电气设备的原理与功能

1、电气设备的原理与功能合肥工业大学电气工程系程 源 办公室：逸夫楼1104二章教学目的 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同步电机的工作原理同步电机的工作

2、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tEemacos)120cos(tEemb)120cos(tEemcf260pnf 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aF三相对称电枢电流 iabcpfn6011nn (同步电机)ebecIf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

3、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、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

4、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NNNNIUPcos3NNNNNIUPcos3Ncos额定转速nN：电机额定运行时的转速变压器

5、结构、空载及负载运行1 概述一、变压器的分类 变压器可以按用途、绕组数目、相数、冷却方式分别变压器可以按用途、绕组数目、相数、冷却方式分别进行分类。进行分类。 按用途分类按用途分类：电力变压器、互感器、特殊用途变压器：电力变压器、互感器、特殊用途变压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

6、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、油箱、套管套管。 1、铁心 铁心是变压器的磁路，为了减少交变磁通在铁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，变压器铁心由厚心中产生磁滞损耗和涡流损耗，变压器铁心由厚度为度为0.27mm、0.3mm、0.35mm的冷轧高硅钢的冷轧高硅钢片叠装片叠装而而成。成。 心柱截面是内接于圆的多级矩形，铁轭心柱截面是内接于圆的多级矩形，铁轭与心柱截面相等。与心柱截面相等。2、绕组 绕组是变压器的电路绕组是变压器的电路部分，由包有绝缘材料部分，由包有绝缘材料的铜的铜( (或铝或铝) )导线绕制而导线

7、绕制而成。装配时低压绕组靠成。装配时低压绕组靠着铁心，高压绕组套在着铁心，高压绕组套在低压绕组外面，高低压低压绕组外面，高低压绕组间设置有油道绕组间设置有油道( (或气或气道道) )，以加强绝缘和散热。，以加强绝缘和散热。将绕组装配到铁心上成将绕组装配到铁心上成为器身为器身。3、油箱除了干式变压器以外，电力变压器的器身都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，其目的是放在油箱中，箱内充满变压器油，其目的是提高绝缘强度提高绝缘强度( (因变压器油绝缘性能比空气因变压器油绝缘性能比空气好好) )、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

8、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

9、、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

10、载运行。 主磁通主磁通：其磁力线沿铁心闭合，同时与一：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。次侧绕组、二次侧绕组相交链的磁通。 一次侧绕组的漏磁通一次侧绕组的漏磁通1：其磁力线主要沿非铁磁：其磁力线主要沿非铁磁材料材料(油、空气油、空气)闭合，仅为一次侧绕组相交链的磁闭合，仅为一次侧绕组相交链的磁通。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

11、，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。 主磁通在一次绕组（匝数主磁通在一次绕组（匝数N1）

12、,二次绕组二次绕组（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=4.44fN2m11122224.4424.44mmmmEjN fjN fEjN fjN f 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：111XI jLI jE10111d

13、dieNLdtdt 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。1110 1110 110122UEEI REjIXI REI ZUE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，

14、用k表示：表示： k = E1E2注意：1) 变比变比 k = E1E2 U1U20 ，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、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

15、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，从而产近似等于空载时的主磁通，从而产生生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近似相近似相等，负载时的励磁电流与空载电流等，负载时的励磁电流与空载电流I0也近似相也近似相等。等。120FFF1 1221 0N IN IN I 将上一页的第二个式子同除以将上一页的第二个式子同除以N1 ,得得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

16、建立磁动势 去抵消二次侧磁动势 ，即1I0I1LI0Im1LI1 1LN I22N I1 1220LN IN I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1E22222EjI XjI X 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。11112222122101022mLUEI ZUEI ZEkEIIIkEI ZUI Z 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

17、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

18、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

19、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、

20、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。

21、 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，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NNNNNcos3IUP 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输入电功率率 P1 P1=m1U1I1cos1定子绕组定子绕组铜耗铜耗 pCu1 pCu1 =m1 I12 R1铁耗铁耗 pFepFe=m1 I02 Rm，在正常运行时，异步电在正常运行时，异

22、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 Pem Pem= P1-pCu1-pFe =pCu2+Pmec=m2 I22 R2s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转子绕组铜耗铜耗pCu1pCu2=m2 I22 R2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=m2 I22 R2(1-s)s机械机械损耗损耗 pm

23、ec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 + 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

24、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。衡方程式。 Tem=T2+T0 Tem= 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、参数表达式二、参数表达式221221122111emem2XXsRRfsRpUmPT1. T