电气工程基础2.电气设备的原理与功能.ppt

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1104,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,S,N,n,ea,eb,ec,If,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。,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。,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 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，10kV35kV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：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1：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，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，1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1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：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=-N1ddte2=-N2ddt,感应电动势有效值 设空载电流i0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势有效值复量为：正弦稳态下感应电动势有效值为：E1=4.44fN1mE2=4.44fN2m,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，1为漏磁通1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-e1+i0R1 u2=e2 在正弦稳态下，写成复数形式式中，Z1=R1+jX1 为一次绕组漏阻抗。,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=E1E2注意：1)变比 k=E1E2 U1U20，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=U1NU2N三相变压器：k=U1NU2N,3 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 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U1E1=4.44fN1m，故铁心中与E1相对应的主磁通m近似等于空载时的主磁通，从而产生m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。,将上一页的第二个式子同除以N1,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，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0.21.5mm。,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N。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 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。,功率平衡方程为：P1=Pem+pcu1+pFe Pem=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 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械角速度=2n/60，即得对应的转矩平衡方程式。Tem=T2+T0 Tem=Pmec 为电磁转矩；T2=P2为负载制动转矩；T0=(pmec+pad+p0)为空载制动转矩。,Tem=Pmec/=Pmec/(1-s)1=Pem/1 式中，1=2n1/60为同步角速度。上式说明，电磁转矩等于电磁功率除以同步机械角速度，也等于总机械功率除以转子机械角速度。三、效率=(P2P1)100,异步电机的电磁转矩,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、转子有功电流的关系。Tem=CTmI2a CT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 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,1.Tem与U12成正比。2.f1 Tem。3.漏电抗Xk Tem。,1.Tem-s曲线 在电压U1、频率f1为常数时，电机的参数可以认为是常数，电磁转矩仅与s有关，其关系曲线Tem=f(s)如图所示。,1.Tem全曲线与U12成正比。,2.三个特殊点 同步点：s=0，n=n1，旋转磁场相对于转子静止，Tem=0。最大转矩点：s=sm，临界转差率sm，特点是与R2成正比，与Xk成反比。Tmax的特点是与R2无关。过载倍数,kM=TmaxTN,TN为额定负载转矩TN=PN/N,kM,2.三个特殊点 起动点：s=1，n=0，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,