电机及电机学教案

第1页电气工程系绪论（introduction）一、电机及电机学概念（electricmachineandelectricmachinetheoryconcept）1.电机定义：是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。2.电机分类：（按运动方式分类）静止电机-----------------变压器电机直流电机旋转电机交流电机异步电机同步电机3.电机学及性质：专业基础课4.本门课学习方法：①抓住主要矛盾；②理论联系实际；③善于运用对比的方法。二、电机中的材料（materials）1.导电材料：线圈（铜、铝）2.导磁材料：铁磁材料（重点介绍）3.结构材料：铸铁、铸钢和钢板等4.绝缘材料：聚酯漆、环氧树脂、玻璃丝带、电工纸、云母片等（A、E、B、F、H、C）第二章磁路一、铁磁性材料的磁化特性：（characteristicofferromagneticmaterial）1.铁磁性物质的磁化铁磁材料：铁、镍、钴及其合金磁化曲线：)(HfB特性：①具有高的导磁性能；②磁化曲线呈非线性（饱和特性）2.磁滞回线①磁滞现象：B的变化总是滞后H的变化；0H时B的值，称为剩磁rB；②基本磁化曲线：)(HfB；第2页电气工程系③铁磁材料软磁材料：高，rB小，磁滞回线窄而长，如：铸钢、硅钢、坡莫合金，制作电机铁心；硬磁材料：μ不高，Br大，磁滞回线宽而胖，制造永久磁铁；3.磁滞损耗和涡流损耗①磁滞损耗：磁畴之间产生摩擦而产生的，2mhfBp②涡流损耗：涡流与铁心电阻相作用产生的损耗，emFeRdBfp/222③铁损：磁滞损耗+涡流损耗，23.1mfeBfp二、电机中的基本电磁定律(basicelectromagneticlaws)1.磁路中的几个基本定律①全电流定律—安培环路定律(lawoftotalcurrent)IdlHL举例：工程上：IHl线圈：NIHl*电流方向的判断：②磁路的基尔霍夫第一定律：0*说明磁通是连续的。③磁路的基尔霍夫第二定律：NIHl④磁路欧姆定律：FSlRFmSlRm*铁磁材料的mR不为常数。2.电路中的两个基本定律①基尔霍夫第一定律：0i②基尔霍夫第二定律：ue3.电磁感应定律(electromagneticinductivelaw)dtdNdtde变压器电动势：同上；运动电动势：Blve*判断方向：右手定则第3页电气工程系4.电磁力定律：Bilf*判断方向：左手定则（主要用于分析旋转电机的电磁转矩）第二章变压器transformer1.变压器的定义：它是一种静止的电机，通过线圈间的电磁感应关系，将某一等级的交流电压转换为同频率的另一等级的交流电压。2.变压器的用途：3.电力变压器：用于电力系统升、降电压的变压器。2.1变压器的基本工作原理和结构（basicoperationprincipleandstructureoftransformer）一、基本结构（basicstructure）器身：由铁心和线圈组成。1.铁心：构成主磁路，机械骨架，由硅钢片迭成①材料：0.35mm厚涂有绝缘漆膜的硅钢片，导磁性能好，可减少铁损；②铁心形状：矩形、十字形等；③迭片方式：交迭式迭装2.线圈：导电部分，铜线或铝线*为便于线圈和铁心绝缘，低压靠近铁心柱在里面，高压在外面；线圈在铁心上排列方式：同心式交迭式3.油箱和冷却装置：*变压器油的作用：绝缘和冷却4.绝缘套管：用于引线5.保护装置和其他二、基本工作原理（basicoperationprinciple）第4页电气工程系基本原理：221011ieeiu其中：dtdNe011；dtdNe022若111Nue222Nue可见，2121NNuu只要改变线圈的匝数，就能达到改变电压的目的。三、变压器的分类（classificationoftransformer）1.用途分：升压变压器、降压变压器；2.相数分：单相变压器和三相变压器；3.线圈数：双线圈变压器、三线圈变压器和自耦变压器；4.铁心结构：心式变压器和组式变压器；5.冷却介质和冷却方式：油浸式变压器和干式变压器等；6.容量大小：小型变压器、中型变压器、大型变压器和特大型变压器。四、变压器的型号和额定值(typeandratedvalue)AXu1i1Φ0e1axe2i2u2第5页电气工程系1.型号：表示一台变压器的结构、额定容量、电压等级、冷却方式等内容。例如：SL-500/10：表示三相油浸自冷双线圈铝线，额定容量为500kVA，高压侧额定电压为10kV级的电力变压器。2.额定值：NS：铭牌规定在额定使用条件下所输出的视在功率。NU：指变压器长时间运行所承受的工作电压。（三相为线电压）NU1：规定加在一次侧的电压；NU2：一次侧加额定电压，二次侧空载时的端电压。NI：变压器额定容量下允许长期通过的电流有NI1和NI2（三相为线电流）。Nf：我国工频：50Hz；还有额定效率、温升等额定值。3.单相变压器的关系式：NNNIUS三相变压器的关系式：NNNIUS3**：对于双线圈变压器一、二次侧的额定容量相等。（由于其效率高）4.举例：一台Y,d11联接的三相变压器，额定容量为3150kVA,U1N/U2N=35/6.3kV,求：①变压器一、二次额定电压和额定电流？②变压器一、二次线圈的额定电压和额定电流？**思考题：原边加直流电压是否可以？为什么？第6页电气工程系2.2单相变压器的空载运行（no-loadoperationofsinglephasetransformer）1.从空载和负载运行时的电磁关系出发，导出基本方程式、等效电路和相量图；2.分析稳态运行性能（电压变化率、损耗和效率）*适用于三相变压器的对称运行。一、电磁现象（electromagneticphenomenon）1.空载定义：02I2.物理过程：1011221101000144.444.4XIjEfNjEfNjENIFIUmm10rI*电机中各物理量正方向的规定3.Φ0和Φ1σ区别:①在性质上：Φ0与I0非线性关系；Φ1σ与I0线性关系；②在数量上：Φ0占99%以上；Φ1σ占1%以下；③在作用上：Φ0传递能量的媒介；Φ1σ漏抗压降。Φ0u20AXu1i0e1axe2Φ1σ第7页电气工程系二、空载时各物理量（physicalquantitiesofno-load）1.原边电压1U：变压器一次线圈所接的电网电压；2.空载电流0I：①作用：一是用来激磁，产生主磁通；二是供空载损耗。②组成：raIII000③性质：感性无功；④大小：2～8%；rarIIII0000，称为激磁电流。**0I为什么越小越好？⑤波形：磁路饱和：尖顶波；磁路不饱和：正弦波。*实际需要：将尖顶波的空载电流等效为正弦波。3.空载磁动势0F010INF……建立空载磁场4.主磁通0与一次漏磁通15.主磁通感应的电动势设tmsin0，则)90sin(21011tfNdtdNemmfNjE1144.4同理可得：mfNjE2244.4*结论：mNNfEE)()(2121，在相位上滞后m90°。6.一次漏感电动势1E：设tmsin11，则)90sin(211111tfNdtdNemmfNjE11144.4又可得：10.1xIjE。式中：mRNfx2112=常数，为一次绕组的漏电抗。第8页电气工程系*电抗的概念可以推广。7.一次线圈电阻压降10rI8.空载损耗0p3.120fBppppmFeCuFe*空载损耗约占（0.2～1）%，随容量的增大而减小。三、空载时的电磁关系（electromotiverelationshipofno-load）1.电动势平衡方程：①一次侧：10.1.10.10.1.1.ZIExIjrIEU忽略I0Z1，则有：mfNEU11144.4即111144.444.4fNUfNEm*结论：影响主磁通大小的因素是:电源电压U1、电源频率f和一次侧线圈匝数N1，与铁心材质及几何尺寸基本无关。②二次侧：2.20.EU2.变比：NNUUUUNNEEK212012121*降压K〉1；升压K〈1；**三相变压器：Y，d接线：NNUUK213D，y接线：NNUUK213Y，y和D，d接线：NNUUK213.等效电路：令:0.0.1.)(IjxrZIEmmm*mr和mx的物理意义；则有：0.110.10.1.1.)()(IjxrIjxrZIEUmm第9页电气工程系式中：mz、mx和mr随磁路饱和程度的增加而减小。等效电路为：1001ZIZIUm0Ir1x1σrm1U1Exm变压器空载时的等效电路由于rm》r1，xm》x1，可得简化等效电路：mZIU010IRm1U1EXm变压器空载时的简化等效电路**空载电流的大小：取决于激磁阻抗的大小，从变压器运行的角度看，希望空载电流越小越好，因此变压器采用高导磁率的铁磁材料，以增大Zm减少I0，提高变压器的效率和功率因数。4.相量图：①空载时的方程式：（总结）②空载时的相量图：**变压器空载运行时，0cos很低，一般在0.1～0.2之间。第二节单相变压器的负载运行(loadoperationofsingle-phasetransformer)一、磁动势平衡关系（magnetomotiveforce(mmf)balancerelationship）1.负载运行定义：在Nf，NU1下，二次线圈接以负载的运行状态。第10页电气工程系2.负载时的电磁过程单相变压器负载运行示意图11rI11111NIFIU11E100NIF210EE22222NIFIU22E22rI3.磁动势平衡方程式：（1）磁动势形式：021FFF（2）电流形式：)(201kIII*解释方程的物理意义？若忽略I0，则有：12211NNKII注意大小和相位。二、电动势平衡方程(electromotiveforce(emf)balanceequation)11.1.11.11.1.1.ZIExIjrIEUΦ0u2AXu1i0e1axe2i2Φ1σΦ2σ第11页电气工程系22.2.22.22.2.2.ZIExIjrIEU102211NININIKNNEE2121mZIE01LZIU2.2.三、折算（conversion）1.折算目的：获得等效电路；简化计算；画相量图2.折算方法：N2’=N13.折算原则：'22FF和二次侧的各功率保持不变4.折算的物理量：①二次侧电流：I2’=I2/k②二次侧电动势的折算：E2’=kE2E2σ’=kE2U2’=kU2③二次侧阻抗的折算：R2’=k2R2X2σ’=k2X2σRL’=k2RLXL’=k2XL5.折算后的方程：第12页电气工程系''2'2010'21'21'2'2'22'1111LmZIUZIEIIIEEZIEUZIEU四、等效电路和相量图（equivalentcircuitandphasordiagram）1.“T”形等效电路和相量图①“T”形等效电路1Ir1X1σr2’X2σ’'2I0Irm1U'21EEXm'2UZL’②相量图2.近似等效电路一般I1NZ10.08U1N时采用1Ir1X1σr2’X2σ’'2Irm0I1U'2UZL’Xm3.简化等效电路和相量图①简化等效电路：忽略I0第13页电气工程系1Ir1X1σr2’X2σ’'2I1U'2UZL’②电压方程式