电气工程及其自动化专业英语教程(凌跃胜.宋桂英.黄文美)

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taxe A

电力变压器的结构和原理

在许多能量转换系统中，变压器是一个不了缺少的原件。它使得在经济的发电机所产生电能并以最经历的传输电压传输电能，同时对于特定的使用者合适的电压使用电能成为可能。变压器同样广泛的应用于低功率低电流的电子电路和控制电路中，来执行像匹配电源组抗和负载以求得最大的传输效率。隔离一个电路与另一个电路在两个电路之间隔离直流电而保证交流电继续通道的功能。

在本质上，变压器是一个由两个或多个绕组通过相互的磁通耦合而组成的，如果这其中的一个绕组，原边连接到交流电压源将产生交流磁通它的幅值决定于原边的电压所提供的电压频率及匝数。感应磁通将与其他绕组交链，在副边中将感应出一个电压其幅值将取决于副边的匝数及感应磁通量和频率。通过使原副边匝数比例适应，任何所期望的电压比例或转换比例都可以得到。

变压器工作的本质仅要求存在与两个绕组相交链的时变的感应磁通。这样的作用也可以发生在通过空气耦合的两组绕组中，但用铁心或其他铁磁材料可以使绕组之间的耦合作用增强，因为一大部分磁通被限制在与两个绕组交链的高磁导率的路径中。这种变压器通常被称作为心式变压器。大部分变压器都是这种类型。以下的讨论几乎全部围绕心事变压器。

为减少铁心中的涡流所产生的损耗，磁路通常由一叠薄的叠片所组成。如图1.1所示两种常见的结构形式用示意图表示出来。芯式变压器的绕组绕在两个矩形铁心柱上，壳式变压器的绕组绕在三个铁心柱中间的那个铁心柱上，。0.14毫米厚的硅钢片通常被用于在低频率低于几百Hz下运行的变压器中，硅钢片具有价格低铁心损耗小，在高磁通密度下，磁导率高的理想性能，能用做高频率低能耗的标准的通讯电路中的小型变压器的铁心是由被称为铁氧体的粉末压缩制成的铁磁合金所构成的。

在这些结构中，大部分的磁通被限制在固定的铁心中与两个绕组相交链。绕组也产生多余的磁通，像漏磁通，只经过一个绕组和另外的绕组不相交链。虽然漏磁通只是所有磁通的一小部分，但它在决定变压器的运行情况中起着重要的作用。在实际的变压器中，可以通过将绕组分成埃的越近五越好的几部分来减少漏磁通。在芯式结构中，每个绕组由两部分组成，两个铁心柱上每一个上各有一部分。原边副边是同心绕组，在壳式变压器中，将利用同心式绕组排列的变化或者三做可能由一些原边个副边交叉放置而叠在一起的扁平线圈组成。

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textA

直流电机

商业直流发电机和电动机是以同样的方式构成的，因此，任何直流发电机都可以

按电动机操作。反之亦然直流发电机的电枢绕组在转子上通过电刷产生电流，励

磁绕组在定子上并由直流电激励。

电枢绕组由N匝单独线圈组成，在转子上与轴相平行的导体，在直径上相对的线

圈两侧被标有ε和-ε与转子轴相连接的原动机拖动转子以恒定的转速旋转，气

隙磁场分布接近平顶波而不是交流电机中的正弦波。转子线圈产生的线圈电压是

一个与空间磁通密度分布具有相同波形的时间函数。

虽然最终目的是产生直流电压，但是独立的电枢线圈所感应的电压是交流电压，

因此必须进行整流，交流电机输出电压可利用半导体整流器进行整流，这是与传

统直流电机的一个对照，直流电机用换向器来完机械整流。换向器是安装在转子

轴上且与轴绝缘的，，铜片组成的圆柱体，换向片与换向片之间用云母或其他绝

缘材料绝缘。碳刷被放在换向器截面上通过绕组直接到外面的电枢尾端，需要换

向是因为直流电机的电枢绕组位于转子上。

S极下方的换向器任何时刻都通过线圈一侧与N极下方的反向换向器相连接，如

图1.2。换向器提供全波整流，将电刷之间的电压波形转换成图1.3所示那样，

并对应电路输出一个直流电压，通过增加换向片数，可以减弱直流电压的脉动，

我们可以去获得较平缓的直流电压。现代直流发电机感应出的电压在5％的范围

内波动。当然如图1.2所示的电机被简化为在实际意义中的理想模型，但操作原

理是容易理解的。

直流电在直流电机励磁绕组的作用是感应一个相对转子静止的磁通分布。类似的，换向器的作用是当直流电通过碳刷流过电枢的，电枢会产生一个空间，，，，

的磁通分布，此磁通的轴向由电机设计和电刷位置决定。典型方向与主极磁场的

磁通方向正交。

因此，正如在交流电机中那样，这两个磁通分布相互作用产生直流电机的转矩。

如果电机工作在发电机状态，这个转矩阻碍旋转，如果工作在电动机状态，电机

械沿转矩方向旋转。

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textA

同步电机

通过讨论由一个非常简单的凸极交流同步发电机的电枢感应的电压，可以得到一

个描述同步电机特征的基本图片，如图1.4所示。因为这个电机的激磁绕组产生

一对磁极，所以这个电机被称为双极电机。

同步电机的电枢绕组在定子上，激磁绕组在转子上。激磁绕组被流过它的直流电

所激励，这个直流电通过连接在转动滑环或集电环的碳刷流到激磁绕组上。这两

个绕组的取向通常由实际的因素确定。在转子上的单一的低功率激磁绕组而在定

子上的高功率的点名的多组电枢绕组有利。

在这里电枢绕组仅仅是由N匝单独的线圈组成，如图1.4所示，在横截面上，位于定子内圆表面上在直径上相对的狭窄的槽内，用标有α和-α的两个线圈表示。组成线圈的导体与电机的轴平行并相互串联（图中没有显示出)。转子由与它的轴连接的原动机拖动并以恒定的转速旋转。假设电枢绕组是开路，所以电枢中的磁通仅仅是由磁绕组产生的。在图1.4中虚线表示磁通的路径。

非常理想化的分析这个电机，我们将假设在气隙中的磁通呈正弦分布。图1.5a 给出了气隙磁通密度B的合成空间分布，他是转子周围空间角θa的函数。实际上，通过适当的制作凸极电极的极面可以使凸极电极的气隙磁通密度近似是正弦分布。

由于转子旋转，与电枢绕组相交链的磁通随时间变化。在假定磁通呈正弦分布且转子转速恒定的情况下，感应的线圈电压将随时间正弦变化，如图1.5b所示。图1.4所示的两极电极每转一圈，线圈电压就经过一个完整的周期，电压的交变频率等于用每秒转数为单位的转子转速，即感应电压的电气频率与机械转速同步。这也是同步电机的设计根据。因此两极同步电机必须每分钟转3000转，以产生50Hz的电压。

许多同步电机的磁极数都大于2，同步发电机旋转磁场的三相定子绕组就直接与负载相接，而不是通过过大的，不同的滑环和碳刷。静止的定子也使绕组的绝缘变得容易，因此他们不受离心力的影响。图1.6是这种发电机的简易图示，有时候它也被叫做交流发电机。它的磁场由直流发电机激励，它们通常安放在相同的轴上相连。注意换向器的电刷必须在滑环的另一个电刷端子上，以使为旋转的磁场提供直流电压。

与同步发电机相对应的是同步电动机，为了产生恒定的机电转矩，定子和转子磁场必须有恒定的幅值，并且相对静止。在同步电动机中，转速的稳定状态取决于磁极数和电枢电流的频率。

在发电机和电动机中，都产生机电转矩和回转电压。这是机电能量转换中不可少的条件。

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textA

可变磁阻电机

可变磁阻电机（通常缩写为VRMs）几乎是结构最简单的电机。它们由缠绕着激磁绕组的定子和高磁导率的转子组成。转子上没有绕组，其产生磁矩的原因是转子总是处在是定子磁链最大的位置。定子绕组电感是转子位置角的函数。

尽管可变磁阻电机的概念已经持续了很长时间，但是只是在最近的十年中，这些电机才被广泛的应用于工程实际中。在很大程度上归咎于这个事实，尽管他们在结构上很简单，但是有些难于控制(在控制上有些复杂)。例如转子的位置是已知的，一边于正确的设计相绕组以产生转矩。她们的广泛可利用性和低的微电子，