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1、电力系统 自动装置原理,窦建中 6014,目录,交流发电机原理,Generator Fundamentals,发电机是根据电磁感应原理来发电的，发电机首先要有磁场，现在用一对磁铁来产生发电机的磁场，磁力线从北极到南极。 在磁场内放入矩形线圈，线圈两端通向两个滑环，滑环通过电刷连接到输出线上，输出线端连有负载电阻。,交流发电机原理,交流发电机原理,当线圈旋转时，根据电磁感应原理，线圈两端将会产生感应电动势，当磁场是均匀的，矩形线圈作匀速旋转时，感应电势按正弦规律变化，在负载电阻上有正弦交流电通过。动画中绿色小球运动的方向表示感应电流的方向、运动的速度表示感应电流的大小。,根据这种磁场固定，由线圈
2、在磁场中旋转感生电势的原理制造的发电机称为旋转电枢式同步发电机。,交流发电机原理,交流发电机原理,返回,旋转磁场交流发电机原理模型,Principle of the Rotating Magnetic Field generator,旋转磁场交流发电机原理模型,在这个模型中磁场是不动的，线圈在磁场中旋转产生感应电势。在实际发电机中产生感应电势的线圈是不运动的，运动的是磁场。 产生磁场的是一个可旋转的磁铁，两端为南、北两磁极，是发电机的转子，线圈在磁铁外围，与磁铁转轴同一平面。当磁铁旋转时产生旋转磁场，线圈切割磁力线产生感应电动势。,旋转磁场交流发电机原理模型,由于空气的磁导率太低，在旋转磁铁的
3、外围安上环型铁芯，也就是定子，可大大加强磁铁的磁感应强度。 在定子铁芯的内圆有一对槽，线圈嵌装在槽内。为了看清线圈电流与转子的运动关系，把定子变成半透明的。当磁铁旋转时，线圈切割磁力线感生交流电流。,旋转磁场交流发电机原理模型,旋转磁场交流发电机原理模型,真正发电机的转子是电磁铁，转子上绕有励磁线圈，通过滑环向励磁线圈供电来产生磁场。把定子与线圈安在转子外围，一个单相交流发电机原理模型就组成了。,旋转磁场交流发电机原理模型,转子作匀速旋转时，线圈就感生交流电流，画面中绿色小球运动的方向表示感应电流的方向、运动的速度表示感应电流的大小。 在这个模型中感生电压的频率与转子转速完全相同，感生的电压的
4、变化与转子旋转完全对应，当转速为每秒50转（50r/s）或每分钟3000转（3000r/min）时，发出的交流电频率为50赫兹（Hz）。 这种旋转磁场的发电机称为旋转磁极式同步发电机。,旋转磁场交流发电机原理模型,返回,三相交流发电机原理模型,Principle of Three-phase Generator,三相交流发电机原理模型,实际应用的都是三相交流发电机，其定子铁芯的内圆均匀分布着6个槽，嵌装着三个相互间隔120度的同样线圈，分别称之为A相线圈、B相线圈、C相线圈。装上转子就组成了一台三相交流发电机原理模型。,三相交流发电机原理模型,画面中的三相交流发电机采用星形接法，三个线圈的公共
5、点引出线是中性线，每个线圈的引出线是相线。,三相交流发电机原理模型,当转子匀速旋转时三个线圈顺序切割磁力线，都会感生交流电动势，其幅度与频率相同。由于三个线圈相互间隔120度，它们感应电势的相位也相差120度。在画面上有每根相线的输出电势波形。,三相交流发电机原理模型,这个模型的转子只有两个极，所以感生的电压频率与转子每秒转速相同，是同步交流发电机，当转速为每分钟3000转（3000r/min）时，发出的三相交流电频率为50赫兹（Hz），这种两极的同步发电机广泛应用在燃煤电厂、燃气轮机电厂与核电厂，这些电厂使用转速为3000r/min的蒸汽轮机或燃气轮机带动同步发电机发电。,三相交流发电机原理
6、模型,以上的原理模型电机的转子有2个磁极，定子有6个槽，实际的三相交流发电机定子铁芯上有多个槽，其槽数为极数的3n倍（n=1,2,3, ），称为整数槽；还有不成整数关系的称为分数槽。多个三相绕组按规律均匀的分布在槽中。,三相交流发电机原理模型,返回,汽轮发电机的构造,Steam Turbine Generator Structure,汽轮发电机的构造,汽轮发电机的构造，发电机主要由转子与定子组成。汽轮发电机是同步发电机，由于汽轮机的转速很高，故汽轮发电机的转子只有一对磁极，在额定转速每分钟3000转时输出50赫兹的三相交流电。,汽轮发电机的构造,由于大型汽轮发电机转速高，转子磁极表面线速度达1
7、50m/s以上，离心力很大，故转子做成细长型。转子圆周上没有凸出的磁极（不像原理模型中的转子），转子铁芯是一个在圆周上开有一些槽的圆柱，在圆周两侧各有一段槽距大的面称为大齿，就是磁极（图1所示），称之为隐极式转子。在槽中嵌有励磁绕组，隐极式转子将励磁绕组分成多个线圈，便于安装与加固。,汽轮发电机的构造,励磁绕组两端通过集电环（滑环）接到励磁电源，在转子圆周两侧就形成北极与南极，旋转时就产生旋转磁场。,汽轮发电机的构造,汽轮发电机的构造,以上的原理模型电机的转子有2个磁极，定子有6个槽，实际的三相交流发电机定子铁芯上有多个槽，其槽数为极数的3n倍（n=1,2,3, ），称为整数槽；还有不成整数关
8、系的称为分数槽。多个三相绕组按规律均匀的分布在槽中。,汽轮发电机的构造,下面通过一个汽轮发电机模型来介绍汽轮发电机的基本构造与组成。,汽轮发电机的构造,汽轮发电机转子，转子铁芯采用隐极式结构。,汽轮发电机的构造,转子励磁绕组嵌放在转子铁芯的槽中,汽轮发电机的构造,绕组相互连接后再连接到集电环，集电环安装在转子轴一端，为降低发电机的温度，在转子两端还装有风扇。,汽轮发电机的构造,因为定子铁芯内的磁通是在不停的变化，定子铁芯采用多层硅钢片叠成，硅钢片间相互绝缘，可减小涡流损耗。硅钢片导磁良好，在铁芯内圆均匀分布着许多槽用来嵌装定子绕组,汽轮发电机的构造,在定子铁芯槽内嵌放定子的三相绕组。每相绕组由
9、多个线圈组成，按一定规律对称排列，该图是排列在一起的定子绕组示意图。,汽轮发电机的构造,这些绕组是嵌装在汽轮发电机定子铁芯槽内,示意图。,汽轮发电机的构造,定子铁芯与绕组是安装在发电机机座内，机座下方有发电机接线箱，连接到定子绕组，发出的三相交流电从这里引出,汽轮发电机的构造,把转子插入机座内，转子转轴由安装在机座两端轴承托架或轴承座上的轴承支撑。转子磁极与定子铁芯间留有气隙，转子可自由旋转,电刷装置与集电环紧密接触连接,汽轮发电机的构造,集电环通过电刷与励磁电源连接，电刷安装在刷盒内，刷盒固定在刷握上，刷握固定在刷握架座上，见图左图；电刷与集电环紧密接触，在图右图中显示了电刷与集电环的相对位
10、置。,汽轮发电机的构造,碳刷装置与集电环一同装在隔音罩内。图是汽轮发电机外观图。,汽轮发电机的构造,该图是汽轮发电机剖面图。,汽轮发电机的构造,汽轮发电机的构造,实际的汽轮发电机构造非常复杂，本课件与动画仅介绍与发电相关的主要组成部分，机座仅为示意图，实际的机座一般由机座与两侧端盖等部分构成，机座还包含冷却系统。,返回,变压器基础原理,Transformer Fundamentals,变压器基础原理,变压器是利用电磁学的电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能的一种电器设备，它可将一种电压的交流电能变换为同频率的另一种电压的交流电能。,变压器基础原理,图1是单相变压器的原理模型，由铁心与套
11、在铁心上的两个绕组组成，铁心由导磁性能好、磁滞损耗小的材料制成。与电源相连的线圈为一次绕组，与负载相连的线圈为二次绕组。 U1为输入一次绕组的电压，N1为一次绕组的匝数， U2为二次绕组输出的电压，N2为二次绕组的匝数,变压器基础原理,变压器基础原理,当这是一个理想变压器时，在一次绕组输入按正弦规律变化的交流电，根据变压器的基本原理有： U1/U2=N1/N2 =k k=电压比（匝数比） 即输出电压U2=U1*N2/N1,变压器基础原理,其输入电压，输出电压、铁芯磁通的波形图见图2，图中t表示波形移动方向。,变压器基础原理,变压器基础原理,我们平常使用的都三相交流电，图3是三相变压器的原理模型
12、，它由A相绕组、B相绕组、C相绕组与铁芯组成。,变压器基础原理,变压器基础原理,三对绕组完全相同，每对绕组包含一次绕组与二次绕组，其匝数比为k。 三个一次绕组的相同端接在一起，三个二次绕组的相同端接在一起组成星形接法。,变压器基础原理,当这是一个理想变压器时，在一次绕组输入按正弦规律变化的三相交流电时，根据变压器的基本原理有： U1A、U1B、U1C分别为三相的输入电压，U2A、U2B、U2C分别为三相的输出电压。 U1A/ U2A =U1B/ U2B =U1C/U2C=k,变压器基础原理,三相变压器的输入输出电压波形图见图4，图中t表示波形移动方向。,变压器基础原理,返回,电力变压器的构造,
13、Three-phase Transformer Structure,电力变压器的构造,这是一个三相电力变压器的模型。从外观看主要由变压器的箱体、高压绝缘套管、低压绝缘套管、油枕、散热管组成。,电力变压器的构造,移去变压器箱体可看到变压器的铁芯与绕组，铁芯由硅钢片叠成，硅钢片导磁性能好、磁滞损耗小。在铁芯上有A、B、C三相绕组，每相绕组又分为高压绕组与低压绕组，一般在内层绕低压绕组，外层绕高压绕组。图2左边是高压绕组引出线，右边是低压绕组引出线。,电力变压器的构造,电力变压器的构造,把铁芯与绕组放入箱体，绕组引出线通过绝缘套管内的导电杆连到箱体外，导电杆外面是瓷绝缘套管，通过它固定在箱体上，保证
14、导电杆与箱体绝缘。为减小因灰尘与雨水引起的漏电，瓷绝缘套管外型为多级伞形。右边是低压绝缘套管，左边是高压绝缘套管，由于高压端电压很高，高压绝缘套管比较长。,电力变压器的构造,电力变压器的构造,变压器箱体（即油箱）里灌满变压器油，铁芯与绕组浸在油里。变压器油比空气绝缘强度大，可加强各绕组间、绕组与铁芯间的绝缘，同时流动的变压器油也帮助绕组与铁芯散热。在油箱上部有油枕，有油管与油箱连通，变压器油一直灌到油枕内，可充分保证油箱内灌满变压器油，防止空气中的潮气侵入。,电力变压器的构造,电力变压器的构造,油箱外排列着许多散热管，运行中的铁芯与绕组产生的热能使油温升高，温度高的油密度较小上升进入散热管，油
15、在散热管内温度降低密度增加，在管内下降重新进入油箱，铁芯与绕组的热量通过油的自然循环散发出去。,电力变压器的构造,电力变压器的构造,一些大型变压器为保证散热，装有专门的变压器油冷却器。冷却器通过上下油管与油箱连接，油通过冷却器内密集的铜管簇，由风扇的冷风使其迅速降温。油泵将冷却的油再打入油箱内，下图是一台容量为400000kVA的特大型电力变压器模型，其低压端电压为20kV，高压端电压为220kV。,电力变压器的构造,电力变压器的构造,采用油冷却的变压器结构较复杂，由于油是可燃物，也就存在安全性问题。目前，在城市内、大型建筑内使用的变压器已逐渐采用干式电力变压器，变压器没有油箱，铁芯与绕组安装
16、在普通箱体内。 干式变压器绕组用环氧树脂浇注等方法保证密封与绝缘，容量较大的绕组内还有散热通道，大容量变压器并配有风机强制通风散热。 由于材料与工艺的限制，目前多数干式电力变压器的电压不超过35kV，容量不大于20000kVA，大型高压的电力变压器仍采用油冷方式。,返回,电机基本名词术语,Motor Common Terminology,电机基本名词术语,电机:电机是借助于电磁原理工作的能量转换设备。只有给电机输入能量，它才会输出能量，在其输入和输出的能量中至少应该有一方是电能。 变压器：是利用电磁原理将交流电能转换成同频但电压等级不同的交流电能的设备。发电机：是利用电磁原理将机械能转换成电能的设备。 直流发电机：将机械能转换成直流电能的发电机。 交流发电机：将机械能转换成交流电能的发电机。,电机基本名词术语,同步发电机：其电动势的频率与电机转速（同步转速）之比为恒定值，例如对于2极（1对磁极）同步发电机，发电频率与每秒转速相同；对于12极（6对磁极）同步发电机，发电频率为6倍每秒转速。大型汽轮发电机、水轮发电机都是同步发电机，大多数交流发电机都是同步发电机，应
