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1、unit1 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
2、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，
3、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，
4、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。unit2 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和-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
5、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。换向名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - -
6、- - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - 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
7、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。unit3 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
8、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，用标有和-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a 的函数。实际上，通过
9、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
10、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。unit4 textA 可变磁阻电机名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - -
11、 - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - 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
12、。她们的广泛可利用性和低的微电子，电力电子的成本使它们在一系列的广泛应用中，可以和其他的电机工业技术相竞争。顺序激励可变磁阻电机的各项绕组，其转子就会一步步旋转， 经过一个特定的角度。可变磁阻电机驱动交流电动机及其逆变器被设计成与如下标准相符合:低成本，恒转矩与转子位置角无关，具有想要的运行速度范围，高效率。由于在任何工程师职业中， 对设计者来说， 一个特殊应用的最终设计方案都是多种可利用的选择之间的，方案。因为可变磁阻电机需要某种电子器件并且需要控制其运行，设计者们经常要考虑使安全驱动系统的特殊性尽可能完整，这个给发电机的设计添加了额外的限制条件。可变磁阻电机可以被制作成各种不同的结构如凸极
13、和双凸极结构。 尽管这两种形式的设计方案都可以，但通常优选双凸极结构，因为它在个给定的环境下一般可以产生比较大的转矩。图 1.8 所示是6/4 式可变磁阻电机，从图中我们可以看出6/4 式电机的基本特征是不可能同时调整相电感， 因此这种电极没某空转矩位置，这一点很重要。 因此消除了转子会在某一位置停顿的可能性除了这一事实外，不存在可以同时调整6/4 可变磁阻电机的位置， 可以看出， 也不存在单一转矩的转子位置。因此通过适当的控制相电流，可以得到与转子位置无关的恒转矩。一般来讲，可变磁阻电机的每一个电极上都缠绕着独立的线圈，尽管有可能控制每一个绕组使其分离为单独的一相，实际上通常将它们合并某极的
14、一组同时被激励的绕组，例如图 1.8 所示的 6/4可变磁阻电机被联结成了相电机，其相反的电极被联结在相同的相上，在这种情况下，绕组使磁通以相同的方向通过转子。一般来讲， 当给定的一相被激励时，转矩总是使转子趋于最后的使磁通交链最大的位置，当激励从另一相转移时， 则下一相被激励。 转子随着趋于新的使磁通交链最大的位置，这样转子的转速由相电流的频率决定。 然而和同步电机的情况不同， 转子转速与相绕组激励的频率和顺序之间的关系很复杂，这种关系依赖于每一相中转子极数和定子极数。unit5 textA 继电器当我们需要用小电流控制大电流大电压时。继电器是非常有用的，当触头通过磁场打开或关断时，产生磁场
15、的继电器线圈仅仅消耗一小部分瓦特的电能量，但它可以传导向负载传导比瓦特大几百倍的能量。事实上，继电器就像一个2进制的放大器一样工作。如图 1.10 所示， 当单刀单掷触头关断高压 （AC380V）电路时，继电器线圈被激励通过低压（12V DC）电源供电。与给继电器线圈加电压所需要电流远远小于触头的电流等级很相像。典型的继电器线圈电流远远小于 1 安陪，然而典型的工业继电器触头等级至少要10 安陪。一个继电器线圈通常可能被用作驱动多个触头。这些触头可以是常开或者常闭，或者这两种形式的任意组合。就像开关一样， 断电时的线圈的状态就是继电器触头的的通常的状态，就像你把继电器放在一边而不与其他电路相连
16、一样。选择继电器触头的指标要与开关触头的指标相匹配。在空气中常开的触头最好应用在大电流的场合，但是在工业环境中的他们容易腐蚀产生火花而引起一些问名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - 题。水银和簧片触头不产生火花也不易腐蚀，但是它们受载流能力的限制。如图 5.11所示是三个小的继电器（每个大约两英尺高），把他们安装在面板上作为市政的水处理车间电控系统的一部分。在这里继电器被叫做八角底座，因为它们插在对应的插座上，通过八个
17、金属插角。把电线连接在一个安全的通道上。就像你从图中看到的螺丝接线端实际上是插座的组成部分，导线通过接线端连接到继电器上， 每个继电器都被插在插座上。 这种连接方式使得出现故障的麻烦和重新安装继电器变得容易。继电器除具有用一个小电信号开关一个大电信号的能力外，还可以在线圈电路与出点电路之间起电气隔离的作用，这说明驱动线圈电路与触电电路之间是相互隔离的。也许其中一个电路是直流的而另一个是交流的，通过连接或对他的连接，它们处在完全不同的电压水平。8 然而继电器在本质上是双重设备， 或者完全打开， 或者完全关断， 在运行环境中它们的状态是不确定的， 就像半导体逻辑门一样。 为了保证使继电器的线圈能够
18、驱动触电而在线圈中流过的最小电流称作动作电流。这与为保证逻辑门有高电平而需施加的最小电压（ TTL 的典型值 2 伏，CMOS 为 3.5伏）相似。在电枢回到它的弹簧安放位置它的触头恢复到常态以前，线圈电流必须降落到一个很明显的数值，这个值要小于动作电流。 这个电流水平称为返回电流， 这与为保证逻辑门有低电平而需施加的高电压 (TTL 的典型值为 0.8 伏，CMOS 为 1.5 伏)相似。 9 滞回现象，或者动作电流和返回电流之间的不同的产生类似于施密特出发死逻辑。不同的继电器的动作电流和返回电流值变化很大，它们都规定厂商标定。unit6 textA 断路器和它的主要部件1 根据国际电气制造
19、业协会标准可以定义断路器为非自动方式开关的器件，这个器件在它的电流等级以内达到预先确立的过电流并当断路器的等级以内正确使用它时，它可以在预先确定好过电流下自动断开电路而不损害自己。2图 1.15 给出了许多不同类型的断路器，它们的最终目的是相同的，但是它们也有非常显著的区别。3 一个断路器可能会在闭合时作为单一的部件使用，或者在通常的闭合电路中被用于连接许多其他的设备，如图 1.16 所示的负载中心，控制版，配电板。4 不管断路器在哪，如何使用，你将会发现它在电能的传输，分配和使用中起着关键的作用。5 一般来讲，所有的断路器都具有以下的共同结构和功能特性:一个框架，触头和操作机构，脱扣器，消除
20、电弧的一种方法，一种装配方法，根据指定的标准可以做适当的变化前面四个特征是断路器的组成部分，在图 1.17 中给出了每一个单独的元件。框架刚性的断路器框架提供了一个方法，这个方法所有要求的元件都可以被安装并且在合适的位置，以保证继电器正常工作。断路器的框架提供足够的刚度和强度，才能够成功的处理分断过程并获得所期望的分断率， 框架的机械强度必须保证足以承受由电流的平方产生的力，这个力会很大，并具有潜在的破坏性。框架还起到了绝缘和隔离电流的作用，以保护在设备附近进行操作的人员。框架还在使断路器符合应用标准的功能方面气到了关键性的作用。触头和操作机构断路器的触头提供了一个连接电路和系统的方法。它们还
21、提供了隔离系统中一部分电路的方法。一个触头装置包括一个静触头和一个动触头。当断路器打开或者闭合时， 静触头则保持不动，而动触头运动以打开或闭合电路。 总而言之，触头执行一个简单的功能，它们打开或关闭。如图 1.18给了含有一组触头的家用电灯开关。当家庭的主人打开灯时， 从技术上他启动了操作机构。操作机构的动触头和静触头接触，电名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - 路接通，电流流过灯，灯就亮了。当家庭的主人关掉灯时，操作
22、机构的动触头和静触头分开，电路断开，电流停止流过电灯，灯就熄灭了。断路器需要一些类型的操作机构以打开和关断连接，这个操作机构可以是机械的可以是机械和动力联合的。 让我们设想一个基本的三相断路器。它被设计成三个连接装置同时打开或者闭合。 这就要求所有的连接装置以某种方式连在一起。操作机构的这一部分也被机械的连接在公共的手柄上， 。当这个手柄被操作时，他会使机构处于运动状态同时通过打开或闭合接触以打开或闭合断路器，如图 1.19所示。实际上，操作装置并不像前面描述那么简单。由于尺寸自己一些标准要求，断路器还需要一些辅助装置使操作装置运动去分开或关断触头。这个辅助装置采用弹簧的形式，弹簧在精确的确定
23、断路器机构中起了很大的作用，弹簧被压缩或伸长以提供正确的开通或关断接触的必要的辅助能量。unit7 textA 什么是电弧你是否想过你从墙上的插座上拔插头，并且看到火花出现？就像图1.24所示，你看到的，就是在一个小范围内在墙上的插座和你手中的插头之间形成电弧的趋势。为了讨论电弧形成的原因。 我们定义电弧是电流流过两个触电之间的间隙放电的结果，当断路器的触头在负载情况下断开时就会形成电弧。电弧有很大的破坏性，并且在大小和强弱方面变化很大。典故的电弧的大小取决于触头分离时电流的数值。 例如，正常的负载电流被分段的产生电弧远小于短路电流被分断时产生的电弧。因为电弧很难避免，所以必须设计控制电弧的电
24、器。3 与电弧相关连的的热量会产生电离气体环境。电离越多，这个条件越适合电弧的维持和增强。电弧越大，产生的能量就越多，变色你的电离也就越多。电弧是一个必须快速有效的处理掉的情形。这里需要记住的最重要的事情是控制电弧的能力是决定断路器分断的短路电流能力的关键。这也是选择断路器的一个关键因素。短路是具有最严重的破坏性的电流现象。电流零点或者零点是灭弧的一个很重要的时刻。 在电流零点，是避免电弧继续燃烧的最佳时刻当正弦曲线在0，180和 360时的电流就是所谓的 电流零点 。如图 1.28 所示，电压也是必须考虑的一个重要因素因为电压是保持电流运动的原动力。左边不能抑制的电压将会维持推进电流过电流零
25、点并且给电弧新生命。电压并不能很善意的在熄灭电弧的过程中沿着它的轨迹说停就停。如果电弧重新燃烧， 他将损伤整个电力系统。通过同时打开触头，并熄灭电弧来考虑断路器的工作过程。有效的灭弧方法往往取决于触头之间的气隙的绝缘强度。绝缘强度是指绝缘体在没有被破坏的情况下承受的最大电压。 绝缘体是指两导体头间的任何绝缘材料。在这些讨论中，断路器的触头就是导体， 同时空气气隙和真空就是绝缘败将。如果绝缘强度比试图点燃电弧的电压大时，灭弧就成功了，如图1.26 所示。unit8 textA 电器可靠性实验1 电器的可靠性是指电器产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。它可以促进仪器表现出很好的工作
26、特性，表现在无故障率，维修性，耐久性，有效性，使用经济性和寿命上。所以稳定性是一个很重要的性能指标。2 仪器可靠性实验可以在实验室进行也可以在现场实现。在近20 年里，中国对可靠性实验的研究大多局限在实验室中。已经完成的实验成果中包括电磁式中间继电器，小容量交流接触器熔断器，断路器，漏电开关等等。这样的研究对于提高低压电器的性能是很有效的。 在实验室中进行可靠性实验研究，具有试验品的名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - -
27、 实验条件和故障率评判标准统一， 可比性强以及便于确定其可靠性考核指标和评判方法的优点。 但是实验的条件与产品的使用条件是不同的。对于一些产品的主要技术性能的可靠性实验花费的多并且由于费用的限制和一些昂贵的产品的数量的限制， 完成可靠性实验几乎是不可能的。例如，电流接触器的可靠性实验仅仅测试主电路和小容量交流接触器的空载运行性能并且仅仅因为花费太高而对寿命和开断能力的测试任然不能进行。熔断器的可靠性实验仅仅可以测试由于电动机的启动电流所引起的瞬时电流对于熔断器的寿命的判断。而对它的断开能力的测试也不能进行。 断路器的可靠性实验仅仅能够测试空载的操作。而对于电保护特性寿命和极限的断开保护还没有涉
28、及到。3 电器设备在不同的操作环境下运行。在实验室运行的可靠性实验不可能考虑到所有的可能的条件，包括温度湿度，冲击，震动，有害介质等等。 对于现场的调查， 通过选择现场调查的场所，在各种实际的环境下的可靠性可以很清楚的被反映出来。低压电器设备的可靠性设计需要所有部件的可靠的数据，这些数据要想在实验室获得具有一定的局限性。 但是通过现场调查， 实验可以反映市里的运行情况并为设计提供可靠的数据。4 传统的设备可靠性实验在实验室中进行有一定的局限性，比如太严格的测试条件或比较少的测试参数。对于贵重的产品，在现场测试要比在实验测试好的多。在使用这样的设备的过程中为了保证高可靠性和避免在故障出现之后维修
29、或更换零件所带来的损耗， 在它正常使用时搜集和分析电器可靠性指标的数据变得很重要。 掌握失效的数据，然后在这设备故障出现前给一些预告是很有必要的。5生物免疫系统是一个由血管细胞和分子组成的复杂的系统。它是除神经系统外，机体能特异的识别 自己和非己刺激，对此做出精确的应答保留记忆的功能系统。它具有诸如模式识别，自学习，记忆功能，分布式检测等等特性。从生命免疫系统发展而来的人工免疫系统， 可以识别和处理输入的信号， 获得正确的输入，产生免疫并对反常的事物进行排斥。 把这些从现场搜集到的数据作为人工免疫系统的输入，这个系统可以判断设备不正常运行的数据，。这样就可以及时维修和更换零件避免电器损失。 所以，人工免疫系统是一个新颖的方法对于电器可靠性实验。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -