电机

电气工程及其自动化课程之电机思维导图，包括电机概论、变压器、异步机和同步机四部分内容，值得收藏的思维导图。

电机

• 概论
  • 电机定义
    • 利用电磁感应定律或电磁力定律实现能量传输或转换的电气设备
  • 电机作用
    • 进行电能生产 同步发电机
    • 进行电能传输分配 变压器
    • 进行电能消费，驱动各种生产机械和装备 异步电动机
    • 作为自动控制系统中的重要元件
  • 电机分类
    • 按电流形式
      • 直流电机
        • 电机输出或输入的能量为直流电能
      • 交流电机
        • 电机输出或输入的能量为交流电能
          • 变压器
          • 同步电机
          • 异步电机
    • 按用途
      • 静止电气设备
        • 变压器
          • 变压变流变阻抗，不变频率
      • 旋转电机
        • 直流电机
          • 直流发电机
          • 直流电动机
        • 交流电机
          • 同步电机
            • 同步发电机
            • 同步电动机
          • 异步电机
            • 异步发电机
            • 异步电动机
  • 使用材料
    • 导电材料
      • 电路系统导电性能好，紫铜线和铝线
    • 导磁材料
      • 磁路系统导磁性好铁芯损耗小。钢板铸钢铸铁
    • 绝缘材料
      • 线圈之间或线圈与铁芯之间，硅钢片。 变压器油绝缘纸板绝缘布带木材电瓷制品环氧制品
    • 冷却材料
      • 热容量大，导热能力强
        • 气体冷却 空气氢气
        • 液体冷却 油，水
  • 铁磁材料
    • 铁钴镍以及它们的合金
    • 分类
      • 软磁
        • 剩磁小，易磁化
          • 电机和变压器铁芯常采用软磁材料。（硅钢片）
      • 硬磁
        • 剩磁较大，也称为永磁材料
    • 磁导率
      • 非导磁材料磁导率为常数，接近真空磁导率 4π×10负七次H/m
      • 铁磁材料磁导率远大于非导磁材料磁导率，电机中常用的铁磁材料的磁导率约为真空磁导率2000-6000倍
      • 铁磁材料是非线性的，较大范围内变化
      • 磁化
        • 外磁场作用下，铁磁材料内部磁筹重新排列，使内部磁效应不能抵消，因而宏观上对外显示磁性
      • 特性
        • 磁滞性
          • 铁磁物质在交变磁化过程中，磁化过程和去磁过程不重合，B的变化总滞后于H的变化。外磁场消失后，铁磁物质中仍保留剩磁
        • 饱和性
          • 铁磁物质中的磁感应强度不会随外磁场的增强而无限增大。磁化曲线非线性，随磁路饱和磁导率减小
        • 高导磁性
          • 一定温度范围内铁磁材料磁导率很大
      • 铁心损耗
        • 磁滞损耗
          • 正反方向交替磁化，磁筹摩擦产生损耗
          • 频率高，磁滞损耗大
          • 磁滞回线包围面积大，损耗越大
            • 用硅钢片（软磁材料），包围面积小
          • 铁芯体积越大，磁滞损耗越大
        • 涡流损耗
          • 交变磁场作用下，铁芯中产生感应电动势并产生许多闭合的漩涡状电流
            • 铁芯做成相互绝缘的薄片，可减小涡流损耗
            • 提高铁芯材料电阻率可减小涡流损耗 （加硅）
            • 表面涂油绝缘漆的电工钢片（硅钢片）叠装成铁芯，可减小铁芯损耗
• 变压器
  • 概念
    • 静止的电磁装置，一二次绕组通过交变磁场联系，利用电磁感应实现电能传输
    • 主磁通
      • 沿铁心闭合，起能量传递的媒介作用，所经磁路非线性
    • 漏磁通
      • 沿非铁磁物质闭合，起电抗压降的作用，所经磁路是线性的
  • 分类
    • 按铁芯结构分
      • 芯式
        • 绕组包围铁芯（一般采用）
      • 壳式
        • 铁芯包围绕组
    • 按中性点绝缘水平
      • 全绝缘
      • 分级绝缘
    • 按调压方式
      • 有载
      • 无励磁
    • 按容量
      • 特大型（90000kVA）
      • 大型（8000-6300kVA）
      • 中小型（800-6300kVA）
      • 小型（＜63kVA）
  • 结构
    • 铁芯
      • 分类
        • 叠片式
        • 渐开线式
      • 组成
        • 铁芯柱
          • 可靠接地（一点接地）防止铁芯放电
        • 铁轭
    • 绕组
      • 分类
        • 同芯式
          • 圆筒式
          • 螺旋式
          • 连续式
          • 纠结式
            • 大容量 采用纠结连续式绕组，改善大气电压作用下绕组上初始电位分布，防止绕组绝缘在过电压时被击穿
        • 交叠式
    • 绝缘
      • 外部绝缘
      • 内部绝缘
        • 油箱盖内部的绝缘
          • 主绝缘
            • 绕组铁芯之间
            • 绕组油箱之间
            • 高低压绕组之间
            • 相间
          • 纵绝缘
            • 绕组的层间绝缘
            • 匝间绝缘
            • 段间绝缘
  • 铭牌参数
    • 型号
    • 额定容量
      • 额定运行状态下输出的视在功率
      • 三相变压器，额定容量指三相总容量
      • 双绕组变压器，原副边容量按相等进行设计
    • 额定电压
      • 额定空载运行时加在一起的绕组电压 线电压 用有效值表示
      • 额定电压比
        • 一个绕组的额定电压与另一个具有较低或相等额定电压绕组的额定电压比，k≥1
    • 额定电流
      • 由变压器额定电压和额定容量推导出流经绕组线路端子的电流，为变压器额定运行时一二次绕组的电流，对于三相变压器指线电流
      • 三相变压器 Sn风雨√3U1nI1n＝√3U2nI2n
    • 额定频率
      • 50Hz 周期和频率互为倒数关系
    • 额定温升
      • 绕组或上层油面与周围空气的温度之差
      • 规定 不超过1000m时，绕组温升限值65℃ 上层油面温升55℃ 变压器周围空气最高温度40℃ 变压器运行的上层油面不超过95℃
    • 阻抗电压
      • 双绕组变压器当二次绕组短路，一次绕组通额定电流施加的电压，也称为短路电压
      • 正常运行时希望小
      • 短路故障时希望大
      • 中小型变压器阻抗电压4-10.5% 大型变压器12.5%-17.5
  • 运行
    • 空载运行
      • 主磁通
        • 与空载电流成非线性关系，传递能量
      • 漏磁通
        • 与空载电流是线性关系，产生漏抗压降
      • 空载电流
        • 空载运行时，一次绕组流过的电流
          • 性质
            • 感应无功电流
          • 作用
            • 产生磁场
            • 提供损耗
          • 分解
            • 磁化分量
              • 磁化作用，无功分量
            • 铁耗分量
              • 对应磁滞损耗涡流损耗，有功分量
          • 波形
            • 主磁通正弦波，空载电流尖顶波
            • 主磁通平顶波，空载电流正弦波
          • 大小
            • 很小，一次侧额定电流的2%-10% 变压器容量越大，空载电流百分数越小说明铁心性能越好
        • 产生空载磁动势，建立空载磁通
          • 主磁通沿铁芯材料闭合
          • 漏磁通经废铁磁材料闭合
        • 空载损害
          • 有功功率损耗
          • 近似于铁芯损耗
      • 变比
        • 一二次绕组相电势之比
    • 负载运行
      • 磁势平衡
        • 励磁分量 产生主磁通 负载分量，平衡二次绕组磁动势的影响
      • 等值电路
        • Rm铁耗等效电阻，非实质电阻，不能用直流电表测量
        • Xm励磁电抗，希望大，励磁电流就会小 铁芯截面积增大，饱和程度下降，Xm增大
      • 折算
        • 将变压器的二次绕组用另一个绕组来等效，同时对该绕组的电磁量作相应的变换，以保持两侧的电磁关系不变
        • 原则
          • 保持二次侧磁动势不变，保持二次侧各功率和损耗不变
        • 规律
          • 伏 ×k Ω ×k² 安 ÷k
  • 试验
    • 空载试验
      • 低压侧加压，高压侧开路
      • 测U0，I0，P0 计算Zm，Rm，Xm
      • 近似铁损
    • 短路试验
      • 高压侧加可调低压，低压侧短路
      • 测In附近的Uk，Ik，Pk 计算Zk，Rk，Xk
  • 外特性
    • 电源电压和负载功率因数一定时，变压器二次侧端电压与负载电流之间的变化关系（输出特性）
    • 带容性负载时，负载增加端电压可能升高
  • 电压变化率
    • 变压器一次侧接额定频率额定电压的电源，二次侧的空载电压与二次侧带负载的时间电压之差的标幺值△U
    • 感性阻性负载，电压变化率为正 容性负载，电压变化率可能为正负零
  • 效率
    • 输出有功/输入有功
    • 最大效率发生位置：可变损耗铜损＝不变损耗铁损 β²Pkn＝P0n β＝0.5-0.6
  • 三相变压器
    • 分类
      • 组式
        • 磁路互相独立互不关联，三相空载电流大小相等
      • 芯式
        • 磁路互相关联，两个边相励磁电流大于中间相
    • 接法
      • YD高压
      • yd低压
      • Yy,Dd六种偶数组号
      • Yd,Dy六种奇数组号
    • 绕组极性测定方法
      • 直流测定法
      • 交流测定法
    • 三相变压器无不能用Yy，芯式可以用Yy
    • Yyn三相组式不能带单相负载运行（中性点偏移严重） 芯式可以，但中性线电流不超过额定电流的25%
    • 不论D或Y接法，线电势中不存在三次谐波，所以线电势一定是正弦波Yy接线，相电势为尖顶波，所以一般不使用，如果非要使用，可增加一个D接的第三绕组
  • 并列运行条件
    • 连接组号相同
    • 变比相等
      • 允许变比差不超过0.5%
    • 短路阻抗标幺值相等
      • 负载分配与短路阻抗标幺值成反比
  • 自耦变压器
    • 功率传递
      • 电磁容量（绕组容量）
        • 额定容量-绕组容量＝传导容量 电磁容量总小于额定容量
      • 传导容量
    • 效益系数
      • 标准容量/额定容量kb
        • 电压比越小，kb越小，经济效益显著 K≤2
    • 中性点可靠接地
      • 防止出现过电压
    • 运行方式
      • 自耦运行方式
        • 高中压侧交换功率
      • 联合运行方式
        • 高中压侧，高低压侧，低中压侧都交换功率
• 同步机
  • 概念
    • 转子与旋转磁场同步（同速同向）旋转
    • n1＝60f/p＝n
      • n1旋转磁场的转速
      • n转子转速
      • f电源频率
      • p电机磁极对数
    • 能量转换方式分类
      • 同步发电机
      • 同步电动机
      • 同步调相机
        • 进行无功功率调节，改善电网功率因数，相当于空载运行的同步电动机
    • 按转子结构分
      • 凸极机
        • 水轮发电机，有明显磁极，气隙不均匀，转速较低，极数多，立式安装
      • 隐极机
        • 汽轮发电机，转速高，3000r/min，无明显突出磁极，气隙均匀，卧式安装
  • 结构
    • 定子
      • 定子铁芯
        • 导磁材料，硅钢片叠成。 构成磁路，嵌放电枢绕组
      • 定子绕组
        • ABC三相。向负载输出三相对称交流电流，定子三相绕组只做Y联接
      • 机座
      • 端盖
      • 电刷
    • 转子
      • 铁芯
        • 良好导磁性能，整块钢
      • 励磁绕组
        • 通直流电，产生主磁极磁场
      • 阻尼绕组
        • 短路绕组，不对称运行时利用感应电流削弱负序旋转磁场，发生振荡时起阻尼作用
      • 转轴
      • 滑环
    • 气隙
  • 工作原理
    • 电磁感应原理
    • 过程
      • 励磁绕组通入直流电流，建立主磁场
      • 原动机拖动转子以转速n匀速旋转时，转子磁场依次切割三相对称定义绕组，在三相电枢绕组中感应出对称交变电动势
      • 接通负载就可以输出电流，从而把转轴上获得的机械能转化为定子绕组向外输出的电能
    • 每相空载电动势E0＝Keψ0n Ke＝4.44NKwp/60
  • 参数
    • 额定值为线值
    • 发电机Pn＝√3UnIncosΨn
    • 电动机Pn＝√3UnIncosΨnηn
  • 运行
    • 空载运行
      • 外力矩带动转子以额定转速旋转，n＝nN，定义三相绕组输出端开路（负载电流为0）
      • 空载特性
        • 空载电动势E0与励磁电流的关系
      • 主磁通较小时，整个磁路处于不饱和状态，绝大部分磁动势消耗于气隙，因此空载特性下部是一条直线
      • 与空载曲线下部相切的线称为气隙线。随主磁通增大，铁芯逐渐饱和，空载曲线逐渐变弯
      • 同步发电机调励磁可调压
      • 同步发电机单机运行时，空载电动势波形取决于主磁场波形的空间分布，频率取决于电机转速，相序取决于转子转向
    • 负载运行
      • 输出端接三相对称负载，定子绕组中有三相对称电流流过
      • 定子三相绕组中的负载电流产生定义旋转磁场，称为电枢磁场，转速n1为n
      • • 电枢反应
          • 定子电枢磁场对转子励磁磁场的影响 电枢磁动势又称为电枢反应磁动势
          • 使气隙合成磁场改变
          • 负载性质决定了定转子磁场相对夹角，从而决定电枢反应结果
          • 电枢反应的性质（去增交）取决于电枢磁势和主磁场在空间的相对位置
          • 三个角
            • 内功率因数角Ψ
              • 负载电流与空载电动势的夹角
                • 与发电机参数及负载有关
            • 外功率因数角ψ
              • 发电机端电压与负载电流的夹角
                • 与负载有关
            • 功率角δ
              • 空载电势与端电压的相位角
            • Ψ＝ψ+δ
          • 四个轴
            • 直轴（纵轴，d轴）
              • 主磁极轴线位置
            • 交轴（横轴，q轴）
              • 与直轴成90°电角度的位置
            • 相轴
              • 每相绕组的轴线位置
            • 时轴
              • 时间相量在其上投影可得瞬时值
          • 结果
            • Ψ＝0
              • 交轴电枢反应
                • 气隙合成磁场畸变
            • Ψ＝90°
              • 直轴去磁电枢反应
                • 气隙合成磁场削弱
            • Ψ＝-90°
              • 直轴增磁电枢反应
                • 气隙合成磁场加强
            • 0＜Ψ＜90°
              • 发电机带电感性负载，直轴去磁和交轴电枢反应，磁场削弱畸变
    • 发电机分析
      • 隐极机
        • 同步电抗
          • 表征对称稳态运行时，电枢旋转磁场和电枢漏磁场的一个综合参数
          • 同步电抗越大，短路电流越小，电机静态稳定性越差
          • 电枢反应磁场与转子均以同步转速同方向旋转，定子磁场并不切割转子绕组，所以同步电抗也就是定子方面的总电抗
          • 电枢绕组流过对称三相电流，即气隙磁场为圆形旋转磁场时同步电抗才有意义
      • 凸极机
  • 特性
    • 短路特性
      • 额定转速下，定子三相绕组短路时，电枢电流Ik与励磁电流If的关系
      • 一条直线
      • 短路电流认为是纯感性的，电枢磁动势是纯去磁磁动势，磁路处于不饱和状态
      • 短路比
        • 额定励磁电流时短路电流与额定电流之比
        • 与同步电抗成反比
        • 表征发电机静态稳定的重要数据
        • 短路比大，电机运行性能好，电压变化率小，电机并网运行静态稳定性好，气隙大，励磁电流大，转子用铜量大，成本高
    • 负载特性
      • 电枢电流及功率因数为常数时，端电压与励磁电流之间的关系曲线
      • 零功率因数负载曲线
        • 同步发电机带上一个纯感性负载，转速为同步速，并保持负载电流不变时，发电机端电压与励磁电流的关系
    • 外特性
      • 发电机负载时端电压变化规律
      • 纯阻性负载，电流增大端电压下降
      • 纯感性负载，电流增大，端电压下降更快
      • 容性负载，电枢反应可能是助磁作用，电流增大端电压上升
      • 电压调整率
        • 空载相电动势Eo 额定相电压Unψ
    • 调整特性
      • 正常运行情况下，端电压和负载功率因数一定时，表示负载电流与励磁电流之间的关系曲线
      • 变化趋势与外特性相反
      • 对于感性和纯阻性负载，为补偿电枢反应的去磁作用及电枢漏阻抗压降，随负载增加，若要保持端电压为常数，就必须增加励磁电流。因此，这两种情况下调整特性是下降的
  • 并列运行
    • 条件
      • 电压大小波形相同
      • 相位相同
      • 频率相同
      • 相序一致
    • 调节
      • 调励磁电流可调节发电机电压大小
      • 调原动机进旗量可调节发电机频率
    • 方法
      • 准同步
      • 自同步
    • 并联于无穷大电网的汽轮发电机，若要增加有功输出，应开大汽门 若要增加感性无功功率输出，应增加励磁电流
    • 并联于无穷大电网的汽轮发电机，运行于电网发出有功功率和感性无功功率的状态，若此时只增加励磁电流，功角δ减小，功率因数cosψ减小，定子电枢电流I增大，空载电动势E0增大
    • 并联于无穷大电网的汽轮发电机，过励磁向电网发感性无功，欠励磁向电网发容性无功，同步电动机过励磁从电网吸容性无功，欠励磁从电网吸感性无功
  • V形曲线及无功调节
    • 调节同步发电机转子励磁电流的大小，不仅可以改变发电机发出的无功功率的大小，还可以改变无功功率的性质
    • 正常励磁状态
      • 发电机定子电流与端电压同相位，只发有功功率，此状态对应电枢电流最小
    • 过励磁状态
      • 发电机电枢电流滞后端电压，发有功和无功。发出感性无功越多，定子电流越大，功角越小
    • 欠励磁状态
      • 电枢电流超前端电压，发有功无功。越欠励，发出容性无功越多，定子电流越大，功角越大，系统越不稳定。功角超过90°，会失步
    • 保持有功不变时，调节励磁电流大小，发电机电枢电流发生变化
    • 调节功角，可调节有功输出，同时也影响无功输出 仅调励磁电流，无功功率大小会改变，不会改变有功功率大小，但电机功角和静态稳定性会改变
• 异步机
  • 结构
    • 定子
      • 电枢铁芯
      • 电枢绕组
      • 机座
    • 转子
      • 转子铁芯
      • 转轴
      • 转子绕组
        • 笼型
        • 绕线型
          • 笼型参数不能变，绕线型可串阻抗
          • 异步电机的转子绕组是短路闭合绕组
    • 气隙
      • 很小，0.2-2mm
  • 运行状态
    • 电动机0＜n＜n1 0＜s＜1
      • 转差率
        • s＝（n1-n）/n1 Sn＝0.01-0.05
    • 发电机n＞n1 s＜0
    • 电磁制动n＜0 s＞1
  • 参数
    • 额定值为线值
    • 发电机Pn＝√3UnIncosΨn
    • 电动机Pn＝√3UnIncosΨnηn
  • 运行原理
    • 转子静止时
      • n＝0 s＝1
      • 基本方程
    • 转子旋转时
      • n≠0 s＜1
        • 转子f2＝sf1
        • 空载电流也叫励磁电流
  • 折算
    • 频率折算
    • 绕组折算
    • 简化等效电路
      • • I2增大，则I1也增大
  • 参数测定
    • 相数
      • m2＝Z2/p＝整数
      • 若≠整数，m2＝Z2
    • 极数
      • p2＝p1＝p（所有电机稳定运行的条件）
    • 绕组参数
      • N2＝½
      • Kw2＝1
  • 功率与转矩
    • 功率
    • 转矩
      • 电磁转矩Tem
        • Tem＝Pem/Ω1
      • T-s曲线
        • 起动时n＝0，s＝1 起动转矩小
    • 实际工作中的问题
      • 起动
        • 特点
          • 启动电流Ist
            • Ist≈U1/Zk
            • Ist大，＝（10-20）In
          • 起动转矩Tst小
            • Ψ2≈90°
        • 笼型异步电动机起动
          • 直接启动
          • 降压起动
            • 电枢回路串电抗器启动
            • 电枢回路串自耦调压器起动
            • Y-燃料变换起动
              • 只能用在异步机正常运行时△接
        • 绕线试异步电动机起动
          • 转子回路串电阻
          • 串电阻不是越大越好
        • 具有高起动转矩的笼型电机 （利用集肤效应原理）
          • 深槽式
          • 双笼型
      • 调速
        • 变极调速
          • 转速的变化是跨越性的
          • 改变三相电流的相序，以保证电机转向不变
        • 变频调速
          • 注意保持铁芯中磁通不变
        • 改变转差率调速
          • 转子回路串电阻
          • 改变电压
          • 串级调速
      • 制动
        • 反接制动
        • 能耗制动
        • 回馈制动
    • 单相异步电动机
      • 起动方法
        • 分相起动（裂相起动）
        • 罩极起动