电机总复习用ppt课件

1 电机学总复习 2 变压器的额定值 额定电压U1N和U2N正常运行时规定加在一次侧的端电压称为变压器一次侧的额定电压U1N二次侧的额定电压U2N是指变压器一次侧加额定电压时二次侧的空载电压额定电压以V或kV表示对三相变压器 额定电压是指线电压 3 额定电流I1N和I2N 根据额定容量和额定电压计算出的线电流 称为额定电流 以A表示对单相变压器对三相变压器额定频率fN除额定值外 变压器的相数 绕组连接方式及联结组别 短路电压 运行方式和冷却方式等均标注在铭牌上 额定状态是电机的理想工作状态 具有优良的性能 可长期工作 变压器的额定值 4 变压器的空载运行 原边形绕组接上交流电源 便有交流电流流过 副边绕组开路电流为零 此时原绕组中电流叫空载电流 记为i0 副边无电流i2 0 此时磁路中仅有一个交变磁势 空载电流 excitingcurrent 5 i0 A X u1 1 1 2 i2 0 a x 空载磁通 原边空载电流i0 交变磁势 1i0 交变磁通 变压器的空载运行 交变磁通 主磁通 大部分磁通沿铁心闭合 同时交链原副边绕组 其路径叫主磁路 漏磁通 极少部分磁通只交链原边绕组 为原绕组漏磁通 其路径是经原绕组附近的空间闭合 叫漏磁路 8 主磁通感应电势 假定主磁通按正弦规律变化 结论 A e1滞后产生它的 900 B e1有效值 C 空载时的电磁关系 电势方程式及变比 原绕组中主磁通感应电势瞬时值为 9 结论 A e2滞后产生它的 900 B e2有效值 C 主磁通感应电势 空载时的电磁关系 电势方程式及变比 副绕组中主磁通感应电势瞬时值为 10 漏磁通感应电势 空载时的电磁关系 电势方程式及变比 11 结论 主磁通的大小取决于外施电压 与变压器所用材料和尺寸基本无关对已制成变压器 若不变 主磁通 大小基本不变 产生主磁通的激磁磁势也基本恒定 空载时的电磁关系 电势方程式及变比 电势关系式 分析 电力变压器空载运行时 R1 X 均小 可忽略 故 12 变比K 原边电势与副边电势之比 空载时的电磁关系 电势方程式及变比 电势关系式 副边 副边绕组开路 电流为零 所以副边空载电压等于感应电势 变压器变比等于原副边绕组匝数比 只有当变压器空载时近似地用原副边电压之比来表示变压器的变比 13 磁路不饱和时 磁化曲线近似为线性当 为正弦波 i也为正弦 空载电流 激磁电流的大小和波形取决于铁心饱和程度 即取决于铁心中磁通密度Bm的大小 不计铁耗时激磁电流波形 14 电压U1很接近E1 电路近似纯电感电路 为空载电流的有功分量 值很小 可忽略 则有 空载运行的相量图 15 空载时的基本方程 16 电势方程式 副边端电压为 变压器的负载运行 变压器负载运行时 原副绕组磁势除了合起来产生主磁通外 原副绕组磁势还分别在各自绕组产生漏磁通 17 负载时的电磁关系 变压器的负载运行 18 负载运行时变压器基本方程式汇总 19 折算法只是一种分析的方法 凡是单位为伏的物理量 电动势 电压 的折算值等于原来数值乘k 单位为欧的物理量 电阻 电抗 阻抗 的折算值等于原来数值乘k2 电流的折算值等于原来的数值乘以1 k 已没有变比k 副边绕组经折算后 原来的基本方程成为 变压器的负载运行 20 R1X Xm Rm R1X Xm Rm 变压器的等效电路 T型等效电路 21 近似等效电路 形等效电路 变压器的等效电路 22 简化等效电路 负载运行时 I0在I1N中所占的比例很小 在工程实际计算中 忽略I0 将激磁回路去掉 得到更简单的阻抗串联电路 简化 变压器的等效电路 23 在工程计算中 各物理量 电压 电流 功率等 除采用实际值来表示和计算外 有时用这些物理量与所选定的同单位的基值之比 即所谓的标么值表示 用 表示 标么值 定义 某一物理量的实际值与选定的相应物理量的基准值之比 24 空载试验 1 试验目的 测量变压器的励磁参数 空载损耗p0 2 试验原理图 很小 可以忽略 等效电路参数的测量 为了便于测试和安全 空载试验在低压侧施加电压 高压侧开路 将额定电源电压加在低压绕组 25 3 试验过程 1 原边加电压U1 2 用调压器使U1由0上升至1 15UN左右 逐点测出副边的空载电流I0 输入功率 即空载损耗p0 得到空载特性 3 作图空载特性曲线 0 U1 p0 I0 p0 I0 V A W 单相试验电源 单相变压器 等效电路参数的测量 空载试验 26 4 试验结果分析 找出时的p0及I0 单相 注意 在试验中要U1调到1 15UN左右 为安全起见 在低压方作原边 在低压方加电源 R1X Xm Rm T 型等效电路 0 U1 p0 I0 p0 I0 等效电路参数的测量 空载试验 27 空载实验计算得到的阻抗为在低压方的值 若将其折算到高压方 则 等效电路参数的测量 空载试验 注意 激磁参数与磁路的饱和度有关 为使测出的参数符合变压器实际运行情况 额定电压点必须测量 同时注意参数折算 28 短路试验 1 试验目的 测 及pcu 2 试验原理 忽略不计 R1X Xm Rm 等效电路参数的测量 为了便于测试 短路试验常在高压侧加电源电压 低压侧直接短路 29 3 试验过程 1 原边加电压Uk 2 调电压慢慢升高原边电流I1 由0增到为1 2IN止 逐点记录 及环境温度 3 作图 0 Uk pk Ik pk Ik 为常数 为直线 短路试验 等效电路参数的测量 V A W 单相试验电源 单相变压器 30 4 实验结果 R1X 0 Uk pk Ik pk Ik 短路试验 等效电路参数的测量 短路试验时 外施电压低 相应主磁通小 铁耗 激磁电流可略去不计 用简化的等效电路来分析 31 4 实验结果 R1X 0 Uk pk Ik pk Ik 短路试验 等效电路参数的测量 由于绕组电阻随温度改变 试验在室温进行 需换算到标准工作温度75 一般假定 32 变压器的电压变化率和外特性 电压变化率定义 外施电压为额定值 负载功率因数为给定值时 副边空载电压与负载时电压算术差与副边额定电压的比值 变压器的运行特性 原因 变压器原副边绕组存在电阻和漏抗 所以负载电流在变压器内部产生漏阻抗压降 导致变压器副绕组端电压不等于空载电压 电压变化率是变压器主要性能指标之一 反映变压器供电电压稳定性 33 U2 0 cos 0 8 滞后 cos 0 8 超前 cos 1 1 1 变压器的外特性 34 当变压器铜耗 铁耗有最大效率 变压器的效率 效率最大值 35 特点 各相磁路独立 互不相干 各相主磁通以各自的铁心为回路 若电源三相对称 则三相磁通对称 三相空载电流也对称 三相变压器组的磁路系统 三相变压器组 把三台完全相同的单相变压器的绕组按一定方式做三相联结 构成一台三相变压器组 36 三相心式变压器的磁路特点 各相磁路彼此相关 每相磁通需通过另外两相的心柱才能闭合 由磁通的路径可知 B相磁阻小 三相磁阻不相等 优点 耗材少 价格便宜 占地少 维护简单 三相心式变压器的磁路系统 37 变压器的联接组别 联结组 对绕组相位问题 常用 联结组 表示联结组的表示 单相原副边绕组联结组用I I表示 根据国际电工 IEC 标准 组别标号用时钟的点数来表示联结组表示规定 把原边绕组相电势相量和副边绕组相电势相量看作时钟上的长针和短针 令原边绕组相电势指向时钟盘面上的 12 的位置 那么副边绕组相电势指向时钟的数字即为联结组的组别号 38 三相变压器的联接组 三相变压器的联接组别 时钟法表示步骤 理论和实践证明 无论采用怎样的连接方式 一 二次侧线电动势 或电压 的相位差总是300的整数倍 因此可以采用时钟表示法 作为时钟的分针 指向12点 作为时钟的时针 其指向的数字就是三相变压器的组别号 组别号的数字乘以300 就是二次绕组的线电动势滞后于一次侧电动势的相位角 39 标准联接组单相和三相变压器有很多联结组别 为了避免制造与使用时造成混乱 国家标准规定 Y Y0 12用作配电变压器 其2次侧可以引出中线作为三相四线制 可以供动力电和照明电 高压侧 35kV 低压侧 400V 单相230V Y 11 Y0 11用于110kV以上的高压输电线路 高压侧可以接地 Y0 Y 12 Y Y 12 有 形的联结适用于防雷性能较高的变压器 三相变压器的联接组别 用于副边电压高于400V线路 高压侧 35KV 用于高压边需中性接地的场合 用在只供动力负载的三相变压器 40 联结组的几点认识 1 当变压器的绕组标志 同名端或首末端 改变时 变压器的联接组号也随着改变 2 Y Y联接的三相变压器 其联接组号都是偶数 3 Y 联接的三相变压器 其联接组号都是奇数 4 联接可得到与Y Y联接相同的组号 Y联接也可得到与Y 联接相同的组号 5 最常用的联接组是Y Y 12和Y 11 三相变压器的联接组别 41 结论 不饱和时 正弦的 由正弦im产生饱和时 正弦的 必须由尖顶的im产生 如果im仍为正弦 则产生 的是平顶波平顶的 中含有较大的3次谐波磁通 如果不加以抑制 将产生含有3磁谐波的感应电势 42 磁通中的三次谐波磁通也是大小相等 方向相同 在对称的三相系统中 三次谐波电流最大的特点 大小相同 相位相同 变压器的空载电流的波形与三相绕组的联结法 星形或三角形 有关铁心中磁通的波形与磁路的结构形式有关 组式或芯式变压器 三相变压器绕组联接法和磁路系统对电势波形的影响 43 Y Y联接组的电势波形 原边加对称三相电源 i1 由于原边为Y Y联接 三次电流无法通过 正弦 44 t 0 1 3 t e 0 1 3 e11 e13 e1 e11 e13 原边绕组中 线电势e1 e11 e13 尖顶波e1 希望e13越小越好 Y Y联接组的电势波形 45 故三相变压器组和三心五柱式变压器不能Y Y联接 Y Y联接组的电势波形 三相变压器组和三心五柱变压器 三相线电势中三次谐波抵消 波形仍接近正弦波 46 各相磁路独立 3次谐波磁通畅通无阻 也就是说 磁路结构对磁通中的3次谐波没有抑制 所以这种形式的变压器磁通为平顶波 相电势为尖顶波 相电势的幅值比基波幅值大 45 60 将危及变压器的绝缘 故电力系统中不能采用这种Y y组式变压器 Y Y联接组的电势波形 三相变压器组和三心五柱变压器 47 三相磁路关联 由于三相的3次谐波磁通同相位 在主磁路上相互抵销 只有漏磁路上有较小的3次谐波磁通 即这种磁路结构对3次谐波磁通有较好的抑制作用 所以磁通近似为正弦波 可见中小型三相心式Y y变压器是可以用的 三相心式变压器 Y Y联接的心式变压器的电势波形 48 三次磁通 3无法由主磁路通过 故主磁路 3小 e3小 但三次谐波磁通能由油 油箱等形成回路 在油箱壁等引起三倍频率的涡流损耗 使局部发热 降低变压器效率 故这种结构变压器有容量限制 一般小于1800KVA 三相心式变压器 Y Y联接的心式变压器的电势波形 49 Y 连接组的电势波形 原边Y 原边电流中无i3 原边电流i正弦 平顶 相电势有三次谐波 副边 内有三次谐波环流i3 原边无相应的三次谐波电流与之平衡 副边三次电流呈激磁作用 产生 对原有的三次谐波磁通起去磁作用 消弱了 使e13减小 故相电势近似正弦波 A B C a b c 50 原边电流中无三次谐波 iL正弦 但三次谐波激磁电流i3沿 内部产生环流 所以 各相绕组空载电流仍为尖顶波 i0尖顶 正弦 e呈正弦 a b c A B C Y连接组的电势波形 51 a b c A B C 大容量Y Y联接 铁心另加绕租接成 为i3提供通路 第三绕组 超高压 大容量电力变压器 常加一个三角形的第三绕组提供3磁谐波励磁电流的通路 以改善电势波形 大容量Y Y联结组变压器 52 三相变压器的不对称运行 对称分量法 一种线性变换方法 把一组不对称的三相电压或电流 分解成正序 负序和零序三组对称分量 三组对称分量叠加等于原来的不对称量 53 三相变压器各相序的等效电路和相序阻抗 正序和等效电路 正序阻抗 三相变压器内通过正序电流所遇到的阻抗称为正序阻抗 正序电流是大小相等 相位彼此相差120 的三相对称系统与三相对称运行的变压器完全相同 所以和普通三相对称运行的阻抗及等效电路一样 正序阻抗等于变压器短路阻抗 正序简化等效电路 54 三相变压器各相序的等效电路和相序阻抗 负序阻抗和等效电路 负序阻抗 三相变压器通过负序电流所遇到的阻抗称为负序阻抗变压器通入负序电流和正序电流时 磁通路径和电磁现象完全相同 所以负序系统的等效电路和负序阻抗与正序系统相同 即Z Z ZK正序阻抗和负序阻抗的不同之处 相序不同 如果正序是从A B C 而负序就是从A C B 负序简化等效电路 55 三相变压器各相序的等效电路和相序阻抗 零序阻抗和等效电路 零序阻抗 零序电流流经三相变压器时所呈现的阻抗 三相零序电流大小相等 相位相同 流入三相变压器时产生的电磁现象与正序和负序不同 零序阻抗和正负序阻抗也不同 影响零序阻抗的因数 变压器的磁路系统和绕组的联结方式 56 零序T型等效电路 磁路系统对零序阻抗的影响 零序阻抗和等效电路 零序等效电路基本部分与正序相同 因为各相绕组的电阻和漏抗与电流的相序无关 零序激磁阻抗不同 与磁路系统有关 57 磁路系统对零序阻抗的影响 三相变压器组零序激磁阻抗与正序激磁阻抗相等 等效电路与正序完全相同 三相变压器组各相独立 零序主磁通与正序主磁通路径完全相同 故 三相心式变压器 三相磁路彼此关联 零序电流产生的三相零序磁通 大小相等相位相同 无法在铁心流通 只有经油 油箱壁及部分铁心闭合 磁阻大 零序激磁阻抗较正序小得多 零序阻抗和等效电路 58 Y联结 三相零序电流同相位 无法流通 零序等效电路中Y形联结一方开路 Y0联结 三相零序电流可通过中线与电源构成回路 零序等效电路中Y0一方应为通路 联结 三相零序电流可在三角形内部流过 但无法流进或流出 零序等效电路中 三角形联结的一方相当于变压器内部短路 从外部看为开路 零序阻抗和等效电路 绕组联结方式对零序阻抗的影响 59 不同联接组的等效电路 A 零序阻抗和等效电路 60 A B C a b c Zm0 Z1 Y Y 不同联接组的等效电路 零序阻抗和等效电路 从原边看 从副边看 61 A B C Zm0 Z1 Y a b c 不同联接组的等效电路 零序阻抗和等效电路 从原边看 从副边看 62 A B C Zm0 Z1 Y0 a b c 不同联接组的等效电路 零序阻抗和等效电路 从原边看 从副边看 63 并联运行 两台或多台变压器的原绕组和副绕组出端分别并联在一起 各接在原副边母线上共同对负载供电 ABC abc 电网 负载 电网 负载 K 变压器的并联运行 64 1 各变压器的额定电压相等 即变比K相等2 各变压器的联结组号必须相同3 各变压器的短路阻抗标么值必须相等 为达到理想运行条件 并联变压器必须满足 变压器理想的并联条件 65 变比不同时的并联运行 因此变压器制造时必须严格控制变比误差 要求 由于短路阻抗很小 即使电压差值很小 环流也很大 如变比相差1 环流可达额定值的10 环流不同于负载电流 它在没有负载时也存在 占据了变压器的一部分容量 66 例 两台变压器组别分别是Y Y 12与Y Y 10 设二次侧空载电压大小相等 但有600的夹角 则线电压差为 空载环流为 组别不等的变压器绝对不允许并联 组别不等时的并联运行 空载环流为额定电流的10倍 67 短路阻抗标么值不等时变压器的并联运行 设多个变压器并联 满足K相等 联结组号相等 并联变压器原边和副边电压相等 阻抗强制相等 结论 各变压器负担的电流标么值与其阻抗标么值成反比 若并联变压器满足联结组别相同和变比相等两个理想并联条件 并联运行时不会有空载环流 并联变压器阻抗不等 将引起各变压器负载分担不合理 68 三绕组容量可不同 变压器的额定容量指三绕组中容量最大的一个额定容量是指容量最大的那个绕组的容量 一般容量的百分比按高中低压绕组有三种形式100 100 50 100 50 100 100 100 100 三绕组变压器结构特点及容量配合 69 三绕组变压器的基本方程 等效电路及相量图 特点 变压器有3个绕组 有三个变比 70 三绕组变压器的基本方程 等效电路及相量图 空载 负载 磁势方程 71 短路试验 短路阻抗 电压变化率和短路电流 自耦变压器短路阻抗 一台双绕组变压器接成自耦变压器运行时 短路阻抗标么值减小 变比越小 阻抗标么值下降越多 所以自耦变压器电压变化率小 短路电流大 宜用于高压输电线作为补偿线路电压损耗的变压器 72 自耦变压器的额定容量和电磁容量 电磁容量 绕组容量 绕组上电压和电流的乘积 即绕组上承担容量 串联绕组Aa的电磁容量 公共绕组ax的电磁容量 电磁容量 通过容量 73 如果变压器的额定容量相等 自变的S电磁 S双变电磁 这样绕组容量 材料 降低成本 重量及尺寸 Kxy越小越好 Ka越接近1越好 一般取1 Ka 2如果取太大 绕组容量接近变压器容量 优越性降低 变比太大 高低压相差悬殊 自耦变压器原副边有电的联系 给低压边绝缘及安全带来困难 自耦变压器与双绕组变压器的比较 74 S电磁 SN 材料 体积小 铜耗和铁耗较小 降低成本 效率高 短路阻抗标么值小 电压变化率小 但短路电流大 原副边均需装避雷器 因为原副边有电的联系 当高压侧遭受过电压 会沿着串联绕组传到低压侧 1 Ka 2 Ka越接近1越好 制造成本越低 效率越高 自耦变压器的特点 75 仪用互感器 电压互感器电流互感器用于测量线路上高电压 大电流场合的一种变换器 76 互感器属测量装置 按变压器原理工作电力系统中的大电流 高电压有时无法直接用普通的电流表和电压表来测量 必须通过互感器将待测电量按比例减小后测量互感器具有两种作用 将高电量转换为能用普通标准仪表测量的电量1A 5A 100V 500V 将仪表与高压电路隔离 保证仪表及人身安全 仪用互感器 77 电压互感器原副边绕组套在一个闭合的铁心上 高压绕组直接并联接到被测量的电压线路上 低压绕组接到测量仪表的电压线圈上 若仪表个数不只一个 各仪表的电压线圈就并联接在同一电压互感器的副边 仪用互感器 主要的性能指标是测量精度 78 实际互感器副边都接有测量仪表 而负载的大小又与所接仪表的阻抗值有关 互感器本身有激磁电流和漏阻抗压降存在 相位不同 出现相位误差 电压互感器的误差来源 仪用互感器 出现变比误差 79 使用互感器应注意 副边绕组绝对不允许短路 否则短路IK很大 引起绕组发热甚至烧坏绕组绝缘 导致一次的高压侵入二次 危及人身和设备安全副绕组与铁心必须可靠接地不要并联太多测量仪表 以免影响测量精度 仪用互感器 80 电流互感器 仪用互感器 原边绕组 由一匝或几匝截面较大的导线构成 串联在一次回路中副边绕组 匝数较多 导线截面较小 与阻抗很小的仪表的电流线圈串联成闭路电流互感器运行时相当于变压器的副边短路 用来测大电流 81 电流互感器的误差来源 仪用互感器 实际互感器副边总存在激磁电流和漏阻抗压降中含有激磁电流分量 所以 变比误差 和的代数差 相位误差 和之间的相位差 82 运行或带电切换仪表时 绝对不允许电流互感器副边开路 副绕组及铁心可靠接地不应串联过多负载 以提高精度 电流互感器使用时应注意 仪用互感器 副边开路 互感器空载运行 而原边绕组电流由一次侧被测电路决定 此时一次的电流全部起激磁作用 是铁心内磁密比正常运行增加很多倍 正常运行时 副边电流有去磁作用 原边电流大部分是负载分量 激磁分量很小 引起铁耗大大增加 使铁心过热 且副边绕组出现很高过电压 危及操作人员和仪表安全 83 正弦分布的以转速n旋转的旋转磁场 在三相对称交流绕组中会感应出三相对称交流电势感应电势的波形与磁场波形相同 为正弦波感应电势的频率为f Pn 60 Hz相电势的大小为E 4 44fW 1kw1绕组系数 kw1 ky1kq1kq Eq qEy sin q 2 qsin 2 ky cos 2 84 基波分量 谐波分量 线圈组磁势的普遍表达式 85 单相绕组的磁势 电势是时间的函数 可根据线圈组的串联或并联 把各线圈组电势组合成相电势 磁势不仅是时间函数 且沿定子内径 气隙 空间分布 各对磁极有各自的磁路 所以把各对磁极磁势合并没有物理意义 相绕组的磁势只能是线圈组的磁势 86 空间脉振磁势可分解为2个旋转分量 每个旋转分量的振幅只有原脉振磁势的一半 旋转角速度均为 且方向相反 单相产生的磁势为脉振 可分解为2个旋转分量 但这只是一种分析方法 并非单相产生的磁势既是脉振磁势又是旋转磁势 单相脉振磁势分解成两个旋转磁势 87 三相基波合成磁势 三相基波合成磁势幅值 结论 当对称三相电流流过对称的三相绕组时 其基波合成磁势为一个旋转磁势 三相基波合成磁势 88 三相基波合成磁势的性质 极数 三相基波合成磁势的波长与单相时一样 所以极数与单相极数相同 幅值 三相合成磁势为一个旋转磁势 其幅值为每相基波脉振磁势的3 2倍 且保持常数 转速 幅值点的速度也表示整个波形的速度 此速度称为同步转速 即合成基波旋转磁势的转速 89 幅值的位置 合成磁势幅值在空间的位置随时间变化形成一个旋转磁场 幅值总在x t处 当一相电流达到最大值时 合成磁势的幅值正好移至该相的相轴上旋转方向 基波旋转磁势的幅值与最大电流相绕组轴线重合 所以基波合成磁势的旋转方向与电流相序有关 电流相序为A B C 基波合成磁势幅值也由A转向B 再转向C 如果改变电流相序 则基波合成旋转磁势的转向也改变 三相基波合成磁势的性质 三相对称交流绕组通过三相对称交流电流后可产生圆形旋转磁势 二极动画 四极动画 90 异步电动机运行的必要条件 转子转速和定子旋转磁场转速之间存在差异 异步电动机的工作原理 感应电动机转子转速 随着负载变化而变化 91 定子 三相对称电流I 三相对称绕组 基波 圆形旋转磁场 方向A B C 顺时针n f P同步转速 转子中有感应电流 势 右手定则 转子导体受力 左手定则 转动 n T T N n n1 S 定子 三相对称电流I通入三相对称绕组 圆形旋转磁场 n1 60f1 P 以n1切割转子绕组 转子导体受电磁力 电磁转距 转动 n 92 定义 转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差 即 转差率 S 的概念 异步电机转子转速n与定子旋转磁场转速n1之间有转速差 此转速差正是定子旋转磁场切割转子导体的速度 转差率的大小决定着转子电动势及频率的大小 直接影响异步电机的工作状态 93 异步电机运行中 电动机起动瞬间 转子静止 转差率最大 转差率 S 的概念 94 n1为同步转速 n为转子转速 S 转差率 n1 n n1电动机运行状态 定子圆形旋转磁场 转子中感应电流 转子受力 转动 可见0 n n10 S 1另 T与n同向 电磁转矩为驱动性质 电机此时吸入电能 输出机械能 电动机 T T N n n1 S 0 S 10 n n1电动机 异步电机的三种运行状态 95 以另外的原动机拖动转子 使n与n1同向且n n1 导条中有电流 转子受力n n1 S 0T与n反向 起制动作用吸收机械能 输出电能 发电机 T T N n n1 S Sn1发电机 发电机运行状态 异步电机的三种运行状态 96 定子磁场未变 以外力使转子速度n与n1反向n1T与n反向 制动作用同时吸收电能及机械能 消耗于内部转子电阻上 T T N n n1 S S 1n 0电磁制动 电磁制动运行状态 异步电机的三种运行状态 97 以外力阻止转子旋转 转子不动时的异步电动机 与变压器二次侧短路时的运行状态非常相似 98 转子不动时的电磁关系 异步电动机磁通 主磁通 漏磁通 定子漏磁通 转子漏磁通 实现定转子之间能量传递 漏磁通只起压降的作用 99 异步电动机定子上有三相交流绕组 通以三相交流电 定子绕组有电流流过 旋转 n1 60f1 P 电磁力 转矩T 转子转动 速度n 转子旋转时的异步电动机 100 设转子旋转速度为n 转子绕组相对定子旋转磁场的速度为n1 n定子旋转磁场在转子绕组中感应出电势的频率为 转差率 s n1 n n1 f2又称转差频率 电动机正常运行时 S往往很小 约为0 02 0 06 所以电动机额定运行时转差频率很低 约为1 3周 秒 转子旋转对转子各物理量的影响 转子电流和电势的频率 101 定子侧电流相序A B C 磁场F1的旋转方向A B C 旋转磁场转速为n1 相对定子 转子侧定子磁场依次切割转子绕组abc 转子电流相序为a b c 转子产生磁势F2 方向为a b c转子磁势F2相对转子的转速 转子电流产生的旋转磁势的转速 102 n1 F1 注意 n2为转子电流产生的磁势F2相对转子的转速 亦即F2相对转子的速度为n1 n 而转子本身以转速n旋转 所以F2相对静止的定子的速度为n1 n n n1 结论 定子磁势F1与转子磁势F2方向相同 速度相同 保持相对静止 满足交流电机稳定运行的条件 转子电流产生的旋转磁势的转速 转子磁势F2相对转子的转速 103 频率折算的物理意义 用一个静止的电阻为R2 S的等效转子去代替电阻为R2的实际旋转转子 等效转子与实际转子产生相同的旋转磁势 频率折算 转子转动后的转子电流为 与虽然幅值相同 但频率已经从f2变为f1 104 频率折算后的转子电阻为R2 S 频率折算 表示与轴上输出功率对应的等效电阻此电阻大小与电机的转差率有关 技术处理 和静止时转子电阻相比 转子电阻多了一项 105 当电机所带负载变化时 电机的转速随之变化 S变化 变化 所以反应了电机机械负载变化的大小 而此电阻上消耗的功率代表了电机产生的总的机械功率 频率折算 分析 106 T等效电路 由上述电路可见 异步电机为感性电路 基本方程及等效电路 107 R1X Xm Rm 等效电阻的意义 电机起动时 等效电阻被短接 副边支路阻抗很小 很大 相当于变压器副边短路状态原边电流也大 原副边功率因数均低 108 转差S很小 S 0 02 0 06 大 转子电路基本为电阻性 等效电阻的意义 电机额定负载时 转子电流不大 同时转子电流频率很低 所以电阻较电抗大很多 定转子边功率因数均较高 转子边接近1 定子边可达0 8 0 95 异步电机有气隙 激磁电抗较小 所以激磁电流较大 109 2 相量图 110 2 相量图 111 相量图 112 相量图 相关结论 异步电机定子电流总是滞后电源电压 主要因为激磁电流和定转子间漏抗引起 要维持气隙中主磁场和定转子间漏磁场都需要一定无功功率 它们从电源输入 所以定子电流滞后于电源电压激磁电流越大 或定转子漏抗越大 电机功率因数越低 113 功率平衡方程式 异步电动机的能量 功率及转矩平衡方程式 电源输入的电功率 定子绕组铜耗 铁心损耗 铁心损耗包括磁滞损耗和涡流损耗 由于电动机正常运行时转子电势频率很低 2 3周 秒 所以铁耗主要集中在定子中 转子铁耗忽略 输入功率扣除Pcu1及PFe后即为传送到转子边的功率 这个功率由电磁感应定律产生 故称之为电磁功率 114 电磁功率Pem扣除转子铜耗pcu2后 即为消耗在等效电阻上的功率 总机械功率 功率平衡方程式 异步电动机的能量 功率及转矩平衡方程式 电磁功率计算 转子铜耗 转子铜耗与电磁功率的关系 电磁功率可表示为 总机械功率 115 从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分 一小部分为转子铜损耗 绝大部分转变为总机械功率 转差率越大 转子铜损耗就越多 电机效率越低 因此正常运行时电机的转差率均很小 几个重要关系 异步电动机的能量 功率及转矩平衡方程式 116 表明 三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通与转子电流的有功分量相互作用产生的 结论 T为 m I2 及cos 2的函数 当异步电动机起动时 转子边电路cos 2很低 尽管此时I2 很大 电磁转矩T却不大 电磁转矩物理表达式 电磁转矩及机械特性 117 说明 电磁转矩与电源参数 f 结构参数 R X m P 和运行参数 S 有关 电磁转矩参数表达式 电磁转矩及机械特性 118 理想空载运行点 实际 机械特性 机械特性的几个特殊点 额定运行点 最大转矩点 起动点 119 最大转矩 电机带动最大负载的能力 令求出当T最大时的转差率SK 如果负载转矩 电机将会因带不动负载而停转 最大转矩 过载能力和稳定运行区域 最大转矩和过载能力 电磁转矩 120 号表示电动机运行 号表示发电机运行 略去R1 令C1 1则 最大转矩 过载能力和稳定运行区域 最大转矩和过载能力 121 分析 当电源频率不变 1不变 及电机参数固定时 Tmax与U12成正比 但产生Tmax时的临界转差率SK不变 与电源电压无关 最大电磁转矩Tmax的大小与转子电阻R2 无关 但R2 大小变化会影响SK的变化 R2 增大 SK增大 最大转矩 电源电压和频率一定 最大转矩与短路阻抗成反比 122 最大转矩 最大电磁转矩Tmax的大小与转子电阻R2 无关 但R2 大小变化会影响SK的变化 R2 增大 SK增大 对绕线式异步电机 可在转子回路串电阻使起动转矩随转子电阻的增大而增加 直到SK 1 起动转矩为最大转矩 此时 起动转矩最大 转差也大 转子铜耗增加 123 过载能力 最大电磁转矩与额定电磁转矩之比 过载能力 最大转矩 最大转矩又叫停转转矩 如果超过这个转矩 电动机将停止运行 所以此时对应的转差率SK为稳定运行的最大转差率 称为临界转差率 为保证电动机不因短时过载停转 要求电机有一定过载能力 即有较大的最大转矩 124 当其它参数一定时 最大电磁转矩与电源电压平方成正比 临界转差率与电源电压无关 频率越高 最大电磁转矩和临界转差率越小 漏抗越大 最大电磁转矩和临界转差率越小 转子回路电阻越大 临界转差率越大 最大电磁转矩与转子电阻无关 由两个表达式可见 最大转矩 过载能力和稳定运行区域 125 最大转矩 过载能力和稳定运行区域 126 或 电动机稳定运行条件 127 异步电动机一般设计为额定电压运行时 铁心处于接近饱和状态 如果电压变化 铁心饱和程度也改变 引起励磁电流 功率因数和效率等变化 实际电压与额定电压之差不超过对电动机运行是允许的 否则对电动机运行有较大影响 异步电动机的非正常情况下运行分析 异步电动机在非额定电压下的运行 128 异步电动机在非额定电压下的运行 端电压降低 轻载情况 U1 m U E1 4 44fWKw1 m 则只有 I2 cos 2 而 轻载时 s变化不大 cos 2近似不变 因此I2 129 m Im 轻载时 由于s变化不大 I2 也不大 异步电动机在非额定电压下的运行 端电压降低 轻载情况 130 转子电流和铜耗较小定子电流 励磁分量和负载分量 中励磁电流起主要作用 定子电流随励磁电流减小 定子功率因数提高铁心损耗起主要作用 效率随铁心损耗减小略有提高 结论 轻载时 电源电压U1降低对电机运行有利 功率因数和效率提高实际中 正常运行时 连接的电机在轻载时接成Y形 可提高功率因数和效率 异步电动机在非额定电压下的运行 端电压降低 轻载情况 131 重载时SB较大 电源电压降低使更大 cos 1 cos 2 此时 转子电流I2 起主要作用超过Im 从而使I1 异步电动机在非额定电压下的运行 端电压降低 重载情况 负载较大时 绕组铜耗增加较快 起主要作用 效率也随铜耗增加而减低 132 异步电动机在非额定电压下的运行 端电压降低 重载情况 结论 133 异步电动机在非额定电压下的运行 端电压升高 大于额定电压 实际电压高于额定电压时 主磁通将增加 由于磁路饱和程度增大 在磁通增加不多的情况下 励磁电流大大增加 功率因数降低 铁心损耗随磁通增加而增加 效率下降 温升提高 134 异步电动机在非额定频率下的运行 不计定子漏抗压降 发电量不足或电网发生故障 频率可能发生变化 如果频率变化在额定值1 范围内波动 对电网不会造成严重影响 否则会影响电动机正常运行 135 异步电动机在非额定频率下的运行 f1 则x1 2 f L1而U1 E1 f1 m Im pFe 若运行在原相同S下 则n1 n 1 S n1 转子x2 2 Sf L1 频率小于额定频率时 136 异步电动机在非额定频率下的运行 频率小于额定频率时 137 不考虑定子绕组漏抗压降 有 电网频率高于额定频率 主磁通 励磁电流 定子电流 转速 对电动机功率因数 效率和通风冷却有改善 电网频率低于额定频率 主磁通 励磁饱和程度 励磁电流 定子电流 铁耗和铜耗 电动机功率因数 效率 通风冷却变差 温升提高 电动机必须减小负载 只能在轻载下运行 否则发生过热 异步电动机在非额定频率下的运行 138 异步电动机在非额定频率下的运行 为使电动机特性不因频率降低而变坏 在频率改变时 需维持电机气隙磁通基本不变 即不变 结论 电动机维持比值不变时运行 不影响异步电机的性能 功率因数和效率变化不大 139 励磁绕组外接产生恒原动机拖动恒定直流电源定磁场转子旋转 n1 转子磁场切割定定子绕组感应以n1旋转子绕组三相对称的电势三相电势相位互差1200 同步电机的基本工作原理 动画 140 交流电势频率f的确定 结论 同步发电机定子绕组感应电势的频率取决于它的极对数p和转子的转速n同步发电机极对数一定时 转速与电枢电势的频率有严格对应关系当电力系统频率f一定 发电机转速为恒定值 这是同步发电机的主要特点 同步电机的基本工作原理 141 结论 我国标准工频为50Hz 所以同步发电机的极对数和转速成反比 汽轮发电机转速较高 极对数较少 如转速n 3000r min 则极对数p 1水轮发电机转速较低 极对数较多 如转速n 125r min 则极对数p 24 同步电机的基本工作原理 142 空载运行 同步发电机转子被原动机拖动至同步速度 励磁绕组中通入直流电流 定子绕组开路时的运行状态为空载运行 此时气隙中的磁场仅有直流励磁电流产生的励磁磁场 称为空载磁场或主磁场 主磁通 同时与定 转子交链的磁通为主磁通 0主极漏磁通 仅与转子励磁绕组交链的为主极漏磁通 f 同步电机的空载运行 空载磁场 143 主磁路 0的路径 主磁通所经过的路径 主极铁心 气隙 电枢齿 电枢磁轭 电枢齿 气隙 另一主极铁心 转子磁轭 形成闭合回路 同步电机的空载运行 漏磁路 主要由空气和非磁性材料组成 主磁路磁阻较漏磁路磁阻小 主磁通远远大于漏磁通 144 原动机拖动转子以n1速度转动 0切割定子绕组 在定子中感应电势E0 0 磁极的基波每极磁通 每相定子绕组串联匝数 同步电机的空载特性 感应电势有效值 感应电势频率 145 空载特性 电势与励磁电流之间的关系曲线 同步电机的空载特性 空载时 定子电流为零 电枢电压等于空载电势 空载特性也表示主磁通和励磁磁势之间的关系 即电机的磁化曲线 146 电机设计时 既要充分利用铁磁材料 也要考虑不会过饱和而增加励磁磁势 从而增加电机用铜量 一般将发电机的空载额定电压设计于弯曲部分C点 a b c 1 2 n g d 0 If Ff Ff0 F 同步电机的空载特性 磁通较小时 磁路不饱和 磁化曲线近似直线 磁通较大时 磁路饱和 所消耗的磁势大 147 对称负载时的电枢反应 同步发电机负载 气隙中同时有励磁磁势和电枢磁势共同建立的磁场 由于电枢磁势的存在 感应电势改变 端电压也改变 148 电枢磁场的转速 由定子绕组流过频率为f的电流产生 在定子绕组形成P对磁极的旋转磁场 转子的转速n 按转子磁势在定子绕组感生的电势频率应为f要求决定的转子极对数与定子极对数相等 原动机应将发电机转子转速拖到n 使n n1 对称负载时的电枢反应 149 定子绕组感应电势和电流的频率决定于转子转速和极对数 定子绕组极对数按转子绕组相同极对数设置 结论 励磁磁势和电枢磁势以相同转速 相同转向旋转 彼此无相对运动 共同建立负载时气隙的合成磁势 对称负载时的电枢反应 正是由于电枢磁势和励磁磁势的相对静止 使电机能产生稳定的气隙磁场和平均力矩 实现机电能量转换 150 负载时电枢磁势的基波对主极磁场基波产生影响 这种现象称为电枢反应 电枢反应的定义 对称负载时的电枢反应 151 励磁磁势和电枢磁势的区别 152 电枢反应的性质 电枢反应的性质 去磁 助磁或交磁 决定电枢反应性质的因素 电枢磁势基波和励磁磁势基波的大小及其空间相对位置 结论 电枢反应的性质决定于电枢磁势基波与励磁磁势基波在空间上的相对位置可归结为电动势与定子电流在时间上的相位差角 153 电枢反应的性质 内功率因数角 其大小与同步发电机的内阻抗及外加负载性质有关 即外加负载性质不同 电阻 电感 电容 和的相位角随之不同 电枢反应性质也不同 154 当 角为不同值的电枢反应 155 有功电流在电机内部产生制动转矩 当同步发电机负载电流与空载电动势同相时 电枢磁动势产生交轴电枢反应 交轴电枢磁场与转子电流产生的电磁力由左手定则决定 电磁力方向与转子旋转方向相反 此时的电磁转矩为制动转矩 当发电机输出有功电流 即输出有功功率时 原动机 如汽轮机或水轮机 必须克服交轴电枢反应对转子的制动转矩 负载电流的交轴分量越大 输出的有功功率就越大 对转子的制动转矩也越大 为维持转子转速 频率 不变 需要相应增大汽轮机进汽量 用于克服制动转矩 156 感性无功电流使发电机的端电压降低 同步发电机负载电流滞后空载电势90 感性无功电流 电枢磁势产生直轴去磁电枢反应 直轴电枢磁场与转子电流相互作用产生电磁力 但不产生转矩 电枢磁势对转子磁场产生去磁作用 使气隙磁场削弱 发电机端电压降低 若要维持端电压不变 应增加转子的励磁电流 157 容性无功电流使发电机的端电压升高 同步发电机负载电流超前空载电势90 容性无功电流 电枢磁势产生直轴增磁电枢反应 直轴电枢磁场与转子电流相互作用产生电磁力 但不产生转矩 电枢磁势对转子磁场产生增磁作用 使气隙磁场增强 发电机端电压升高 若要维持端电压不变 应减小转子的励磁电流 158 结论 要维持发电机转速 频率 不变 必须随有功负载变化 调节原动机输入功率 要维持发电机输出端电压不变 必须随无功负载的变化调节转子的励磁电流 一般同步发电机是阻感负载 负载电流既有交轴分量 也有直轴分量 所以既产生交轴电枢反应 也产生直轴电枢反应 159 产生对转子不形成转矩 不妨碍转子旋转 但会使转子磁场增强或减弱 因此要维持恒定电压 所需励磁电流If必须对应减少或增加 的交轴分量产生的交轴电枢反应对转子为制动转矩 为的有功分量 要保持n1 必须加大原动机载入的机械功率 结论 160 电枢反应电抗 电枢反应电抗 数值上表示单位相电流在定子一相绕组上所引起的电枢反应电势的大小 时间上 电势落后产生它的磁通相位90 161 同步电抗 电枢反应电抗和漏电抗之和 同步电抗 漏电抗 定子绕组除交链电枢反应磁通 还交链漏磁通 对应有漏电抗 产生漏抗压降 162 同步电抗 电枢反应电抗和漏电抗之和 注意 电枢反应磁势与转子同步 故对转子无影响 但转子构成的路径 故对的大小有重要作用 同步电抗 电枢反应电抗 电枢反应磁通 漏电抗 漏磁通 电枢反应磁通远大于漏磁通 电枢反应电抗也远大于漏电抗 即同步电抗与电枢反应电抗数值相差不大 163 三相对称负载时 电枢反应电抗由气隙中存在的圆形旋转电枢反应磁场引起 电枢反应磁场与转子同速度同方向旋转 所以不切割转子绕组 对转子电路不起作用 注意 电枢反应旋转磁场的磁路要经过转子铁心 所以转子构成的磁通路径对电枢反应磁场大小有影响 如果抽去转子 即使有同样大小的电枢磁势 但由于磁导减小 则此时的电枢反应电抗接近于漏电抗 164 双反应理论 当电枢磁势的轴线既不和直轴 又不和交轴重合时 可以把分解成直轴分量和交轴分量 分别求出和单独作用时的电枢反应影响 再将效果合成起来 双反应理论是分析各类凸极电机的基本方法 双反应理论 165 直轴电枢反应电抗 交轴电枢反应电抗 直轴同步电抗 交轴同步电抗 凸极同步电机直轴同步电抗及交轴同步电抗 考虑定子绕组漏抗 有 反应直轴和交轴上电枢反应的强弱 166 直轴电枢反应磁通所经路径磁导 交轴电枢反应磁通所经路径磁导 直轴气隙小于交轴气隙 xad xaq 凸极同步电机直轴同步电抗及交轴同步电抗 电抗与匝数平方及磁导的乘积成正比 167 隐极机同步阻抗 凸极机直轴同步阻抗交轴同步阻抗电枢电阻 隐极同步电机直轴同步电抗及交轴同步电抗 隐极同步发电机气隙均匀 有 168 隐极同步发电机的电磁过程 电枢反应电势 定子漏电势 169 磁势矢量部分 Ff超前E0900 隐极机磁路不饱和时的相量图 170 Xs Ra Ra Xs j 171 凸极同步发电机的电磁过程 凸极同步发电机的电动势方程式和相量图 172 d轴 作图步骤 凸极同步发电机的相量图 173 相量图作图方法 假设已知U I及 角 Xd Xq求 1 作 q轴 3 计算 4 功角 与的夹角 所在的方向q轴 确定 174 凸极发电机的相量图 已知发电机的端电压 负载电流和功率因数及参数ra xd xq 1 已知内功率因数角 按照电势方程式的关系作出相量图 2 未知内功率因数角 利用公式求出 175 短路特性 同步发电机保持额定转速下 定子三相绕组的出线端持续稳态短路时 定子相电流 即稳态短路电流 与励磁电流的关系 同步发电机的短路特性 176 I 0 IN IfK If 短路特性曲线 短路特性 短路特性曲线是一条直线原因 当定子绕组短路时 端电压为零 限制短路电流的是发电机的内部阻抗 由于定子绕组电阻远小于同步电抗 所以短路电流可认为是纯感性 即 电枢磁动势是起去磁作用的直轴磁动势 气隙合成磁动势就很小 它所产生的气隙磁通也很小 磁路处于不饱和状态 所以短路特性是一条直线 177 当发电机三相对称短路时 磁路处于不饱和状态 由短路电流引起的同步电抗压降恰和励磁电势相等 由于此时气隙磁势不饱和 xd为不饱和值 Xd不饱和值的确定 178 空载电势等于额定电压时的励磁电流称空载额定励磁电流Ifo 在励磁电流为If0时做三相稳定短路试验测得的短路电流为Ik 与额定电流IN之比叫短路比Kc IfN为短路特性Ik IN时的励磁电流 短路比的确定 179 短路比又可定义成 空载时使空载电压为额定值的励磁电流If0与短路时使短路电流为额定值的励磁电流IfN的比值 短路比与不饱和电抗的关系 短路比的确定 Ks 空载电压为额定值时电机的饱和系数 若磁路不饱和 Ks 1 180 结论 短路比等于不饱和直轴同步电抗标么值的倒数乘上饱和系数 所以短路比是一个计及饱和影响的参数 短路比的确定 磁路不饱和 Ks 1Kc小 Xd大 短路电流小 当负载变化时 I变化 IXd阻抗压降变化大 发电机电压变化率大 稳定性差 但气隙小 造价低 Kc大 Xd小 气隙大 电机尺寸大 励磁磁势大 成本高 但电压变化率小 稳定性好 181 短路比的大小对同步电机的影响 影响电机的尺寸 短路比大 即小 气隙就大 转子励磁安匝将增加 导致增加电机用铜量 尺寸和造价 短路比大 则小 负载电流引起的端电压波动幅值较小 但短路电流较大 影响运行的静态稳定度 短路比越大 静态稳定极限越大 通常隐极同步发电机短路比为0 5 0 7 凸极同步发电机短路比为1 0 1 4 182 外特性定义 发电机保持额定转速不变