变压器和异步电机的补充内容.ppt

2.9 变压器的并联运行复习变压器的运行特性:电压调整率和效率特性.定义:两台或两台以上的变压器的一次和二次绕组分别接到一次侧和二次侧的公共母 线上运行.如图.优点:供电可靠,灵活,效率高.,变压器的短路阻抗越大,则负载后电压变化越大;当变压器的不变损耗与可变损耗相等时,变压器的效率最高.举例。,【例】某变电所的负荷一天之内在1600kva和3200kva之间变化。现有两台2000kva的变压器，空载时的铁耗都是40kw，满载时的铜耗都是60kw。问应该如何根据负载的变化来投入变压器？解：当负荷大于2000kva时，应该让两台变压器都投入运行；当负荷小于2000kva时，应该只投入一台变压器运行。比较：负荷为2000kva:如果只用一台,40+60=100 如果用两台,40+40+15+15=110负荷为1000kva:如果只用一台,40+15=55 如果用两台,40+40+60/16+60/16=88【例】Y,yn0,10kv/0.4kv,1000kva 和 Y,yn0,10kv/0.4kv,2000kva 可以并联；Y,d11,35kv/10kv,1000kva 和 Y,d11,35kv/10kv,2000kva 可以并联；Y,d11,35kv/10kv,1000kva 和 Y,d5,35kv/10kv,1000kva 不能并联。,1.理想并联运行的条件变压器理想并联运行的条件是:(1)空载时并联的变压器之间没有环流;(2)负载时能够按照各台变压器的容量合理地分担负载;(3)负载时各变压器的电流应该同相位.对以上条件的解释.为达到理想的并联运行条件,并联运行的变压器应该达到以下要求:(1)各变压器的额定电压与电压比相等;(2)各变压器的联结组号相同;(3)各变压器的短路阻抗标幺值相等,阻抗角相等.以上要求中第(2)个要求必须保证.举例2-5。总结:联结组号不同的变压器或变比相差过大的变压器绝对不能并联运行.,2.一般情况下并联运行时变压器的负载分配以两台单相变压器并联运行为例.出发点:并联运行的变压器的电压被强迫相等.(1)两台变压器的联结组号不同 会引起很大的环流,即使空载时也可能烧毁变压器.(2)两台变压器联结组号相同,但变比不同 会引起一定的环流,空载时二次侧环流由以下公式计算:,(3)两台变压器联结组号和变比都相同,但短路阻抗的标幺值不同 变压器中没有环流,负载时各变压器的电流分配由以下公式计算:,或,根据两台变压器的简化等效电路，有,如果两台变压器的阻抗角接近(实际情况通常如此),则可化复数运算为实数运算.总结:设两台变压器联结组号相同,变比相同,当它们并联运行时,各自负担的容 量的标幺值之比等于各自漏阻抗的标幺值的反比.推论:两台变压器并联运 行,漏阻抗标幺值小的变压器先达到满载.补 有两台变压器并联运行,已知它们的联结组号相同,变比相同.S1n=1000kVA,S2n=1250kVA,短路阻抗标幺分别是:0.06和0.07.回答下列问题并说明理 由：（1）哪台变压器负担的容量的绝对数量大？0.933（2）不断增大总的负载，哪台变压器先达满载？【补】有三台变压器并联运行，已知S1n=10kVA,S2n=20kVA,S3n=30kVA.Zk1=4%,Zk2=5%,Zk3=5%.设总负载为50kVA，问每台变压器各负担多少？(c=1/25,10,16,24)作业:2-23,2.10 三绕组变压器复习双绕组变压器的原理.1.结构一个铁心,三套绕组,连接三个不同电压等级的电网,第三套绕组常常接成三角形接法,供电给附近的低压配电线路,或仅仅接同步补偿机或电容器,以改善电网的功率因数.标准联结组号:YN,yn0,d11;YN,yn0,y0 例 110/38/11kV;YN,yn,d11;10000/10000/10000kVA.采用三绕组变压器的好处：节省材料。画接线图。,2.基本方程关于正方向的两种规定:左图比较符合实际情况,右图是国内教科书的一般规定.,按照国内教科书的一般规定,忽略励磁电流,有磁势平衡式:,电压方程式略.,3.等效电路忽略励磁电流,根据方程式,再把二次和三次绕组归算到一次绕组,得等效电路如图.其中,X1为一次绕组等效漏抗,X2为二次绕组折算到一次绕组的等效漏抗,X3为三次绕组折算到一次绕组的等效漏抗.可以通过短路实验来求这些参数,要做三次短路实验(见2-24).说明:当电源不是加在高压侧时测得的短路阻抗,是折算到该侧的短路阻抗,需要再折算到高压侧.,2.11 空载投入电网时变压器的冲击电流,1.现象变压器稳态时空载电流很小,但变压器空载投入电网有时出现跳闸现象.表明出现了冲击电流（励磁涌流）2.采用物理概念进行原因分析动态和稳态的分析方法有所不同.抓住两个基本点:铁磁材料有饱和现象;变压器铁心中的磁通不能突变.设变压器铁心中无剩磁,先考虑两种极端情况.(1)电源电压过最大值时空载合闸根据E=U,此时感应电动势必然也过最大值,再根据电磁感应定律:,可知此时铁心中的交变磁通必然过零点,电路立刻进入稳态,没有冲击电流,如图.(2)电源电压过零时空载合闸根据E=U,此时感应电动势必然也过零点,再根据电磁感应定律,铁心中的交变磁通必然过最大值,这就与铁心中的磁通不能突变发生了矛盾.这时变压器会出现什么现象?,变压器一次绕组中会出现一个非周期磁通,如图,这个非周期磁通与周期磁通合成后使得t=0时铁心中的磁通仍然保持为零,但半个周期后,铁心中的总磁通的绝对值达到最大值,接近周期磁通幅值的两倍.这将使铁心高度饱和,此时励磁电流的幅值远不止稳态时的两倍,大约为80倍左右,也就是额定电流的4倍左右.3.限制措施对于三相变压器,空载合闸时总有一相电压接近过零点,因此该相绕组常常出现冲击电流,使得保护装置误动作.可以在一次绕组回路中串一个电阻,一,方面可以限制冲击电流的大小,另一方面可以减小一次绕组的时间常数,加快冲击电流的衰减.等到电路进入稳态,再将电阻切除.,4.采用数学方法进行定量分析,t=0时合闸,空载合闸时，不计绕组电阻，变压器一次绕组的电压平衡式为（用瞬时值表示）：,为t=0时电压,的初始相位角,时,式中，,包括与一次绕组交链的总磁通，含主磁通和漏磁通。以下分析中近似的认为 等于主磁通。的压降较小，初始阶段可以忽略不计。的存在是使瞬态分量衰减的基本原因，因此在研究瞬态电流衰减时，必须计及其影响。,解得：,式中，C是由初始条件决定,变压器空载合闸前的磁链为0，据磁链守恒原理，有,得：,分两种情况讨论之。1）合闸时电源电压刚好过最大值；2）合闸时电源电压刚好过零。,1）合闸时电源电压刚好过最大值：即t=0时，,2）合闸时电源电压刚好过零：即t=0时，,补一台单相变压器,铁心中没有剩磁.空载合闸时电源电压恰好过最大值,问一次绕 组中是否会产生冲击电流,为什么?【补】如果磁路不饱和，变压器空载合闸的最大电流是多少？【补】两台完全一样的单相变压器，一台铁心中没有剩磁，另一台有剩磁。当它们分 别空载合闸时，都产生了冲击电流。问在最极端的情况下，哪台变压器的冲击 电流的幅值更大些？补充变压器空载分闸：可能产生过电压。变压器的突然短路:分析方法与空载合闸类似.漏电保护器:原理类似变压器.交流电焊机:是一台漏抗很大的变压器.,5.9 感应电动机的起动主要指标:起动电流倍数,起动转矩倍数.以简化等效电路来说明.1.笼型感应电动机的起动(1)直接起动:起动时定子绕组通过开关直接接额定电压的电源.特点:起动电流大,5-7倍;起动转矩比较大,1-2倍.适合于功率不大的电机.(2)降压起动:电源电压被降低后再与定子绕组相连.具体方法有:星-三角起动法,自耦变压器起动法等.原理是利用起动电流与定子电压成正比来减少起动电流.特点:起动电流比较小,起动转矩更小(起动转矩与电压的平方成正比),适合于对起动转矩要求不高的场合.,降压起动方式的之一:星-三角起动法.起动线电流降为原来的三分之一,起动转矩也降为原来的三分之一.画图说明。,降压起动的方法之二:自耦变压器起动法.设自耦变压器的变比为Ka,则起动时电网线电流降为直接起动的Ka平方分之一,起动转矩也降为直接起动的Ka平方分之一.,(3)特殊电源起动:如使用异步电机软起动 器,变频器等.异步电机软起动器的原理仍然是降压起动,只不过在起动过程中根据电流大小可以动态实时调节电压的大小.变频器起动的原理是起动过程中定子频率是逐步升高的,使电机始终运行在小转差的范围内.*（4）并联电容器起动电机起动电流的大部分由电容器提供。,总结:笼型转子感应电机由于电机结构的限制,一般只能在定子侧想办法来改善起动 性能.,2.绕线转子感应电动机的起动.绕线转子感应电动机可以通过在转子回路中串电阻来改善起动性能,起动完成后再将电阻切除.串入适当大小的电阻,不仅可以减少起动电流,而且可以增大起动转矩.,总结:绕线转子感应电动机不仅可 以在定子侧想办法改善起动 性 能,而且可以在转子侧想 办法改善起动性能.自看例5-6,讨论5-22.,3.深槽和双笼感应电动机(1)趋肤效应槽形越深,趋肤效应越明显;频率越高,趋肤效应越明显.(2)深槽感应电动机(3)双笼感应电动机转子有两套笼性绕组:外笼和内笼.外笼截面积较小,内笼截面积较大;外笼采用电阻率较大的材料,内笼采取电阻率较小的材料.总结:深槽和双笼感应电动机都是特殊设计的感应电动机,利用趋肤效应来增大起动时的转子电阻,从而改善起动性能.【补】感应电动机在起动时，由于趋肤效应，转子电阻会。,5.10感应电动机的调速根据公式可以从三个方面来调节感应电动机的转速:,(1)改变定子和转子绕组的极对数p;(2)改变电源频率f1;(3)改变转差率s.,1.变极调速以单绕组双速电机为例:定子上有一套绕组,通过改变接法可以得到两极或四极绕组.转子为笼型绕组(笼型绕组的极数可以随定子绕组极数的改变而自动改变).,总结：变极调速的特点:有级调速,比较简单，电梯曾用（双绕组双极）.2.变频调速(1)基本要求:在额定频率(或基频)以下调速,希望保持铁心中的磁通基本不变.在额定频 率以上调速，希望保持额定功率不变。为什么在额定频率以下调速要保持磁通基本不变?举例说明。,例】一 台感应电动机，380V，60HZ，用变频器供电。（1）当频率调为30HZ时，电压大约应该调为多少？如果电压仍然保持在380V，电机会发生什么情况？（2）当频率调为120HZ时，电压大约应该调为多少?(537V)解：（1）,为做到这一点,在额定频率以下调速时,当频率改变时,电压同时改变,即保持U1/f1为常数.可以证明,这时电机的最大转矩在调速前后保持不变.因此,在额定频率以下的调速又称为恒转矩调速或恒磁通调速.,在额定频率以上调速时,一般随着电机转速的上升,使铁心中的磁通不断下降.为做到这一点,使,保持为常数,这时电机的最大功率在调速前,后保持不变,因此,在额定频率以上的调速又称为恒功率调速或弱磁调速.为什么在额定频率以上调速要采用恒功率调速?举例说明。,(2)变频器基本要求:电压和频率都要可控.基本结构:交-直-交变频器,如图.传统的控制方式是:整流器调压,逆变器调频.,现在流行的一种变频器:PWM变频器,控制方式为整流器不控制,逆变器既调频,也调压,如图.整流和逆变的原理。,整流器各二极管导通顺序为：1，2 2，3 3，4 4，5 5，6 6，1 1，2 PWM：脉宽调制。原理：用一系列等高不等宽的电压或电流脉冲代替正弦波电压 或电流。,逆变器开关管的控制信号为PWM脉冲,其产生原理如图.,开关管脉冲波形和输出的相电压波形(A相绕组相对于N点的电压波形)变频调速的特点:能在大范围内平滑地调速,效率较高,需要变频器.应用广泛。变频调速的应用.变频器对电机的负面影响:1)加速绝缘老化,匝间绝缘易击穿.2)温升高于普通电机.3)噪声问题,总结：变频调速的基本要求；PWM变频器的原理。,3.改变转差率来调速(1)转子绕组串电阻调速:只适用于绕线转子异步电机,见图.设负载转矩与空载转矩之和保持不变,即T2+T0保持不变,则有公式,特点：方法简单,调速范围较大;当转速调得很低时,外加电阻消耗功率很大,电机效率很低.讨论5-27，习题5-28,(2)串级调速:只适用于绕线转子异步电机.如图.其原理是利用外接功率变换装置来限制转子电流,使转速下调.特点:与转子绕组串电阻调速相比,效率较高;需要外接功率变换装置.(3)双馈电机:也是一种绕线转子异步电机,如图.其原理与串级调速差不多,只是转速不仅可以调低,也可以调高(可以超出同步转速,仍然是电动机)特点:与串级调速相比,调速范围更大.（1）（2）（3）综合。,(4)调压调速:通过改变电压来改变电机的运行点来调速.如图.举例:电扇调速器等.另外，台灯的调压调光。特点:当转子电阻小时，调速范围小.电梯上曾用。总结：改变转差率调速的几种方法。,【补】一台双馈异步电机，如何让它在低于同步转速时进入发电机状态？,5.12感应发电机和直线电机以笼型转子感应电机为例，画图说明异步电机从电动机向发电机的转变.1.并联在大电网上发电一般情况下,电机的转速必须要超出由电网频率决定的同步转速:特点:发出的电的电压和频率等于电网的电压和频率;需要从电网吸收滞后的无功电流励磁.转差大,发出的有功功率也大.在早先的风力发电中的应用。,总结:普通的感应电机并联在大电网上运行,只要电机转速超过由电网频率决定的同步转速,电机自动进入发电机状态.2.单机运行发电空载建立电压,需要两个条件:转子铁心中有剩磁;定子侧并联电容器提供励磁电流.空载电压的大小取决于电容线与空载特性的交点.增大电容量,空载电压升高.,负载运行时,为保持电压和频率的稳定,必须随负载的变化调节电机的转速和电容器的大小.例如:假定电压和频率保持不变,当负载增大(意味着电机输出电流增大)时,电机转速必须适当增大,同时并联的电容器也必须适当增大.见下表:380V 50Hz 负载(kW)转速(r/min)电容(uF)1 1510 120 2 1520 140 3 1530 160,总结:单机运行发电,必须在定子侧并联电容器,并且随负载的变化不断调节转速和电容量,以维持电压和频率的稳定.,直线感应电动机1.基本结构直线电机可以看成是由旋转电机展开得到：初级，次级；定子，动子。画图。以直线电机驱动的轻轨列车为例说明。2.基本原理初级通电后产生平移行波磁场，次级感应电流，产生电磁力。转差率S=(Vs-V)/Vs讨论5-33,附录A 谐波磁场对感应电动机转矩-转差率曲线的影响感应电机气隙中的谐波磁场有两个来源:一是绕组磁势非正弦分布引起的;二是由于齿槽所引起的.谐波磁场会产生寄生转矩,对电机的转矩-转差率曲线会带来一定的影响,特别对于笼型转子异步电机,这种影响更是明显.画图说明。,A.1 异步寄生转矩主要由绕组非正弦分布引起的谐波磁场产生.就三相电机而言,气隙合成磁场中除了基波外,还有5,7,11,13等次数的谐波,其中以5次和7次谐波为大.,这些旋转的谐波磁场分别在转子绕组中感应相应的电流,磁场和电流相互作用能够产生恒定的转矩,称为异步寄生转矩.其原理与基波磁场产生转矩的原理一样.如图.,由图中可见,由于5次和7次谐波磁场产生的异步寄生转矩的共同影响,转矩-转差率曲线在接近0.857处即略大于n0/7处下凹,影响电机起动.,A.2同步寄生转矩主要由于齿谐波磁场引起.定子的齿谐波磁场和转子基波电流产生的转子齿谐波磁场有可能次数相同,在某一转速下有可能保持相对静止,从而产生恒定的转矩,这就是同步寄生转矩.例一台4极异步电机,Q1=24,Q2=28,电机 运行时是否会产生同步寄生转矩?,解:定子一阶齿谐波磁场的次数为 转子一阶齿谐波磁场的次数为,由此可见,定子和转子的一阶齿谐波磁场中都有13次,并且定子的13次是正转的,转子的13次是反转的,这两个齿谐波磁场在某一转速下有可能达到相对静止.,定子的13次齿谐波磁场相对于定子的转速为转子的13次齿谐波磁场相对于定子的转速为令两式相等,得即在电机转速达到同步转速的1/7处,产生了同步寄生转矩.至于这个转矩的方向,要看定子转子齿谐波的相对位置.如果定子齿谐波位置落后,则同步寄生转矩方向为正,否则为负.如图.表现在转矩曲线图上为曲线在此处上下跳跃.,A.3 削弱寄生转矩的办法(1)定子采用分布和短距绕组,或干脆采用正弦绕组,使定子磁势最大限度地接近正弦 波,主要用以削弱异步寄生转矩.(2)把转子槽斜过一个定子齿距,对于削弱异步寄生转矩和同步寄生转矩都有用.(3)在小型异步电机中,采用半闭口槽,减少齿槽效应对气隙磁导的影响,从而削弱齿谐 波磁场,主要用于削弱同步寄生转矩.(4)适当的选择定,转子的槽数,使得定子的谐波次数和转子的谐波次数没有相等 的机会.主要用于削弱同步寄生转矩.以上办法简单记为:短距绕组,斜槽,半闭口槽,合理的槽配合.对这四个办法的解释.,