直流发电机、变压器英文

A1.1原文

DCGENEENRATOORS

1.INTRRODUCTTION

Forallppractiicalppurposses,tthediirect--curreentgeenerattorissonlyyuseddforspeciialappplicaationssandlocalldcppowergenerrationn.Thiislimmitatiionissduetothhecommmutattorreequireedtorectiifythheintternallgeneerateddacvvoltagge,thherebyymakiinglaargesccaleddcpowwergeenerattorsnnotfeeasiblle.

Conssequenntly,alleelectrricalenerggyprooduceddcommmerciaallyiisgennerateedandddisttributtedinntheformofthhree-pphaseacpoower.Theuuseoffsoliidstaatecoonverttersnnowadaaysmaakescconverrsiontodcceconnomicaal.Hooweverr,theeoperratinggcharracterristiccsofdcgeenerattorsaaresttilliimporttant,becauusemoostcooncepttscannbeaapplieedtoalloothermachiines.

2.FIELLDWINNDINGCONNEECTIONNS

Thegenerralarrrangeementofbrrushessandfielddwinddingfforafour--polemachiineissassshowninFiig.1.Theffourbbrusheesriddeontheccommuttator..TheposittivebbrusheerareeconnnecteddtotterminnalA11whilletheenegaativebrushhesarreconnnecteedtotermiinalAA2ofthemmachinne.Assindiicateddinttheskketch,,thebrushhesarrepossitionnedappproxiimatellymiddwayuundertheppoles..TheyymakeeconttactwwithccoilsthathavelittlleornoEMMFindducedinthhem,ssincetheirrsideesareesituuatedbetweeenpooles.

Figure1Skeetchooffouur-polledcmatchhine

ThefourexcittationnorffieldpolessareusualllyjooinedinseeriesandttheirendsbrougghtouuttotermiinalsmarkeedF1andFF2.Thheyarreconnnecteedsucchthaattheeyprooducenorthhandsouthhpoleesaltternattely.

Thetypeofdccgeneeratorrisccharaccterizzedbyythemanneerinwhichhthefielddexciitatioonisproviided.Ingeenerall,theemethhodemmployeedtoconneectthhefieeldanndarmmatureewinddingsfallssintoothefolloowinggroupps(seeeFigg.2):

Figuure2Fielddconnnectioonsfoordcgenerratorss:(a)separratelyyexciitedggeneraator;((b)sellf-exccited,,shunttgeneeratorr;(c)sseriessgeneeratorr;(d)ccompouundgeenerattor;shhort-sshuntconneectionn;(e)ccompouundgeenerattor,loong-shhuntcconnecction..

Theshuuntfiieldccontaiinsmaanytuurnsoofrellativeelyfiinewiireanndcarrriesacommparattivelyysmalllcurrrent,,onlyyafeewperrcentofraatedccurrennt.Thheserriesffieldwindiing,oontheeotheerhannd,haasfewwturnnsofheavyywireesincceitisinnseriieswiiththhearmmatureeandthereeforecarriiesthheloaadcurrrent..

Befoorediiscusssingtthedccgeneeratorrtermminalcharaacteriisticss,lettuseexaminnetheerelaationsshipbbetweeentheegeneerateddvolttageaandexxcitattionccurrenntofagenneratooronnolooad.TThegeenerattedEMMFispropoortionnaltoobothhthefluxperppoleaandthhespeeedattwhicchtheegeneeratorrisddrivenn,EG==kn.BByholldingthesspeedconsttantiitcannbesshowntheEEGdeppendsdirecctlyoontheefluxx.Totestthisdepenndencyyonaactuallgeneeratorrsisnotvveryppractiical,asittinvoolvesamaggneticcfluxxmeassuremeent.TTheflluxissprodducedbythheamppere-tturnsofthhefieeldcooils:intuurn,tthefllux

muustdeependonthheamoountooffieeldcuurrenttflowwingssincethennumberroftturnsonthhefieeldwiindinggiscconstaant.TThisrrelatiionshiipisnotllinearrbecaauseoofmaggneticcsatuuratioonaftterthhefieeldcuurrenttreacchesaacerttainvvalue..ThevariaationofEGGverssusthhefieeldcuurrenttIfmmaybeeshowwnbyacurrveknnownaastheemagnnetizaationcurveeoroopen-ccircuiitchaaracteeristiic.Foorthiisaggivengenerratorisdrrivenataconsttantsspeed,,isnnotdeeliverringlloadccurrennt,anndhassitsfielddwinddingsseparaatelyexcitted.

ThevalueeofEEGapppearinngatthemmachinneterrminallsismeasuuredaasIfisprrogresssivellyinccreaseedfroomzerrotoavallueweellabboverratedvoltaageoffthattmachhine.TherresulttingccurveisshhowniisFigg.3.WWhenIIj=0,thatis,wwithtthefiieldccircuiitopeencirrcuiteed,asmalllvolttageEEtismeasuured,duettoressiduallmagnnetismm.Astheffieldcurreentinncreasses,tthegeenerattedEMMFinccreaseeslinnearlyyupttotheekneeeoftthemaagnetiizatiooncurrve.BBeyonddthisspoinnt,inncreassingtthefiieldccurrenntstiillfuurtherrcaussessaaturattionooftheemagnneticstruccturetoseetin..

Figure3Maggnetizzationncurvveoropen--circuuitchharactteristticoffaseeparattelyeexciteeddcmachiine

Themeanssthattalaargerincreeaseiinfieeldcuurrenttisrrequirredtooprodduceaagiveeninccreaseeinvvoltagge.

SinccetheegeneerateddvolttageEEGisalsodirecctlypproporrtionaaltothesspeed,,amaagnetiizatiooncurrvecaanbedrawnnforanyootherspeeddonceethecurveeisddetermmined..Thissmereelyreequireesanadjusstmenttofaallpoointsonthhecurrveacccordiingtoo

wheretthequuantittiesvvaluessattthevaarioussspeeeds.

3.VOLTAAGEREEGULATTION

Letusneextcoonsideeradddingaaloaddonggeneraator.Thetterminnalvooltageewilllthenndecrrease(becaausetthearrmaturrewinndinghareesistaance)unlessssommeproovisioonismadetokeeepittconsstant..Acuurvetthatsshowsthevvalueofteerminaalvolltageforvvariouusloaadcurrrentssisccalleddtheloadorchharactteristticoffthegenerrator..

Fig.4sshowstheeexternnalchharactteristticoffaseeparattelyeexciteedgenneratoor.ThhedeccreaseeinttheteerminaalvolltageisduuemaiinlyttotheearmaaturecircuuitreesistaanceRRA.Inngeneeral,

whereVVtisthetterminnalvooltageeandIAissthearmattureccurrennt(orrloaddcurrrentIIL)suupplieedbytheggeneraatorttotheeloadd.

Anottherffactorrthattconttributtestoothedecreeaseiinterrminallvolttageiistheedecrreaseinflluxduuetoarmatturerreactiion.TThearrmaturrecurrrentestabblisheedanMMFtthatddistorrtsthhemaiinfluux,reesultiinginnaweeakeneedfluux,esspeciaallyiinnonninterrpolemachiines.Thiseffecctiscalleedarmmatureereacction..AsFFig.4showss,theetermminalvoltaageveersusloadcurreentcuurveddoesnnotdrropoffflinnearlyysinccetheeironnbehaavesnnonlinnear.Becauusearrmaturrereaactionndepeendsoontheearmaaturecurreentittgiveestheecurvveitssdrooopingcharaacteriistic..

4.SHUNNTORSELF--EXCIIITEDGGENRATTORS

Ashhuntggeneraatorhhasittsshuuntfiieldwwindinngconnnecteedinparalllelwwithtthearrmaturresothatthemmachinneproovidessitsowneexcitaation,,asiindicaatediinFigg.5.TThequuestioonariiseswwhetheertheemachhinewwillggeneraateavoltaageanndwhaatdetterminnesthhevolltage..

Forvoltaagetoo“builddup”asiitiscalleed,thheremmustbbesommeremmanenttmagnnetismmintthefiieldppoles..Ordiinarilly,iffthegenerratorhasbbeenuusedpprevioously,,therrewilllbesomeremannentmmagnettism.WehaaveseeeninnSecttion33thattiftthefiieldwwouldbediisconnnectedd,theerewiillbeesmalllvolltageEfgeenerattedduuetothisremannentmmagnettism,proviidedtthattthegeenerattorissdrivvenattsomeespeeed.Coonnecttingtthefiieldfforseelf-exxcitattion,thissmalllvolttagewwillbbeapppliedtothheshuuntsffieldandddriveasmaallcuurrenttthrooughtthefiieldccircuiit.Iffthissresuultinggsmalllcurrrentinthheshuuntfiieldiisofsuchadirrectioonthaatitweakeensthheressiduallfluxx,theevolttagerremainnsneaarzerroanddthetermiinalvvoltaggedoeesnottbuilldup..Intthisssituattionttheweeakmaainpooleflluxoppposesstheresiddualfflux.

FFiguree5Shhuntggeneraator:((a)cirrcuit;;(b)looadchharactteristtic

Iftthecoonnecttioniissucchthaattheeweakkmainnpoleefluxxaidsstheresiddualfflux,theiinduceedvolltageincreeasesrapiddlytooalaarge,consttantvvalue..Thebuildd-uppprocesssisreadiilyseeentoobeccumulaanve.Thatis,mmorevvoltaggeinccreaseestheefielldcurrrent,,whicchinturnincreeasesthevvoltagge,anndsoon.TThefaactthhatthhisprrocessstermminateesatafinnitevvoltaggeisduettotheenonllinearrbehaaviorofthhemaggncticccirccuit.InstteadystateethegenerratedvoltaageisscaussesafielddcurrrentttofloowthaatisjustsuffiicientttoddeveloopaffluxrrequirredfoortheegeneerateddEMFthatcauseestheefielldcurrrenttofllow.

Thecircuuitcaarriessonlyydcccurrennt,soothattthefielddcurrrentddependdsonllyontheffieldcircuuitreesistaance,Rf.TThismmaycoonsisttoftthefiieldccircuiitressistannceRff,theefielldcurrrentdepenndsonnthegenerratedvoltaageinnaccoordanccewitthOhmm’slaww.

Itsshoulddbeeevidenntthaatonanewwmachhineooroneethatthaslostitsrresiduualflluxbeecauseeofaalonggidleeperiiod,ssomemmagnettismmmustbbecreeated..Thissisuusualllydonnebyconneectinggthefielddwinddingoonlyttoasseparaatedccsourrcefooraffewseecondss.Thiisproocedurreisgenerrallyknownnasfflashiingthhefieeld.

SeriesGenerratorss

Asmmentioonedpprevioously,,thefielddwinddingoofasseriessgeneeratorrisiinserrieswwithtthearrmaturre.Siinceiitcarrriesthelloadccurrennttheeseriiesfiieldwwindinngconnsistssofoonlyaafewturnssoftthickwire..Atnnoloaad,thhegennerateedvolltageissmmalldduetooresiidualfielddfluxxonlyy.Wheenalloadiisaddded,ttheflluxinncreasses,aandsoodoessthegenerratedvoltaage.FFig.7showsstheloadcharaacteriisticofaserieesgenneratoordriivenaataccertaiinspeeed.TThedaashedlineindiccatestheggeneraatedEEMFoffthesamemachiinewiiththhearmmatureeopenn-circcuiteddandtheffieldseparratelyyexciited.TheddifferrencebetweeenthhetwoocurvvesisssimpplythheIRdropinthheserriesffieldandaarmatuurewiindingg,succhthaat

whereRRSisthesseriessfielldwinndingresisstancee.

Figgure77Seriiesgeenerattor:((a)cirrcuitdiagrram;(bb)loaddcharracterristiccs

CompounndGenneratoors

Thecompooundggeneraatorhhasboothashunttandaserriesffieldwindiing,tthelaatterwindiingwooundoontoppofttheshhuntwwindinng.Fiig.8sshowstheccircuiitdiaagram..Thetwowwindinngsarreusuuallyconneectedsuchthattheirrampeere-tuurnsaactinnthesamedirecction..Asssuchtthegeenerattorisssaiddtobbecummulatiivelycompooundedd.

TheshunttconnnectioonilllustraatediinFigg.8isscallledalongshunttconnnectioon.Ifftheshunttfielldwinndingisdiirectllyconnnecteedacrrosstthearrmaturreterrminalls,thheconnnectiionissrefeerredtoassashhortsshunt..Inppractiicethheconnnectiionussedissofllittleeconssequennce,ssincethesshuntfielddwinddingccarrieesassmallcurreentcoompareedtotheffull-lloadccurrennt.Fuurtherrmore,,thenumbeerofturnssonttheseeriesfielddwindding.Thisimpliiesitthasalowwresiistanccevallueanndtheecorrresponndingvoltaagedrropaccrossitattfulllloaddismminimaal.

CurvvesinnFig..9reppresenntsthheterrminallcharracterristiccofttheshhuntffieldwindiingallone.Bythheaddditionnofaasmalllserriesffieldwindiingthhedroopintermiinalvvoltaggewitthinccreaseedloaadingisreeduceddasiindicaated.Suchagenneratoorissaidttobeunderrcompooundedd.Byincreeasinggthenumbeerofserieesturrns,tthenoo-loaddandfull--loadtermiinalvvoltaggecannbemmadeeequal;;thegenerratoristhhensaaidtoobefflatcoompounnded.Ifthhenummberoofserriestturnsismoorethhanneecessaarytoocomppensatteforrthevoltaagedrrop,tthegeenerattorissoverrcomepoundded.IInthaatcassetheefulll-loaddvolttageiishigghertthantthenoo-loaddvolttage.

Figuure9Termiinalccharaccterissticsofcoompounndgenneratoorscoompareedwitththaatofthesshuntgenerrator

Theoverccompouundedgenerratormaybbeuseedininstaanceswhereetheloadisattsomeedisttancefromtheggeneraator.Thevvoltaggedroopsinnthefeedeerlinnesarretheecomppensattedfoorwitthinccreaseedloaading..Reveersinggthepolarrityooftheeseriiesfiieldiinrellationntottheshhuntffield,,thefielddswillloppposeeeachoothermoreandmmoreaastheeloaddcurrrentiincreaase.SSuchaageneeratorrisssaidttobediffeerentiiallycompooundedd.Itisussedinnappllicatiionswwherefeedeerlinnescoouldooccurapprooachinngthooseoffashhortccircuiit.Annexammplewwouldbewhhereffeederrlineescouuldbrreakaandshhortccircuiittheegeneeratorr.Theeshorrt-cirrcuitcurreent,hhoweveer,issthennlimiitedttoa“safe”valuue.ThheterrminallcharracterristiccforthistypeofgeenerattorissalsooshowwninFig.99.Commpounddgeneeratorrsareeuseddmoreeexteensiveelythhanthheothhertyypesbbecaussetheeymayybeddesignnedtoohaveeawiidevaarityofteerminaalchaaracteeristiics.

Asilluustratted,tthefuull-looadteerminaalvolltagecanbbemaiintainnedatttheno-looadvaaluebbytheepropperdeegreeofcoompounnding..Otheermetthodsofvooltageeconttrolaarethheuseeofrrheosttats,foriinstannce,iintheefielldcirrcuit..Howeever,withchangginglloadsitreequireesacconstaantaddjustmmentooftheefielldrheeostatttommaintaainthhevolltage..Amooreussefularranngemennt,whhichiisnowwcommmonprracticce,isstouuseannautoomaticcvolttagerregulaatorwwithtthegeenerattor.IInesssence,,thevoltaagereegulattorissafeeedbacckconntrolsysteem.Thhegenneratoorouttputvvoltaggeissenseedanddcompparedtoafixeddrefeerenceevolttageddeviattionffromtthereeferenncevooltageegiveesanerrorrsignnalthhatissfedtoapowerrampllifierr.Theepoweerampplifieersupppliessthefielddexciitatiooncurrrent..Ifttheerrrorssignallisppositiive,fforexxamplee,theeoutpputvooltageeisllargerrthanndesiiredaandthheampplifieerwilllredduceiitscuurrenttdrivve.Inndoinngsotheeerrorsignaalwilllbereduccedtoozeroo.

A1.2原文

TRANSFOORMER

1.INTRRODUCTTION

Thehiggh-volltagetranssmissiionwaasneeedforrthecaseelecttricallpoweeristobeeprovvidedatcoonsideerableedisttancefromagenneratiingsttationn.Atsomepointtthisshighhvolttagemmustbberedduced,,becaauseuultimaatelyismuustsuupplyaloaad.Thhetraansforrmermmakesitpoossiblleforrvariiousppartsofapowerrsysttemtoooperrateaatdiffferenntvolltagelevells.Innthisspapeerwediscuusspoowerttransfformerrprinncipleesanddappllicatiions.

2.TOW--WINDIINGTRRANSFOORMERSS

Atranssformeerinitsssimpleestfoormcoonsisttsoftwosstatioonarycoilsscouppledbbyammutuallmagnneticflux..Thecoilssaresaidtobeemutuuallycouplledbeecauseetheyylinkkacoommonflux..

Inpoweerappplicattions,,lamiinateddsteeelcorretraansforrmers(towwhichthispaperrisrrestriicted))areused..Trannsformmersaareeffficieentbeecauseetherotattionalllosssesnoormalllyasssociattedwiithrootatinngmacchineareaabsentt,sorelattivelyylitttlepooweriislosstwheentraansforrmingpowerrfrommonevoltaageleevelttoanoother..Typiicaleefficiiencieesareeinttheraange992to99%,thehhigherrvaluuesappplyinngtothellargerrpoweertraansforrmers..

Thecurrrentflowiinginnthecoilconneectedtothheacsourcceiscalleedtheeprimmarywwindinngorsimpllytheeprimmary.Itseetsuppthefluxφintthecoore,wwhichvarieesperriodiccallybothinmaagnituudeannddirrectioon.Thhefluuxlinnksthheseccondccoil,calleedtheesecoondaryywinddingoorsimmplysseconddary.Theffluxiischaangingg;theereforre,ittinduucesaavolttageiintheesecoondaryybyeelectrromagnneticinducctioninacccordaancewwithLLenz’slaww.Thuustheeprimmaryrreceivvesittspowwerfrromthhesouurcewwhilethesseconddaryssuppliiesthhispoowerttotheeloadd.Thiisacttioniisknoownasstrannsformmeracction..

3.TRANNSFORMMERPRRINCIPPLES

WhenasinussoidallvolttageVVpisaapplieedtothepprimarrywitththeesecoondaryyopenn-circcuitedd,theerewiillbeenoeenergyytrannsfer..TheimpreessedvoltaagecaausesasmaallcuurrenttIθtofflowiintheeprimmarywwindinng.Thhisnoo-loaddcurrrenthhastwwofunnctionns:(11)itproduucestthemaagnetiicfluuxintheccore,whichhvariiessiinusoiidallyybetwweenzzeroaandφm,wheereφmistthemaaximummvaluueoftheccorefflux;and((2)ittprovvidesacommponennttoaccouuntfoortheehystteresiisanddeddyycurrrentllossessintthecoore.TTherecombiinedllossessarenormaallyrreferrredtooastthecooreloosses..

Theno--loadcurreentIθθisuusualllyfewwperccentooftheerateedfulll-loaadcurrrentofthhetraansforrmer((aboutt2too5%)..Sincceatno-looadthhepriimarywindiingacctsassalaargerreactaancedduetootheironcore,,theno-looadcuurrenttwillllagthepprimarryvolltagebyneearly90º.ItissreaddilysseentthattthecuurrenttcompponenttIm=I0sinθ0,callledtthemaagnetiizingcurreent,iis90ººinpphasebehinndtheeprimmaryvvoltaggeVP.Itisthhiscoomponeentthhatseetsuppthefluxinthhecorre;φisttherefforeiinphaasewiithImm.

Theseccondccomponnent,Ie=I0sinθ0,isinphhasewwithttheprrimaryyvolttage.Itissthecurreentcoomponeentthhatsuupplieestheecoreelossses.TThephhasorsumooftheesetwwocommponenntsreepreseentstthenoo-loaddcurrrent,or

I0=Im++Ie

Itshouuldbeenoteedthaattheeno-lloadccurrenntisdistoortesandnnonsinnusoiddal.TThisiistheeresuultoffthenonliinearbehavviorooftheecoreemateerial..

Ifitiisasssumedthatthereearenoottherllossessintthetrransfoormer,,theinduccedvooltageeInthhepriimary,,Epandthatinthheseccondarry,Esscanbeshhown.Sinceethemagneeticffluxssetuppbyttheprrimaryywindding，thereewilllbeaanindducedEMFEEinttheseecondaarywiindingginaaccorddancewithFaradday’slaww,nammely,E=NΔφ/Δt.Thhissaameflluxallsoliinksttheprrimaryyitseelf,iinduciinginnitaanEMFF,Ep.Asdiscuussedearliier,ttheinnduceddvolttagemmustllagthhefluuxby90º,thereefore,,theyyare180ºoutoofphaasewiiththheapppliedvoltaage.SSincenocuurrenttflowwsinthesseconddarywwindinng,Ess=Vs.Theeno-lloadpprimarrycurrrentI0isssmall,,afeewperrcentoffuull-looadcuurrentt.ThuustheevolttageiintheeprimmaryiissmaallanndVpisnnearlyyequaaltoEp.Theeprimmaryvvoltaggeanddtheresulltingfluxaressinusooidal;;thusstheinduccedquuantittiesEEpandEsvaryyasaasinefunnctionn.Theeaverageevaluueoftheiinduceedvolltagegivennby

Eavg=tuurns×

whichiisFarraday’slawwapplliedttoaffiniteetimeeinteerval..Itffollowwsthaat

Eavg=N==4fNφm

whichNNistthenuumberoftuurnsoontheewindding.Formacciircuitttheoory,ttheefffectiiveorrroott-meann-squaare(rrms)vvoltaggeforrasiinewaaveiss1.111timeestheeaverragevvoltagge;thhus

E=4.44ffNφm

Sincetthesaameflluxliinkswwithttheprrimaryyandseconndarywindiings,thevvoltaggeperrturnnineeachwwindinngisthessame.Hencee

Ep=4.444fNpφm

and

Es=4.444fNsφm

whereEEpandEsarretheenumbberoffturnnonttheprrimaryyandseconndarywindiings,respeectiveely.TTheraatiooofpriimarytoseecondaaryinnduceddvolttageiiscallledtthetrransfoormatiionraatio.Denottingtthisrratiobya,,itiisseeenthaat

a==

Assumethattheooutputtpoweerofatraansforrmereequalssitsinputtpoweer,nootabbadsuumptiooninpractticecconsidderinggthehighefficcienciies.WWhatwwereaallyaaresaayingisthhatweearedealiingwiithannideaaltraansforrmer;thatis,iithassnollossess.Thuus

Pm=Poutt

or

VpIp×pprimarryPF=VsIs×secoondaryyPF

wherePPFistheppowerfactoor.Foortheeabovve-staatedaassumpptionitmeeanstthattthepoowerffactorronpprimarryanddsecoondaryysideesareeequaal;thherefoore

VpIp=VsIs

fromwhhichiisobttainedd

=≌≌aa

Itshowwsthaatasanappproxiimatioontheetermminalvoltaageraatioeequalsstheturnssratiio.Thhepriimaryandsseconddaryccurrennt,onntheotherrhandd,areeinveerselyyrelaatedttotheeturnnsrattio.TThetuurnsrratiogivessameeasureeofhhowmuuchthheseccondarryvolltageisraaisedorl