电机学总复习.ppt

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1、概论,铁磁材料的性质,磁通密度 B 与磁场强度 H 成饱和曲线关系。磁导率随饱和程度的增加而减小。,概论,铁磁材料的性质,存在磁滞损耗和涡流损耗，统称铁耗。单位重量铁磁材料的铁耗 p=p1/50(f/50)B2m。p1/50，比损耗，也称铁耗系数，是指：Bm1Wb/m2,f=50Hz时1 kg铁磁 材料的铁耗。介于一次和二次方之间。,概论,磁导、磁阻 取决于磁路材料的磁导率、磁路的几何尺寸（横截面积、长度）,变压器的空载运行,副边开路，电流为零,变压器的空载运行,主磁通和漏磁通的性质不同，主要表现在：1）由于铁磁材料存在饱和现象，主磁通与建立它的电流 i0之间成非线性关系；而漏磁通由于主要沿非

2、铁磁材料闭合，它与电流i0保持线性关系。2）在电磁关系上，主磁通在原、副绕组内感应电动势，副方如果接上负载，则在电动势作用下向负载输出电功率，所以主磁通起传递能量的作用；漏磁通仅在原边感应电动势，只起电压降的作用，不能传递能量。,变压器的空载运行,主磁通感应的电动势,即：原、副绕组内的感应电动势的有效值与主磁通的幅值、绕组匝数、磁通交变的频率成正比。当变压器接到额定频率的电网上运行时，由于f和w1（w2）均为常值，故电动势E1（E2）的大小仅由磁通m所决定。,变压器的空载运行,空载电流的波形,当磁路不饱和时，若不考虑铁耗的影响，当磁通按正弦规律变化为正弦波时，i0也按正弦规律变化为正弦波。,当

3、磁路饱和时，若不考虑铁耗的影响，当磁通按正弦规律变化为正弦波时，i0的波形畸变成尖顶波。饱和程度愈高，i0 的波形畸变的愈厉害。,当磁路饱和时，考虑铁耗的影响，当磁通按正弦规律变化为正弦波时，i0的波形畸变成尖顶波。饱和程度愈高，i0 的波形畸变的愈厉害。i0 的波形超前于主磁通铁耗角。,变压器的空载运行,基本方程式,变压器的负载运行,变压器的归算,采用一台副绕组匝数等于原绕组匝数的假想变压器来模拟实际变压器，假想变压器与实际变压器在物理情况上是等效的。,等效条件：1)原边电路情况不变，即主磁场不变；2)副边对原边的影响不变，即副边的磁动势不变；3)有功和无功损耗不变。,当把副边各物理量归算到

4、原边时，电动势、电压的归算值等于其原来的数值乘以k；电阻、电抗、阻抗的归算值等于其原来的数值乘以k2；电流的归算值等于原来数值乘以1/k。,变压器的负载运行,基本方程式,变压器的负载运行,等效电路,变压器的负载运行,等效电路,空载实验,实验目的：求出变比 k、空载损耗 p0 和激磁阻抗 Zm。,变压器的参数测定,实验步骤：进行试验时，高压边开路，低压边加上额定电压U1N，测量副边 电压U20、空载电流I0及空载输入功率p0。,空载实验,讨论：1）空载试验时，外加电压和感应电动势都达到额定值，铁心磁密以 及铁耗也是正常运行时的数值。由于空载时原边只有激磁电流，它引起的铜耗可以忽略不计。所以输入功

5、率p0几乎全部供给铁耗 pfe。于是 p0 pfe。2）变压器空载时的总阻抗为Z0=Z1+Zm，由于Zm Z1，因此：,3）如果是三相变压器，在计算激磁阻抗时，采用一相的功率、电 压和电流值来计算。4）由于激磁阻抗Zm随外加电压的大小而变化，为了使测出的参数符 合变压器的实际运行情况，空载试验应在额定电压下进行。5）由于试验是在低压侧进行的，故测得的参数是归算到低压方的数 值，如果需要归算到高压侧，则必须乘以k2。,变压器的参数测定,短路实验,实验目的：求出负载损耗 pk、短路阻抗 Zk 和短路电压 uk。,变压器的参数测定,实验步骤：进行试验时，低压边短路，高压边边通过调压器接到电源试验时所

6、加电压必须比额定电压低得多，以原边电流达到或接近额定值为止。测量这时的电压 Uk，原边电流 Ik，和输入功率 pk。,短路实验,讨论：1）稳态短路试验时，当原绕组电流达额定值，副绕组里电流也几乎 同时达额定值，这时绕组中的铜损耗相当于额定负载时的铜耗，从简化等效电路看出，当副边短路而原边电流为额定值时，原边 电压的大小等于变压器漏阻抗上的压降，因此UkI1Nzk很小。由 于外加电压很低，铁心里的主磁通很小，激磁电流以及铁耗可 以忽略，这时输入功率pk几乎全部供给了绕组的铜耗，因此稳态 短路测出的损耗称为负载损耗。2）由于绕组的电阻随温度而变化，而短路试验一般在室温下进行，所以测得的电阻必须换算

7、到基准工作温度时的数值，根据国家标 准规定，油浸电力变压器和电机的绕组应换算由75的数值。3）如果是三相变压器，在计算激磁阻抗时，采用一相的功率、电 压和电流值来计算。,变压器的参数测定,阻抗电压,所谓阻抗电压是短路阻抗与原边额定电流的乘积用原边额定电压的百分数表示，即：,上式表明，阻抗电压就是变压器短路电流达额定值时原边所加电压用原边额定电压百分数表示，故又称短路电压。它的有功分量ukr无功分量ukx分别为:,变压器的参数测定,变压器的电压调整率,所谓电压调整率是指：当原边接在额定频率和额定电压的电网上，空载时副边电压 U20 与在给定负载功率因数下副边电压 U2 的算术差，用副边额定电压的

8、百分数表示的数值，即:,变压器的运行性能,变压器的电压调整率,变压器的运行性能,变压器的损耗与效率,变压器的效率：输出功率和输入功率之比就是效率，即：,变压器的运行性能,变压器的损耗与效率,则产生最大效率的条件为：,即当不变损耗等于可变损耗时，效率达到最大值。,变压器的运行性能,三相变压器的磁路系统,三相变压器的磁路系统,各相磁路彼此相关三相心式变压器,各相磁路彼此无关三相变压器组,三相变压器的磁路系统,三相变压器的电路系统,三相变压器的电路系统绕组的联结和联结组,联接组：形象地体现变压器原、副边线电动势之间的相位关系。,单相变压器的联结组,同名端：单相变压器的原、副绕组链着同一个主磁通m，当

9、主磁通交变时，在两个绕组所对应的电动势之间会有对应的极性关系，即任一瞬间，一个绕组的某一端的电位为正时，另一绕组必有一个端点的电位也为正，这两个对应的端点称为同极性端或同名端。一般在对应的两端点旁加一黑点来表示。同名端的确定方法：当电流都从同名端流入时，它们产生的磁通应该是方向一致的。,三相变压器的电路系统,单相变压器的联结组,同名端标记为首端：I,I0联结组；非同名端标记为首端：I,I6联结组,规定正方向：为了比较两个绕组感应电动势的相位，规定电动势的正方向为由末端指向首端。,三相变压器的电路系统,三相变压器的联结组,三相变压器的联结组的确定方法：线电动势三角形重心重合法 将低压边三相线电动

10、势位形图平移到高压边三相线电动势位形图内，并使两个三角形的重心置合，然后以重心O到顶点A的线段作为时钟的长针，并指向0点,以o到a的线段所指钟时序数作为联结组的标号。该标号即表示了绕组间的线电动势相对相位移。,根据电动势位形图来作出三相绕组的联结。,三相变压器空载运行时的电动势波形,Y,y联结的三相变压器,三相变压器组：,分析：1）三相变压器组中，三相磁路彼此无关，三次谐波磁通 和基波磁通 沿同一磁路闭合，由于磁路的磁阻小，故三次谐波磁通较大。2）三次谐波的频率f为基波频率f的三倍，所以由它所感应的三次谐波 相电动势就相当大，其幅值可达基波幅值的4560，甚至更大，使相电动势的波形畸变，最大值

11、升高很多，可能将线圈绝缘击穿。3）在三相线电动势中，三次谐波电动势相互相抵消，因此线电动势 的波形仍为正弦波。,Y,y联结的三相变压器,三相心式变压器：,分析：1）三相心式变压器磁路彼此互相联系，三相的三次谐波磁通又彼此同相位同大小，不能沿铁心闭合，只能借油、油箱壁等形成闭路，如图3-23所示，由于这些磁路的磁阻很大，故三次谐波磁通很小。因此主磁通仍接近于正弦波，相电动势波形也接近于正弦波。,三相变压器空载运行时的电动势波形,D,y和Y,d联结的三相变压器,D,y联结：,Y,d联结：,三相变压器空载运行时的电动势波形,三相变压器的各序等效电路,正序、负序等效电路：,变压器的负序阻抗和等效电路与

12、正序相同。,三相变压器的不对称运行,零等效电路：,等效电路中的原、副绕组的漏阻抗与正序漏阻抗 Z1、Z2，完全相同，但零序激磁阻抗可能与正序不同，故用 Zm0 表示。,三相变压器的各序等效电路,变压器的零序阻抗与绕组的联结和磁路系统密切相关。,磁路系统的影响：,三相变压器组：Zm0=Zm,三相心式变压器：Zm0 Zm,三相变压器的不对称运行,三相变压器的各序等效电路,绕组联结的影响：,星形联结：零序电流不能流通，此时等效电路在这一边应断开。三角形联结：零序电流仅能在三角形内部形成环流，而不能流到外电路去，即在零序等效电路里，相当于变压器内部短接，但从外部看进去.应该是开路的，因此接法不同，对外

13、电路表现的零序阻抗不同。,三相变压器的不对称运行,自耦变压器的容量关系,自耦变压器,额定容量(又叫通过容量)SaN，指自耦变压器总的输入或输出容量，针对端口而言。,电磁容量(又叫绕组容量):指绕组电压与电流的乘积，针对绕组而言。,自耦变压器的短路阻抗,自耦变压器,自耦变压器的短路阻抗,自耦变压器,变压器并联运行的理想条件,1）各变压器的额定电压应相等，若为单相变压器，则各变压器的变比应相等；2）各变压器的联结组相同；3）各变压器的短路阻抗标么值(或短路电压)应相等，而且短路电抗和短路电阻之比也应相等。,变比相同而短路阻抗标么值不相等的变压器并联运行时的负载分配,1）若短路阻抗标么值相等，则一台

14、变压器达到满载时，与它并联的其他变压器同时达到满载。这是理想的负载分配情况。,2）短路阻抗标幺值小者先达到满载。,同步电机的基本知识及结构,什么是同步电机,同步电机：是一种旋转的交流电机，它的转子转速n与电动势频率f之间保持严格不变的关系。,对同步发电机，发出的电动势频率f满足,对同步电动机，转子转速满足,对三相交流发电机,对三相交流电动机,同步电机的基本知识及结构,交流绕组的基本概念,交流绕组的基本概念,电角度、每极每相槽数、槽间角、相带、极距、节距；集中绕组、分布绕组；整距绕组、短距绕组,三相单层绕组,说明：对于单层绕组，每对极下每相有1个线圈组，每个线圈由 q 个线圈串联组成；p 对极电

15、机每相共有 p 个线圈组。整距绕组,三相双层绕组,说明：对于双层绕组，每对极下每相有2个线圈组，每个线圈由 q 个线圈串联组成；p 对极电机每相共有 2p 个线圈组。,交流绕组的感应电动势,导体电动势,线圈电动势,交流绕组的感应电动势,线圈组电动势,交流绕组的感应电动势,绕组电动势,交流绕组的感应电动势,交流绕组的磁动势,一相绕组的磁动势,交流绕组的磁动势,一相绕组的磁动势,交流绕组的磁动势,脉振磁动势的分解,交流绕组的磁动势,结论,(1)一相绕组的磁动势为一空间位置固定、幅值随时间变化的脉振磁动势，脉振的频率等于电流的频率，脉振磁动势的幅值位于相绕组的轴线上。,(2)一相绕组的基波(或谐波)

16、脉振磁动势可以分解成两个幅值相等。转速相同，转向相反的旋转磁动势。,1）三相对称绕组通入三相对称电流产生的基波合成磁动势为一幅值不变的旋转磁动势。由于基波磁动势矢量的端点轨迹是一个圆形，故又称为圆形旋转磁动势。,2）三相基波合成磁动势的幅值为一相基波脉振磁动势最大幅值的 3/2 倍，即,交流绕组的磁动势,三相绕组的基波磁动势,3）三相基波合成磁动势的转向取决于电流的相序和三相绕组在空间上的排列次序。基波合成磁动势总是从电流超前的相绕组向电流滞后的相绕组方向转动，例如电流相序为ABC，则基波合成磁动势按A轴B轴C轴方向旋转，改变三相绕组中电流相序可以改变旋转磁动势的转向。,4）三相基波合成磁动势

17、的转速与电流频率保持严格不变的关系，即该转速即为同步速。,交流绕组的磁动势,三相绕组的基波磁动势,5）当某相电流达到最大值时，基波合成磁动势的波幅刚好转到该相绕组的轴线上，磁动势的方向与绕组中电流的方向符合右手螺旋定则。,交流绕组的磁动势,三相绕组的基波磁动势,三相绕组的三的倍数次谐波合成磁动势等于零，即三相对称绕组通入三相对称电流时，不存在3、9、15次谐波合成磁动势。,三相绕组的谐波磁动势,交流绕组的磁动势,三相绕组的三次谐波合成磁动势等于零。,三相五次谐波合成磁动势是一幅值恒定的旋转磁动势。旋转磁动势的幅值等于一相脉振磁动势五次谐波最大幅值的 3/2 倍，如用基波磁动势表示，则,三相绕组

18、的谐波磁动势,交流绕组的磁动势,五次谐波合成磁动势的转速为基波的 1/5，转向与基波的相反。,(k为正整数)次谐波合成磁动势都为旋转磁动势，旋转方向与基波的相反，转速为基波的。,三相绕组的谐波磁动势,交流绕组的磁动势,三相七次谐波合成磁动势是一幅值恒定的旋转磁动势。旋转磁动势的幅值等于一相脉振磁动势七次谐波最大幅值的 3/2 倍，如用基波磁动势表示，则,三相绕组的谐波磁动势,交流绕组的磁动势,七次谐波合成磁动势的转速为基波的 1/7，转向与基波的相同。,(k为正整数)次谐波合成磁动势都为旋转磁动势，旋转方向与基波的相反，转速为基波的。,三相绕组的谐波磁动势,交流绕组的磁动势,交流绕组的磁动势,

19、椭圆形旋转磁动势,实际上，只要两相以上绕组在空间上有相位差，通入时间上有相位差的电流，就可以产生旋转磁动势。一般而言，中有一个为零，即为圆形旋转磁动势；都不为零，且彼此不相等，即为椭圆形旋转磁动势；只有当 不为零，但二者相等时，才为脉振磁动势。,交流绕组的磁动势,电枢反应：负载时电枢磁动势的基波对主极磁通基波的影响，就称为电枢反应，因此，电枢磁动势又称为电枢反应磁动势。,三相同步发电机的电枢反应,同步电机的基波电枢磁动势与励磁磁动势转速相同，转向一致，因此它们在空间保持相对静止。因此，二者之间的相互关系保持不变，保证建立稳定的气隙磁场、产生平均电磁转距，实现机电能量转换。实际上，定转子磁动势相

20、对静止是一切电磁感应型旋转电机正常运行的基本条件。,时空相矢图分析电枢反应时采用时间相量和空间矢量统一图，简称为“时空相矢图”。,基波励磁磁动势 及其磁密。该矢量位于转子的极轴线上，方向为N极指向，以同步速旋转，如图所示。,三相同步发电机的电枢反应,电枢磁动势 位置：当某相电流达到最大值时，电枢磁动势 刚好转到该相绕组的轴线上，它的指向与绕组中的电流方向（实际）符合右手螺旋定则，而且转向与转子转向一致，并以同步速旋转。,三相同步发电机的电枢反应,如图所示。图中A相电流最大，所以 刚好转到A相轴线上。(电流的规定正方向仍由末端流向首端)。,同步电机的空载电动势(励磁电动势）是时间向量，该相量的相

21、位由转子的位置决定，如转子处于图示位置，当电动势规定正方向与电流规定正方向一致时，A相感电动势为正的最大，所以 位于时间轴线上。如图所示。电动势相量的角频率与转子旋转的角速度都是。,三相同步发电机的电枢反应,电动势、电流规定正方向。,同步电机的电枢电流 也是时间相量，它的相位决定于电机内部的阻抗和负载的性质。电机内部的阻抗和负载的性质决定了电枢电流和空载电动势之间的相位差角，称为内功率因数角。,内容回顾,在时空相矢图上 总是落后于 以90度，总是与 重合。与 之间的相位差 随着负载的性质不同而改变。而 与 之间的空间相位差为，因此，二者的相对位置完全取决于 角。所以电枢反应的性质是由角决定的。

22、单机运行时，电枢反应的性质是由负载的性质决定的。,三相同步发电机的电枢反应,前提：电动势、电流规定正方向绕组末端至首端。,三相同步发电机的电枢反应,称为直轴电枢反应磁动势,称为交轴电枢反应磁动势,三相同步发电机的电枢反应,若把电流 也分解成 和 两个分量，则,三相同步发电机的电枢反应,三相同步发电机的电枢反应,交轴电枢反应，扭斜气隙磁场（交磁），实现机电能量转换的必要条件；直轴电枢反应，加磁或去磁，只引起气隙磁场的变化，进而引起电机端电压的变化。,不考虑饱和时的电动势方程式、同步电抗和相量图,隐极同步发电机,称为同步电机的同步电抗。,式中：,隐极同步发电机,它是表征对称稳态运行时电枢反应磁场和

23、电枢漏磁场的一个综合参数，它就是三相对称电枢电流所产生的全部磁通在某一相中所感应的总电动势与相电流之间的比例常数。同步电抗是同步电机的基本参数之一。,式中：称为电枢反应电抗，就大小而言，它就是“正比于”的比例常数，,因此，就是对称负载下每相电流为1安时所感应的电枢反应电动势。,隐极同步发电机,气隙电动势：,隐极同步发电机,相量图,感性负载下隐极同步发电机的相量图。几何关系。,隐极同步发电机,凸极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图（不考虑饱和）,凸极同步发电机,凸极同步发电机,分别称为凸极同步电机的直轴同步电抗和交轴同步电抗。,其物理意义为当对称三相直轴或交轴电枢电流每相为 1 安时，三

24、相联合产生的电枢总磁场在电枢每一相绕组中感应的电动势。,凸极同步发电机,式中xad、xaq分别称为直轴电枢反应电抗、交轴电枢反应电抗，表征当对称的三相直轴或交轴电枢电流每相为1安时，三相联合产生的基波电枢反应磁场在每一相绕组中感应的直轴或交轴电枢反应电动势。,凸极同步发电机,已知 U、I、cos 及电机参数，相量图作法。,从空载特性、短路特性求同步电抗的不饱和值和短路比,参数测定,空载特性：n=n1，I=0时，E0 U0=f(if),从空载特性、短路特性求同步电抗的不饱和值和短路比,参数测定,短路特性：n=n1，U=0时，Ik=f(if),短路特性是一条直线。,从空载特性、短路特性求同步电抗的

25、不饱和值和短路比,参数测定,从空载特性、短路特性求同步电抗的不饱和值和短路比,参数测定,短路比：在相应于空载额定电压的励磁电流下，三相稳态短路时的短路电流与额定电流之比值。,从空载特性、短路特性求同步电抗的不饱和值和短路比,参数测定,参数测定,用转差法试验测同步电机的同步电抗,同步发电机的零功率因数负载特性及保梯电抗的测定,零功率因数负载特性,参数测定,根据零功率因数负载特性和空载特性确定定子漏抗和电枢反应磁动势,在零功率因数特性上取两点：额定电压点（UUN，I=IN），另一点为短路点K（U0，I=IN）。,同步发电机的零功率因数负载特性及保梯电抗的测定,参数测定,AEF 特性三角形,根据零功

26、率因数特性和空载特性所确定的漏抗将比实际的定子漏抗稍大，一般把由零功率因数特性和空载特性确定的漏抗称为保梯电抗，以 xp 表示。,同步发电机的零功率因数负载特性及保梯电抗的测定,参数测定,并联投入条件,发电机的电压幅值等于电网电压幅值，且波形一致。2.投入时，发电机的电压相位与电网电压相位一致。3.发电机的电压频率等于电网的电压频率。4.发电机的三相电压相序与电网三相电压相序一致。,同步发电机的并联运行,隐极式同步发电机的功角特性,同步发电机的并联运行,凸极式同步发电机的功角特性,称为基本电磁功率；,称为附加电磁功率，只与电网电压U 有关，而与 E0 无关。,同步发电机的并联运行,凸极式同步发

27、电机的功角特性,同步发电机的并联运行,功率角的物理意义,1）功率角是 和 之间的时间相位差角，对发电机而言，角是励磁电动势 超前于端电压 的时间角。,同步发电机的并联运行,2）由于励磁电动势 是主磁场 感应产生的，电枢端电压 可认为由一电枢等效合成磁场 感应产生，所以可以近似地赋予功率角以空间意义：主磁场 与电枢等效合成磁场 之间的空间角。,同步发电机的并联运行,有功功率的调节,对一台并联在无限大电网上运行的同步发电机，要调节其输出功率，必须调节来自原动机方面的输入功率。而随着输出功率的变化，当励磁不作调节时（E0保持不变），电机功率角、无功功率必然随之变化。,在电网或原动机方面偶然发生一些微

28、小扰动时，当扰动的原因消失以后，发电机能否回到原先的状态继续运行，这个问题称为同步发电机的静态稳定问题。如果能回到原先的状态，发电机就是“静态稳定”的，反之，就是不稳定的。,静态稳定,同步发电机的并联运行,则同步发电机是静态稳定的；,则同步发电机是静态不稳定的；,为静态稳定极限，此时发电机保持静态稳定的能力为零。,静态稳定,同步发电机的并联运行,dTM/d愈大，保持静态稳定的能力（保持同步的能力）愈强，也就是说，稳定性愈高。一般把dTM/d称为 同步电机的同步转矩系数。,隐极电机,凸极电机,静态稳定,同步发电机的并联运行,过载能力：最大电磁转矩（或最大电磁功率）与额定电磁转矩（或额定电磁功率）之比，称为过载能力，用 km表示。,静态稳定,同步发电机的并联运行,无功功率的调节,同步发电机的并联运行,保持发电机输出有功功率不变：,对一台并联在无限大电网上运行的同步发电机，原动机方面的输入功率不做调节，仅调节励磁电流，同步发电机输出有功功率不变、无功功率变化。,调节有功功功率输出时，要影响发电机的无功功率输出；而调节无功功率输出时却不会影响发电机的有功功率输出。,