建筑电气第二章.ppt

2常用电器及设备 目录 凡用于对电路进行通 断 或对电路参数进行变换 以实现对电路或用电设备的控制 调节 切换 检测和保护等作用 或用于能量传输 分配 转换 或用于电路信息交换的各种器件 装置和设备称为电器 电器品种繁多 结构各异 是电气工程中用途广泛的基础性配套器件 2 1电器概念 电器的分类方法很多 且相互交叉 复盖 即使是某同一电器也可按不同的分类方法 分属不同种类 下面是几种常见的电器分类方法 1 按工作电压等级分 以AC1200V DC1000V为界 有高压电器 低压电器2 按动作原理分 自动电器 非自动电器3 按工作原理分类 电磁式电器 非电磁式电器4 按用途或功能分类 电源与负载电器 开关电器 控制电器 保护电器 信号显示与报警电器开关电器极其重要部分为触头 并具有较好的灭弧能力 2 1电器概念 1 电弧的主要影响延长了电路的开断时间 电弧高温烧坏开关的触头 2 产生的原因触头本身及触头周围介质含有大量可被游离的电子 内因 当分断的触头间存在足够大的外施电压的条件下 而且电路电流也达到最小生弧电流 其间的介质就会强烈游离形成电弧 外因 2 1电器概念 3 对电气触头的基本要求满足正常负荷的发热要求具有足够的机械强度具有足够的动稳定和热稳定具有足够的断流能力 2 1电器概念 4 触头的形式触头又称为触点 是用于切断或接通电器回路的部件 由于需要对电流进行切断和接通 其导电性能和使用寿命将是考虑的主要因素 在回路接通时 触头应该接触紧密 良好导电 回路切断时则应可靠地切断电路 保证有足够的绝缘间隙 影响触头正常工作的主要因素是接触电阻 接触电阻较大时 电流通过时发热过大 会造成触头氧化 严重时导致骨架烧坏甚至触头熔焊 为了保证不同使用场合需要 电磁式电器的触头设计为三种形式 如图所示 2 1电器概念 图电磁式电器的触头 点接触式 线接触式 面接触 2 1电器概念 5 触头的接触电阻触头亦称触点 是电器的主要执行郄分 起接通和分断电路的作用 在有触头的电器元件中 电器元件的基本功能是靠触头来执行的 因此 要求触头导电 导热性能良好 通常用钢 银 镍及其合金材料制成 有时也在钢触头表面电镀锡 银或镍 铜的表面容易氧化而生成一层氧化铜 它将增大触头的接触电阻 使触头的损耗增大 温度上升 所以 有些特殊用途的电器如微型继电器和小容量的电器 其触头常采用银质材料 2 1电器概念 这不仅在于其导电和导热性能均忧于钢质触头 更主要的是其氧化膜电阻率很低 仅是纯钢的十几分之一 甚至还小 而且要在较高的温度下才会形成 同时又容易粉化 因此 银质触头具有较低而稳定的接触电阻 对于大中容量的低压电器 在结构设计上 触头采用滚动接触 可将氧化膜去掉 这种结构的触头 一般常采用铜质材料 2 1电器概念 触头之间的接触电阻包括膜电阻和收缩电阻 膜电阻是触头接触表面在大气中自然氧化而生成的氧化膜造成的 氧化膜的电阻要比触头本身的电阻大几十到几千倍 导电性能极差 甚至不导电 并受环境的影响较大 收缩电阻是由于触头的接触表面不是十分光滑 在接触时 实际接触的面积总是小于触头原有可接触面积 这样有效导电截面减小 当电流流经时 就会产生电流收缩现象 从而使电阻增加及接触区的导电性能变差 2 1电器概念 由于这种原因增加的电阻称为收缩电阻 如果触头之间的接触电阻较大 会在电流流过触头时造成较大的电压降落 这对弱电控制系统影响较严重 另外电流流过触头时电阻损耗大 将使触头发热而致温度升高 导致触头表面的膜电阻进一步增加及相邻绝缘材料的老化 严重时可使触头熔焊 造成电气系统发生事故 因此 对各种电器的触头都规定了它的最高环境温度和允泎温升 除此之外 触头在运行时还存在触头的磨损 触头的磨损包括电磨损和机械磨损 电磨损是由于在通断过程中触头间的放电作用使触头材料发生物理性能和化学性能变化而引起的 电磨损的程度决定于放电时间内通过触头间隙的电荷量的多少及触头材料性质等 2 1电器概念 电磨损是引起触头材料损耗的主要原因之一 机械磨损是由于机械作用使触头材料发生磨损和消耗 机械磨损的程度取决于材料硬度 触头压力及触头的滑动方式等 为了使接触电阻尽可能减小 一是要选用导电性好 耐磨性好的金属材料做触头 使触头本身的电阻尽量减小 二是要使触头接触的紧密一些 另外在使用过程中尽量保持触头清洁 在有条件的情况下应定期清扫触头表面 2 1电器概念 6 电弧的熄灭在弧柱中气体不断游离的同时 还进行着一种与游离现象相反的过程 即带电质点自由电子和正离子不断中和为中性质点的 去游离 过程 去游离使带电质点大大减少 它是电弧能否熄灭的主要因素 当去游离作用大于游离作用时 则电弧电流逐渐减小 直至熄灭 电弧的去游离过程包括复合和扩散两种形式 2 1电器概念 1 复合介质中正负带电质点接近时互相吸引而彼此中和成为中性质点的现象 称为复合 由于弧柱中自由电子的运动速度约为离子运动速度的1000倍 所以正 负离子之间的复合要比电子和正离子之间的复合容易得多 通常 动能小的电子先附在中性质点上 形成负离子 再与正离子复合 2 扩散由于热运动 弧柱中的带电质点逸出弧柱外的现象 称为扩散 扩散现象会使弧柱中的带电质点减少 有助于电弧的熄灭 电弧中发生扩散现象是由于电弧与周围介质的温度相差很大以及弧柱内与周围介质中的带电质点浓度相差很大的缘故 2 1电器概念 7 开关电器常用的灭弧方法 1 快速分断利用强力储能弹簧迅速作用释放能量 使触头快速分断 迅速拉长电弧 以减少碰撞游离的作用时间 2 吹弧在灭弧室中 利用压缩空气 六氟化硫 SF6 气体或高压绝缘油猛烈喷吹电弧 将电弧拉长和冷却 从而熄灭电弧 吹弧的方式有纵吹 横吹和纵横吹 下图所示为纵吹和横吹的气体吹弧 该方法广泛应用于高压断路器中 2 1电器概念 图气体吹弧示意图 a 纵吹 b 横吹 c 带隔板的横吹 2 1电器概念 3 使电弧在周围介质中迅速移动这样也能得到拉长电弧或吹弧同样的效果 使电弧在周围介质中移动的方法有电动力 磁力和磁吹动三种 该方法常用于低压开关电器中 4 采用多断口灭弧在开关电器的每相内制成两个或多个断口 如图所示 由于断口的增加 相当于将一个电弧在灭弧室中分成几个串联的短弧 使每个断口上的电弧电压降低 有利于电弧的熄灭 同时 也使开关电器的足以灭弧的触头行程减小 缩短了熄弧时间 并且减小了开关电器的尺寸 2 1电器概念 图多断口灭弧示意图 a 一个断口 b 两个断口 c 四个断口1 静触头 2 动触头 3 电弧室 4 滑动触头 5 触头桥 6 绝缘拉杆 2 1电器概念 5 在固体介质的狭缝或狭沟中灭弧低压开关电器中广泛采用固体介质构成的狭缝或狭沟灭弧装置 电弧在狭缝或狭沟中产生 其高温将使固体介质分解 产生大量气体 形成高气压区 从而提高了带电质点的浓度 增加了复合的机会 同时 电弧与固体介质紧密接触 附在固体介质表面的带电质点强烈地复合和冷却 热游离作用降低 去游离作用显著增强 于是电弧熄灭 6 将长电弧分割成若干个短电弧如图所示 在低压开关电器触头之间产生的电弧进入与电弧垂直的金属栅片内以后 将一个长电弧分割成一串短电弧 在交流电路中 当电弧电流过零时 每一短电弧同时熄灭 其相应的阴极附近起始介质电强度立即达150 250V 若所有电弧阴极的介质电强度的总和永远大于触头间的外加电压 电弧就不再重燃 这种方法常用于低压交流开关中 2 1电器概念 图长弧切短 a 金属片灭弧 b 缺口钢片1 静触点 2 动触点 3 电弧 4 金属栅片在电器设备中 一种设备常使用多种灭弧方法 2 1电器概念 1 概述变压器也称电力变压器 它是电力系统 也称电网或电力网 中输配电的重要设备是利用电磁感应原理制成的一种静止感应装置 它的功能是把一种等级的电压与电流变换成同频率的另一种等级的电压与电流 也可以进行相数 阻抗及相位的变换 变压器是变换交流电能 交流电压 电流和阻抗的专用器件 2 2电力变压器与电动机 2 2电力变压器与电动机 2 工作原理图2 1所示为双绕组单相变压器原理图 变压器由铁芯 或磁芯 和绕在同一个铁芯上的两个组成 其中接电源的叫初级绕组 也称一次绕组 输出电能的叫次级绕组 或二次绕组 设一 二次绕组的匝数分别为W1 W2 当在一次绕组上施加一交变电压u1时 该绕组中便有I1流过 因而在铁芯中产生一交变磁通 该磁通 不仅穿过一次绕组 同时也穿过二次绕组 根据电磁感应原理 该磁通 将分别在一 二次绕组中感应出电势e1 e2 图2 1变压器工作原理 2 2电力变压器与电动机 一次绕组感应电势e1为 e1 W1 d dt 2 1 式中 d dt为磁通的变化率 负号表示磁通增大时 电势e1的实际方向与电势的正方向相反 如果不计漏阻抗 根据回路电势平衡规律可得 E1 4 44 f W1 2 2 同理 二次侧的感应电势E2为 E2 4 44 f W2 2 3 2 2 2 3 式之比得 E1 E2 W1 W2 2 4 2 2电力变压器与电动机 2 4 式说明了一 二侧电势之比等于一 二次侧绕组匝数之比 由于绕组自身阻抗压降的存在 实际上一次侧的电压U1略高于一次侧电势E1 而二次侧电压U2略低于二次侧电势E2 若忽略此压降 可认为 U1 E1 U2 E2 2 4 式可写成 U1 U2 E1 E2 W1 W2 2 5 2 5 式说明了一 二侧电压之比近似等于一 二次侧绕组匝数之比 该比值称为变压器的变压比 设计时选择适当的变比就可以实现把一次侧电压变到需要的二次电压 变压器通过电磁耦合关系将一次侧电能输送到二次侧去 2 2电力变压器与电动机 假设 两侧绕组没有漏磁 指违禁铁芯而闭合的那部分磁通 功率传递过程中又无损失 那么 根据能量守恒定律可知 在电能传递过程中 变压器的二次侧电能等于一次侧电能 当二次侧接入负载时就有 U2I2 U1I1 2 6 即U2 U1 I1 I2 2 7 将 2 5 式代入 得 I1 I2 W1 W2 2 8 显有 变压器一二次侧电流之比等于一二次侧绕组匝数的反比 这就是变压器的工作原理 上述各式也是变压器计算的基本公式 2 2电力变压器与电动机 3 变压器分类电力变压器一般常用的分类方法可归纳如下 1 按相数分 单相变压器 三相变压器 2 按冷却介质分 干式变压器 油浸式变压器 3 按用途分类 升压变压器 降压变压器 联络变压器 配电变压器 输电变压器 厂用电变压器 4 按绕组形式数量分 双绕组变压器 三绕组变压器 自耦变电器 5 按冷却方式分 自然冷式 风冷式 水冷式 强迫油循环风 水 冷方式及水内冷式等 2 2电力变压器与电动机 6 按导电材质分 铜线变压器 铝线变压器及半铜半铝 超导变压器等 7 按调压方式分 无励磁调压变压器 有载调压变压器 8 按中性点绝缘水平分 全绝缘变压器 半绝缘 分级绝缘 变压器 9 按防潮方式分 开放式变压器 灌封式变压器 密封式变压器 10 按铁芯或线圈结构分 芯式变压器 插片铁芯 C型铁芯 铁氧体铁芯 壳式变压器 插片铁芯 C型铁芯 铁氧体铁芯 环型变压器 金属箔变压器 11 按耦合介质分 空芯变压器与铁芯变压器 2 2电力变压器与电动机 4 变压器型号 1 电力变压器型号含义根据国家机械行业标准 变压器类产品型号编制方法JB T3837 1996 中的规定 电力变压器型号组成及含义如下 2 2电力变压器与电动机 表2 1电力变压器产品型号字母排列顺序及含义 2 2电力变压器与电动机 2 2电力变压器与电动机 表2 2三相油浸式电力变压器性能水平代号 2 2电力变压器与电动机 表2 4气候环境用代表符号 表2 3干式电力变压器性能水平代号 2 2电力变压器与电动机 表2 6腐蚀地区用代表符号 表2 5污秽地区用代表符号 2 2电力变压器与电动机 注 特殊使用环境代号占两项及以上时 字母排列按以上的顺序 在两项字母中间应空格 如 高原 级污秽地区用 表示为GYW1 如 SCB10 1000 10表示三相双绕组 树脂浇注成形固体绝缘 箔式绕组 设计序号为10 额定容量1000KVA 一次侧额定电压10KV的变压器 SFPZ9 120000 110表示三相双绕组 强迫油循环风冷有载调压 设计序号为9 容量为120000KVA 一次侧额定电压为110KV的变压器 SFZ 10000 35表示三相自然循环风冷有载调压 额定容量为10000KVA 一次侧额定电压35KV电力变压器 2 2电力变压器与电动机 S9 160 10表示三相油浸自冷式 设计序号为9 额定容量160KVA 一次侧额定电压为10KV电力变压器 S11 M R 100 10表示三相油浸自冷式 全密封 卷绕式铁芯 额定容量100KVA 一次侧额定电压为10KV电力变压器 SH11 M 50 10表示三相油浸自冷式 非晶态合金铁芯 密封式 额定容量50KVA 一次侧额定电压为10KV电力变压器 2 2电力变压器与电动机 2 预装式变电站主要产品型号含义国内部分预装式变电站产品型号一般含义如下 2 2电力变压器与电动机 如 YBN29 2500 10表示预装式变电站 户内型 额定容量2500kVA 一次侧额定电压为10kV XBZ1 3 315 10表示箱式变电站 智能型 主电路方案号3 额定容量315kVA 一次侧额定电压为10kV ZBW10 1600 35表示组合式变电站 户外型 额定容量1600kVA 一次侧额定电压为35kV 2 2电力变压器与电动机 5 三相变压器主要技术参数 1 额定容量表征在额定使用条件下变压器传输电能的大小 以视在功率千伏安 kVA 来表示 对三相变压器 额定容量为三个单相容量之和 三相变压器的额定容量 是给一次绕组接入额定电压时 为保证其内部温升不超过额定值所允许输出的最大视在功率 它等于二次绕组额定电压与额定电流乘积的 3倍 我国现采用的额定容量等级基本上是按倍数增加的 即所谓R10容量系列 容量等级见表2 7 2 2电力变压器与电动机 通常 容量在630kVA及以下的称为小型变压器 800 6300kVA的称为中型变压器 8000 63000kVA的称为大型变压器 90000kVA及以上的称为特大型变压器 表2 7现行变压器容量等级 kVA 2 2电力变压器与电动机 2 额定电压表示变压器各绕组在空载时额定分接头下的电压值 以伏或千伏 V或kV 来表示 变压器的标准电压等级 230 400 3000 3150 3300 6000 6300 6600 10000 13200 35000 60000 110000 220000 伏等 如低压侧为230 400伏 即 空载时相电压为230伏 线电压为400伏 在三相变压器中 如无特别说明 额定电压都是指线电压 3 额定电流表示变压器各绕组在额定负载下的电流值 以安或千安 A或kA 表示 在三相变压器中 如无特别说明 都是指线电流 2 2电力变压器与电动机 4 绕组联结组标号变压器绕组的联结组标号是指变压器各个相绕组的连接方法和向量关系的符号 单相变压器除绕组的内部联结外 没有绕组之间的联结 其联结符号用I表示 三相变压器或由单相变压器组成的三相变压器组 则可以联结为星形 三角形和曲折形等 星形联结是指相绕组首尾两端中的一端结成一个公共点 中性点 另一端分别联结到相应的线端上 三角形联结是指三个相绕组首尾相连形成闭合回路 由联结处再接到相应的线端 曲折形联结的相绕组结成星形 但相绕组是由感应电压相位不同的两部分组成 不在同一铁芯柱上 2 2电力变压器与电动机 三相变压器的一 二次线圈按一定接线方式连接时 二次线电压落后一次线电压的相位有30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 十二种 为了区分 通常采用时钟表示法 如图2 2所示 并规定 一对绕组各相应端子与中性点 三角形联结为虚设的 间的相电压向量角度差表示相位移 用分针表示高压侧绕组与中性点间的电压相量 且固定指向12 0 点 用钟面的1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0数字对应前述的12种相位关系 用时针表示低压线端与中性点间的电压相量 则时针所指的小时数就是绕组的联结组别 即 联结组标号 联结组 组别 当然 也可以以一 二次侧的对应线电压向量表示联结组标号 2 2电力变压器与电动机 星形 三角形 曲折形联结 对于高压绕组分别用Y D Z表示 对于低压绕组和中压绕组分别用y d z表示 有中性点引出时则分别用YN ZN和yn zn表示 联结组别表示方法如下 单相双绕组变压器不同侧绕组的电压向量位移为0 或180 如图2 3所示 但由于通常绕组的绕向相同 端子标志一致 所以电压向量极性相同 联结组仅为0 因此双绕组单相变压器实用的联结组标号为 I I 0或I I0 2 2电力变压器与电动机 一次 二次线圈的绕向相反 如图2 4所示 一次接线为Y 二次接线为yn 有中性线 则 联结组标号为 Y yn 6或Y yn6 一次 二次线圈的绕向相同 如图2 5所示 一次接线为Y 二次接线为y 则 联结组标号为 Y y 12或Y y12 2 2电力变压器与电动机 一次 二次线圈的绕向相同 如图2 6所示 一次接线为Y 二次接线为 联结组标号为 Y 11 Y 1 或Y d11 Y d1 三相双绕组变压器一 二次电压相位角移为30 的倍数 所以由于绕组的绕向相同 端子和相别标志一致 联结组别仅用0和11两种 2 2电力变压器与电动机 变压器的接线方法很多 概括起来变压器一次仅能接成Y 二次可以接成Y Z 曲线接线 根据国标GB1094 1 5 电力变压器 的规定 我国的三相双绕组变压器标准实用的联结组标号为 Y ynO Y zn11 Y d11和D yn11 常用的绕组连接的特点和适用范围见表2 8 2 2电力变压器与电动机 表2 8常用的线圈连接的特点和适用范围 2 2电力变压器与电动机 5 阻抗压降百分比表示变压器通入额定电流时的阻抗压降对额定电压的百分比 6 温升变压器指定部位 一般指上层油温 的温度和变压器周围空气温度之差 对变压器上层油温升的限值 仅是为保证变压器油的长期使用而不致迅速老化变质所规定的值 不可直接作为运行中变压器负载能力的依据 2 2电力变压器与电动机 6 三常用电力变压器简介 1 油浸式变压器油浸式变压器 已被广泛地应用在各配电设备中 主要用于两级电网之间 两区域电网之间联络 是目前配电变压器 简称配变 的主导产品 油浸式变压器主要由绕组 铁芯 油箱 油枕 冷却装置 绝缘套管 调压和保护装置等部件组成 油浸式变压器外形 如图2 7所示 2 2电力变压器与电动机 绕组与铁芯构成了变压器的核心 电磁部分 油箱是由约6mm厚的钢板制成 它对磁场有很强的削弱能力 主要作用是盛装变压器绕组 铁芯和变压器油 变压器油是一种矿物油 具有很好的绝缘性能 变压器油的作用有两个 在变压器绕组与绕组 绕组与铁心及油箱之间起绝缘作用 变压器油受热后产生对流 对变压器铁心和绕组起散热作用 油浸式变压器的绕组套装在变压器铁芯柱上 并浸没在变压器油中 变压器运行时 绕组和铁芯产生热量 受电场 2 2电力变压器与电动机 和热的影响 变压器油因吸收热量使之温度变化而胀缩 在箱体内形成循环 达到散热的目的 为了加快散热 油箱外有许多散热油管 大型变压器还采用内部油泵强迫油循环 或外部用变压器风扇强迫风冷或用自来水冲淋变压器油箱等多种冷却方式 常用的变压器油有10号 25号和45号三种规格 其标号表示油在零下开始凝固时的温度 例如 25号 油表示这种油在零下25 时开始凝固 应该根据当地的气候条件选择油的规格 为了使变压器的运行更加完全 可靠 维护更加简单 2 2电力变压器与电动机 更广泛地满足用户的需要 近年来油浸式变压器采用了密封结构 使变压器油和周围空气完全隔绝 从而提高了变压器的可靠性 目前 主要密封形式有空气密封型 充氮密封型和全充油密封型 其中全充油密封型变压器的市场占有率越来越高 它在绝缘油体积发生变化时 由波纹油箱壁或膨胀式散热器的弹性变形做补偿 全密封变压器与普通油浸式变压器相比 取消了储油柜 由波纹油箱的波翅代替油管作为冷却散热元件 波纹油箱由优质冷轧薄钢板在专用生产线上制造 波翅可以随变压器油体积的胀缩而胀缩 从而使变压器内部与大气隔绝 防 2 2电力变压器与电动机 止和减缓油层的劣化和绝缘受潮 增强运行可靠性 正常运行免维护 主要产品有 S9系列变压器 S10系列变压器 S11系列变压器 卷铁心电力变压器 叠铁心电力变压器 2 干式变压器干式变压器主要由线圈 铁芯 器身 风冷系统 温度显示系统和保护外壳等构成 如图2 8所示 其基本工作原理与普通油浸变压器一样 干式变压器利用不可燃的空气 气体或其它绝缘材料绝缘 具有防火 防爆 防潮 耐腐蚀 运行可靠 不污染环境等优点 主要 2 2电力变压器与电动机 用于安全防火要求较高的场所 如高层建筑的室内 地铁 矿井等场所 干式变压器按绝缘工艺分为浸渍型和树脂浇注型两大类 1 浸渍绝缘干式变压器是干式变压器中应用最早的一种 绕组的结构与油浸式类似 在早期 该变压器绕组由玻璃丝包线绕制 浸普通的绝缘漆而成 由于绕组制造工装设备简单 成本较低 相对其它形式干式变压器 它承受短路能力较差 绕组的防潮和防尘性能也较差 2 环氧树脂浇注绝缘干式变压器机械强度高 耐受短路能力强 防潮及耐腐蚀性能特别好 且局部放电量小 运行 2 2电力变压器与电动机 寿命长 损耗低 过负荷能力强 企业设计制造经验丰富 产品具备高安全可靠性及良好的环保特性 环氧树脂浇注绝缘干式变压器按绝缘耐热等级有H级绝缘与F级绝缘之分 按树脂浇注工艺有有填料树脂浇注和无填料树脂浇注两种类型 有填料树脂浇注又有厚层有填料树脂浇注和薄层有填料树脂浇注之分 干式变压器冷却方式分为自然空气冷却 AN 和强迫空气冷却 AF 自然空冷时 变压器可在额定容量下长期连续运行 强迫风冷时 变压器输出容量可提高50 适用于断续过负荷运行 或应急事故过负荷运行 由于过负荷时负载损 2 2电力变压器与电动机 耗和阻抗电压增幅较大 处于非经济运行状态 故不应使其处于长时间连续过负荷运行 主要产品有 SC B 9系列环氧树脂浇注干式变压器 可根据不同的使用环境 配置不同防护等级的外壳或不配置外壳 产品适用于高层建筑 商业中心 机场 隧道 化工行业 核电站 核潜艇等重要或特殊环境场所 SC B 10系列F级绝缘树脂浇注干式配电变压器 SG B 10系列H级绝缘非包封线圈干式变压器 SG B 环保型真空浸渍干式变压器 2 2电力变压器与电动机 3 非晶合金变压器非晶合金材料是20世纪70年代问世的一种新型合金材料 采用快速急冷凝固生产工艺 形成厚度0 02 0 04mm的固体薄带 其物理状态表现为金属原子呈无序非晶体排列 它与硅钢的晶体结构完全不同 更利于被磁化和去磁 典型的非晶态合金含80 的铁 而其它成份是硼和硅 非晶合金材料的特点非晶合金是一种新型导磁性能突出的材料 具有许多独特性能特点 如优异的磁性 耐蚀性 耐磨性 高硬度 高强度 高电阻率等 铁基非晶合金铁芯具有高饱和磁感应强度 低矫顽力 2 2电力变压器与电动机 低损耗 相当于硅钢片的1 3 1 5 低激磁电流 良好的温度稳定性 非晶合金电力变压器的主要特点是 非晶合金与硅钢片变压器相比空载损耗下降70 80 空载电流下降80 节能效果显著 硅钢片铁芯配电变压器的铁损随电压平方变化 而非晶变的铁损不随电压的变化而变化 运行噪声性能同卷铁心配变 非晶变空载时的功率因数为0 35 是硅钢片铁芯配电变压器的8倍以上 2 2电力变压器与电动机 非晶合金对机械应力非常敏感 张引力和弯曲应力都会影响磁性能 结构设计特殊 非晶合金变压器因空载损耗小而经济运行负荷率相对较低的特点 特别适用农村乡镇 城市居民生活用电 即使在负载率达到50 80 实行三班制的工矿企业中 选择合适容量的非晶合金变压器仍能达到投资回收年限的要求 为满足社会可持续发展和保护生态环境的需要 国家发改委已将非晶合金变压器列为重点推广的节电产品 非晶合金变压器可分为油浸式和干式两种 2 2电力变压器与电动机 4 预装式变电站预装式变电站 也称箱式变电站 箱变 户外成套变电所等 是一种将高压开关设备 变压器和低压配电装置三部分按一定接线方案组成一体 并装于封闭式箱体内的一种紧凑型成套装置 如图2 9所示 预装式变电站可广泛应用于多种场所 既可作为固定式变电所 也可作为移动式变电所 预装式变电站有美式箱变 欧式箱变和国产箱变三类 按组成方式分为拼装式 组合装置式 一体型三类 按安装场所分为室内型和户外型两种 1 概述根据电磁原理进行机械能与电能相互转换的机械装置统称为电机 电机按功能可分为 发电机 一种把机械能转换为电能的电磁装置 电动机 一种把电能转换为机械能的电磁装置 控制电机 一种可以将电信号转换为机械角 线 位移信号的自动控制元件 电动机依其作功部分运动机制的不同 有旋转电动机和 2 2电力变压器与电动机 2 2电力变压器与电动机 直线电动机之分 做为各类机械设备拖动的主要装置 电动机具有起动 调速 制动 反转等能力 功率范围可从毫瓦级达到万千瓦级 电动机使用方便 能满足各种运行控制要求 在各行业中都得到广泛应用 各种电动机中应用最广的是交流异步电动机 优点是使用方便 运行可靠 价格低廉 结构牢固 缺点是功率因数较低 起动转矩小 调速也较困难 随着电力电子技术的发展 交流电动机的调速技术日趋成熟 调速控制设备的价格日益降低 使得交流电动机功率因数和调速技术得到了极大改善 在民用工业调速要求不高的场合 交流调速正逐步取代直流调速 2 2电力变压器与电动机 2 电动机分类电动机可以按工作电源性质 工作原理 结构特征 性能 用途 外壳防护形式 通风冷却方法 冷却介质 转速 绝缘 安装方式 工作制和使用环境条件等特征进行分类 电动机按结构及工作原理分为直流电动机 交流异步电动机和交流同步电动机三类 1 直流电动机直流电动机因其工作电源为直流电而得名 直流电动机具有调速方便 起动转矩大 机械特性硬等优点 但因其结构复杂 成本高 直流电源不易获得 不适于恶劣环境的缺 2 2电力变压器与电动机 陷存在 使其在工业应用受到一定限制 直流电动机按结构及工作原理有无刷直流电动机和有刷直流电动机之分 其中 有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机 而电磁直流电动机按励磁方式的不同 又可分为串励直流电动机 并励直流电动机 他励直流电动机和复励直流电动机 永磁直流电动机又可分为稀土永磁直流电动机 铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机 2 交流异步电动机交流异步电动机是各种电动机中应用最广的一种 它结 2 2电力变压器与电动机 构简单 价格低廉 运行可靠 使用方便 但功率因数较低 调速也较困难 随着电力电子技术的发展 交流电动机调速技术的日渐成熟 调速设备价格日益降低 在一般民用和调速要求不高的场合 交流调速已逐步取代直流调速 交流异步电动机又分为感应电动机和交流换向器电动机二类 交流换向器电动机又有单相串励电动机 交直流两用电动机和推斥电动机之分 感应电动机又根据电源相数分为三相异步电动机和单相异步电动机 其中 三相交流异步电动机又因其系列 品种 规格繁多 还可按下列方法分类 按电动机尺寸大小分类 有 大型电动机 定子铁心外 2 2电力变压器与电动机 径D 1000mm或机座中心高H 630mm 中型电动机 D 500 1000mm或H 355 630mm 小型电动机 D 120 500mm或H 80 315mm 按电动机外壳防护型式分类 有 开启式 IP11 防护式 IP22及IP23 封闭式 IP44 防爆式 防水式 潜水式等 按电动机冷却方式分类 有 自冷式 自扇冷式 他扇冷式等 按安装结构型式分类 有 卧式 立式 带底脚 带凸缘等 按电动机运行工作制分类 有 S1连续工作制 S2短时工作制 S3 S9周期性工作制 2 2电力变压器与电动机 按转子结构型式分类 有 笼型异步电动机和绕线型异步电动机 按绝缘等级分类 有 E级 B级 F级 H级等 3 交流同步电动机同步电动机是属于交流电机 定子绕组与异步电动机相同 它的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度数值相等 方向相同 所以称为同步电动机 为此 在大多数情况下 同步电动机作为一个其电流在相位上超前电压的容性负载 用以改善供电系统的功率因数 同步电动机功率因数高 是因为它的转速与负载大小无关 而只与电网频率 2 2电力变压器与电动机 有关 因此 同步电动机调速简单 工作较稳定 但其构造复杂 制造成本高 使用和维护困难 一般只用于大功率 低转速的动力机或需要调速稳定的场合 同步电动机根据结构和工作原理又分为永磁同步电动机 磁阻同步电动机和磁滞同步电动机三类 3 三相交流异步电动机三相交流异步电动机有笼型异步电机和绕线型异步电机两种 其中以笼型异步电机应用最为广泛 本节以三相笼型异步电动机为例 介绍交流异步电动机的工作原理及其特性 1 三相笼型异步电动机的构造 2 2电力变压器与电动机 笼型异步电动机结构简单 制造容易 成本低 运行维护方便 它被广泛的应用在工农业生产中 作为电力拖动的原动机 它的缺点是调速性能较差 起动力矩较小 因此在一些要求平滑调速和起动力矩很大的场合还需用其它类型电动机来完成 三相笼型异步电动机外形 如图2 10所示 其结构如图2 11所示 2 2电力变压器与电动机 三相异步电动机主要由定子和转子两大部分组成 定子的作用是用来产生磁场和作电动机的机械支撑 是异步电动机静止不动的部分 一般由外壳 定子铁芯 定子绕组等部分组成 外壳包括机座 端盖 轴承盖 接线盒等部件 定子铁芯是电动机磁路的一部分 定子绕组是定子的电路部分 由三个独立的绕组 统称为三相绕组 组成 由若干只线圈用绝缘铜线绕制 按一定规律嵌装在定子铁芯冲槽中 作用是 当三相绕组通入对称的三相正弦交流电时 在电动机内产生旋转磁场 三相绕组的首尾端分别用U1 U2 V1 V2 W1 W2表示 引到电动机接线盒端子 可根据需要按星形或三角形接线 2 2电力变压器与电动机 转子是旋转电机的作功组件 是旋转电动机的转动部分 其功能是将电磁能量转换成机械能 笼型异步电动机的转子主要由转子铁芯 转子绕组 转轴等组成 转子铁芯固定在转轴上 其作用和定子铁芯相同 一方面作为电动机磁路的一部分 一方面用来安放转子绕组 转子绕组一般是采用铜或铝 由插入转子槽中的多根导条和两个环型的端环组成 若导槽中插入铜条 两端各用一个铜环 称为端环 把导条焊接的 称为铜排转子 用铝一次浇铸而成的 则称为铸铝转子 若去掉转子铁芯 绕组因呈 笼型 而被称之为笼型绕组 笼型电动机也由此而得名 转子绕组的作用是切割定子 2 2电力变压器与电动机 旋转磁场 产生感应电动势及电流 并形成电磁转矩而使电动机旋转 转轴是支撑转子的重量 传递转矩 输出机械功率的主要部件 转子结构如图2 12所示 2 2电力变压器与电动机 2 三相笼型异步电动机的工作原理1 旋转磁场的产生三相笼型异步电动机在定子槽中嵌放有按一定规律排列的三相绕组 以二极电机为例 设电动机三相绕组呈星形接线 三个绕组在空间方位上互差120 如图2 13所示 接上对称三相正弦交流电源后 定子绕组中便有对称三相电流流过 并假设 当电流为正时 电流从绕组的首端进 尾端出 电流为负值时 电流从绕组的尾端进 首端出 由于三相交流电的电源相序之间在相 2 2电力变压器与电动机 位上相差120 那么 当三相电流不断地随时间变化时 根据 右手螺旋定则 三相电流所建立的合成磁场也不断地在空间旋转 如图2 14所示 2 2电力变压器与电动机 2 旋转磁场的旋转方向旋转磁场的旋转方向与三相电流的相序一致 任意调换两根电源进线 则旋转磁场反转 3 旋转磁场的极对数p旋转磁场的极数和三相定子绕组的数量及排列有关 在上图中 每相绕组只有一个线圈 三相绕组的始端之间相差120 则产生的旋转磁场具有1对磁极 即p 1 若定子每相绕组由p个线圈串联组成 绕组始端之间互差60 p 则将形成p对磁极的旋转磁场 4 旋转磁场的转速n0 2 2电力变压器与电动机 三相异步电动机的转速与旋转磁场的转速有关 旋转磁场的转速决定于旋转磁场的极对数 而旋转磁场的极对数又与定子绕组数量及排列有关 图2 14已证明在每相绕组只有一个线圈 三相绕组的始端之间相差120 的情况下 三相定子电流变化一个周期 所产生的合成旋转磁场在空间亦旋转一周 对应的旋转磁场转速n0 60f 当电源频率为f 电动机的旋转磁场具有p对磁极时 合成旋转磁场的转速n0由下式决定 n0 60f0 p 2 9 式中 n0称为同步转速 以转每分 rpm 表示 2 2电力变压器与电动机 f0为电源频率 在我国为工频50赫兹 Hz p为旋转磁场的磁极对数 当电动机磁极对数p分别为1 2 3 4 5时 相应的同步转速n0分别为3000 1500 1000 750 600rpm 每分钟转数 5 转子的转动三相交流异步电动机转子转动原理 如图2 15所示 图中只示出两根导条 定子绕组产生旋转磁场后 处于旋转磁场中静止的转子导体 因切割磁力线而产生感应电势 其方向用右手定则判定 由于转子导体通过端环自成回路 在感应电 2 2电力变压器与电动机 动势的作用下 转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流 因为运动是相对的 假设旋转磁场不动 且某时刻磁力线方向为上北下南 转子导体沿逆时针方向旋转 根据右手定则 转子导体上半部份的电动势和电流方向由里向外 用 表示 在下半部则由外向里 用 表示 此时 作为载流导体的转子在定子的旋转磁场中受到电磁力F的作用 电磁力的方向用左手定则判定 由于电磁力分布在转子两侧 对转轴形成一个电磁转矩 其作用方向与电磁力方向相同 因此转子顺着旋转磁场的旋转方向以转速n转动起来 电动机在正常运转时 转子转速n总是滞后于同步转速 2 2电力变压器与电动机 n0 因而称为异步电动机 又因产生电磁转矩的电流是由电磁感应所产生 所以也称为感应电动机 6 转子转速n与转差率s由前面分析可知 电动机转子转动方向与磁场旋转的方向一致 但转子转速n不可能达到与旋转磁场的转速相等 即n n0 若n n0 即 转子与旋转磁场间没有相对运动 那么 转子导条与旋转磁场无相对运动 也不切割磁力线 转子中也不会产生感应电动势和感生电流 转子也因无转矩而不会转动 因此 转子转速n与旋转磁场的转速n0的方向一致 但 2 2电力变压器与电动机 不能相等 应保持一定的转差 n0又称为同步转速 异步电动机同步转速和转子转速的差值与同步转速之比称为转差率 用s表示 即 s n0 n n0 100 2 10 转子转速也可由转差率求得 即 n 1 s n0 2 11 n 1 s 60f0 p转差率是异步电动机的一个重要参数 异步电动机在额定负载下运行时的转差率约1 9 显然 三相交流异步电动机转动的基本原理是 在对称的三相绕组中通入三相电流 产生一个在空间 2 2电力变压器与电动机 旋转的合成磁场 该合成磁场的旋转方向与电流相序始终保持一致 该合成磁场的转速 同步转速 与电流频率有关 与磁场的磁极对数有关 处于旋转磁场中静止的导体 根据相对论的观点 因切割磁力线而产生感应电势 因导体是闭合 故其内部产生感应电流 载流导体的转子在定子的旋转磁场中受到电磁力的作用 并对转轴形成电磁转矩 因而使得转子顺着旋转磁场的旋转方向转动起来 2 2电力变压器与电动机 3 三相交流异步电动机的机械特性电动机机械特性是表征电动机轴上所产生的转矩T和相应的运行转速n之间关系的关系特性 以函数n f T 表示 它是交流电动机工作的重要特性 1 固有机械特性异步电动机在额定电压和额定频率下 用规定的接线方式 定子和转子电路中的不串联任何电阻或电抗时的机械特性称为固有 自然 机械特性 图2 16所示为交流电机的固有机械特性n f T 及T f s 综合曲线 图中 2 2电力变压器与电动机 a点 又称空载点 此时 S 0 T 0 n n0 n0为异步电动机旋转磁场的转速 也称为同步转速 根据异步电动机的转动原理 转子转速将小于磁场的转速 即n n0 若二者相等 转子就没有切割磁力线作用 转矩也就消失了 所以 异步电动机转子不可能以n0的转速正常运行 b点 即额定工作点 此时 S SN T TN n nN负载转矩增加时 电动机转速要降低 但对应的电磁转矩却要增加 因为B点附近比较平坦 所以电 2 2电力变压器与电动机 动机的转速变化不大 这种特征称为硬的机械特性 此时 TN T2 9550PN nNN m 2 12 式中 PN为电动机额定电功率 TN为电动机额定转矩 nN为电动机额定转速 此式也称为转矩与电功率的关系式 是交流电动机的重要特性之一 c点 也称临界工作点 又称拐点 S Sc T Tmax n nc在机械特性曲线上 负载转矩T有最大值Tmax 称为最大转矩或临界转矩 表征电机带动最大负载的能力 此时对应的转差率为Sc 称为临界转速 此时 2 2电力变压器与电动机 动机的转速变化不大 Sc R2 X20 2 13 式中 R2为转子每相绕组的电阻 X20为电动机不动 n 0 时转子每相绕组的感抗 而最大转矩Tmax为 Tmax KU12 2X20 2 14 式中 K是与电动机结构参数 电源频率有关的一个常数 U1为电源相电压 此式也称为转矩与电源电压的关系式 显有 最大转矩与电源电压的平方成正比 即 Tmax U12 此式也是交流电 2 2电力变压器与电动机 动机的重要特性之一 从曲线上可见 负载转矩超过最大转矩时 电动机转速急剧下降 电动机将迅速停止转动 形成堵转 此时 若电源未被撤除 电机定子绕组中的电流立即上升6 7倍 电动机严重过热以至烧坏 从另一方面考虑 若在很短时间内过载 在电动机尚未过热就恢复达到正常状态 未损坏电动机是允许的 因此 最大转矩也表示电动机具有短时间的过载能力 三相异步电动机的过载系数 定义为 Tmax TN 2 15 2 2电力变压器与电动机 一般三相交流异步电动机的 1 8 2 2 d点 电动机启动工作点 S 1 T Tst n 0 Tst是指异步电动机刚启动那一时刻的转矩 体现了电动机负载起动的能力 可以证明 三相异步电动机起动转矩与电源电压之间存在如下关系 Tst KR2U12 R22 X202 2 16 可见 Tst U12 Tst还与转子电阻R2有关 该式又称为启动转矩与电源电压关系式 一般三相异步电机的启动能力K约为1 0 2 2 起动转距较小 带负载的起动能力差 就不能在满载下起动 只有Tst 2 2电力变压器与电动机 TN 电机方能起动 否则不能起动 起动转距过大 又会使传动机构受到冲击而损坏 2 人为机械特性异步电动机的机械特性与电动机的参数有关 也与外加电源电压 电源频率 定子或者转子电路中串入的电阻或电抗等有关 将关系式中的参数人为地加以改变而获得的特性 称为异步电动机的人为机械特性 主要有 改变电源电压时的人为机械特性 电源电压U的变化对理想空载转速n0和临界转差率Sc不发生影响 但最大转矩Tmax与U2成正比 当降低定子电压时 n0和Sc不变 而Tmax大大减小 如图2 17所示 2 2电力变压器与电动机 改变电源频率时的人为机械特性 当改变电源频率f时 不但n0变化 且X1 X20都会发生变化 因此 不能只改变电源频率f 一般使U f 常数 这时 nc f Sc 1 f Tst 1 f 而Tmax不变 此条件下的人为机械特性是一组平行的特性曲线 如图2 18所示 图2 17改变电源电压的人为机械特性图2 18改变电源频率的人为机械特性 2 2电力变压器与电动机 定子电路中串阻抗时的人为机械特性 在电动机定子电路中外串电阻或电抗后 电动机端电压为电源电压减去定子外串电阻上或电抗上的压降 致使定子绕组相电压降低 此时的人为机械特性具有与 相似特性 二者的区别是 阻抗分压与电流大小有关 如图2 19曲线2所示 转子电路中串电阻时的人为机械特性 异步电动机转子电路串电阻 使电动机的转差率加大 n0 Tmax不变 Sc下降 串入的电阻越大 图2 19定子电路串阻抗的人为机械特性 2 2电力变压器与电动机 电动机的转速越低 此法产生的转差功率以发热的形式消耗在电阻上 机械特性较软 仅适用于绕线式电动机转子 绕线式异步机转子电路串电阻时的人为机械特性如图2 20所示 图中r为转子固有电阻 R1 R2 R3为串接电阻 且R1 R2 R3 4 三相交流异步电动机型号含义常用的Y及Y2系列低压三相交流异步电动机产品型号 由以下5部分按序排列 所代表的含义如下 图2 20转子电路串电阻的人为机械特性 2 2电力变压器与电动机 2 2电力变压器与电动机 2 2电力变压器与电动机 如 Y200L2 2 37表示 一台中心高为200 长机座 铁心长度为2 功率为37KW的2极Y系列异步电动机 Y2 200L2 6 22表示 一台中心高为200 长机座 铁心长度为2 功率为22KW的6极Y2系列异步电动机 YR355M1 10 90表示 一台中心高为355 中机座 铁心长度为1 功率为90KW的10极绕线式异步电动机 2 2电力变压器与电动机 5 三相异步电动机铭牌值三相异步电动机铭牌的一般形式 如图2 21所示 铭牌主要参数如下 型号 是由字母 数字或其组合按一定规律构成的符号组 通常用以表示产品主要结构形式 类型 产品基本特性 主要特征参数或用以区分同类产品间的不同配置 如图2 21中的Y112M 4 表示该电机是一台中心高为112mm 中机座的4极Y系列笼型异步电动机 2 2电力变压器与电动机 额定功率 电动机在额定状态下运行时 其轴上所能输出的机械功率称为额定功率 额定电流 电动机加以额定电压 在其轴上输出额定功率时 定子从电源取用的线电流值称为额定电流 额定电压 额定电压是指电动机在额定运行状态下 电动机定子绕组上应加的线电压值 额定转速 在额定状态下运行时的转速称为额定转速 LW值 LW值指电动机的总噪声等级 LW值越小表示电动机运行的噪声越低 噪声单位为dB 接法 表示电动机在额定电压下 定子绕组的连接方式 2 2电力变压器与电动机 星型联接和三角形联接 当电压不变时 如将星形联接改为三角形联接 线圈的电压为原线圈的 3倍 这样电机因线圈的电流过大而发热 如果把三角形联接改为星形联接 电机线圈的电压为原线圈电压的1 3 电动机的输出功率就会降低 我国Y Y2系列三相低压笼型异步电动机功率 3KW的 其定子绕组均为星形联接 4KW以上均为 联接 防护等级 指防止人体接触电机转动部分 电机内带电体和防止固体异物进入电机内的防护等级 防护标志用IPXX标识 其中 IP为国际通用防护标志符号 后两位用数字标识防护特征 其含义详见表2 10 2 2电力变压器与电动机 表2 10防护标志IPXX标识 2 2电力变压器与电动机 额定频率 电动机在额定运行状态下 定子绕组所接电源的频率 叫额定频率 我国规定的额定频率为50Hz 工作制 指电动机的运行方式 一般分为 连续 代号为S1 短时 代号为S2 和 断续 代号为S3 S9 三种 6 三相异步电动机的主要技术指标三相异步电动机的主要技术指标