电气设备的原理与功能.

电气设备的原理与功能合肥工业大学电气工程系程源[e-mail]办公室：逸夫楼110415375452153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同步电机的结构形式同步电机的冷却方式同步电机的额定值同步电机的励磁方式一、同步电机的工作原理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tEemacos)120cos(tEemb)120cos(tEemcf260pnf随转子旋转角速度ωSNnea三相对称负载运行时旋转基波磁动势aF三相对称电枢电流iabcpfn6011nn(同步电机)ebecIf二、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转子由磁极、励磁线圈、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、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、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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ηN：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NNNNIUPcos3NNNNNIUPcos3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概述2变压器的空载运行3变压器的负载运行变压器的分类变压器的基本结构变压器的额定值空载运行时的磁通、感应电动势电压方程式和变比负载运行时的电磁过程磁动势平衡方程式电压平衡方程式1概述一、变压器的分类•变压器可以按用途、绕组数目、相数、冷却方式分别进行分类。•按用途分类：电力变压器、互感器、特殊用途变压器•按绕组数目分类：双绕组变压器、三绕组变压器、自耦变压器；•按相数分类：单相变压器、三相变压器；•按冷却方式分类：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。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、套管。•1、铁心•铁心是变压器的磁路，为了减少交变磁通在铁心中产生磁滞损耗和涡流损耗，变压器铁心由厚度为0.27mm、0.3mm、0.35mm的冷轧高硅钢片叠装而成。•心柱截面是内接于圆的多级矩形，铁轭与心柱截面相等。•2、绕组•绕组是变压器的电路部分，由包有绝缘材料的铜(或铝)导线绕制而成。装配时低压绕组靠着铁心，高压绕组套在低压绕组外面，高低压绕组间设置有油道(或气道)，以加强绝缘和散热。将绕组装配到铁心上成为器身。•3、油箱•除了干式变压器以外，电力变压器的器身都放在油箱中，箱内充满变压器油，其目的是提高绝缘强度(因变压器油绝缘性能比空气好)、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。绝缘套管一般是瓷质的，为了增加爬电距离，套管外形做成多级伞形，10kV～35kV套管采用充油结构，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：•(1)额定容量SN：是变压器的视在功率。由于变压器效率高，设计规定一次侧、二次侧额定容量相等。•(2)一次侧、二次侧额定电压U1N、U2N。二次侧额定电压U2N是当变压器一次侧外加额定电压U1N时二次侧的空载电压。对于三相变压器，额定电压指线电压。•(3)一次侧、二次侧额定额定电流I1N、I2N。对于三相变压器，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AX接在电源上、二次侧绕组ax开路，此运行状态称为空载运行。•主磁通Φ：其磁力线沿铁心闭合，同时与一次侧绕组、二次侧绕组相交链的磁通。•一次侧绕组的漏磁通Φ1σ：其磁力线主要沿非铁磁材料(油、空气)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，磁阻为非常数，存在饱和现象，Φ与i0呈非线性关系；漏磁通主要沿非铁磁材料(油、空气)闭合，磁阻为常数，Φ1σ与i0呈线性关系。•所起的作用不同：主磁通同时与一次侧绕组、二次侧绕组相交链，起能量传递媒介的作用；漏磁通Φ1σ仅与一次侧绕组相交链，不能传递能量，仅起电压降的作用。•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。•感应电动势•假定正向：•Φ与i呈右手螺旋关系；•e与i同方向。•主磁通在一次绕组（匝数N1）,二次绕组（匝数N2）中感应电动势的瞬时值为：•e1=-N1dΦ／dt•e2=-N2dΦ／dt•感应电动势有效值•设空载电流i0的频率为f，Φ=Φmsinωt，Φm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：••正弦稳态下感应电动势有效值为：•E1=4.44fN1Φm•E2=4.44fN2Φm11122224.4424.44mmmmEjNfjNfEjNfjNf漏电动势一次绕组漏磁通漏磁通Φ1σ在一次侧绕组中感应漏电动势为在正弦稳态下：111XIjLIjE10111ddieNLdtdt•一次侧绕组的漏电感•L1σ=N12Λ1σ•其中，Λ1σ为漏磁通Φ1σ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得一、二次侧电压平衡方程式•u1=-e1-e1σ+i0R1u2=e2•在正弦稳态下，写成复数形式•式中，Z1=R1+jX1σ为一次绕组漏阻抗。11101110110122UEEIREjIXIREIZUE•变比：一次绕组的电动势E1与二次绕组的电动势E2之比，用k表示：•k=E1／E2•注意：1)变比k=E1／E2≈U1／U20，U20为二次绕组的空载电压。2)在三相变压器中，k指相电动势之比；3)变比k常用下式计算：单相变压器：k=U1N／U2N三相变压器：k=U1Nφ／U2Nφ3变压器的负载运行一、负载运行时的电磁过程•e、i同方向,i的方向与Φ的方向符合右手螺旋定则。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I1Z1很小，负载时仍有U1≈E1=4.44fN1Φm，故铁心中与E1相对应的主磁通Φm近似等于空载时的主磁通，从而产生Φm的合成磁动势Fm与空载磁动势F0近似相等，负载时的励磁电流与空载电流I0也近似相等。120FFF112210NININI•将上一页的第二个式子同除以N1,得2120121001()()LNIIINIIIIIk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1I0I1LI0Im1LI11LNI22NI11220LNINI三、电压平衡方程式•类似于，也可以看成一个漏抗压降，即1E22222EjIXjIX则二次侧绕组的漏阻抗Z2=R2+jX2σ。联合列出一次侧二次侧电压电流方程式。11112222122101022mLUEIZUEIZEkEIIIkEIZUIZ2E异步电机异步电机的基本工作原理异步电机的基本结构异步电动机的额定值概述•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0.2～1.5mm。三、异步电动机的额定值额定功率PN：是转轴上输出的机械功率，单位为W或kW。额定电压UN：施加在定子绕组上的线电压，单位为V。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。额定频率fN：我国电网频率fN=50Hz。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，转子的转速，单位为r/min。额定效率ηN。额定功率因数cosφN。三相异步电动机额定值之间的关系NNNNNcos3IUP异步电动机功率、转矩平衡方程式一、功率平衡方程式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。名称符号计算公式输入电功率P1P1=m1U1I1cosφ1定子绕组铜耗pCu1pCu1=m1I12R1铁耗pFepFe=m1I02Rm，在正常运行时，异步电动机的转速接近同步转速，转子电流频率很低(0.5～2)Hz，转子铁耗可以忽