电气工程概论第二章解析

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1、第二章 电气设备的原理与功能 电气工程概论 第二章 电气设备的原理与功能 概述1 电力变压器 4电动机 3 高压断路器 5 2 同步发电机 互感器 5 6 第一节 概述 v 在电力系统中，发电厂和变电站的主要作用是： (1)生产、输送和分配电能 (2)根据电力负荷的变化，启停机组，调整运行方式和运行参数 (3)根据电力系统要求，投切线路 (4)监视主要设备的工作状态 (5)对主要设备进行定期的检修和维护 (6)迅速消除故障，尽量减小故障的影响 发电厂内的电气设备：发电机、升压变压器、开关设备、厂用电动机等 变电站内的电气设备：电力变压器、高低压开关设备等 第一节 概述 v 上述电气设备,按照在

2、电力系统中的地位和作用分为: 一次设备(直接生产和输送电能的设备): 发电机、变压器、开关电器、载流导体、避雷器、互感器等 二次设备(对一次设备进行测量、监视和操作控制的设备): 继电器、仪表及自动装置等 第一节 概述 v 根据电能生产、转换和分配过程的需要，上述电气设备又可分为： （1）生产和转换电能的设备，如发电机、电力变压器、电动机等。 （2）接通或断开电路的开关电器设备。如高压断路器、隔离开关、熔断 器、接触器等。 （3）限制故障电流和防止过电压的设备。如限制短路电流的电抗器和防 止过电压的避雷器等。 （4）用来把有关电气设备连接成电路的载流导体。如母线、电缆等。 （5）接地装置。 （

3、6）变换电气量的设备。包括电压互感器和电流互感器 （7）能迅速反应故障或不正常工作情况并切除故障或作用于信号装置发 出信号的继电保护装置。 （8）用于操作电器的设备以及自动、远动装置。如操作开关、同期装置 、自动重合闸装置、自动调压装置、自动调频装置等。 （9）直流设备。如直流发电机组、蓄电池等，作为操作、保护、信号等 设备的直流电源。 第二节 同步发电机 发电机的基本结构 1 发电机的工作原理 2 同步发电机的额定运行方式 3 发电机励磁系统 4 （一）发电机的基本结构 发电机分为卧式和立式两种，汽轮发电机一般为卧式，水轮发电 机为立式。 发电机结构剖面图 1-定子铁心；2-定子线圈；3-冷

4、却风道；4-转子大轴；5-转子铁心线圈；6氢气冷却器 （二）发电机工作原理 根据法拉第电磁感应定律，当导电体在一定的磁场中移动时，导 电体的两端将产生电动势。或者说，一个导电体处于变化的磁场中时 ，其两端也将产生变化的电动势。在发电厂内，人们首先把各种能量 转换为作用在发电机的转轴上的机械能，在发电机转子旋转时，就有 变化的磁力线切割定子线圈，由此定子线圈中就有感应电动势产生， 形成了发电机的端电压。 发电机发电的过程就是将原动机转轴上的动能通过发电机转子与 定子间的磁场耦合作用，在定子绕组上变成电能的过程。 同步发电机原理图 （三）同步发电机的额定运行方式 1 发电机的额定值 (额定数据是由

5、制 造厂在其稳定和对 称运行条件下给出 的) 2 发电机带负荷与 负荷调整 3 同步发电机的非 正常工作状态 （三）同步发电机的额定运行方式 额定容量:在额定电压、额定频率、额定功率因数和额定冷却介质温度等 条件下，发电机所能长期连续发出的最大功率。 额定运行方式:发电机按照制造厂铭牌规定数据运行的方式 正常运行方式:发电机的额定运行方式以及在其运行参数允许变化范围内 的运行方式 温升:发电机各部分的温度与冷却介质入口温度之差,温升是衡量发电机的 主要运行性能指标之一 频率:同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就 要求发电机的频率应该和电网的频率一致。(我国电网的频率为50

6、Hz) (p发电机磁极对数) （三）同步发电机的额定运行方式 同步转速:要使得发电机供给电网50Hz的工频电能，发电机的转速必须为 某一固定值，这个固定值称为同步转速。 例如，2极( p1对)发电机的同步转速为n=3000r/min 发电机输出有功功率: 发电机输出无功功率:发电机输出有功功率的同时，由于负荷的需要还输 出无功功率。 （三）同步发电机的额定运行方式 发电机启动后调节转速和电压接近发电机额定值时，依靠自动准同期并 列装置可以将发电机并入大电网。 有功负荷的调整: 通过汽轮机的调速器进行的，即调整汽轮机的进汽量的大小。 无功功率和电压的调整: 通过改变发电机励磁电流的大小来实现的。

7、 （三）同步发电机的额定运行方式 同步发电机的非正常工作状态:发电机过负荷运行、异步运行、不对称运 行等 v 发电机在非正常工作状态下运行必然要在某些运行参数上给予限制， 以保证发电机不被损坏。非正常的情况下一般表现为温度升高，因此 运行中主要是温度升高程度和非正常运行的时间对定子电流、转子电 流进行的限制。 v 元件温度升高包括发电机的定子线圈、转子线圈、冷却媒质(间接反 映被冷却对象的状态)。温升程度较小，则允许非正常运行的时间可 较长。若运行条件较恶劣，则只能允许短时间的非正常运行。 （四）发电机励磁系统 励磁功率单元 (包括整流装置 及其交流电源) ，它向发电机的 励磁绕组提供直 流励

8、磁功率 励磁系统 励磁调节器，它 感受发电机电压 及运行工况的变 化，自动地调节 励磁功率单元输 出的励磁电流的 大小，以满足系 统运行的要求 （四）发电机励磁系统 v 励磁系统的任务包括： (1)在正常运行条件下，供给发电机励磁电流，并根据发电机所带负荷的情况调 整励磁电流，以维持发电机机端电压在给定水平上。 (2)使并列运行的各同步发电机组所带的无功功率得到稳定而合理的分配。 (3)增加并入电网运行的发电机的阻尼转矩，以提高电力系统动态稳定性及输电 线路的有功功率传输能力。 (4)在电力系统发生短路故障造成发电机机端电压严重下降时，强行励磁，将励 磁电压迅速提升到足够的顶值，以提高电力系统

9、的暂态稳定性。 (5)在发电机突然解列、甩负荷时，强行减磁，将励磁电流迅速降到安全数值， 以防止发电机电压过分升高。 (6)在发电机内部发生短路故障时，快速灭磁，将励磁电流迅速减到零值，以减 小故障损坏程度。 (7)在不同运行工况下，根据要求对发电机实行过励磁限制和欠励磁限制等限制 以保证发电机组的安全稳定运行。 （四）发电机励磁系统 v 励磁系统应满足以下基本要求： (1)有足够的强励顶值电压。 (2)具有足够的励磁电压上升速度。 (3)有足够的调节容量。 (4)应运行稳定，工作可靠，响应快速，调节平滑并具有足够的电压调节 精确度。 v 励磁方式按励磁电源的不同分为三种方式： 一是直流励磁机

10、励磁方式； 二是交流励磁机励磁方式； 三是静止励磁方式。 第三节 电力变压器 变压器的结构形式和分类 1 变压器的工作原理 2 变压器的额定值 3 变压器过负荷能力 4 自耦变压器 5 （一）变压器的结构形式和分类 变压器是一种静止不动的电气设备，它利用电磁感应原理把一种电压等 级的交流电能转换成相同频率的另一电压等级的交流电能。 一、变压器的结构形式和分类 变压器的结构可分为心式和壳式两种:心式的特点是线圈包围铁心，壳式 的特点是铁心包围线圈。其主要由闭合铁心和高压、低压线圈等几个 主要部分构成。 变压器铁心的作用是构成磁路。为了减少涡流和磁滞损耗，铁心用0.35 0.5mm厚的硅钢片交错叠

11、装而成。 变压器的绕组就是线圈，是变压器的电力部分。 （一）变压器的结构形式和分类 v 一般变压器可以按用途、相数、绕组数目、冷却方式分别进行分类。 按照用途来区分，变压器可以分为电力变压器、互感器、特殊用途变压器。 按照相数来区分，变压器可以分为三相变压器和单相变压器。 按照绕组数目来区分，变压器可以分为两绕组和三绕组变压器以及自耦变压 器。 按照冷却介质来区分，变压器可以分为油浸式变压器、干式变压器(空气冷却 式)以及水冷式变压器。 （二）变压器工作原理 (一)空载运行 当变压器的一次绕组施加电压而二次绕组不接负载时称为变压器的空载 运行。 变压器空载运行 变压器空载等效电路 空载电流通过

12、一次绕组时，在铁心中产生磁通 （二）变压器工作原理 则电动势的有效值表达式为 变压器一次绕组的电压方程 由于空载电流很小， 一 般情况下可认为 变压器空载时的二次绕组电压为 故 一 次、二次绕组电压的数值关系为 式中, K称为变压器的变比。可见，当变压器的电源电压 不变时，只 要 改变匝数比，就可以得到不同的输出电压 （二）变压器工作原理 v (二)有载运行 1.电流关系 欲求一次、二次绕组的电流关系，必须从分析主磁通着手。空 载时的m是电流I10在一次绕组的N1匝线圈中产生的，有载时的m 则由一次绕组的电流I1在N1匝线圈以及二次绕组的电流I2在N2匝线 圈中共同产生的。由于在两种情况下产生

13、的磁通是相同的，可见 通常把电流与匝数的乘积(安匝数)称为磁动势（简称磁势）。 变压器有载运行 （二）变压器工作原理 此式也可写为 可见，有载时的一次绕组电流I1包含两个分量。其中， 为空载电流， 或 称励磁电流。另一分量是为了保持m不变、平衡 而在一次绕组中 感 应产生的，在数值上与负载电流I2 成正比。即： 在变压器中，空载电流很小，往往只是原绕组额定电流的百分之几， 一般计算时可以不计，故得一次、二次绕组的电流关系为 （二）变压器工作原理 2.电压关系 变压器有载时的电压方程 如果不考虑变压器一次、二次绕组中电阻和漏感抗的电压降，可以近 似 地认为 由此可得变压器的一次、二次电压的关系为

14、 变压器有载时的等效电路 （二）变压器工作原理 3.阻抗变换 在忽略一次、二次绕组阻抗压降的情况下，如果把阻抗为Z的负载接到 变 压器的二次侧， 如下图所示： 则： 对电源而言，变压器可用等效阻抗Z代替如上图得 故有： 负载阻抗的等效变换 也可以写成 （三）变压器的额定值 v 变压器的主要额定参数： 阻抗电压 额定参数 额定电压 额定容量 短路损耗 额定电流 空载损耗 空载电流百分值 连接组号 （四）变压器的过负荷能力 v 变压器的过负荷能力是指在较短时间内所能输出的功率，在一定条 件下，它可以超出变压器的额定容量。 v 变压器的过负荷能力可分为在正常情况下的过负荷能力和事故情况 下的过负荷能

15、力两种。变压器的正常过负荷是指变压器有正常的使 用寿命，在轻负荷运行期间寿命损失小。变压器的事故过负荷是当 电力系统发生事故时，为了保证对重要用户的连续供电，允许在短 时间(消除事故所必需的时间)内过负荷运行，称为变压器的事故过 负荷。 （五）自耦变压器 自耦变压器它的二次绕组是一次绕组的一部分，则一、二次侧的电压 和 电流之比与普通变压器相同，即 v 自耦变压器的优点是材料省、体积小、成本低。但由于一、二次之 间有电的联系，使用时不够安全。 自耦变压器原理图 第四节 电动机 三相异步电动机 1 单相异步电动机 2 （一）三相异步电动机 一、三相异步电动机的结构 异步电动机的固定部分称为定子，

16、转动部分称为转子，定子和转 子 是能量传递和转换的关键部件， 他们的结构如下图： 三相鼠笼式异步电动机的结构 1.定子：定子主要由铁心、定子绕组和机座等组成。定子铁心是电动机磁路 的组成部分。定子绕组是定子中的电路部分。典型接线图如下： （一）三相异步电动机 定子绕组的星形和三角形联结 星形连接 三角形连接 2. 转子：转子是电动机的旋转部分，由转子铁心、转子绕组、 风扇及转轴等组成。 笼型转子 （一）三相异步电动机 v 转子绕组根据构造分成两种形式：笼型和绕线型。 绕线型异步电动机结构示意图 笼型与绕线型的区别只是转子的构造不同，它们的基本工作原理是一 样的。由于笼型电动机构造简单、价格低廉、工作可靠、使用方便，因而 在生产中较多采用，而绕线型电动机通常只在要求大启动转矩时采用。 （一）三相异步电动机 二、三相异步电动机的工作原理 v 当异步电机定子绕组接到三相电源上时，定子绕组中将流过三相对 称电流，气隙中将建立基波旋转磁动势，从