电机原理及电力系统分析

1、电机基础及电力系统分析报告人：张维杰1主要内容主要内容直流电机原理直流电机原理变压器原理变压器原理三相异步电机原理三相异步电机原理电力系统基本概念电力系统基本概念电力系统元件参数和等值电路电力系统元件参数和等值电路简单电力网络潮流的分析和计算简单电力网络潮流的分析和计算2电机的分类电机的分类 按照电机在能量转换和信号传递中所起的作用不同，电机 可以分为以下几类： (1) 发电机将机械功率转换成电功率 (2) 电动机将电功率转换成机械功率 (3) 变压器、变流器、变频机、移相器将电能 转换成另一种形式 (4) 控制电机在自动控制系统中起检测、放大 、执行和 校正作用，作为控制系统的控制元件 按照

2、电机的结构特点及电源性质分类，电机主要有下列几类： (1) 静止电机变压器 (2) 旋转电机包括直流电机和交流电机，根据电机转速 与同步转速的关系，交流电机又可分为同步电机和异步 电机 3 直流发电机 直流 直流电动机动力设备类 异步电机 旋转电机 同步电动机 电机 交流 同步电机 同步发电机 变压器 调相机控制电机 电机分类图电机分类图电机分类图41.直流电机直流电机 直流电机包括直流发电机和直流电动机。直流发电机作为各种直流电源；而直流电动机具有调整性能好。起动转矩大等一系列优点，在近代工业领域中发挥了巨大的作用，被广泛应用于地铁列车。电气牵引机车、轧钢机及旧城起重设备等装置中。1.1直流

3、电机的基本结构直流电机的基本结构(1)定子部分：u主磁极：也称为主极。作用是产生气隙磁场，它由主极铁 芯和套在铁芯上的励磁绕组两部分组成。u 换向极：也称为附加极或间极。作用是改善换向。装在 主极之间。51.直流电机直流电机u 机座：由铸钢或厚钢板焊成，是电机的机械支撑。u 电刷装置：将直流电压、电流引入或引出的装置。其组 数与主极极数相等。(2) 转子部分：u 电枢铁心：主磁路的主要部分及嵌放电枢绕组， 由硅钢 片迭压而成。u 电枢绕组：由许多按一定规律联接的线圈组成。 用来产 生感应电动势和通过电流，是电机实现机电 能量转换的主要部件。u 换向器：由许多彼此绝缘的换向片构成。6直流电机的结

4、构如图1-1所示。图1-1 直流电机结构图1.直流电机直流电机71.2直流电机的工作原理直流电机的工作原理1.2.1 直流电机动的工作原理 图1-2为一台两极直流电动机的结构原理图，将直流电源加在电刷A、B两端，绕圈abcd中就会有电流流过，导体ab正对N极，其电流方向由a流向b,导体cd正对S极，其电流方向由c流向d,由于载流导体ab、cd均处于N.S极之间的磁场，会受到 电磁力的作用，根据左手定则可知，这一对电磁力形成使电枢逆时针的转动的电磁转矩。 当电枢逆时针转过180度到图1-2b所示的位置时，导体ab正对S极，cd正对N极，由于电刷与换向器滑动接触，导ab中的电流方向变为由b流向a，

5、导体cd中的电流方向变以由d流向c,电磁转矩仍是逆时针方向，使电枢沿逆时针方向继续转动。1.直流电机直流电机8 图1-2 直流电动机的结构原理图1.直流电机直流电机 直流电动机工作时，电刷和换向器实现了电枢绕组电流的换向，从而产生不变的电磁转矩。91.2.2 直流发电机的工作原理 在原动机拖动下，电枢沿逆时针方向旋转，由于电枢绕组的导体切割磁场，将会在绕组中产生感应电动势。图1-3a所示位置，导体ab、cd分别正对N、S磁极，根据右手定则，导体ab中的感应电动势的方向为由b指向a,导体 cd中的感应电动势方向为由d指向c,因此负载电流方向为同电刷A流出，经负载流向电刷B. 当电枢转过180度到

6、图1-3b，导体导体ab、cd分别正对S、N磁极，根据右手定则，导体ab中的感应电动势的方向为由a指向b,导体cd中的感应电动势方向为由c指向d,由于换向器与电刷滑动接触，此时电枢导体a端与电刷B连接，d端与电刷A连接，流过负载的电流方向不变。1.直流电机直流电机10图1-3 直流发电机原理图1.直流电机直流电机 直流发电机工作时，电刷和换向器把电枢绕组内部的大小和方向均变化的交流电转换成了外部方向不变的直流电。11 空载运行时的物理情况1U2U1u2uu1i0主磁通N1N21漏磁通e1e1e2i2=0u022.1 变压器的空载运行2.变压器变压器的空载运行是指变压器一次绕组接在额定电压的交流

7、电源上，而二次绕组开路时的工作情况。12 负载运行时的物理情况 变压器一次侧接在额定频率、额定电压的交流电源上，二次接上负载的运行状态，称为负载运行。AXaxLZ1U1Im11E1E2E2U2I22E2.2 变压器的负载运行2.变压器变压器 当变压器的一次绕组加上交流电压U1时，一次绕组内便有一个交变电流i0（即空载电流）流过,并建立交变磁场。13用图示负载运行时的电磁过程1U1I2I2U11 1FN I22 2FN I01 0FN I01E2E11E22E11IR22IR142.3 绕组折算 由于变压器一、二次侧绕组的匝数为，绕组的感应电动势12，这就给分析变压器的工作特性和绘制相量图增加了

8、困难。为了克服这个困难，常用一假想的绕组来代替其中一个绕组，使之成为变比k=的变压器，这样就可以把一、二次侧绕组联成一个等效电路，从而大大简化变压器的分析计算。这种方法称为绕组折算。折算后的量在原来的符号上加一个上标号“”以示区别。 习惯上，我们都是将变压器二次侧数据折算到一次测。(一) 二次侧电动势和电压的折算值 由于折算后的二次绕组和一次绕组有相同的匝数，根据电动势与匝数成正比的关系可得：2.变压器变压KEEkNNNNEE（二）二次侧电流的折算值 根据折算前后一二次绕组磁动势不变的原则，可得：2221ININkIINNI22212（三）二次侧阻抗的折算值 根据折算

9、前后二次绕组的铜损耗不变的原则，可得：2.变压器变压器LLZIkkUIUZk222221162.4 等效电路1R2R1U2ULZ2I1ImI21EE1X2X1R1X2R2X1U2ULZ2I1I1E2E2.变压器变压器171R1X2R2XmRmX1U2ULZ2I1I0I1R1X2R2X21IIL1I1U2ULZT型等效电路近似等效电路 变压器的T形等效电路比较准确的反映了变压器内部的电磁关系，但它含有串联和并联支路，进行复数运算比较复杂，工程上对其进行简化 。对于一般的电力变压器，在满载或者接近满载运行时，I1I0 ，因此把T形等效电路中的励磁支路从电路的中间移到电源端，对变压器的运行分析不会带

10、来明显的误差。2.变压器变压器183.异步电机 异步电机主要用于电动运行，它具有结构简单、运行可靠、效率较高、价格低廉、坚固耐用等优点。近年来，随着电力电子技术、自动控制技术和计算机技术的进步，交流调速技术取得实质性的进展，异步电机得到更加广泛的应用。异步电机也可作为发电机使用，多是单机运行，常用于电网尚未到达的边远地区或者用于风力发电等特殊场合。 异步电动机的缺点是运行时必须从电网吸收滞后的无功功率，使电网的功率因数降低。由于电网的功率因数可以采用其他方法进行补偿，因此这一点并不影响异步电动机的广泛使用。193.异步电机3.1 三相异步电动机的基本结构三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机

11、由定子和转子构成,定子和转子之间有气隙. (1)定子 定子由铁心,绕组,机座三部分组成. 铁心由0.5mm的硅钢片叠压而成; 三相绕组连接成星形或三角形; 机座一般用铸铁作成,主要用于固定和支撑定子铁心. (2)转子 转子由铁心和绕组组成. 转子同样由硅钢片叠压而成,压装在转轴上;转子绕组分为鼠笼式和线绕式两种. 203.2 3.2 三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理3.2.1 3.2.1 旋转磁场的产生旋转磁场的产生 三相异步电机的定子绕组是一个对称的三相绕组，以两极三相异步电动 机为例，每相绕组只有一个线圈三相对称绕组的轴线在空间互差120度。如图3-1所示。图3-1 异步电

12、机线圈接线图3.异步电机21 t=0时，iA=0;iB为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Y端流到B端；iC为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从C端流到Z端。按右手螺旋法则确定三相电流产生的合成磁场，如图(a)中箭头所示。(1) t=0时，iA=0;iB为负，iC为正3.异步电机(2) t=T/6时，t=T/6=/3,iA为正；iB为负；iC=0223.异步电机(3) t=T/3时，t=T/3=2/3,iA为正；iC为负；iB=0 t=T/6时，t=T/6=/3;iA为正(电流从A端流到X端)；iB为负(电流从Y端流到B端)；iC=0。此时的合成磁场如图(b)所示，合成磁场已从t=T/

13、6瞬间所在位置顺时针方向旋转了/3。23 t=T/3时，t=T/3=2/3,iA为正(电流从A端流到X端)；iC为负(电流从Z端流到C端)；iB=0。此时的合成磁场如图(c)所示，合成磁场已从t=T/3瞬间所在位置顺时针方向旋转了/3。3.异步电机(4) t=T/2时，t=T/2=, i B为正;iA=0；iC为负 t=T/2时，t=T/2=,iB为正(电流从B端流到Y端)；ic为负(电流从Z端流到C端)；iA=0。此时的合成磁场如图(d)所示，合成磁场已从t=T/2瞬间所在位置顺时针方向旋转了/3。244 电力系统概述和基本概念电力系统概述和基本概念4.1电力系统的组成电力系统的组成电力系统

14、：生产、输送、分配和消费电能的各种电气设备连接在一起而组成的整体。发电机、变压器、输配电、用电设备动力系统：电力系统和发电厂动力部分的总和。汽轮机、锅炉、水轮机、大坝电力网：输送和分配电能，包括变压器和各种电压等级的输电线路。254 电力系统概述和基本概念电力系统概述和基本概念 电力系统、动力系统和电力网如图4-1所示。图4-1 电力系统、动力系统和电力网示意图261.2电力系统的等级和负荷电力系统的等级和负荷 用电设备和电力线路的额定电压相同，并容许电压偏移5%，而沿线路的电压降落一般为10%，这就要求线路始端电压为额定值的105%，以使末端电压不低于额定值的95%。 同步发电机往往接在线路

15、的始端，因此发电机的额定电压比电力线路的额定电压高5%。 变压器的额定电压，有一次侧绕组和二次侧绕组的额定电压之分。由于变压器一次侧绕组接电源，相当于用电设备，因此变压器一次侧额定电压就同于用电设备或者电力线路的额定电压，如若直接和发电机相连，则变压器一次侧额定电压就同于发电机额定电压。变压器二次侧向负荷供电又相当于发电机，因此二次侧绕组额定电压就较线4 电力系统概述和基本概念电力系统概述和基本概念27 路额定电压高5%，按规定二次侧绕组的额定电压是空载时的电压，而在额定负荷运行时，大中容量变压器内部的电压降落约为5%，故一般大中容量变压器二次侧绕组额定电压就应较电力线路额定电压高10%，只有

16、漏抗较小的小容量变压器或者二次侧直接与用电设备相连的厂用变压器，其二次侧绕组的额定电压才较电力线路额定电压高5%。 不同电压等级的适用范围大致为：500、330、220KV一般用于大电力系统的主干线；110KV既用于中、小电力系统的主干线，也用于大电力系统的二次网络 ；35KV既用于大城市或大企业内部网络，也广泛用于农村网络；10KV则是最常用的低一级配电电压；3KV仅限于工企业内部采用。 电力系统的负荷分布如图4-2所示。4 电力系统概述和基本概念电力系统概述和基本概念28图4-2 电力系统负荷间的关系 根据负荷对供电可靠性要求，可将用电负荷分为三级：一级负荷：为重要负荷，此类负荷中断供电，

17、将造成人身事故，设备损坏，给国民经济造成重大损失，以及带来较大的政治影响，对一级负荷必须由两个或者两个以上的独立电源供电。二级负荷：为较重要负荷，此类负荷中断供电，将造成生产部门的减产，影响人民的生活水平，二级负荷允许短时停电。可由两个独立电源或者一回专用线路供电。三级负荷：为一般负荷，对此类负荷断电，不会产生前两种重大影响，一般采用一个电源供电。发电负荷供电负荷综合用电负荷厂用电网络损失4 电力系统概述和基本概念电力系统概述和基本概念295.1 线路的等值电路和数学模型 由于正常运行的电力系统三相是对称的，三相参数完全相同，三相电压、电流的有效值相同，所以可用单相等值电路代表三相。因此，对电

18、力线路只作单相等值电路即可。严格地说，电力线路的参数是均匀分布的，但对于中等长度以下的电力线路可按集中参数来考虑。这样，使其等值电路可大为简化，但对于长线路则要考虑分布参数的特性5.1.1 短线路的等值电路和数学模型 5 5、电力元件参数和等值电路、电力元件参数和等值电路长度不超过100km的架空电力线路，以及不长的电缆电力线路忽略短电力线路的电导、电纳，其阻抗为：Z=R+jX=r1l+jx1l l 为短电力线路长度（km）30I1.I2.U2.U1.Z图5-1短电力线路的等值电路从图中可得出线路首末端电压、电流方程式：.2.1.2.2.1IIIUUZ写成矩阵形式： 电路中二端口网络方程式：.

19、2.2.1.1101IUIUZ.2.2.1.1IUIUDCBA两式相比较，可得出： A=1； B=Z； C=0； D=15 5、电力系统元件参数和等值电路、电力系统元件参数和等值电路315.1.2 中等长度电力线路长度为100300km的架空线路；不超过100km的电缆线路。 此种电力线路由于电压高，线路电纳的影响不可忽略，只是晴天可按无电晕考虑，那么电晕影响可不计，G=0.ljbjBjBGYljxjXRZr111这种线路可作出型或T型等值电路：I1.I2.ZU2.U1.2Y2YI1.I2.U2.U1.2Z2ZY (a) 型等值电路 (b) T型等值电路5 5、电力系统元件参数和等值电路、电力

20、系统元件参数和等值电路32.2.2.2.2.1.1.2.2.2.2.2.1) 12() 14(22) 12()2(IUIUUIIUUUIUZYYZYYYZYZZY.2.2.1.1121412IUIUZYYZYZYZ121212ZYDZYYCZBYZA写成矩阵方程式：与二端口网络方程式相比较，可得其四个常数为： 由型等值电路，可得线路首末端电压、电流方程式：5 5、电力系统元件参数和等值电路、电力系统元件参数和等值电路335.1.3 长线路的分布参数等值电路1、分布参数等值电路 微元段等值电路 1111Ljrjxrz11111cjgjbgy34在dx微段阻抗中的电压降为：流入dx微段并联导纳中的

21、电流为：dxz IdxjxrIUd111)(1z IdxUddxyUdUdxjbgUdUId111)()(122zdxIddxUd1yUdxIdUyzdxUd1122略去二阶略去二阶微小量微小量对对x求导求导代入代入35 上式中，A1和A2为积分常数，由边界条件确定；为线路的传播常数；Zc为线路的波阻抗。 和Zc都是只与线路参数和频率有关的物理量。1z IdxUdxxeAeAU21xxeAzeAzI1111UyzdxUd1122xxeAeAdxUd21xCxCeZAeZAI21通解微分代入代入36关于传播系数和波阻抗关于传播系数和波阻抗 传播系数： 波阻抗： 对于高压线路g1=0 ：jyz11

22、cjcccceZjXRyzZ1111)(jbjxrj11jbzjXRZccc37 忽略电阻r1和电导g1时：CcRCLCLjbjxyzZ11111111jCLjCLjjbjxyz1111111138积分常数的确定 边界条件：当x=0时， 。22IIUU、)(21)(21222221IZUAIZUAccrxccrxccrxcrxceIZUZeIZUZIeIZUeIZUU)(21)(21)(21)(2122222222代入代入代入代入39令 ，则可得首末端电压、电流之间的关系为：xIxZUIxZIxUUcccoshsinhsinhcosh2222rxccrxccrxcrxceIZUZeIZUZIe

23、IZUeIZUU)(21)(21)(21)(2122222222lx lIlZUIlZIlUUcccoshsinhsinhcosh22122140用形等值电路表示可得：lIlZUIlZIlUUcccoshsinhsinhcosh221221)21 ()41 ()21 (221221YZIYZYUIZIYZUUlZZZlYZYlYZCCsinhsinh)41 (cosh)21 (对比对比lZlYlZZccsinh) 1(cosh2sinh41用T形等值电路表示：可得 电力系统分析计算通常采用节点电压法，为减少节点数，输电线路的的等值电路采用形等值电路。 )21 ()41 ()21 (221221

24、YZIYUIYZZIYZUUlIlZUIlZIlUUcccoshsinhsinhcosh221221 CCZlYlZYZZlYZsinhsinh)41 (cosh)21 (对比对比 ccZlYllZZsinhcoshsinh42Y、Z2tgh2sinh1cosh2sinhlZlZlYlZZccc）（lylzZ11Y 、YKlyKlyllllZlYZKlzKlzlllZZYYcZZc1111)sinh(1)2cosh()sinh(1)2cosh()(sinhsinh2/)2/h(t)sinh(1)2cosh()(sinhllglllKllKYZ精确计算式精确计算式分布参数修正系数代入代入 与与

25、的关系的关系 432/)2/h(t)sinh( 1)2cosh()(sinhllglllKllKYZ53753)2(152)2(312)2/h(t! 3)(! 3)(! 3)()(sinhllllglllll2112211212112)(1616)(1lyzlKlyzlKYZ按泰勒级数展开按泰勒级数展开取前两项取前两项忽略忽略g1,并将实部与并将实部与虚部分开虚部分开ljbglyzYlyzYljxrlyzZlyzZ)(121 ()121 ()(61 ()61 (1121121111211211bljkYxljkrlkZbxr其中其中22221211)(611311xblklxbrxbkxblk

26、bxr电纳修正系数：电抗修正系数：电阻修正系数：近近似似计计算算式式44 计算表明对于线路长度在300km到1000km之间的线路，利用近似分布参数所得结果与精确计算的误差很小，完全可以满足要求。 对于1000km以上的输电线路，应采用精确的分布参数等值电路。451.阻抗（1）电阻。变压器的短路损耗Pk可近似地等于额定电流通过 变压器时，高低压绕组总电阻中的三相有功功率损耗Pr， 即 而三相电阻中的有功功率损耗为PPrk所以（5-1） 上式中，UN、SN是以V、VA为单位，Pk是以W为单位。将其变为工程上实用单位， UN是以kV、 SN 是以MVA、Pk是以kW表示时，变压器一相高低压绕组总电

27、阻为5.2.1双绕组变压器的参数和等值电路5.2 变压器的参数和等值电路RUSRUSRIPTNNTTNrNN2222)3(33SUPSUPRNNkNNrT22225 5、电力系统元件参数和等值电路、电力系统元件参数和等值电路46式中，Pk为变压器三相总的短路损耗（kW）；SN为变压器的额定容量（MVA）；UN为变压器绕组的额定电压（kV）。（2）电抗。在电力系统计算中，对于大容量的变压器其电抗数值近似等于其阻抗的模的数值，它的电阻可以忽略不计。于是变压器短路电压的百分数为 可得（5-3）式中，XT为变压器一相高低压绕阻总电抗（）；SN为变压器的额定容量（MVA）；UN为变压器绕组的额定电压（k

28、V）。（5-2）SUPRNNkT23210UXIUZIUNTNNTNk31003(%)(100(%)3100(%)SUUIUUXNNkNNkT5 5、电力系统元件参数和等值电路、电力系统元件参数和等值电路472.导纳（1）电导。当变压器励磁支路以导纳表示时，其电导对应的是变压器中的铁损PFe，它以变压器空载损耗P0近似相等，即PFeP0,则电导有功损耗近似等于空载损耗。)(23010SUPGNT（5-4）式中，P0为变压器的空载损耗（kW），UN为变压器绕组的额定电压（kV）。5 5、电力系统元件参数和等值电路、电力系统元件参数和等值电路48RTjXT-jBTGT.0I.Ib.Ig.U.U.I

29、g.0I.Ib图5-1双绕组变压器的等值电路和空载相量图 对于三相变压器P0为三相值，UN为线电压；而单相变压器P0为单相值，UN为相电压。BUIITNb30 （2）电纳 当变压器励磁支路以导纳表示时5 5、电力系统元件参数和等值电路、电力系统元件参数和等值电路496 电力网的电压降落和功率损耗6.1 线路电压降落和功率损耗已知条件：末端电压U2，末端功率S2=P2+jQ2，以及线路参数。求解：线路中的功率损耗和始端电压和功率。2222222*222121 2yyyQjPjBUGUUUYSv 末端导纳支路功率222222222jQPQjPjQPSSSyyyv 阻抗支路末端功率ZZzQjPXUQPjRUQPjXRUUPZUSS222 22 2222 22 2222 22 2222v 阻抗支路损耗功率50112221jQPQjPjQPSSSZZZ1121211*1121212yyyQjPjBUGUUUYSv 阻抗支路始端功率v 始端导纳支路功率111111111