第四版电机第一单元

绪论一．电机在国民经济建设中的作用电能的产生、传输、分配控制和转换都是既方便又高效率的，所以它成了各种能量转换的中间环节。电能被利用到国民经济建设中的各个方面。因此，发电量的大小已成为衡量一个国家现代化程度的重要标志，平均每人耗电量也成了衡量人民物质生活水平的重要依据之一。电机已普遍应用在国民经济和人们生活的各个方面，发挥着十分重要的作用。二、电机发展简史1821年法拉第发明电流在磁场中受到力的作用实验以后，出现了电动机的雏形。到19世纪末，直流电机、变压器、交流电机的基本形式已大体形成。进入20世纪后，三相笼型电动机的大量应用，社会生产力得到极大的提高，从而进入了电气化时代，完成了人类现代科学技术进步史上的第二次技术革命。近代电机发展的主要成就表现在以下几个方面：1、电机容量的不断提高。2、中、小电机的技术及经济指标不断地提高。3、电机制造中不断应用新材料、新技术。4．新型的特种电机不断出现。三、我国电机制造工业的发展简况解放前我国电机制造业十分落后，主要是装配修理，最大发电机单机容量不超过200kW，交流电动机不超过220kW，变压器不超过2000kVA。解放后我国电机制造业有了迅速发展，技术水平也有较大提高。1958年浙江大学和上海电机厂共同研制成世界上第一台12MW双水内冷发电机，震动了国际电工界；1969年上海电机厂又生产出125MW双水内冷汽轮发电机；1987年制成600MW定子水内冷、转子氢内冷大型汽轮发电机。目前国内正在进行设计及试制1000MW的巨型发电设备。电力变压器目前早能生产330~503kV电压等级，单台容量为550MVA，基本接近当前世界先进水平。在中、小型电动机方面，直流电机从Z3系列过渡到Z4系列，目前已大批量生产适用于整流器供电的系列。交流异步电动机也由J、JO系列过渡到J2、JO2系列，目前已大批量生产Y系列。Y系列和Z4系列均符合国际电工委员会标准，技术指标先进，又能国际通用，有利于进出口，设备的配套。80年代以后，永磁电机发展成为电机中新的一族，小至毫瓦级，大至1~000kW，种类也很多。四、本课程的任务和要求本课程是电工专业的专业理论课。通过学习，要求掌握变压器、异步串动机、直流电动机的结构、原理、主要特性、使用和维护知识；对同步电动机和特种电动机要有一定的了解；培养对电动机故障的分析、判断和进行电动机实验的能力，为生产实习课与解决实际技术问题奠定理论基础。第一单元变压器的分类、结构和原理课题一变压器的分类和用途变压器是利用电磁感应原理制成的静止电气设备。它能将某一电压值的交流电变换成同频率的所需电压值的交流电，以满足高压输电、低压供电及其他用途的需要。1、原理：变压器的一次绕组通电后在铁心中产生一个正弦交变磁通，该磁通又在一次、二次绕组中感应出电动势E1和E2。当二次绕组接有负载ZfZ时，就会输出电压U2和电流I2，这就是变压器传输电能的过程。变压器的工作原理实际上就是利用电磁感应原理，把一次的电能传送给二次侧的负载，如图：1—1所示。2、效率：变压器的效率一般很高，电力变压器可达95％以上，巨型电力变压器高达99％以上。在电能的输送过程中，高压输电一可以节省导线和其他架设费用，二可以减少送电时导线上的损耗。３．用途：发电机的输出电压不可能很高，通常需要通过变压器来升压。而电能被送到用电区后，又要通过降压变压器来降压，这种升降往往要经过多次才能达到要求。所以，变压器在电力系统中的用量是很大的。据统计，在电力系统中每1kW发电机功率需配备5~8kVA容量的变压器。电力系统中使用的电力变压器，可分为升压、降压和配电变压器。电力变压器运行电压高、容量大。除此之外，还可做成具有稳压、陡降、移相、改变波形等特性的变压器。用在测量系统中的仪用变压器，可以测大电流、高电压；用于实验室的自耦变压器，可任意调节电压；用于焊接的电焊变压器，具有陡降输出特性；用于电子扩音电路的变压器，可进行阻抗匹配；脉冲变压器可以传送脉冲波，等等。3、分类：变压器的种类很多，按相数分为单相、三相、多相变压器；按冷却方式分为干式、油浸式和充气式变压器；按用途分为电力变压器和专用变压器，如电炉变压器、电焊变压器、仪用变压器、整流变压器，等等。课题二变压器的结构与冷却方式电力变压器基本结构有：铁心、绕组。为了满足其密封、安全、冷却等要求，另有油箱、气体继电器、分接开关等。一、绕组绕组是变压器的电路部分，常用绝缘铜线或铝线绕制而成，也有用铝箔或铜箔绕制的。接电源的绕组称一次绕组；接负载的绕组称二次绕组。也可按绕组所接电压高低分为高压绕组和低压绕组。按绕组绕制的方式不同，可分为同心绕组和交叠绕组两种类型。1．同心绕组同心绕组是将一次、二次侧线圈套在同一铁心柱的内外层，一般低压绕组在内层，高压绕组在外层。当低压绕组电流较大时，绕组导线较粗，也可放到外层。绕组的层间留有油道，以利绝缘和散热。大多数电力变压器采用同心绕组。同心绕组又可分为圆筒式、线段式、连续式和螺旋式等结构，一般圆筒式用于容量不大变压器绕组；线段式用于小容量高压绕组；连续式主要用于大容量、高压绕组；。螺旋式用于大容量低压绕组。2．交叠绕组交叠绕组是将高、低压线圈绕成饼状，沿铁心轴向交叠放置，一般两端靠近铁轭处放置低压绕组，有利于绝缘。此种绕组大多用于壳式、干式变压器及电炉变压器中。二、铁心铁心是主磁通Фm的通道，也是器身的骨架。铁心常用硅钢片叠装而成，热轧硅钢片厚度有0．35mm和0．5mm两种，片间涂覆绝缘漆。冷轧硅钢片多用于大中型变压器中。电力变压器全部都已采用冷轧硅钢片。铁心因线圈的位置不同可分成芯式和壳式两类：芯式指线圈包着铁心，结构简单，装配容易，省导线，适用于大容量、高电压，所以电力变压器大多采用三相芯式铁心。壳式是铁心包着线圈，铁心易散热，用线量多，工艺复杂，除小型干式变压器外很少采用。铁心的装配方式有对接式和叠接式两种。铁心片有C形、E形、F形以及卷心片形等。三、主要附件：1、油箱：油箱内装有变压器油，使铁心和绕组隔离，有绝缘和冷却的作用。现有扁管、片式散热器和波纹油箱结构。2、储油柜：储油柜也称为油枕，与油箱连通。在储油柜进气管的端部装了一个呼吸器。呼吸器中放有变色硅胶，发现硅胶受潮变色要及时更换。大型变压器(6300kVA以上)还常采用充氮的储油柜或胶囊式储油柜。储油柜的侧面装有玻璃油表，可以观察油面的高低，油面以一半高为好。如果采用全密封变压器就可省去储油柜，一般可10-15年不用维护，体积也小，很适合城市供电用。3．气体继电器(瓦斯继电器)气体继电器装在油箱与储油柜之间的管道中，当变压器发生故障时，器身就会过热使油分解产生气体。气体进入继电器内，使其中一个水银开关接通(上浮筒动作)，发出报警信号。此时应立即将继电器中气体放出检查，若系无色、无味、不可燃气体，变压器可继续运行；若系有色、有焦味、可燃气体，则应立即停电检查。当事故严重时，变压器油膨胀，冲出继电器内的挡板，使另一个水银开关接通跳闸回路(即下浮筒动作)，切断电源，避免故障扩大，这就是浮筒式气体继电器的工作原理。现采用挡板式气体继电器。4、分接开关变压器的输出电压可能因负载和一次侧电压的变化而变化，可通过分接开关来控制输出电压在允许范围内变动。分接开关一般装在一次侧，通过改变一次侧线圈匝数来调节输出电压。分接开关分无励磁调压和有载调压两种，常用无励磁调压分接开关调节范围为额定输出电压的±5%，有载调压的分接开关有复合式和组合式两类，组合式调节范围可达±15％。因调节的方法不同，分接开关又有手动、电动两种，小型变压器多用手动调压，大型变压器多用电动调压，中型变压器手动、电动两种都可用。5、绝缘套管绝缘套管穿过油箱盖，将油箱中变压器绕组的输入、输出线从箱内引到箱外与电网相。绝缘套管由外部的瓷套和中间的导电杆组成，对它的要求主要是绝缘性能和密封性能。根据运行电压的不同，将其分为充气式和充油式两种。根据运行环境的不同，又可将其分为户内和户外式。6、安全气道和压力释放阀安全气道又称防爆管，是在油箱内压力达到一定程度时变压器油冲破防爆膜，从而防止油箱爆炸。目前常用压力释放阀。7、测温装置测温装置就是热保护装置。变压器的寿命取决于变压器的运行温度，因此油温和绕组温度监测是很重要的。通常用三种温度计监测。四、变压器的冷却方式１．三相油浸自冷式（ONAN）主要有SJ系列和SJL系列（铝线）。冷却方式为：当变压器运行、油温上升时，根据热油上升、冷油下降原理形成自然对流，流动的油将热量传给油箱体和外侧的散热器，然后依靠空气的对流传导将热量向周围散发，从而达到冷却效果。起冷却作用的散热器可分为管式、扁管式、片式和波纹油箱。2．三相油浸风冷式（ONAF）主要有SP系列。冷却方式：是在油浸自冷式的基础上，在油箱壁或散热管上加装风扇，利用吹风机帮助冷却。而且风力可调，以适用于短期过载。加装风冷后可使变压器的容量增加30％-35％。多用于容量在10000KVA及以上的变压器。3．三相强迫油循环风冷式（OFAF）主要有SEP系列。冷却方式：在油浸自冷式的基础上，利用油泵强迫油循环，并且在散热器外加风扇风冷，以提高散热效果。4．三相强迫油循环水冷式（OFWF）主要有SSP系列。冷却方式：在油浸自冷式的基础上，利用油泵强迫油循环，并且利用循环水作冷却介质，以提高散热效果。课题三变压器的原理正如前所述，变压器可以变换电压、电流，如何实现呢？一、空载运行：变压器一次侧加额定电压，二次侧开路即为空载运行，其原理图如右图所示。图中正方向作出以下规定：(1)u与i的正方向一致；(2)主磁通фm与i正方向符合右手螺旋定则；(3)感应电动势e与i正方向一致。2、理想变压器不计绕组的电阻、铁心的损耗、磁通中的漏磁通和磁路饱和的影响，这样的变压器就称为理想变压器。一次测只是一个单纯的电感电路了。在一些近似的计算分析中常用理想变压器来作分析。不计电阻和漏磁通，所以一次侧、二次侧的电压方程式为：U1=-E1，U02=E2（1）相量图的画法：理想变压器的相量图如右图所示，先取主磁通фm作参考相量画在水平方向，I0与фm同相，而E1相位落后I090°，而U1与E1正好大小相等，方向相反，可画在E1反向，则P0=UI0cosф=0，说明理想变压器空载时是不消耗能量的。E1与E2同相位。（2）感应电动势E的计算由法拉第电磁感应定律有：EP=-NΔф/Δt可推导出：E=4.44fNфm（3）变压器的变压比K：K=E1/E2=U1/U02=N1/N23、实际变压器：（1）漏磁通及其产生的电压降：实际变压器是存在电阻、漏磁通和铁耗的，空载电流产生的磁通有主磁通фm和漏磁通фS1两部分。漏磁通很小，只占主磁通的千分之几，所以对应的漏抗电动势ES1也是很小的，有时可以忽略不计。画出实际变压器的空载原理图，如图3所示。一次侧等效电路图如图4所示。这时电压平衡方程式为：U1=I0r1+jI0XS1+jI0X1=I0ZS1-E1图3图4可见，漏阻抗电压的存在会使E1下降，当I0ZS1较小时可以忽略。如用有效值表示，则有方程：U1≈E1U02=E2(2)励磁电流I0和空载损耗P0：实际变压器的铁心中有铁耗(磁滞与涡流损耗)，它会消耗一部分输入功率。所以I0就不会落后-E1相位90°，而是I0小于90°。可以分解成两部分，一个是有功分量I0P，是对应铁耗的，它与U1同相位；另一个是无功分量I0Q，是励磁用的，它与фm同相位，而I0超前фm一个很小的δ角，称为铁耗角，这时就有：I0P=I0sinδI0Q=I0cosδ空载损耗则为：P0=U1I0cosφ1≈U1I0Qcosφ1中小型变压器I0约为2％-10％的I1N，大型变压器的I0小于1％的I1N，可见空载损耗是较小的。(3)空载相量图作图方法：先作参考相量фm→画I0Q→画E1、E2、-E1，再由δ角画I0、I0Q，从-E1顶端画I0r1及jI0XS1，最后把它的顶点和原点连接起来即为U1，如右图所示。二、负载运行1、原理图及电压方程式，单相变压器负载运行原理图如图6所示，它的二次侧可简化成图7所示的等效电