导磁率较高的铁磁材料组成。
本节介绍铁磁材料特性。
铁磁物质的磁化
一、铁磁物质的磁化
1、铁磁物质
物质按磁性分:
顺磁物质、反磁物质和铁磁物质
有几种物质,如铁、钴、镍以及它们的合金,以及锰和铬的某些合金,即使在较小的外磁场的作用下,其磁化也特别显著。
这类物质称为铁磁物质,它们的磁导率都很大,超过几千。
而抗磁物质的磁导率为负值,顺磁物质的磁导率大约在10-3~10-6之间。
金属铁、钴、镍,B高,居里温度高,缺点电阻率低,涡流耗严重。
铁磁物质
非金属铁氧体电阻率高,涡流损耗小,抗锈防腐
缺点,B低,温度稳定性差
2、铁磁物质的磁化
将铁磁材料放入磁场后,磁场会显著增强,铁磁材料在磁场中呈现很强的磁性这一现象,称为铁磁物质的磁化。
原因:
铁磁物质中有许多称为磁畴的天然磁化区,当未投入磁场时,磁畴杂乱无章的排列,磁效应相互抵消对外不显磁性。
当放入磁场后,磁畴按外磁场方向排列起来,形成一附加磁场叠加在外磁场上。
二、磁化曲线
铁磁材料的磁状态一般由磁化曲线B-H曲线表示:
1、起始磁化曲线
起始磁化曲线可由实验得出。
将一块未磁化的铁磁材料制成闭合铁心,其上绕有绕组,调节R使电流从零开始逐渐增大,则铁心中穿过横截面的磁通密度将随之增大,测得对应于不同的H值下的B值。
可逐点描绘出B-H曲线。
2、磁滞回线
若对铁磁材料进行周期性的磁化,则B-H曲线如下图:
可见铁磁材料在交变的磁场内被磁化的过程中,磁化曲线是一条具有单方向性的闭合曲线,称为磁滞回线。
从磁滞回线上看,B的变化总是滞后于H的变化,这种现象称为磁滞现象。
磁性材料按矫顽力Hc的大小可分为软磁材料和硬磁材料。
3、基本磁化曲线
对同一铁磁材料,选不同的Hm进行反复磁化,可得大小不同的磁滞回路,将各磁滞回路顶点连接起来。
可得到基本磁化曲线。
三、铁心损耗
1、磁滞损耗
当铁磁材料置于交变磁场中时,被反复交变磁化,致使磁畴之间不停的摩擦,消耗能量,造成损耗,这种损耗称为磁滞损耗。
由交流电源与磁场之间的往返能量交换,进一步加以说明。
在固定铁心上装有一个线圈,设电源电压为U,电流为I,线圈匝数为N,电阻为R,则在dt时间内电源输入装置的总能量为Uidt消耗于电阻上的电能为Ri2dt
铁心线圈从交流电源吸收的瞬时功率为:
(1-8)
从t1到t2时间内输入磁路系统的能量:
(1-9)
若铁心长度为L,截面积为A,则:
(1-10)
磁场储能密度为:
(1-11)
对线性磁路µ=常数
(1-12)
当铁心线圈内电流变化一个周期时,磁路时而从电路吸取能量,时而又向电网送还能量。
由于有铁心损耗,吸收的能量大于送还的能量,其差值转化为铁心中的热量,可用磁滞回线的面积表示。
当铁心线圈内电流变化一个周期时,铁心的磁滞回线如图1-12(a)所示
根据
用(b)图面积1241表示,是去磁过程,H>0dB>0为正,此时为正向磁化过程,从电源输入能量,
用(C)图面积2342表示,是去磁过程,H>0dB<0为负,说明能量从磁路系统释放返回电源。
同理下本个周期内
用面积3563表示,H<0dB<0为正,此时为反向磁化过程,从电源输入能量,
用面积5615表示,是反向去磁过程,H<0dB>0为负,说明能量从磁路系统释放返回电源。
所以一个周期内磁场吸收的净能量用磁滞回线35123面积表示,这部分能量消耗在铁
磁材料内,由于磁滞损耗是消耗于铁心中的平均功率:
(1-13)
这部分能量最终以热能的形式消散掉,由于这部分能量是由磁滞现象引起的。
因而叫做磁滞损耗。
如无磁滞现象,即回环面积为零,则该损耗也为零。
由上述公式可见
所以:
(1-14)
对电工钢片n=1.6~2.3Ch:
磁滞损耗系数
所以,磁滞回路面积越小,磁滞损耗越小,电机和变压器铁心常用硅钢片制成,因硅钢片的磁滞回线小,属于软磁材料。
2、涡流损耗
因铁心是导电的,当穿过铁心的磁通随时间变化时,铁心中产生感应电势,从而产生电流,这些环流在铁心内绕磁通做旋状流动成为涡流,涡流在铁心中引起损耗称为涡流损耗。
由于涡流的存在,对铁心磁通回路产生影响。
回路将由静态变为动态形式右图虚线所示:
在回路上升部分,铁心中涡流阻止磁场的增加,为保持一定的磁通,激磁电流增加,以抵消涡流作用,所以磁滞回路上升部分向右扩展,同理下降部分向左扩展
涡流损耗正比于频率,磁通密度,反比于电阻率及路径长度
(1-15)
铁心损耗:
(1-16)
可近似为:
(1-17):
Δ:
钢片厚度CFe:
铁心损耗系数G:
铁心重量
1-3直流磁路
本节介绍直流磁路的分析和计算
一.直流磁路的计算
磁路计算分为两种类型:
1、给定磁通,计算所需的励磁磁动势(正向问题)
2、给定励磁磁动势,计算磁路内的磁通量(逆向问题)
正向问题计算步骤如下:
1.将磁路按材料性质和不同截面分成数段。
2.计算各段的有效面积和平均长度
3.根据各段中的。
计算各段
4.由对铁磁材料查磁化曲线,对空气隙:
5.计算出各段的磁压降,
注:
电机的计算通常为第一类
逆向问题的计算步骤如下:
1.预定
2.计算相应的磁动势
3.如和已知的F不相等,可按比例重新设定
4.由计算如=F则为待求磁通量,否则继续试探以逐步接近准确值。
二、直流电机的空载磁路
1、直流电机的空载磁路
直流电机的磁路在电机磁路中具有典型性。
理解其分析和计算的方法。
对电机的分析、设计是十分重要的。
直流电机的空载磁场指励磁绕组中通过励磁电流时建立的磁场。
如图为四极直流电机的空载磁场分布
磁通分为:
主磁通和漏磁通
主磁通:
从主极过气隙到转子,因气隙小,磁导大。
所以磁通很大。
漏磁通:
仅铰链励磁绕组本身,由空气闭和,不进入电枢铁心。
因气隙大。
磁导小。
所以其值很小。
2、空载磁路计算
按直流磁路计算的第一类问题进行计算。
根据材料的截面积的不同,再由各段磁路和的计算各段。
最后可得到计算产生时整个闭和磁路所需的磁动势F。
(1-18)
计算表明:
气隙和电枢齿这两部分磁压降之和占整个空载磁动势的85%以上。
3、直流电机的磁化曲线
分别计算不同的磁通时所需的励磁磁动势。
可得到直流电机的磁化曲线
磁化曲线体现了电机磁路的非线性。
三、永磁磁路的计算特点
含有永磁的磁系统称为永磁磁路。
永磁材料也称为硬磁材料,它和软磁材料一样具有磁滞现象,所不同的是它的磁滞回线宽。
对上图所示的永磁材料进行充磁磁化,随着激磁电流增加,用磁材料沿OBS曲线此话,直到饱和磁感应强度BS,充磁后去掉励磁电流,磁感应强度沿去磁曲线降到Br
由于磁路中无外加的励磁磁动势。
由安培环路定律:
根据磁通连续性定理
所以
上式中:
均为常数,所以方程BM与HM的关系是一直县称为工作现Og,
用磁材料的工作点必须满足和去磁曲线B=f(H),
即在两曲线的交点a上。
1-4交流磁路
前述的是在励磁线圈中通以直流电。
所以为直流磁路,在直流磁路中各个参数都不随时间变化,在交流磁路中,因励磁电流为交流,所以磁通及磁势均随时间交变而交变,但就瞬时值仍与直流磁路一样,遵循磁路基本定律。
一、交流磁路的特点
1.交流磁通引起铁心损耗
2.磁通量随时间交变,在激磁线圈中感应电势。
3.磁饱和现象会导致电流。
磁通和电动势波形的畸变。
第二章:
变压器
主要内容:
变压器的工作原理,运行特性,基本方程式等效电路相量土,变压器的并联运行及三相变压器的特有问题。
2-1变压器的工作原理
本节以普通双绕组变压器为例介绍变压器的工作原理,基本结构和额定值。
一、基本结构
变压器的主要部件是铁心和绕组,它们构成了变压器的器身。
除此之外,还有放置器身的盛有变压器油的油箱、绝缘套管、分接开关、安全气道等部件。
主要介绍铁心和绕组的结构。
1、铁心
变压器的铁心既是磁路,也是套装绕组的骨架。
铁心分:
心柱:
心柱上套装有绕组。
铁轭:
形成闭合磁路
为了减少铁心损耗,通常采用含硅量较高,厚度为0.33mm表面涂有绝缘漆的硅钢片叠装而成。
铁心结构的基本形式分心式和壳式两种
心式:
铁轭靠着绕组的顶面和底面。
而不包围绕组侧面,见图2-2特结构较为简单,绕组的装配及绝缘也较为容易,所以国产变压器大多采用心式结构。
(电力变压器常采用的结构)
壳式:
铁轭不仅包围顶面和底面,也包围绕组的侧面。
见图2-3,这种结构机械强度较好,但制造工艺复杂,用材料较多。
铁心的叠装分为对接和叠接两种
对接:
将心柱和铁轭分别叠装和夹紧,然后再把它们拼在一起。
工艺简单。
迭接:
把心柱和铁轭一层一层的交错重叠,工艺复杂。
由于叠接式铁心使叠片接缝错开,减小接缝处的气隙,从而减小了励磁电流,同时这种结构夹紧装置简单经济可靠性高,多采用叠接式。
缺点:
工艺上费时
2、绕组
绕组是变压器的电路部分,用纸包或纱包的绝缘扁线或圆线绕成。
接入电能的一端称为原绕组(或一次绕组)
输出电能的一端称为付绕组(或二次绕组)
一、二次绕组中电压高的一端称高电压绕组,低的一端称低电压绕组高压绕组匝数多,导线细;低压绕组匝数少,导线粗。
因为不计铁心的损耗,根据能量的守恒原理
(s原付绕组的视在功率)
电压高的一端电流小所以导线细
从高低压绕组的相对位置来看,变压器绕组可以分为同心式和交叠式两类
同心式:
高低压绕组同心的套在铁心柱上。
为便于绝缘,一般低压绕组在里面高压绕组在外面。
交叠式:
高低压绕组互相交叠放置,为便于绝缘,上下两组为抵压
三、变压器的额定值
额定值是正确使用变压器的依据,在额定状态下运行,可保证变压器长期安全有效的工作。
1、额定容量:
指变压器的视在功率。
对三相变压器指三相容量之和。
单位
伏安(VA)千伏安(KVA)
2、额定电压:
指线值,单位伏(V)千伏(kV), 指电源加到原绕组上
的电压,是副方开路即空载运行时副绕组的端电压。
3、额定电流:
由和计算出来的电流,即为额定电流
对单相变压器:
对三相变压器:
4、额定频率fN:
我国规定标准工业用电频率为50赫(HZ)有些国家采用60赫。
此外,额定工作状态下变压器的效率、温升等数据均属于额定值。
2~2变压器的空载运行
本节介绍变压器的空载运行的电磁过程,并推出空载运行的等效电路方程式相量图,
一、空载运行时电动势和电压比
变压器一次绕组接电源,二次绕组开路,负载电流I2为零,这种情况即为变压器的空载运行。
上图为空载运行示意图,和为一、二次绕组的匝数分别绕在两个铁心柱上。
变压器参数方向的规定:
(1)与i之同向,即符合右手螺旋关系
(2)U与i同向(一次侧为电动机惯例,二次侧为发电机惯例)
(3)e和I方向一致。
由若不计漏磁通,按上图所规定个量的正方向,由基尔霍夫第二定律可列出一。
二次绕组的电压平衡方程式
式中R1为一次绕组的电阻,u20为二次侧空载电压即开路电压,一般i10R1很小,忽略不计则:
由此可见要使一、二次测具有不同的电压,只要一、二次测具有不同的匝数即可,这就是变压器的原理。
二.主磁通和激磁电流
通过铁心并与一二绕组交链的磁通用表示
由:
得
空载时则也是正弦波
:
主磁通的幅值
滞后,同理可证明滞后
产生主磁通所需的电流叫激磁电流,用表示,空载时i10全部用以产生主磁通即:
三、主磁通和激磁阻抗
交流电路的电磁关系是电流激励磁场,而感应电势是磁场的响应。
这种激励与响应之间的关系常用一种参数表征,这个参数即为感抗
:
主磁通得磁导
用相量表示为而
用相量表示为:
(E1滞后900)
将带入上式
得:
)=
式中:
铁心线圈磁化电感
铁心线圈磁化电抗
另外,考虑铁心损耗,激磁电流由和组成与同相,于是,铁心线圈等效电路如下(a)所示
Rm:
激磁电阻,表征铁心损耗的一个等效参数
Xm:
激磁电抗,表征铁心磁化性能的一个等效参数
Zm:
激磁阻抗,表征铁心损耗和磁化性能的一个等效参数
注:
以上三值随饱和饱和度变化而变化,都不是常数,但当外加电压变化不大时,铁心内的磁通变化不大,饱和度不大,可认为Zm为常值
四、漏磁通和漏磁电抗
在实际变压器中,除交链一、二次绕组的主磁通外,还有一部分仅与一个绕组交链通过空气闭合的漏磁通
同理:
一次漏电抗
二次漏电抗
一、二次漏电抗均为常数
漏电抗是表征漏磁效应的一个参数,漏磁路可以认为是线性的,所以和为常数
注:
空载运行时,所以,
综合上述分析的空载运行时变压器一、二次侧的电压方程式如下:
(引入了和后,就将磁场问题简化成电路形式,将磁通感应电势用一电抗表征,主磁通经铁心引起铁耗,故引入阻抗,漏磁通引入)
2-3变压器的负载运行
本节介绍变压器负载运行的物理过程。
一次侧接交流电源,二次侧接负载,二次侧中便有负载电流流过,这种情况称为负载运行
一、磁动势平衡和能量传递
当接入也将作用于主磁路上。
F2的出现,使趋于改变
相应得为常数,因此要达到新的平衡条件是:
一次侧绕组中电流增加一个分量,与二次侧绕组中由产生的磁势由i2产生的磁势相抵消。
以维持不变,即:
这一关系式称为磁势平衡关系,当负载电流增加时,原绕阻的电流也随之增加,从而使变压器的功率从原方传递到负方:
2-4变压器的基本方程式、等值电路和相量图
本节为该章重点内容,采用绕组归算的方法推出变压器的基本方程式、等效电路和相量图。
一、基本方程式
1、磁动势方程式
负载后作用于主磁路上的磁势有两个和
(励磁磁势,维持不变,与空载时相同)
负载时,作用于铁心上的磁动势是一、二次绕组的合成磁动势,且为空载时的磁动势,即激磁磁动势。
上式表明负载后,一次侧电流由两部分组成,一部分维持主磁通的Im。
另一部分用来抵消二次侧的负载分量,
能量由一次侧传到二次侧。
1、电压方程式
由主磁通在一、二次绕组中分别感应电势E1和E2,漏磁通在一、二次绕组中感应漏电势,此外,一、二次侧绕组还分别有电阻压降,根据吉尔霍夫定律及负载运行示意图中各量正方向的规定,可列写一、二次侧电压方程如下:
式中:
一、二次侧绕组漏磁抗
一、二次侧绕组漏电阻
一、二次侧绕组漏电抗
归纳起来变压器的基本方程式为:
按磁路性质不同,分为主磁通和漏磁通两部分。
并分别用不同的电路参数表征,漏感磁通感应电势用和表征。
主磁通感应电势用表征,和为常数,不为常数。
二、 变压器的T型等效电路和相量图
变压器的基本方程式综合了变压器内部的电磁过程,利用这组方程可以分析计算变压器的运行情况。
但解联立方程相当复杂,且由于K很大,是原付方电压电流相差很大,计算精确度很差,所以一般不直接计算,常常采用归纳计算的方法,其目的是为了简化等量计算和得出变压器一、二次侧有电的联系的等效电路。
1、绕组的归算
归算是把二次侧绕组匝数变换成一次测绕组的匝数,而不改变一,二次侧绕组的电磁关系。
(1)电流的归算:
根据归算前后磁势不变得原则,归算后的量斜上方打“ˊ”。
(2)电势和电压的归算及阻抗的归算
根据电势与匝数成正比得关系
即找到了原、付方电路的等电位点,可将两个电路合并
将式两端同乘变比K得
可见:
注:
归算前后二次侧的功率和损耗均保持不变
归算后得基本方程式为:
3、T型等效电路
图(a)为归算过的变压器负载运行示意图
可得图(b)所示等效电路.因它的6个参数分布在T上,所以称T型等效电路为了进一步理解等效电路.进一步说明形成得物理过程.
(a).表示一台实际变压器得示意图
(b)将一.二次绕组得电阻和漏抗移到绕线外各自回路中,一.二次侧绕组.组成为无电阻,无漏磁得完全耦合得绕组.
(c)将二次侧进行规算
(d)将铁心磁路得激磁磁路抽出
(e)余下得铁心和绕组变成无电阻,无漏抗,无铁耗,无需激磁电流得1:
1得理想变压器
(f)E1=E’2,电流均为I’2把理想变压器抽出对电路毫无影响,即得T理想变压器得两端
进行了绕组地规算,就将一,二次测用一个等效电路联系起来,求解变压器地问题变成了一个电路问题,使计算大为简化.如已知参数由U1可算出I1,I’2及Tm
注:
利用归算到一次侧的等效电路算出的一次侧各量均为变压器地实际量,算出的二次侧的各
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