电机学思考题-吕宗枢

1.1变压器是怎样实现变压的?为什么能够改变电压，而不能改变频率?答：变压器是根据电磁感应原理实现变压的。变压器的原、副绕组交链同一个主磁通，根据电磁感应定律dtdNe可知，原、副绕组的感应电动势（即电压）与匝数成正比，所以当原、副绕组匝数21NN时，副边电压就不等于原边电压，从而实现了变压。因为原、副绕组电动势的频率与主磁通的频率相同，而主磁通的频率又与原边电压的频率相同，因此副边电压的频率就与原边电压的频率相同，所以，变压器能够改变电压，不能改变频率。1.2变压器一次绕组若接在直流电源上，二次侧会有稳定的直流电压吗，为什么?答：若一次绕组接直流电源，则铁心中将产生恒定的直流磁通，绕组中不会产生感应电动势，所以二次侧不会有稳定的直流电压。1.3变压器铁心的作用是什么?为什么要用0.35mm厚、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成?答：变压器铁心的主要作用是形成主磁路，同时也是绕组的机械骨架。采用导磁性能好硅钢片材料是为了提高磁路的导磁性能和减小铁心中的磁滞损耗，而用薄的（0.35mm厚）表面绝缘的硅钢片叠成是为了减小铁心中的涡流损耗（涡流损耗与硅钢片厚度成正比）。1.4变压器有哪些主要部件，其功能是什么?答：变压器的主要部件是器身，即铁心和绕组。铁心构成变压器的主磁路，也是绕组的机械骨架；绕组构成变压器的电路，用来输入和输出电能。除了器身外，变压器还有一些附属器件，如绝缘套管、变压器油、油箱及各种保护装置等。1.5变压器二次额定电压是怎样定义的?答：变压器一次绕组加额定电压，二次绕组空载时的端电压定义为变压器二次额定电压。1.6双绕组变压器一、二次侧的额定容量为什么按相等进行设计?答：变压器传递电能时，内部损耗很小，其效率很高（达95%以上），二次绕组容量几乎接近一次绕组容量，所以双绕组变压器的一次、二次额定容量按相等设计。1.7变压器油的作用是什么？答：变压器油既是绝缘介质，又是冷却介质，起绝缘和冷却作用。1.8变压器分接开关的作用是什么？答：为了提高变压器输出电能的质量，应控制输出电压波动在一定的范围内，所以要适时对变压器的输出调压进行调整。对变压器进行调压是通过改变高压绕组的匝数实现的，所以高压绕组引出若干分接头，它们接到分接开关上，当分接开关切换到不同的分接头时，变压器便有不同的匝数比，从而可以调节变压器输出电压的大小。1.9一台单相变压器，NS＝500kVA，NNUU21/＝35/11kV，试求一、二次侧额定电流。解：因为是单相变压器，所以A29.14A1035105003311NNNUSIA45.45A1011105003322NNNUSI1.10一台三相变压器，NS＝5000kVA，NNUU21/=10/6.3kV，Y，d联结，试求：一、二次侧额定电流及相电流。解：因为是三相变压器，所以AAUSINNN68.2881010310500033311AAUSINNN22.458103.6310500033322因为原边形联结，所以，AIINNp68.28811因为副边d形联结，所以，AAIINNp55.264322.458322三、简答题1.答：变压器是根据电磁感应原理工作的。原、副绕组的感应电动势（即电压）与匝数成正比,当一次、二次绕组匝数不同时，12UU，即实现了变压。2.答:为了使一、二次绕组磁耦合紧密，减少漏磁通，所以一次、二次绕组套在同一铁心柱上；为了减小绕组与铁心间的绝缘电压差，所以把低压绕组套在内层，高压绕组套在外曾层。3.答：因为直流电压只能产生恒定的直流磁通，不会在绕组中产生感应电动势，所以变压器不能改变直流电压。4.答：因为变压器的效率很高，二次绕组容量很接近一次绕组容量，所以一次、二次额定容量按相等设计。5.答：为了保证变压器输出电压波动在一定范围内，提高电能质量，应该适时对变压器进行调压。变压器调压是通过改变高压绕组的匝数实现的，所以高压绕组引出若干分接头，它们接到分接开关上，当分接开关切换到不同的分接头时，变压器便有不同的匝数比，从而调节变压器输出电压的大小。2.1试述变压器空载和负载运行时的电磁过程。答：空载时，原边接交流电源，原绕组中流过交流电流0I，建立磁动势0F，由其产生主磁通0和少量的漏磁通1，主磁通在原绕组中产生电动势1E、在副绕组中产生电动势2E，漏磁通只在原绕组中产生漏感电动势1E，同时，电流0I在原绕组电阻1R上产生电压降10RI。负载时，原绕组流过电流1I，产生磁动势1F；副绕组流过电流2I，产生磁动势2F，由原、副绕组的合成磁动势021FFF产生主磁通0，并分别在原、副绕组中产生电动势1E和2E；1F还产生只交链原绕组的漏磁通1，它在原绕组中产生漏感电动势1E，2F还产生只交链副绕组的漏磁通2，它在副绕组中产生漏感电动势2E；同时，电流1I在原绕组电阻1R上产生电压降11RI，电流2I在副绕组电阻2R上产生电压降22RI。2.2在变压器中，主磁通和一、二次绕组漏磁通的作用有什么不同？它们各是由什么磁动势产生的？在等效电路中如何反映它们的作用？答:主磁通同时交链原、副绕组，并分别在原、副绕组中产生电动势1E和2E，起传递能量的作用；漏磁通只交链自身绕组，只在自身绕组中产生漏感电动势，仅起电抗压降的作用。在等效电路中，主磁通的作用由励磁参数反映，漏磁通的作用由漏抗参数反映。2.3试述变压器空载电流的大小和性质。答：由于变压器铁心采用薄硅钢片叠成，磁导率高，导磁性能好，因此空载电流很小，一般为额定电流的2%—10%。在空载电流0I中，用来建立主磁通的无功分量rI0远大于对应铁心损耗的有功分量aI0，所以空载电流基本属于无功性质，空载电流也因此常被称为励磁电流。2.4当变压器空载运行时，一次绕组加额定电压，虽然一次绕组电阻很小，但流过的空载电流却不大，这是为什么？答：变压器空载运行时，虽然一次绕组的电阻很小，但是由于铁心硅钢片的磁导率大，导磁性能好，主磁通大，所以励磁电抗大，因此空载电流不大。简单说，空载电流是受到大电抗限制的。2.5变压器外施电压不变的情况下，若铁心截面增大或一次绕组匝数减少或铁心接缝处气隙增大，则对变压器的空载电流大小有何影响？答：铁心截面增大时，磁路饱和程度降低，磁导率增大，励磁电抗增大，空载电流减小。一次绕组匝数减少时，由11144.4fNEU=常数，可知，主磁通增大，磁路饱和程度增加，磁导率下降，励磁电抗减小，空载电流增大。铁心接缝处气隙增大，磁路磁阻增大，励磁电抗减小，空载电流增大。2.6保持其它条件不变，当只改变下列参数之一时，对变压器的铁心饱和程度、空载电流、励磁阻抗、铁心损耗各有何影响？（1）减少一次绕组的匝数；（2）降低一次侧电压；（3）降低电源频率。答：由11144.4fNEU可知：（1）减少一次绕组匝数时，主磁通增大，磁路饱和程度增加，磁导率下降，励磁阻抗减小，空载电流增大，铁心损耗增加。（2）降低一次电压时，主磁通减小，磁路饱和程度降低，磁导率增大，励磁阻抗增大，空载电流减小，铁心损耗减小。（3）降低电源频率时，主磁通增大，磁路饱和程度增加，磁导率下降，励磁阻抗减小，空载电流增大，此时，常数Bf，根据7.03.13.12)(BBffBpFe可知，铁心损耗随B的增加而增加。2.7一台220V/110V的单相变压器，变比2/21NNk，能否一次绕组用2匝，二次绕组用1匝，为什么？答：不能。由11144.4fNEU可知，如果一次绕组用2匝，在原边电压作用下，由于匝数太少，主磁通将很大，磁路高度饱和，励磁电流会很大，要求导线线径很大，在实践上根本无法饶制。反之，如果导线截面不够大，那么线圈流过大电流将会烧毁。2.8在分析变压器时，为什么要对二次绕组进行折算？折算的物理意义是什么？折算前后二次侧的电压、电流、功率和参数是怎样变化的？答：折算的目的是将一次、二次两个分离的电路画在一起，获得变压器的等效电路。折算的物理意义是用匝数为12NN的绕组来等效实际匝数为2N的二次绕组，将变比为k的变压器等效成变比为1的变压器。折算后，二次电压为折算前的k倍，二次电流为折算前的k/1，二次功率不变，二次电阻和漏抗、负载阻抗均为折算前的2k倍。2.9为什么变压器的空载磁动势与负载时的一、二次绕组合成磁动势相等？答：因为变压器的漏阻抗很小，无论空载还是负载，漏阻抗压降都很小，在电源电压不变时，主电动势变化很小，因此主磁通几乎不变，所以用以产生主磁通的空载磁动势与负载时的合成磁动势相等。2.10变压器负载运行时，一、二次绕组中各有哪些电动势或电压降？它们是怎样产生的？试写出电动势平衡方程式。答：一次绕组外加电源电压1U时，一次绕组中有主电动势1E，漏电动势1E（漏抗压降11XIj），电阻1R上的电压降11RI，方程式为)(111111111jXRIERIEEU；二次绕组中有主电动势2E，漏电动势2E（漏抗压降22XIj），电阻2R上电压降22RI，负载端电压为2U，方程式为)(222222222jXRIERIEEU。2.11试说明变压器等效电路中各参数的物理意义，这些参数是否为常数？答：1R和1X分别为原边一相绕组的电阻和漏电抗，2R和2X分别为副边一相绕组的电阻和漏电抗的折算值，上述四个参数为常数,其中1X、2X的大小分别反映了原、副绕组漏磁通的大小。mR是反映铁心损耗的等效电阻，称为励磁电阻，mX是反映主磁通大小的电抗，称为励磁电抗，这两个参数也是一相参数，当电源电压不变时，mR和mX近似为常数。2.12利用T形等效电路进行实际问题计算时，算出的一次和二次侧电压、电流、损耗、功率是否均为实际值，为什么？答:一次各物理量数值均为实际值,二次电压、电流是折算值，二次损耗、功率是实际值。因为对二次绕组进行折算时，是以等效为原则，其中，折算前、后的二次侧损耗、功率是保持不变的。2.13变压器空载实验一般在哪侧进行？将电源加在低压侧或高压侧所测得的空载电流、空载电流百分值、空载功率、励磁阻抗是否相等？答：空载实验一般在低压侧进行。空载电流不等，高压侧空载电流是低压侧的k/1；空载电流百分值相等；空载功率相等；励磁阻抗不等，高压侧励磁阻抗是低压侧的2k倍。2.14变压器短路实验一般在哪侧进行？将电源加在低压侧或高压侧所测得的短路电压、短路电压百分值、短路功率、短路阻抗是否相等？答：短路实验一般在高压侧进行。短路电压不等，高压侧短路电压是低压侧的k倍；短路电压百分值相等；短路功率相等；短路阻抗不等，高压侧短路阻抗是低压侧的2k倍。2.15为什么可以把变压器的空载损耗看作铁耗？短路损耗看作额定负载时的铜耗？答：空载试验时外加额定电压，空载损耗包括额定铁损耗和空载铜损耗，由于空载电流很小，空载铜损耗远远小于额定铁损耗，可忽略，所以空载损耗可看作铁损耗。短路试验时电流为额定电流，短路损耗包括额定铜损耗和短路时的铁损耗，由于短路电压很低，磁通很小，短路时的铁损耗远远小于额定铜损耗，可忽略，所以短路损耗可看作额定负载时的铜损耗。三、简答题1.答：主磁通以铁心为磁路，同时交链原、副绕组，数值较大，起传递能量作用；漏磁通主要以变压器油或空气为磁路，仅交链自身绕组，数值小，仅起电抗压降作用。2.答：当电源电压不变时，电源频率降低，主磁通增大，磁路饱和程度增加，磁导率下降，励磁电抗减小，空载电流增大，此时，常数Bf，根据7.03.13.12)(BBffBpFe可知，铁心损耗随B的增加而增加。3.答：折算的目的是将变比为k的变压器等效成变比为1的变压器，从而将一次、二次两个分离的电路画在一起，获得变压器的等效电路；折算原则是保持折算前后二次侧磁动势不变、二次侧有功、无功功率不变。4.答：带纯电阻负载时的相量图1UkXIj1kRI12U21II带阻容性负载时的相量图1UkXIj12U