电气工程基础2.电气设备的原理与功能.ppt

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1、电气设备的原理与功能合肥工业大学电气工程系娄振袖办公室：逸夫楼110418096670560第二章教学目的简要了解同步发电机、电力变压器、电动机的工作原理。重点掌握高压断路器的工作原理与技术数据。了解使用电流互感器和电压互感器的目的，掌握电流和电压互感器的结构、工作原理、特性、技术参数，以及它们使用时的注意事项。同步电机的工作原理及结构特点同步电机的工作原理及结构特点 同步电机的工作原理同步电机的工作原理 同步电机的结构形式同步电机的结构形式 同步电机的冷却方式同步电机的冷却方式 同步电机的额定值同步电机的额定值 同步电机的励磁方式同步电机的励磁方式一、一、同步电机的工作原理同步电机的工作原理

2、同步电机与异步电机的根本区别是旋转的转子通入直流电流励磁转子通直流电流 If励磁磁场Bf电枢感应电动势随转子旋转角速度SNnea三相对称负载运行时旋转基波磁动势三相对称电枢电流 iabc(同步电机)ebecIf二、二、同步电机的结构形式同步电机的结构形式 同步电机一般采用旋转磁极式结构，根据磁极形状可分为隐极和凸极两种型式。凸极同步电机气隙不均匀，适合于中速或低速旋转场合 隐极同步电机在不考虑齿槽效应时，气隙均匀，适合于 高速旋转隐极同步电机结构实物图隐极同步电机结构实物图大型汽轮发电机定子铁心槽汽轮发电机完工后的定子汽轮发电机转子加工凸极同步电机凸极同步电机 凸极同步电机转子由磁极、励磁线圈

3、磁轭和阻尼绕组等部分构成。凸极同步电机的定子结构与隐极同步电机或异步电机的基本相同，所不同的只是转子结构。凸极同步电机凸极同步电机结构实物图结构实物图带阻尼绕组的凸极同步电机转子水轮发电机定子分段铁心三、三、同步电机的励磁方式同步电机的励磁方式 同步电机运行时，必须在励磁绕组中通入直流电流，建立励磁磁场。将供给励磁电流的整个装置称为励磁系统。直流发电机励磁系统 静止式交流整流励磁系统 旋转式交流整流励磁系统四、四、同步电机的冷却方式同步电机的冷却方式 随着单机容量的不断提高，大型同步电机的发热和冷却问题日趋严重，冷却方式也不断改进。同步电机的冷却方式主要有以下几种。空气冷却 氢气冷却 水冷却

4、 超导发电机五、同步电机的额定值额定电压UN：电机额定运行时定子的线电压（V或kV）额定电流IN：电机额定运行时定子的线电流（A）额定功率因数 ：电机额定运行时的功率因数额定效率N：电机额定运行时的效率额定频率f(Hz)额定励磁电流IfN(A)额定励磁电压UfN(V)额定功率PN：电机额定运行时的输出功率（kW或MW）对发电机为额定输出有功电功率 对电动机是轴上输出的额定机械功率额定转速nN：电机额定运行时的转速变压器结构、空载及负载运行1 1 概述概述概述概述2 2 变压器的空载运行变压器的空载运行变压器的空载运行变压器的空载运行3 3 变压器的负载运行变压器的负载运行变压器的负载运行变压器

5、的负载运行变压器的分类变压器的分类变压器的分类变压器的分类变压器的基本结构变压器的基本结构变压器的基本结构变压器的基本结构变压器的额定值变压器的额定值变压器的额定值变压器的额定值空载运行时的磁通、感应电动势空载运行时的磁通、感应电动势空载运行时的磁通、感应电动势空载运行时的磁通、感应电动势电压方程式和变比电压方程式和变比电压方程式和变比电压方程式和变比负载运行时的电磁过程负载运行时的电磁过程负载运行时的电磁过程负载运行时的电磁过程磁动势平衡方程式磁动势平衡方程式磁动势平衡方程式磁动势平衡方程式电压平衡方程式电压平衡方程式电压平衡方程式电压平衡方程式1 概述一、变压器的分类变变压压器器可可以以按

6、按用用途途、绕绕组组数数目目、相相数数、冷冷却却方方式式分分别别进行分类。进行分类。按按用用途途分分类类：电电力力变变压压器器、互互感感器器、特特殊殊用用途途变变压压器器按绕组数目分类按绕组数目分类：双绕组变压器、三绕组变压器、自：双绕组变压器、三绕组变压器、自耦变压器；耦变压器；按相数分类按相数分类：单相变压器、三相变压器；：单相变压器、三相变压器；按冷却方式分类按冷却方式分类：以空气为冷却介质的干式变压器、：以空气为冷却介质的干式变压器、以油为冷却介质的油浸变压器。以油为冷却介质的油浸变压器。二、变压器的基本结构变压器的基本结构可分为：铁心、绕组、油箱、变压器的基本结构可分为：铁心、绕组、

7、油箱、套管套管。1、铁心铁铁心心是是变变压压器器的的磁磁路路，为为了了减减少少交交变变磁磁通通在在铁铁心心中中产产生生磁磁滞滞损损耗耗和和涡涡流流损损耗耗，变变压压器器铁铁心心由由厚厚度度为为0.27mm、0.3mm、0.35mm的的冷冷轧轧高高硅硅钢钢片片叠装叠装而而成。成。心心柱柱截截面面是是内内接接于于圆圆的的多多级级矩矩形形，铁铁轭轭与心柱截面相等。与心柱截面相等。2、绕组 绕组是变压器的电路部绕组是变压器的电路部分，由包有绝缘材料的铜分，由包有绝缘材料的铜(或铝或铝)导线绕制而成。装导线绕制而成。装配时低压绕组靠着铁心，配时低压绕组靠着铁心，高压绕组套在低压绕组外高压绕组套在低压绕组

8、外面，高低压绕组间设置有面，高低压绕组间设置有油道油道(或气道或气道)，以加强绝，以加强绝缘和散热。将绕组装配到缘和散热。将绕组装配到铁心上成为器身铁心上成为器身。3、油箱除除了了干干式式变变压压器器以以外外，电电力力变变压压器器的的器器身身都都放放在在油油箱箱中中，箱箱内内充充满满变变压压器器油油，其其目目的的是是提提高高绝绝缘缘强强度度(因因变变压压器器油油绝绝缘缘性性能能比比空空气气好好)、加强散热。、加强散热。4、套管变压器的引线从油箱内穿过油箱盖时，必须变压器的引线从油箱内穿过油箱盖时，必须经过绝缘套管，以使高压引线和接地的油箱绝经过绝缘套管，以使高压引线和接地的油箱绝缘。绝缘套管一

9、般是瓷质的，为了增加爬电距缘。绝缘套管一般是瓷质的，为了增加爬电距离，套管外形做成多级伞形，离，套管外形做成多级伞形，10kV35kV套管套管采用充油结构，如图所示。采用充油结构，如图所示。三、变压器的额定值额定值是选用变压器的依据，主要有：额定值是选用变压器的依据，主要有：(1)额定容量额定容量SN：是变压器的视在功率。由于变：是变压器的视在功率。由于变压器效率高，设计规定一次侧、二次侧额定容量相压器效率高，设计规定一次侧、二次侧额定容量相等。等。(2)一次侧、二次侧额定电压一次侧、二次侧额定电压U1N、U2N。二次侧。二次侧额定电压额定电压U2N是当变压器一次侧外加额定电压是当变压器一次侧

10、外加额定电压U1N时时二次侧的空载电压。对于三相变压器，额定电压指二次侧的空载电压。对于三相变压器，额定电压指线电压。线电压。(3)一次侧、二次侧额定额定电流一次侧、二次侧额定额定电流I1N、I2N。对于。对于三相变压器，额定电流指线电流。三相变压器，额定电流指线电流。2变压器的空载运行一、空载运行时的磁通、感应电动势变压器的一次侧绕组变压器的一次侧绕组AX接在电源上、二次侧绕组接在电源上、二次侧绕组ax开路，此运行状态称为空载运行。开路，此运行状态称为空载运行。主主磁磁通通：其其磁磁力力线线沿沿铁铁心心闭闭合合，同同时时与与一一次次 侧侧 绕绕 组组、二二 次次 侧侧 绕绕 组组 相相 交交

11、 链链 的的 磁磁 通通。一一次次侧侧绕绕组组的的漏漏磁磁通通1：其其磁磁力力线线主主要要沿沿非非铁铁磁磁材材料料(油、空气油、空气)闭合，仅为一次侧绕组相交链的磁通。闭合，仅为一次侧绕组相交链的磁通。主磁通和漏磁通的区别：所经磁路的磁阻不同：主磁通沿铁心闭合，磁阻为非所经磁路的磁阻不同：主磁通沿铁心闭合，磁阻为非常数，存在饱和现象，常数，存在饱和现象，与与i0呈非线性关系；漏磁通主呈非线性关系；漏磁通主要沿非铁磁材料要沿非铁磁材料(油、空气油、空气)闭合，磁阻为常数，闭合，磁阻为常数，1与与i0呈线性关系。呈线性关系。所起的作用不同：主磁通同时与一次侧绕组、二次侧所起的作用不同：主磁通同时与

12、一次侧绕组、二次侧绕组相交链，起能量传递媒介的作用；漏磁通绕组相交链，起能量传递媒介的作用；漏磁通1仅与仅与一次侧绕组相交链，不能传递能量，仅起电压降的作一次侧绕组相交链，不能传递能量，仅起电压降的作用。用。大小不同：主磁通占总磁通的绝大部分；漏磁通只占大小不同：主磁通占总磁通的绝大部分；漏磁通只占很小的一部分。很小的一部分。感应电动势假定正向：假定正向：与与i呈右手螺旋关系；呈右手螺旋关系；e与与i同方向同方向。主主磁磁通通在在一一次次绕绕组组（匝匝数数N1）,二二次次绕绕组组（匝数（匝数N2）中感应电动势的瞬时值为：）中感应电动势的瞬时值为：e1=-N1ddte2=-N2ddt感应电动势有

13、效值设空载电流设空载电流i0的频率为的频率为f，=msint，m表示主磁通的最大值，则正弦稳态下感应电动表示主磁通的最大值，则正弦稳态下感应电动势有效值复量为：势有效值复量为：正弦稳态下感应电动势有效值为：正弦稳态下感应电动势有效值为：E1=4.44fN1mE2=4.44fN2m漏电动势漏电动势漏电动势漏电动势 一次绕组漏磁通漏磁通1在一次侧绕组中感应漏电动势为在正弦稳态下：一次侧绕组的漏电感 L1=N121其中，其中，1为漏磁通为漏磁通1所经路径的磁导所经路径的磁导二、电压方程式和变比在假定正向下，根据基尔霍夫第二定律可在假定正向下，根据基尔霍夫第二定律可得一、二次侧电压平衡方程式得一、二次

14、侧电压平衡方程式u1=-e1-e1+i0R1u2=e2在正弦稳态下，写成复数形式在正弦稳态下，写成复数形式式中，式中，Z1=R1+jX1为一次绕组漏阻抗。为一次绕组漏阻抗。变比：一次绕组的电动势一次绕组的电动势E1与二次绕组的电动与二次绕组的电动势势E2之比，用之比，用k表示：表示：k=E1E2注意：1)变比变比k=E1E2U1U20，U20为二次绕为二次绕组的空载电压。组的空载电压。2)在三相变压器中，在三相变压器中，k指相电动势之比；指相电动势之比；3)变比变比k常用下式计算：常用下式计算：单相变压器：单相变压器：k=U1NU2N三相变压器：三相变压器：k=U1NU2N3变压器的负载运行一

15、负载运行时的电磁过程 e、i同方向同方向,i的方向与的方向与的方向符合右手的方向符合右手螺旋定则。二次侧采用如图假定方向。螺旋定则。二次侧采用如图假定方向。二、磁动势平衡方程式其一次绕组漏阻抗压降其一次绕组漏阻抗压降I1Z1很小，负载时仍很小，负载时仍有有U1E1=4.44fN1m，故铁心中与，故铁心中与E1相对应的相对应的主磁通主磁通m近似等于空载时的主磁通，从而产生近似等于空载时的主磁通，从而产生m的合成磁动势的合成磁动势Fm与空载磁动势与空载磁动势F0近似相等，近似相等，负载时的励磁电流与空载电流负载时的励磁电流与空载电流I0也近似相等。也近似相等。将上一页的第二个式子同除以将上一页的

16、第二个式子同除以N1,得得 变压器一次侧电流 有两个分量：，。是励磁电流用于建立变压器铁心中的主磁通 ，是负载分量用于建立磁动势 去抵消二次侧磁动势 ，即三、电压平衡方程式类似于类似于，也可以看成一个漏抗压降，即也可以看成一个漏抗压降，即 则二次侧绕组的漏阻抗Z2=R2+jX2。联合列出一次侧二次侧电压电流方程式。异步电机异步电机的基本工作原理异步电机的基本工作原理异步电机的基本结构异步电机的基本结构异步电动机的额定值异步电动机的额定值概述概述 一、异步电机的基本工作原理一、异步电机的基本工作原理 异步电机定子三相对称绕组接在三相对称交流电网上，转子绕组对称短路。定子绕组中流过三相对称电流，在

17、气隙中产生基波旋转磁场。气隙旋转磁场在短路的转子绕组中感应电动势并产生电流，该电流与气隙中的旋转磁场相互作用产生电磁转矩，实现异步电机的运行。一、异步电机的基本工作原理异步电机主要作电动机使用。主要优点：结构简单、运行可靠、制造容易、价格低廉、坚固耐用，有较高的效率和相当好的工作特性。缺点：目前尚不能经济地在较大范围内平滑调速，以及它必须从电网吸收滞后的无功功率。分类：二、异步电机的基本结构异步电机外形图 异步电机结构图二、异步电机的基本结构1.定子 定子铁心：电机主磁路的组成部分，并嵌放定子绕组。由厚度为0.5mm的硅钢片叠装而成。为了嵌放定子绕组，在定子冲片内圆周上均匀地冲制若干个形状相同

18、的槽。二、异步电机的基本结构 定子铁心的槽形主要有三种：半闭口槽适用于小型异步电机，其绕组是用圆导线绕成的。半开口槽适用于低压中型异步电机，其绕组是成型线圈。开口槽适用于高压大中型异步电机，其绕组是用绝缘带包扎并浸漆处理过的成型线圈。二、异步电机的基本结构2.定子 定子绕组：构成电路部分。其作用是感应电动势、流过电流、实现机电能量转换。机座：固定和支撑定子铁心。因此要求有足够的机械强度。二、异步电机的基本结构2.转子 转子铁心：电机主磁路的组成部分，并放置转子绕组。由厚度为0.5mm的硅钢片叠装而成，在转子外圆周上冲制均匀分布的形状相同的槽。转子绕组：构成电路部分。有两种结构型式：笼型绕组和绕

19、线型绕组。转轴：支撑转子铁心和输出、输入机械转矩。二、异步电机的基本结构2.转子 笼型绕组：在转子铁心均匀分布的每个槽内各放置一根导体，在铁心两端放置两个端环，分别把所有的导体伸出槽外部分与端环联接起来。这种笼型绕组一般为铝浇铸的，对中大型电机为减小损耗、提高效率，往往采用铜条焊接而成。二、异步电机的基本结构2.转子 绕线型绕组：与定子绕组相似、极数相同的三相对称绕组。一般接成星形。将三相绕组的三个引出线分别接到转轴上三个滑环上，再通过电刷与外电路接通。绕线型转子的特点是可以通过滑环电刷在转子回路中接入附加电阻，以改善电动机的起动性能、调节其转速。二、异步电机的基本结构 3.气隙 定、转子之间

20、的间隙，也是电机主磁路的组成部分。气隙大小对异步电机的性能影响很大。为了减小电机主磁路的磁阻，降低电机的励磁电流，提高电机的功率因数，气隙应尽可能小。异步电机气隙长度应为定、转子在运行中不发生机械摩擦所允许的最小值。中、小型异步电机中，气隙长度一般为0.21.5mm。三、异步电动机的额定值u额定功率PN：是转轴上输出的机械功率，单位为W或kW。u额定电压UN：施加在定子绕组上的线电压，单位为V。u额定电流IN：电动机在额定电压、额定频率下，轴端输出额定功率时，定子绕组的线电流，单位为A。u额定频率fN：我国电网频率fN=50Hz。u额定转速nN：电动机在额定电压、额定频率、轴端输出额定功率时，

21、转子的转速，单位为r/min。u额定效率N。u额定功率因数cosN。三相异步电动机额定值之间的关系异步电动机功率、转矩平衡方程式一、功率平衡方程式一、功率平衡方程式 异步电机的功率和损耗在异步电机的功率和损耗在T型等效电路中的反映如图所示型等效电路中的反映如图所示。名称名称符号符号 计算公式计算公式输入电功率输入电功率P1P1=m1U1I1cos1定子绕组铜定子绕组铜耗耗pCu1pCu1=m1I12R1铁耗铁耗pFepFe=m1I02Rm，在正常运行时，异步电在正常运行时，异步电动机的转速接近同步转速，转子电流动机的转速接近同步转速，转子电流频率很低频率很低(0.52)Hz，转子铁耗可以，转子

22、铁耗可以忽略，因此异步电动机的铁耗可近似忽略，因此异步电动机的铁耗可近似认为等于定子铁耗。认为等于定子铁耗。电磁功率电磁功率PemPem=P1-pCu1-pFe=pCu2+Pmec=m2I22R2s借助于气隙中旋转磁场由定子传借助于气隙中旋转磁场由定子传递给转子的功率递给转子的功率转子绕组铜转子绕组铜耗耗pCu1pCu2=m2I22R2名称名称 符号符号计算公式计算公式总机总机械损械损耗耗PmecPmec=m2I22R2(1-s)s机械机械损耗损耗pmec包括轴承摩擦损耗和通风损耗，主要与包括轴承摩擦损耗和通风损耗，主要与转速有关转速有关附加附加损耗损耗pad难以准确计算，通常估算约为电机额定

23、难以准确计算，通常估算约为电机额定功率的功率的0.5%1%。输出输出机械机械功率功率P2转子轴上输出的机械功率转子轴上输出的机械功率功率平衡方程为：P1=Pem+pcu1+pFePem=pcu2+Pmec 机械功率平衡方程式：Pmec=P2+pmec+pad电磁功率、转子绕组回路铜耗、总机械功率三者之间的关系为：Pem：pcu2：Pmec=1：s：(1-s)二、转矩平衡方程式二、转矩平衡方程式异步电动机机械功率平衡关系式异步电动机机械功率平衡关系式Pmec=P2+pmec+pad的两边同除以转子机的两边同除以转子机械角速度械角速度=2n/60，即得对应的转矩平，即得对应的转矩平衡方程式。衡方程

24、式。Tem=T2+T0Tem=Pmec为电磁转矩；为电磁转矩；T2=P2为负载制动转矩；为负载制动转矩；T0=(pmec+pad+p0)为空载制动转矩。为空载制动转矩。Tem=Pmec/=Pmec/(1-s)1=Pem/1式中，式中，1=2n1/60为同步角速度。为同步角速度。上式说明，电磁转矩等于电磁功率除上式说明，电磁转矩等于电磁功率除以同步机械角速度，也等于总机械功以同步机械角速度，也等于总机械功率除以转子机械角速度。率除以转子机械角速度。三、效率三、效率=(P2P1)100异步电机的电磁转矩一、物理表达式一、物理表达式 异步电机电磁转矩的物理表达式描述了电磁转矩与主磁通、转子有功电流的

25、关系。Tem=CTmI2aCT为与电机结构有关的常数；I2a=I2cos2为转子电流的有功分量。二、参数表达式二、参数表达式 异步电机电磁转矩的参数表达式描述了电磁转矩异步电机电磁转矩的参数表达式描述了电磁转矩与参数的关系，由简化等效电路推导出表达式如下与参数的关系，由简化等效电路推导出表达式如下1.Tem与U12成正比。2.f1 Tem。3.漏电抗Xk Tem。1.1.TTemem-s s曲线曲线 在电压在电压U U1 1、频率、频率f f1 1为常数时，电机的参数可为常数时，电机的参数可以认为是常数，电磁转矩仅与以认为是常数，电磁转矩仅与s s有关，其关系曲有关，其关系曲线线T Temem

26、f f(s s)如图所示。如图所示。1.Tem全曲线与U12成正比。2.三个特殊点三个特殊点同步点：同步点：s=0，n=n1，旋转磁场相对于转子，旋转磁场相对于转子静止，静止，Tem=0。最大转矩点：最大转矩点：s=sm，临界转差率临界转差率sm，特点是，特点是与与R2成正比，与成正比，与Xk成反成反比。比。Tmax的特点是与的特点是与R2无关。无关。过载倍数过载倍数kM=TmaxTNTN为额定负载转矩TN=PN/NkM2.三个特殊点起动点：起动点：s=1，n=0，转子静止，转子静止，Tem=Tst。起动转矩倍数kst=TstTN一般kst=1.02.0，特殊用途一般kst=2.84.0异步

27、电动机的工作特性异步电动机的工作特性是指在额定电压、额定频率下异步电动机的转速n、效率、功率因数cos1、输出转矩T2、定子电流I1与输出功率P2的关系曲线。异步电动机的工作特性可以用计算方法获得。在已知等效电路各参数、机械损耗、附加损耗的情况下，给定一系列的转差s，可以由计算得到工作特性。对于已制成的异步电动机，其工作特性也可以通过试验求得。高压断路器作用1.根据电网运行的需要，将电力设备或线路投入或退出运行。2.当电网运行出现故障时，将故障部分从电网中迅速切除，保证电网其他部分正常运行。高压真空断路器工作原理电弧产生的机理灭弧方法（1）迅速拉长电弧（2）吹弧（3）采用真空（4）弧隙并联电阻（5）提高弧隙介质压力两支钉之间的3000V电弧利用电弧原理的电焊基本技术数据（1）额定电压UN和额定电流IN（2）额定开断电流INbr（3）短路关合电流INCl（4）热稳定电流和动稳定电流（5）分闸时间和合闸时间（6）额定断流容量SNbr断路器的类型（1）油断路器（2）真空断路器（3）六氟化硫断路器