《電氣工程概論》全書860頁課件（肖登明）.ppt

2020 3 14 1 電氣工程概論 肖登明主編中國電力出版社出版2005 2020 3 14 2 第一章緒論 電氣工程概論 2020 3 14 3 第一章緒論 2020 3 14 4 電氣工程概論第一章緒論 一 電氣工程的歷史和形成電氣工程是研究電磁領(lǐng)域的客觀規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué)技術(shù) 以電工科學(xué)中的理論和方法為基礎(chǔ)而形成的工程技術(shù)稱為電氣工程 根據(jù)電氣工程學(xué)科的發(fā)展現(xiàn)狀 可將其分為相對(duì)獨(dú)立的五個(gè)分學(xué)科 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù) 電機(jī)與電器及其控制技術(shù) 高電壓與絕緣技術(shù) 電力電子技術(shù)和電工新技術(shù)其結(jié)構(gòu)簡圖如下圖所示 2020 3 14 5 電氣工程概論第一章緒論 2020 3 14 6 電氣工程除具有其各分支學(xué)科的專業(yè)理論外 還具有本學(xué)科的共性基礎(chǔ)理論 電路理論 電磁場理論 電磁計(jì)量理論等 它與基礎(chǔ)科學(xué) 如物理 數(shù)學(xué)等 中的相應(yīng)分支具有密切的聯(lián)系 但又具有明顯的差別 基礎(chǔ)科學(xué)的主要任務(wù)是認(rèn)識(shí)客觀世界的本質(zhì)及其內(nèi)在規(guī)律 技術(shù)科學(xué)的目的則在于改造客觀世界以達(dá)到人們的預(yù)定要求 電工學(xué)科的基礎(chǔ)理論所研究的對(duì)象是經(jīng)過人類加工改造后出現(xiàn)的新現(xiàn)象 而不是自然界固有存在的現(xiàn)象 還不能只限于現(xiàn)象的分析 而應(yīng)包括實(shí)現(xiàn)所需現(xiàn)象的綜合以及為此所需的代價(jià) 從而使方法和途徑也占有重要地位 電氣工程概論第一章緒論 2020 3 14 7 電氣測(cè)量技術(shù)在電氣工程各分支學(xué)科的技術(shù)發(fā)展中具有耳目和神經(jīng)的作用 它是定量研究電氣工程技術(shù)問題的手段 隨著各分支學(xué)科的發(fā)展而迅速發(fā)展 電氣測(cè)量技術(shù)及其儀器的自動(dòng)化 微機(jī)化 智能化 多功能化等發(fā)展趨勢(shì) 已深深滲透到電氣工程各分支學(xué)科的測(cè)量技術(shù)中 新原理 新技術(shù)和新儀器日新月異 例如測(cè)量 監(jiān)視 控制等多功能新型裝置以及現(xiàn)場測(cè)試或?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)整體系統(tǒng)精度的改進(jìn)等 都對(duì)電氣工程分支學(xué)科的發(fā)展起了重要作用 電氣工程概論第一章緒論 2020 3 14 8 二 電氣工程的地位和發(fā)展 電氣工程概論第一章緒論 2020 3 14 9 解放前 我國電工科學(xué)的基礎(chǔ)薄弱而落后 建國后 有了多方面的巨大發(fā)展 我國一次能源總產(chǎn)量達(dá)10 9億噸標(biāo)準(zhǔn)煤 2000 居世界第三位 比1949年增長了44倍 但電能比重仍較落后 只占國民經(jīng)濟(jì)總能源消耗的25 左右 1949年 我國電力工業(yè)的發(fā)電量4 3億kWh 世界排序第25位 裝機(jī)容量1850MW 世界排序第21位 2003年 分別增加到19052億kWh和391GW 皆居世界第二位 各增大443倍和211倍 截至2003年底 我國水電裝機(jī)達(dá)92170MW 占發(fā)電總裝機(jī)的24 年發(fā)電量2830億kWh 占總發(fā)電量的15 電氣工程概論第一章緒論 2020 3 14 10 電工制造業(yè)以技術(shù)復(fù)雜的汽輪發(fā)電機(jī)組為例 我國1956年才試制成功6000kW機(jī)組 2002年 已制成并投產(chǎn)900MW 即46年期間汽輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的制造能力擴(kuò)大到1500倍 居于世界先進(jìn)行列 電氣工程概論第一章緒論 2020 3 14 11 電氣工程概論第一章緒論 在斷路器和避雷器等電器制造方面 解放時(shí) 我國只能制造10kV的充油式斷路器 目前 可制造500kV新型的SF6的斷路器 從10kV管式避雷器提高到500kV氧化鋅避雷器的制造水平 均已進(jìn)入了世界先進(jìn)行列 2020 3 14 12 以大型電力變壓器為例 1923年 我國生產(chǎn)第一臺(tái)三相電力變壓器50kVA 1948年 制成國內(nèi)最大的6 6kV三相2500kVA電力變壓器 本世紀(jì)初 我國已能生產(chǎn)500kV的三相750MVA和成組1000kV 250MVA的單相電力變壓器 按三相容量計(jì)算 制造能力擴(kuò)大到300倍 電氣工程概論第一章緒論 2020 3 14 13 電氣工程概論第一章緒論 在輸電線路方面 1949年 我國只有一回220kV線路 全部35kV以上輸電線僅6475km 1999年底 我國超高壓輸電500kV 含直流線路 達(dá)22927km 變電容量達(dá)80120MVA 220kV以上輸電線路總長達(dá)495123km 變電容量達(dá)593690MVA 2020 3 14 14 在電氣化方面 工業(yè)用電量占全部電能生產(chǎn)的71 5 2001 每年新增發(fā)電量的64 6 用于工業(yè)用電 其中輕工業(yè)用電的年增長率已達(dá)14 6 農(nóng)業(yè)用電增長也很快 自解放以來 平均每年以24 的高速增長 在全國2300個(gè)縣中 已有2280個(gè)縣用上了電 第三產(chǎn)業(yè)用電 包括市政商業(yè)和交通通信 和居民用電量到2001年已達(dá)電能總生產(chǎn)量的24 61 電氣工程概論第一章緒論 2020 3 14 15 電氣工程概論第一章緒論 在電力電子和電工新技術(shù)領(lǐng)域 1962年 我國試制出第一個(gè)晶閘管 目前 已能批量生產(chǎn)電流達(dá)3000A 電壓為8500V的晶閘管 并能研制生產(chǎn)和應(yīng)用快速 全控器件或設(shè)備 2020 3 14 16 在電力系統(tǒng)方面 1949年 只有東北 京津唐和上海三個(gè)容量不大 分別為646 259和250MW 的電力系統(tǒng) 2003年 已有11個(gè)電力系統(tǒng)發(fā)電裝機(jī)容量超過20000MW 其中東北 華北 華東 華中電網(wǎng)發(fā)電裝機(jī)容量均超過30000MW 華東 華中電網(wǎng)甚至超過40000MW 西北電網(wǎng)的裝機(jī)容量也達(dá)到20000MW 其他幾個(gè)獨(dú)立省網(wǎng) 如四川 山東 福建等電網(wǎng)發(fā)電裝機(jī)容量超過或接近10000MW 大區(qū)電力系統(tǒng)目前正進(jìn)入各自加強(qiáng)和彼此互聯(lián)以及進(jìn)一步發(fā)展形成全國統(tǒng)一電力系統(tǒng)的過程中 電氣工程概論第一章緒論 2020 3 14 17 在電工高技術(shù)的范圍內(nèi) 我國也從空白狀態(tài)發(fā)展形成多個(gè)相互配合的研究基地或重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 并相繼取得一些世人矚目的研究成果 例如1983年建成的8MV閃光 I強(qiáng)流脈沖電子束加速器和1990年建成的9MeV感應(yīng)直線加速器 各種激光器 各種等離子體裝置的研制和應(yīng)用 超導(dǎo)技術(shù) 醫(yī)療用電工技術(shù) 電接觸技術(shù) 新型電測(cè)技術(shù)等的成果 新裝置 新儀器 新方法等 都使我國在電工新技術(shù)和新技術(shù)領(lǐng)域中從填補(bǔ)空白的階段先后步入建立試驗(yàn)基地 開展系統(tǒng)性研究 力求迎頭彌補(bǔ)差距的新階段 電氣工程概論第一章緒論 2020 3 14 18 電氣工程概論第一章緒論 在電力電子和電工新技術(shù)中 我國已從1962年研制出第一個(gè)晶閘管起 到目前能批量生產(chǎn)電流達(dá)3000A 電壓為8500V的晶閘管 并能研制生產(chǎn)和應(yīng)用快速 全控器件或設(shè)備 2020 3 14 19 電氣工程概論第一章緒論 綜上所述 我國電工科學(xué)在傳統(tǒng)的電力輸送 電工制造或高電壓技術(shù)方面 取得可喜的進(jìn)展和成績 我國在電工新技術(shù)和高技術(shù)領(lǐng)域中也取得可喜的進(jìn)展和成績 這說明我國的電工科學(xué)已發(fā)展成為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中可靠的支柱 2020 3 14 20 三 電氣工程的展望 20世紀(jì)中葉以來 以電子信息技術(shù)為核心的新技術(shù)革命正在興起 沖擊著所有傳統(tǒng)科學(xué) 包括基礎(chǔ)科學(xué) 技術(shù)科學(xué) 綜合科學(xué) 甚至社會(huì)科學(xué)等在內(nèi)的廣大領(lǐng)域 有人統(tǒng)計(jì) 最近20年中的科技創(chuàng)造和發(fā)明超過了過去兩千年中創(chuàng)造發(fā)明的總和 在技術(shù)科學(xué)范圍內(nèi) 不少學(xué)科都發(fā)生了 舊貌換新穎 的變化 電工學(xué)科的巨大變化也十分顯著 電氣工程概論第一章緒論 2020 3 14 21 電氣工程概論第一章緒論 2020 3 14 22 電氣工程學(xué)科是在經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)中不斷發(fā)展起來的 著名例子是美加 8 14大停電 2003年8月14日下午 美國的中西部和東北部以及加拿大的安大略省經(jīng)歷了一次大停電事故 其影響范圍包括美國的俄亥俄州 密西根州 賓夕法尼亞州 紐約州 佛蒙特州 馬薩諸塞州 康涅狄格州 新澤西州和加拿大的安大略省 損失負(fù)載大61 8GW 影響了5千萬人口的用電 停電在美國東部時(shí)間下午4時(shí)06分開始 在美國的一些地區(qū)兩天內(nèi)未能恢復(fù)供電 加拿大的安大略省甚至一周未能恢復(fù)供電 這次停電事故引起了全世界的關(guān)注 綜合資料 基本可以判斷本次大停電對(duì)全網(wǎng)而言屬于潮流大范圍轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的快速電壓崩潰 同時(shí)伴有潮流大范圍轉(zhuǎn)移和竄動(dòng)導(dǎo)致的斷面線路相繼跳閘和系統(tǒng)解列后的頻率崩潰 電簔工程概論0第一章緒論 2020 3 14 23 第二章電機(jī)與電器基礎(chǔ) 2020 3 14 24 第一節(jié)開關(guān)電器 2020 3 14 25 一 概述 一 開關(guān)電器概述1斷路器 電力網(wǎng)正常工作和發(fā)生故障時(shí)關(guān)合和開斷電路 2隔離開關(guān) 將高壓設(shè)備與電源隔離 以保證檢修工作人員的安全 3熔斷器 電路發(fā)生故障或短路時(shí) 依靠熔件的熔斷來開斷電路 4低壓控制電器 接通和分?jǐn)嗟蛪航?直流的控制電路 二 開關(guān)電器技術(shù)參數(shù)1額定電壓 額定電壓是指開關(guān)電器設(shè)計(jì)時(shí)所采用的標(biāo)稱電壓 2020 3 14 26 2額定電流 開關(guān)電器在額定頻率下能長期通過而各個(gè)金屬部分和絕緣部分的溫升不超過長期工作時(shí)最大容許溫升的最大標(biāo)稱電流 3額定短時(shí)耐受電流 額定短時(shí)耐受電流是高壓開關(guān)電器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)能夠通過而其溫升不超過規(guī)定條件的最大標(biāo)稱電流 主要反映開關(guān)電器承受短路電流熱效應(yīng)的能力 4額定峰值耐受電流 額定峰值耐受電流是指開關(guān)電器在規(guī)定條件下能夠通過 而不發(fā)生機(jī)械損壞的最大標(biāo)稱電流 主要反映開關(guān)電器承受短路電流電動(dòng)力效應(yīng)的能力 2020 3 14 27 二 低壓斷路器 一 低壓斷路器概述低壓斷路器主要用于配電線路和電氣設(shè)備的過載 欠壓 失壓和短路保護(hù) 常在低壓大功率電路中作為主控電器 按電源類型分為交流式和直流式低壓斷路器 按結(jié)構(gòu)可分為萬能式和裝置式低壓斷路器 2020 3 14 28 2020 3 14 29 二 低壓斷路器的選擇要點(diǎn) 1 額定工作電壓不小于線路額定電壓 2 額定電流不小于線路計(jì)算負(fù)載電流 3 額定短路通斷能力不小于線路中可能出現(xiàn)的最大短路電流 4 線路末端單相對(duì)地短路電流不小于1 5倍斷路器脫扣器整定電流 5 欠電壓脫扣器額定電壓等于線路額定電壓 按使用場合的需要來確定是否需要帶延時(shí) 6 注意斷路器接觸方向 母聯(lián)斷路器應(yīng)選用可在下方進(jìn)線的斷路器 7 注意與其他電器的配合協(xié)調(diào) 各級(jí)斷路器的過電流脫扣器整定值和延時(shí)應(yīng)符合選擇性配合要求 2020 3 14 30 8 電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器的瞬時(shí)動(dòng)作電流應(yīng)考慮電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)條件 電動(dòng)機(jī)的種類 啟動(dòng)電流倍數(shù)和時(shí)間 三 斷路器額定電流的確定斷路器殼架等級(jí)額定電流 指塑殼或框架中所能裝的最大過流脫扣器的額定電流 和斷路器額定電流 過電流脫扣器額定電流 可確定為 式中IN QF為斷路器殼架等級(jí)的額定電流 Ica為線路的計(jì)算負(fù)載電流 IN OR為過電流脫扣器的額定電流 2020 3 14 31 三 低壓控制電器 一 低壓接觸器概述低壓接觸器是電氣傳動(dòng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的一種電器 適用于遠(yuǎn)距離頻繁的接通和分?jǐn)嘟?直流主電路及大容量控制電路 其主要控制對(duì)象是電動(dòng)機(jī) 也可用于控制照明設(shè)備 電焊機(jī) 電容器 電熱設(shè)備等負(fù)載 2020 3 14 32 2020 3 14 33 交流接觸器的結(jié)構(gòu) 2020 3 14 34 二 低壓接觸器的選用1 控制電動(dòng)機(jī)負(fù)載2 控制非電動(dòng)機(jī)負(fù)載 1 控制電熱設(shè)備 2 控制電容器 3 控制變壓器 4 控制照明裝置 5 控制電磁鐵 三 控制繼電器概述電磁式控制繼電器是根據(jù)電磁吸合和釋放原理而動(dòng)作的繼電器 常見的電磁式控制繼電器有通用 電壓 電流 繼電器 中間繼電器 時(shí)間繼電器 熱過載繼電器等 2020 3 14 35 2020 3 14 36 四 真空斷路器 一 真空斷路器概述利用真空作為觸頭間的絕緣與滅弧介質(zhì)的斷路器稱為真空斷路器 2020 3 14 37 二 真空斷路器的觸頭1圓盤形觸頭圓盤形觸頭目前只用于開斷電流要求不大的真空負(fù)荷開關(guān)和真空接觸器上 2020 3 14 38 2橫向磁場觸頭橫向磁場就是與弧柱軸線相垂直的磁場 它與電弧電流產(chǎn)生的電磁力能使電弧在電極表面運(yùn)動(dòng) 防止電弧停留在某一點(diǎn)上 延緩陽極斑點(diǎn)的產(chǎn)生 提高了開斷能力 2020 3 14 39 2020 3 14 40 3縱向磁場觸頭在同樣觸頭直徑的情況下 縱向磁場觸頭能夠開斷的電流最大 2020 3 14 41 4觸頭材料觸頭材料除了要求具有一定的導(dǎo)電 導(dǎo)熱和機(jī)械性能外 還必須具備下述要求 1 耐弧性能好 真空斷路器的特點(diǎn)是不需檢修 因此要求觸頭能夠耐受少則8 12次 多則30 50次開合額定短路電流時(shí)對(duì)觸頭的燒損 還要求具有開合幾千上萬次額定電流的能力 2 截?cái)嚯娏餍?真空斷路器使用中的一個(gè)嚴(yán)重問題是截流過電壓高 往往使被控制的電器設(shè)備的絕緣受到損壞 降低這種過電壓的有效措施是減小截?cái)嚯娏髦?而截流值的大小與觸頭材料有關(guān) 3 抗熔焊性能好 4 含氣量低 放氣量太多會(huì)影響滅弧室的真空度 放氣量的多少取決于材料的性質(zhì) 2020 3 14 42 三 真空滅弧室的基本結(jié)構(gòu)真空滅弧室主要由以下部件組成 1絕緣外殼2屏蔽罩3波紋管4動(dòng) 靜觸頭 2020 3 14 43 1絕緣外殼2屏蔽罩1 主屏蔽罩作用 1 有效地防止金屬蒸氣噴濺到絕緣外殼的內(nèi)表面 避免內(nèi)表面絕緣性能下降 2 屏蔽罩可使交流電流過零時(shí) 滅弧室內(nèi)剩余的金屬蒸氣和導(dǎo)電粒子徑向快速地?cái)U(kuò)散到屏蔽罩上冷卻 復(fù)合和凝結(jié) 有利于電流過零后弧隙介質(zhì)強(qiáng)度的提高 3 提高觸頭間絕緣強(qiáng)度 2020 3 14 44 2 主屏蔽罩分類 1 固定電位式 2 懸浮電位式 2020 3 14 45 3波紋管 1 液壓成形波紋管 長度有限 最大壓縮行程為自由長度的20 30 壽命數(shù)萬次 2 薄片焊接成形波紋管 長度任意 最大壓縮行程可達(dá)自由長度的60 壽命幾百萬次 2020 3 14 46 五 六氟化硫斷路器 一 六氟化硫斷路器概述六氟化硫 SF6 斷路器是利用SF6氣體作絕緣與滅弧介質(zhì)的斷路器 優(yōu)點(diǎn) 與油斷路器比較 SF6斷路器具有斷流能力強(qiáng) 滅弧速度快 電絕緣性能好 檢修周期長的優(yōu)點(diǎn) 比較適于頻繁操作 而且沒有燃燒爆炸的危險(xiǎn) 缺點(diǎn) 要求斷路器加工精度很高 密封性能要求很嚴(yán) 因此價(jià)格比較昂貴 二 雙壓式SF6斷路器 2020 3 14 47 2020 3 14 48 三 單壓式SF6斷路器與雙壓式SF6斷路器相比 單壓式SF6斷路器具有結(jié)構(gòu)簡單和開斷電流大的特點(diǎn) 2020 3 14 49 四 自能式氣自吹SF6斷路器 2020 3 14 50 滅弧室的壓力變化特性曲線 2020 3 14 51 六 熔斷器 一 熔斷器概述電路中通過短路電流或長期過負(fù)載電流時(shí) 利用熔體本身產(chǎn)生的熱量將自己熔斷 從而切斷電路 達(dá)到保護(hù)電氣設(shè)備和載流導(dǎo)體的目的 熔斷器按電壓可分為高壓熔斷器和低壓熔斷器 按裝設(shè)地點(diǎn)可分為戶內(nèi)式和戶外式 按結(jié)構(gòu)可分為螺旋式 插片式和管式 此外 還可分為限流式和無限流式等 熔斷器的基本結(jié)構(gòu)由金屬熔體 支持熔體的觸頭和外殼組成 2020 3 14 52 二 熔斷器的安秒特性熔體的熔斷時(shí)間與通過的電流的關(guān)系稱為熔斷器的安秒特性 三 熔斷器過電壓高壓熔斷器的額定電壓必須大于或等于電網(wǎng)的額定電壓 對(duì)于充填石英砂限流的熔斷器 在電流達(dá)最大值之前就將電流截?cái)喽a(chǎn)生過電壓 這將對(duì)電氣設(shè)備造成威脅 過電壓倍數(shù)與電路的參數(shù) 熔體的長度有關(guān) 2020 3 14 53 第二節(jié)變換電器 2020 3 14 54 一 變壓器基本原理 一 變壓器的工作原理變壓器是通過電磁感應(yīng)原理 通過電磁耦合實(shí)現(xiàn)電能傳遞的一種靜止電氣設(shè)備 主要由鐵芯及繞在鐵芯上的兩個(gè)繞組組成 變壓器原理圖 2020 3 14 55 二 變壓器的結(jié)構(gòu)1油浸式變壓器2干式變壓器用環(huán)氧樹脂澆注的變壓器稱為環(huán)氧樹脂干式變壓器 2020 3 14 56 三 變壓器基本參數(shù)及性能指標(biāo)1基本參數(shù) 1 額定電壓U1N U2N 三相變壓器指線電壓 2 額定容量SN 3 額定電流I1N I2N 根據(jù)額定電壓和額定容量計(jì)算得出 4 額定頻率fN 我國規(guī)定工業(yè)用電頻率為50Hz 2基本參數(shù) 1 變壓器負(fù)載運(yùn)行 二次側(cè)端電壓變化率 u 變壓器外特性 2020 3 14 57 2 變壓器損耗 p 3 變壓器效率 2020 3 14 58 四 變壓器分類 2020 3 14 59 五 變壓器應(yīng)用綜述1電力變壓器 電力變壓器用途示意圖 我國的電壓等級(jí)及相應(yīng)的輸電容量和輸電距離 2020 3 14 60 2特種變壓器 特種變壓器用途表 2020 3 14 61 二 變壓器等值電路 一 空載運(yùn)行等值電路 空載運(yùn)行示意圖 空載運(yùn)行等值電路 2020 3 14 62 二 負(fù)載運(yùn)行等值電路 負(fù)載運(yùn)行示意圖 負(fù)載運(yùn)行等值電路 2020 3 14 63 三 三相變壓器 一 三相變壓器的磁路結(jié)構(gòu)1三相組式變壓器2三相芯式變壓器 2020 3 14 64 二 三相變壓器的連接組三相變壓器和三相變壓器組可以連接成星形 三角形和曲折形 對(duì)應(yīng)于高壓和低壓側(cè)分別用Y D Z和y d z來表示 當(dāng)有中性點(diǎn)引出時(shí) 用YN ZN和yn zn表示 若規(guī)定高壓側(cè)繞組的某感應(yīng)線電壓相量始終指向鐘表的12點(diǎn) 則低壓側(cè)繞組所對(duì)應(yīng)的感應(yīng)線電壓相量所指的小時(shí)數(shù)就稱為標(biāo)號(hào) 雙繞組變壓器常用連接組 2020 3 14 65 雙繞組變壓器常用連接組 2020 3 14 66 三 變壓器的并聯(lián)運(yùn)行變壓器并聯(lián)運(yùn)行條件 1 各臺(tái)變壓器的一 二次側(cè)的額定電壓相同 變壓器連接組的標(biāo)號(hào)相同 2 各臺(tái)變壓器的阻抗電壓相對(duì)值相等 各變壓器的短路阻抗幅角相等 雙繞組變壓器常用連接組 2020 3 14 67 四 多繞組變壓器 分裂變壓器和自耦變壓器 一 多繞組變壓器具有兩個(gè)以上繞組的變壓器稱為多繞組變壓器 1三繞組變壓器 三繞組變壓器 a 升壓變壓器 b 降壓變壓器 2020 3 14 68 二 分裂繞組變壓器1分裂繞組變壓器結(jié)構(gòu)分裂繞組變壓器低壓側(cè)繞組中有一個(gè)或幾個(gè)繞組被分裂成額定容量相等的幾個(gè)分裂繞組 各分裂繞組間無電氣聯(lián)系 而僅有較弱的磁聯(lián)系 單相雙繞組雙分裂變壓器 a 接線圖 b 等值電路 分裂繞組變壓器在正常運(yùn)行和低壓側(cè)短路時(shí)所呈現(xiàn)的電抗值不同 可完成電能變換的同時(shí)實(shí)現(xiàn)短路電流的限制 雙柱式單相雙繞組雙分裂變壓器 a 接線圖 b 等值電路 2020 3 14 69 2分裂繞組變壓器的應(yīng)用 分裂變壓器 電機(jī)連接示意圖 a 接線圖 b 等值電路 正常工作時(shí) 流入變壓器的工作電流遇到的等效阻抗為穿越電抗XD X1 0 5X 2 當(dāng)?shù)蛪簜?cè)一臺(tái)發(fā)電機(jī)出口處短路時(shí) 來自另外一臺(tái)發(fā)電機(jī)的短路電流遇到的電抗為分裂電抗XF X 2 X 2 來自母線的電流遇到的電抗為半穿越電抗XB X1 X 2 2020 3 14 70 三 自耦變壓器1自耦變壓器的結(jié)構(gòu)2優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 用料省 體積小 效率高 造價(jià)低 缺點(diǎn) 自耦變壓器變比的減小會(huì)使自耦變壓器的短路阻抗值減小 短路故障電流增大 自耦變壓器 2020 3 14 71 五 互感器 互感器是利用變壓器的電磁感應(yīng)原理 將大電量信號(hào)變換為小電量信號(hào)以方便測(cè)量的一種設(shè)備 可分為電流互感器和電壓互感器 一 電流互感器 TA 1 工作原理 電流互感器工作原理圖 2020 3 14 72 2 使用注意事項(xiàng) 1 電流互感器二次側(cè)繞組絕對(duì)不允許開路 2 電流互感器的二次側(cè)繞組和外殼必須可靠接地 以防止因絕緣擊穿而危害人身安全 二 電壓互感器 TV 電壓互感器按工作原理可分為電磁式電壓互感器和電容式電壓互感器 1 電磁式電壓互感器 1 工作原理 電壓互感器工作原理圖 2020 3 14 73 2 電磁式電壓互感器使用時(shí)的注意事項(xiàng) 1 電壓互感器的二次側(cè)繞組絕對(duì)不允許短路 2 電壓互感器的二次側(cè)繞組和鐵芯必須可靠接地 3 電壓互感器的二次側(cè)負(fù)載不易接太多 以免降低負(fù)載阻抗 影響測(cè)量準(zhǔn)確性 2020 3 14 74 2 電容式電壓互感器 CVT 電容式電壓互感器 電容式電壓互感器理想情況下輸出電壓U2L的計(jì)算公式 其中 k1 c1 c1 c2 k2為中間變壓器的變換比 電容式電壓互感器具有結(jié)構(gòu)簡單 體積小 成本低等優(yōu)點(diǎn) 可用于110 500kV中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中的電壓測(cè)量 其缺點(diǎn)主要是輸出容量較小 誤差較大 2020 3 14 75 第三節(jié)限制電器 2020 3 14 76 一 電力電容器 一 電力電容器分類和用途電容器是一種基本的電器元件 兩個(gè)相互靠近的平行板即可構(gòu)成一個(gè)最簡單的電容器 兩極板間的絕緣材料稱為電介質(zhì) 應(yīng)用在電力系統(tǒng)中的電容器稱為電力電容器 其基本功能是存儲(chǔ)電能 電荷 可用來實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的無功補(bǔ)償 限制功率因數(shù)下降 濾除高次諧波 限制高次諧波電流 等功能 對(duì)提高電能質(zhì)量 提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性 可靠性有重要的作用 根據(jù)電力電容器用途的不同 下表列出了詳細(xì)的分類 2020 3 14 77 2020 3 14 78 電容器的電性能很大程度上取決于絕緣介質(zhì)的材料性能 通?？偸窍Ｍ橘|(zhì)的耐壓性能好 介電常數(shù)大 損耗角正切小 體積電阻率高 耐老化性能好 介質(zhì)無污染 根據(jù)介質(zhì)的形態(tài) 電力電容器常用的介質(zhì)見下表所示 電力電容器常用介質(zhì)分類 隨著聚丙烯電工薄膜等材料的出現(xiàn) 電力電容器很快由全紙介質(zhì)經(jīng)過紙膜復(fù)合介質(zhì)向全膜介質(zhì)發(fā)展 全膜電力電容器具有擊穿場強(qiáng)高 局部放電電壓大 介質(zhì)損耗低 體積電阻率高 運(yùn)行壽命長 安全可靠等諸多優(yōu)點(diǎn) 在我國得到了廣泛的應(yīng)用 2020 3 14 79 二 電力電容器參數(shù)1基本參數(shù) 1 額定電容CN 電力電容器的設(shè)計(jì)值 2 額定電壓UN 表示正常運(yùn)行時(shí)加到電容器上的額定電壓 有效值 3 額定電流IN 電容器正常工作時(shí)的電流有效值 4 額定無功功率Q 等于電容器額定電壓和額定電流的乘積 2020 3 14 80 2性能指標(biāo) 1 損耗角正切 其中P是電容器在交流電壓作用下 其內(nèi)部的介質(zhì) 熔絲 放電器件等產(chǎn)生的總有功損耗 損耗角正切越大 電容器相對(duì)有功損耗越大 內(nèi)部發(fā)熱越嚴(yán)重 反之 電容器發(fā)熱較輕 電容器的質(zhì)量及運(yùn)行狀況較好 通常損耗角正切會(huì)隨外施電壓和溫度而有所變化 1 紙介質(zhì)電容器2 膜 紙復(fù)合介質(zhì)電容器3 全膜介質(zhì)電容器 2020 3 14 81 2 自放電時(shí)間常數(shù)T T RC 其中R是電容器的絕緣電阻 C為電容器的標(biāo)稱值 自放電時(shí)間常數(shù)T也是衡量電容器性能 制造工藝的重要指標(biāo) 通常認(rèn)為T越大越好 3 耐壓性和比特性 電力電容器出廠前必須經(jīng)過各種測(cè)試 其中極間耐壓試驗(yàn)和極對(duì)殼耐壓試驗(yàn)十分重要 其性能的好壞將直接影響到投入運(yùn)行后電容器的可靠性和安全性 比特性是表征電力電容器質(zhì)量與容量關(guān)系的一個(gè)參數(shù) 單位為kg kvar 2020 3 14 82 三 并聯(lián)電力電容器1并聯(lián)電力電容器的結(jié)構(gòu)高壓并聯(lián)電力電容器由許多電容器元件串聯(lián)或并聯(lián)組成 通常還附加一些輔助部件和結(jié)構(gòu) 以滿足電容器運(yùn)行時(shí)的絕緣 散熱 機(jī)械保護(hù)等方面的需要 并聯(lián)電力電容器 2020 3 14 83 2并聯(lián)電力電容器的應(yīng)用并聯(lián)電容器主要用在交流電力系統(tǒng)中 用來進(jìn)行無功補(bǔ)償 提高功率因數(shù) 降低線路損耗 發(fā)揮輸變電設(shè)備效能 1 補(bǔ)償原理電力系統(tǒng)中的感性負(fù)載較大時(shí) 會(huì)使母線上的電流滯后電壓一定的電角度 稱之為功率因數(shù)角 角的增大會(huì)增加系統(tǒng)的無功功率 造成電力系統(tǒng)及用戶設(shè)備容量的浪費(fèi) 采用并聯(lián)電力電容器可以提高功率因數(shù) 降低線路損耗 等值電路 相量圖 無功補(bǔ)償示意圖 2020 3 14 84 2 并聯(lián)電容器 組 的合閘涌流問題對(duì)電容器 組 進(jìn)行投切時(shí) 會(huì)在電容器 組 之間和母線上出現(xiàn)一個(gè)高頻衰減電流 其幅值通常是電容器工作電流的幾倍甚至幾十倍 稱為并聯(lián)電容器 組 涌流 SurgeCurrent 涌流會(huì)導(dǎo)致電容器組及其它電力設(shè)備損壞 涌流產(chǎn)生的原因 a 電容器組投切時(shí)產(chǎn)生涌流 b 開斷電容器組時(shí)可能發(fā)生的重?fù)舸┯苛?c 電容器組內(nèi)部電容器單元故障時(shí)產(chǎn)生的組內(nèi)涌流 限制并聯(lián)電容器 組 的涌流的方法 a 串聯(lián)電抗器 b 加長電容器間連接引線 增加電容器單元間電感 可以降低電容器故障時(shí)組內(nèi)涌流的幅值 2020 3 14 85 3并聯(lián)電力電容器成套裝置并聯(lián)電容器成套裝置分為高壓和低壓并聯(lián)電容器成套裝置兩種 高壓并聯(lián)電容器成套裝置內(nèi)部集成了電容器 電容器過負(fù)載保護(hù)專用熔斷器 放電裝置 抑制涌流和限制高次諧波的空心電抗器 限制過電壓的避雷器 斷路器和開關(guān)等設(shè)備 低壓并聯(lián)電容器裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單 一般接成三角形裝設(shè)在負(fù)載附近 a高壓并聯(lián)電容器組裝置接線 b低壓并聯(lián)電容器組裝置接線 2020 3 14 86 四 其它電容器1 串聯(lián)電容器可以抵消輸電線路的感抗 提高電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性和輸送能力 減小輸電線路的電壓降落 2 電熱電容器主要用于頻率40 24000Hz范圍內(nèi)的感應(yīng)加熱電氣系統(tǒng)中 可提高系統(tǒng)的功率因數(shù)及改善回路特征 3 高壓交流濾波電容器連接到額定電壓大于1000V的交流電力系統(tǒng)附近 可為大功率諧波源的諧波電流提供低阻抗通道 用來抑制諧波分量對(duì)電力系統(tǒng)及通訊系統(tǒng)的影響 改善電力系統(tǒng)功率因數(shù) 4 脈沖電容器脈沖電容器可在極短的時(shí)間內(nèi) 將存儲(chǔ)的能量迅速釋放出來 廣泛應(yīng)用于高電壓試驗(yàn) 海底探礦 激光技術(shù)和高能物理等領(lǐng)域 5 高原型電容器高原型電容器外殼內(nèi)設(shè)絕對(duì)壓力補(bǔ)償裝置 具有抗低氣壓 抗低氣溫 抗溫度突變的能力 可用于1000米至5000米的高原地區(qū)進(jìn)行無功補(bǔ)償 2020 3 14 87 二 避雷裝置和避雷器 一 雷閃放電與過電壓 雷云放電過程 2020 3 14 88 雷閃過電壓 發(fā)生雷閃時(shí) 除了會(huì)產(chǎn)生直擊雷過電壓之外 還會(huì)在輸電線路中出現(xiàn)感應(yīng)過電壓 這兩種過電壓均會(huì)對(duì)輸電線路和電力設(shè)備造成危害 二 避雷裝置避雷裝置是一種接地良好的導(dǎo)電裝置 可用來保護(hù)物體免遭雷擊 它主要由引雷裝置 接地裝置和連接它們的引下線組成 按照引雷裝置的形式 避雷裝置可分為避雷針 避雷線和避雷帶 三 避雷器避雷器實(shí)質(zhì)上是一種放電器 可優(yōu)先于被保護(hù)電器放電動(dòng)作 限制由線路傳來的雷電沖擊電壓和操作過電壓 完成保護(hù)后迅速恢復(fù)原來對(duì)地絕緣的狀態(tài) 準(zhǔn)備下次保護(hù)動(dòng)作 同時(shí)使系統(tǒng)恢復(fù)正常工作狀態(tài) 1 避雷器的分類通常將避雷器分為保護(hù)間隙 管式避雷器 閥式避雷器三種 參見下表 2020 3 14 89 避雷器的用途和分類 2020 3 14 90 2 避雷器的電氣性能指標(biāo)及特性 1 額定電壓 避雷器的最大允許工頻電壓 2 工頻放電電壓 避雷器間隙放電時(shí)的工頻電壓有效值 3 沖擊放電電壓 給定波形和極性的沖擊電壓施加到避雷器上 放電前所對(duì)應(yīng)的電壓峰值 4 放電電流 避雷器保護(hù)動(dòng)作時(shí)通過它的沖擊電流及工頻續(xù)流統(tǒng)稱為放電電流 5 殘壓 放電電流通過避雷器時(shí) 避雷器端子間的電壓稱為殘壓 6 通流容量 即閥式避雷器的閥片耐受放電電流的能力 以規(guī)定的波形和通流次數(shù)下的電流幅值來表示 7 伏秒特性 指避雷器的絕緣介質(zhì)在不同幅值沖擊電壓作用下 沖擊電壓值與放電時(shí)間之間的關(guān)系曲線 它是綜合衡量避雷器保護(hù)效果的重要依據(jù) 2020 3 14 91 3 閥式避雷器根據(jù)閥片材料的不同 閥式避雷器可分為碳化硅閥式避雷器和金屬氧化物閥式避雷器兩種 1 碳化硅避雷器將多個(gè)串聯(lián)的保護(hù)間隙和串聯(lián)的閥片相串聯(lián) 壓緊密封在避雷器瓷套內(nèi) 閥片的材料采用金剛砂為主要成分 普通型碳化硅避雷器結(jié)構(gòu)簡圖 金剛砂顆粒非線性電阻 2020 3 14 92 2 金屬氧化物避雷器 MOA 金屬氧化物避雷器由壓緊密封在避雷器瓷套內(nèi)的若干片ZnO閥片構(gòu)成 氧化鋅閥片外加氧化鉍及其它金屬氧化物粉碎燒結(jié)成園餅狀或環(huán)狀 上下端面噴有金屬電極 側(cè)面涂有絕緣釉以防沿面閃絡(luò) 這種閥片具有非常優(yōu)異的非線性特性 在高壓下電阻很小 泄放雷電流的同時(shí)能保持低殘壓 伏安特性曲線見下圖 ZnO閥片伏 安特性曲線 2020 3 14 93 4 避雷器的選擇 使用和維護(hù)注意問題 1 避雷器連續(xù)雷電沖擊保護(hù)能力 碳化硅避雷器沒有連續(xù)雷電沖擊保護(hù)能力 氧化鋅避雷器有連續(xù)雷電沖擊保護(hù)能力 2 避雷器使用壽命 避雷器使用壽命與許多因素有關(guān) 除了制造工藝 機(jī)械故障 密封失效受潮等因素外 避雷器閥片的老化速度是影響壽命的關(guān)鍵因素 碳化硅避雷器和無間隙氧化鋅避雷器壽命有效使用壽命通常在7 10年 串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器壽命可達(dá)20年以上 3 避雷器通常應(yīng)垂直安裝 且周圍留有足夠的空間 頂部引線水平壓力不得超過允許值 對(duì)于由多節(jié)元件組裝的避雷器 應(yīng)嚴(yán)格按照出廠標(biāo)號(hào)組裝 4 避雷器運(yùn)行過程中應(yīng)經(jīng)常監(jiān)視和維護(hù) 有條件的電站型閥式避雷器應(yīng)安裝動(dòng)作次數(shù)記錄裝置 碳化硅避雷器和金屬氧化物避雷器應(yīng)按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)定期測(cè)試性能 發(fā)現(xiàn)隱患應(yīng)及時(shí)退出運(yùn)行 2020 3 14 94 三 電抗器 電抗器屬于感性元件 同電容器一樣 也是一種基本的電器元件 電抗器主要用于實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)和工業(yè)用戶的限流 無功補(bǔ)償 移相等功能 是電力 冶金 化工 電氣化鐵路等供電 輸變電系統(tǒng)中所必需的重要設(shè)備 一 電抗器的結(jié)構(gòu) 干式電抗器 2020 3 14 95 二 電抗器的基本參數(shù) 1 額定電感LN 是電抗器的設(shè)計(jì)值 2 額定電壓UN 電抗器的額定工作電壓 通常大于等于電抗器所連接的交流電力系統(tǒng)額定工作電壓 3 額定電流IN 電抗器正常工作時(shí)所允許的長期通過電流 4 電抗百分比xN 指電抗器在額定電流下 繞組兩端的電壓降與系統(tǒng)每相電壓值之比的百分?jǐn)?shù) 即 U 繞組兩端電壓降 xN 繞組電抗值 LN 繞組電感值 2020 3 14 96 三 電抗器的分類和應(yīng)用1 限流電抗器限流電抗器串聯(lián)于發(fā)電機(jī)的輸出回路 變壓器或其它高壓電器設(shè)備的輸出或輸入回路中 主要用來限制系統(tǒng)短路故障電流 保護(hù)輸電線路和電力設(shè)備 在三相輸電系統(tǒng)中 三相干式空芯串聯(lián)電抗器是由三臺(tái)單相電抗器排列構(gòu)成 排列方式主要有以下三種 三相垂直 兩相垂直 一相并列 三相并列 2020 3 14 97 2 分裂電抗器為了充分限制短路電流 希望電抗值越大越好 但是電抗值越大 電壓和電能的損失也越大 采用分裂電抗器可以很大程度上避免這個(gè)問題 分裂電抗器比普通電抗器多出了一個(gè)中間抽頭 從而形成了1 2兩個(gè)分支 設(shè)XL為一個(gè)分支的自感抗 f為兩個(gè)分支的互感系數(shù) 則互感抗Xm為 Xm fXL 下圖表示了分裂電抗器的接線情況 根據(jù)電路理論中的互感消去法 可得右下圖所示的等值電路 結(jié)構(gòu)示意圖 向量示意圖 2020 3 14 98 3 消弧線圈消弧線圈是一個(gè)帶有鐵芯的電感線圈 也稱為中性點(diǎn)接地電抗器 在中性點(diǎn)不接地的長距離輸電系統(tǒng)中 線路的對(duì)地電容不容忽視 當(dāng)發(fā)生單相接地短路的電流超過下表中所示的極限值時(shí) 電弧將難以自行熄滅 會(huì)造成供電系統(tǒng)中性點(diǎn)電壓偏移 不接地兩相對(duì)地產(chǎn)生過電壓 損壞發(fā)電機(jī)和變壓器的絕緣 接地故障電流允許極限值 對(duì)于中性點(diǎn)不接地的電力系統(tǒng) 若短路電容電流過大 通常需裝設(shè)接地消弧線圈 來補(bǔ)償輸電系統(tǒng)對(duì)地故障時(shí)的容性電流 2020 3 14 99 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)示意圖 一極故障接地相量圖 當(dāng)C相發(fā)生弧光接地時(shí) 消弧線圈將產(chǎn)生感性電流 由相量圖可以看出 該電流可以全部或部分抵消導(dǎo)線對(duì)地電容產(chǎn)生的電流 破壞了弧光持續(xù)放電的條件 提高了供電系統(tǒng)的可靠性 1 補(bǔ)償原理 2020 3 14 100 2 應(yīng)用注意事項(xiàng) 1 系統(tǒng)中應(yīng)盡可能采用多臺(tái)消弧線圈分散安裝 這樣做的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)生故障時(shí) 不至于使大部分電力網(wǎng)失去消弧線圈的補(bǔ)償 可提高電網(wǎng)供電的可靠性 2 消弧線圈宜裝設(shè)于Y d接線的系統(tǒng)中性點(diǎn)上 若裝設(shè)于Y y接線的中性點(diǎn)上 會(huì)使消弧線圈的利用容量降低 增加變壓器的額外損耗 3 若變壓器無中性點(diǎn)引出 則應(yīng)另外裝設(shè)一臺(tái)接地變壓器 以便引出中性點(diǎn) 對(duì)接地變壓器的要求是零序阻抗低 空氣阻抗高 高壓側(cè)繞組采用 Z 字形接線 這種結(jié)構(gòu)可以有效抑制變壓器與消弧線圈連接時(shí)的零序電流所引起的變壓器附加發(fā)熱 2020 3 14 101 第四節(jié)電機(jī)學(xué) 2020 3 14 102 一 概述 電機(jī)是依據(jù)電磁感應(yīng)定律和電磁力定律 實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的電磁裝置 按照電機(jī)的用途分類 可分為發(fā)電機(jī) 電動(dòng)機(jī)和控制電機(jī) 按照電機(jī)的電流類型分類 可以分為直流電機(jī)和交流電機(jī) 其中交流電機(jī)可以分為同步電機(jī)和異步電機(jī) 按照電機(jī)的相數(shù)分類 可以分為單相電機(jī)和多相電機(jī) 如單相交流電機(jī)和最常見三相電機(jī) 按照電機(jī)的大小尺寸 容量分類 有大 中 小和微型電機(jī) 2020 3 14 103 二 直流電機(jī) 一 直流發(fā)電機(jī)工作原理 2020 3 14 104 二 直流電動(dòng)機(jī)工作原理 1 電機(jī)的可逆原理 直流電機(jī)可作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行 也可作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行 2 換向器的作用是實(shí)現(xiàn)電樞線圈內(nèi)的交流電動(dòng)勢(shì) 電流與電刷的直流電壓 電流之間的轉(zhuǎn)化 2020 3 14 105 三 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)主要包括轉(zhuǎn)子和定子兩大部分 轉(zhuǎn)子是電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分 定子是電機(jī)的靜止部分 1定子 用來產(chǎn)生磁場和作為電機(jī)的機(jī)械支架 主要包括主磁極 換向極 機(jī)座和電刷裝置 2020 3 14 106 2轉(zhuǎn)子 也稱為電樞 用來產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩 實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換 主要包括電樞鐵芯 電樞繞組 換向器 轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等 四 直流電機(jī)的勵(lì)磁直流電機(jī)的勵(lì)磁方式分為永磁體勵(lì)磁 電機(jī)本體勵(lì)磁 并勵(lì) 串勵(lì)和復(fù)勵(lì) 其他電源勵(lì)磁三種 2020 3 14 107 五 直流電機(jī)中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)其中p為極對(duì)數(shù) N為電樞繞組的總導(dǎo)體數(shù) a為支路對(duì)數(shù) 為每極主磁通 n為電機(jī)轉(zhuǎn)速 六 直流電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)平衡方程1直流發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)方程2直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)方程 2020 3 14 108 七 直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 八 直流電機(jī)損耗和功率平衡1直流電機(jī)損耗分類 1 機(jī)械損耗pmec 主要由軸承間的磨擦和電刷與換向器間的摩擦產(chǎn)生 2 鐵芯損耗pFe 由電樞鐵芯產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損耗 3 勵(lì)磁損耗pf 由勵(lì)磁繞組電阻產(chǎn)生的損耗 4 負(fù)載損耗pa 電樞繞組的電阻損耗等 5 雜散損耗pad 2020 3 14 109 2直流電機(jī)的功率平衡方程 1 直流發(fā)電機(jī)的功率平衡方程直流發(fā)電機(jī)的效率 2 直流電動(dòng)機(jī)的功率平衡方程 2020 3 14 110 九 直流發(fā)電機(jī)的特性1空載特性 發(fā)電機(jī)當(dāng)n為常值 I 0A時(shí) 發(fā)電機(jī)空載端電壓U0與勵(lì)磁電流If之間的函數(shù)關(guān)系 2負(fù)載特性 發(fā)電機(jī)n為常值 I 0A時(shí) 發(fā)電機(jī)端電壓U與勵(lì)磁電流之間的函數(shù)關(guān)系 2020 3 14 111 3外特性 發(fā)電機(jī)當(dāng)n為常值 If為常值時(shí) 發(fā)電機(jī)電壓U與輸出電流I之間的函數(shù)關(guān)系 4調(diào)節(jié)特性 發(fā)電機(jī)n為常值 U為常值時(shí) 勵(lì)磁電流If與輸出電流I之間的函數(shù)關(guān)系 2020 3 14 112 十 直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)速1他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 電機(jī)勵(lì)磁電流If恒定且電樞端電壓一定時(shí) 電機(jī)轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的函數(shù)關(guān)系 其中 1 固有機(jī)械特性 當(dāng)電動(dòng)機(jī)端電壓額定U UN 每極氣隙勵(lì)磁磁通額定 N 電樞回路無串接電阻 Rst 0 時(shí)的機(jī)械特性 2020 3 14 113 2 人為機(jī)械特性 在固有機(jī)械特性的基礎(chǔ)上 主要分析改變電樞回路串接電阻 改變端電壓和改變勵(lì)磁磁通三種情況下的人為機(jī)械特性 1 電樞回路串接電阻的人為機(jī)械特性 2020 3 14 114 2 改變電樞端電壓的人為機(jī)械特性 3 改變氣隙磁通 的人為機(jī)械特性 Rst 0 2020 3 14 115 2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 1 串電阻調(diào)速優(yōu)點(diǎn) 實(shí)現(xiàn)簡單 適用于低速短時(shí)運(yùn)行的拖動(dòng)裝置 缺點(diǎn) 機(jī)械特性軟 靜差率大 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍小 只能低于額定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 串接電阻消耗功率 只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速 2020 3 14 116 2 調(diào)壓調(diào)速優(yōu)點(diǎn) 機(jī)械特性硬度不變 勵(lì)磁電流額定時(shí) 可實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 調(diào)速范圍寬 可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速 調(diào)速過程能量損耗小 缺點(diǎn) 需要調(diào)壓電源 只能低于額定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 隨電壓降低靜差率增大 串接電阻消耗功率 只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速 2020 3 14 117 3 弱磁調(diào)速 恒功率調(diào)速 優(yōu)點(diǎn) 控制方便 調(diào)速平滑 經(jīng)濟(jì)性好 缺點(diǎn) 調(diào)速范圍窄 受電機(jī)機(jī)械強(qiáng)度和換向火花的限制 轉(zhuǎn)速不可太高 此外還要防止電機(jī)飛車的現(xiàn)象發(fā)生 2020 3 14 118 十一 直流電機(jī)的額定值 1 額定功率PN 對(duì)于直流發(fā)電機(jī) 指電機(jī)輸出的功率 對(duì)于直流電動(dòng)機(jī) 指電機(jī)輸出的機(jī)械功率 2 額定電壓UN 電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的輸入或輸出電壓 3 額定電流IN 電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)能承受的電流 4 額定轉(zhuǎn)速nN 電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 5 額定勵(lì)磁電壓UfN 保證電機(jī)額定運(yùn)行的勵(lì)磁繞組所需的電壓 2020 3 14 119 三 異步電機(jī) 交流電機(jī)是目前生產(chǎn) 生活中使用最廣泛的電機(jī) 可分為異步電機(jī)和同步電機(jī) 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和同步轉(zhuǎn)速之間總存在一定差異 其轉(zhuǎn)子和定子之間沒有電的直接聯(lián)系 又稱為感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單 價(jià)格低廉 運(yùn)行可靠 效率較高 維修方便等優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 不能低成本的在較廣泛的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速 必須從電網(wǎng)中吸收滯后電流 導(dǎo)致電網(wǎng)的功率因數(shù)降低 此外普通鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性較差 2020 3 14 120 三 異步電機(jī) 一 直流發(fā)電機(jī)工作原理 2020 3 14 121 一 異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)1定子 定子鐵芯由硅鋼片沖片疊成 沖片內(nèi)圓上的槽用來嵌放定子繞組 2轉(zhuǎn)子 主要由轉(zhuǎn)子鐵芯 轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸三者構(gòu)成 轉(zhuǎn)子繞組分為繞線型和鼠籠型兩類 異步電機(jī)結(jié)構(gòu) 2020 3 14 122 二 異步電動(dòng)機(jī)的工作原理1旋轉(zhuǎn)磁極對(duì)導(dǎo)體的作用2三相繞組的旋轉(zhuǎn)磁場 2020 3 14 123 兩極三相電機(jī)定子磁場規(guī)律 1 電流變化一周 磁場在空間上旋轉(zhuǎn)360度 2 合成磁動(dòng)勢(shì)旋轉(zhuǎn)方向與繞組A B C在空間的布置順序相同 3 某相電流達(dá)最大值時(shí) 合成磁動(dòng)勢(shì)軸線與該相繞組軸線重合 4 合成磁動(dòng)勢(shì)的幅值為每相脈振磁動(dòng)勢(shì)振幅的1 5倍 2020 3 14 124 3異步電機(jī)的磁通 1 主磁通 同時(shí)與定子繞組及轉(zhuǎn)子繞組相匝鏈的磁通 2 漏磁通 定子繞組通過三相電流產(chǎn)生的僅與其自身相匝鏈的磁通 轉(zhuǎn)子繞通過電流產(chǎn)生的僅與其自身相匝鏈的磁通 三 異步電機(jī)的運(yùn)行方式轉(zhuǎn)差率s 旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n的差值與同步速度n1的比值 可根據(jù)轉(zhuǎn)差率來判斷異步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài) 1電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài) 01 2020 3 14 125 四 異步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式1定子繞組的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式2轉(zhuǎn)子繞組的電動(dòng)勢(shì)和電流 1 轉(zhuǎn)子繞組的電動(dòng)勢(shì) 2 轉(zhuǎn)子繞組的漏阻抗 3 轉(zhuǎn)子中的電流 2020 3 14 126 五 異步電動(dòng)機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)平衡方程1轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)相對(duì)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速2磁動(dòng)勢(shì)平衡方程式 六 異步電動(dòng)機(jī)的功率平衡方程式 2020 3 14 127 七 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性1轉(zhuǎn)矩2機(jī)械特性 2020 3 14 128 八 異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速1交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展方向 1 一般性能的節(jié)能調(diào)速 2 高性能交流調(diào)速系統(tǒng) 3 特大容量和極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速2異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 1 變極調(diào)速 2 變頻調(diào)速 3 變轉(zhuǎn)差率調(diào)速1 改變定子端電壓2 改變轉(zhuǎn)子電阻 2020 3 14 129 2020 3 14 130 4 異步電動(dòng)機(jī)矢量變換控制系統(tǒng) 2020 3 14 131 四 同步電機(jī) 同步電機(jī)屬于交流電機(jī) 其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為一固定的同步轉(zhuǎn)速 同步電機(jī)有三種運(yùn)行方式 發(fā)電機(jī) 電動(dòng)機(jī)和調(diào)相機(jī) 現(xiàn)代電網(wǎng)的電能幾乎全部由三相同步發(fā)電機(jī)提供 一 同步電機(jī)的原理和結(jié)構(gòu) 2020 3 14 132 二 同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行 三 同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行1電樞反應(yīng)及電動(dòng)勢(shì)方程當(dāng)負(fù)載運(yùn)行時(shí) 三相對(duì)稱電流流過定子三相繞組 形成電樞旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì) 它與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)同步 且轉(zhuǎn)向相同 此時(shí)的氣隙磁場與空載運(yùn)行的情況不同 是二者的合成磁場 電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)氣隙磁場的影響稱為電樞反應(yīng) 電樞反應(yīng)對(duì)同步電機(jī)的性能有重大影響 負(fù)載的性質(zhì)決定了電樞反映的特性 可以應(yīng)用時(shí)空矢量圖來分析電樞反應(yīng)特性 2020 3 14 133 2020 3 14 134 凸極同步電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)方程其中Xd為直軸同步電抗 Xq為交軸同步電抗 隱極同步電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)方程其中Xt為隱極電機(jī)同步電抗 2同步發(fā)電機(jī)的特性 1 空載特性 2 短路特性 2020 3 14 135 3 零功率因數(shù)負(fù)載特性 4 同步發(fā)電機(jī)的外特性發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率 2020 3 14 136 四 同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行 1 發(fā)電機(jī)的頻率和電網(wǎng)頻率相同 2 發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的電壓波形要相同 3 發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)電壓大小 相位要相同 4 發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的相序要相同 五 同步發(fā)電機(jī)的功率平衡凸極電機(jī) 隱極電機(jī) 2020 3 14 137 第三章電力電子技術(shù) 電氣工程概論 2020 3 14 138 電氣工程概論第三章電力電子技術(shù) 引言 近年來基于相關(guān)技術(shù)的發(fā)展 電力電子領(lǐng)域得到了高度發(fā)展 同時(shí)電力電子的市場也在迅速地?cái)U(kuò)張 在開關(guān)電源 不間斷電源 節(jié)能 自動(dòng)化 運(yùn)輸 感應(yīng)加熱 電力事業(yè)諸方面都得到了廣泛的使用 詳見表3 1 2020 3 14 139 電氣工程概論第三章電力電子技術(shù) 2020 3 14 140 第一節(jié)功率半導(dǎo)體器件 電氣工程概論第三章電力電子技術(shù) 2020 3 14 141 功率半導(dǎo)體器件是電力電子系統(tǒng)的心臟 是電力電子電路的基礎(chǔ) 功率集成電路是最近10年功率半導(dǎo)體器件發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì) 是將功率半導(dǎo)體開關(guān)器件與其驅(qū)動(dòng) 緩沖 檢測(cè) 控制和保護(hù)等硬件集成一體 構(gòu)成一個(gè)功率集成電路PIC 智能功率模塊IPM是功率集成電路中典型的例子 近年得到了較為廣泛的應(yīng)用 電氣工程概論3 1功率半導(dǎo)體器件 2020 3 14 142 一 概述 一 功率半導(dǎo)體器件的功能 圖3 1為電力電子裝置的示意圖 功率輸入經(jīng)功率變換器后輸出至負(fù)載 功率變換器通常采用電力電子器件作為功率開關(guān) 應(yīng)用不同拓?fù)浣M合構(gòu)成 實(shí)現(xiàn)電功率形式的變換 電壓或頻率等變換 此外 系統(tǒng)功率可以是雙向的 即電功率也可以從輸出端送至輸入端 電氣工程概論3 1功率半導(dǎo)體器件 2020 3 14 143 功率半導(dǎo)體器件作為功率開關(guān) 其工作特點(diǎn)如下 1 功率半導(dǎo)體器件通常都處于在開關(guān)狀態(tài) 2 功率半導(dǎo)體器件由斷態(tài)轉(zhuǎn)換成通態(tài)及由通態(tài)轉(zhuǎn)換成斷態(tài)時(shí) 在轉(zhuǎn)換過程中所產(chǎn)生的損耗 分別稱之為開通損耗和關(guān)斷損耗 總稱為開關(guān)損耗 3 大功率是功率半導(dǎo)體器件的特點(diǎn) 這就要求一個(gè)理想的功率半導(dǎo)體器件應(yīng)該是能承受高電壓 大電流的器件 一個(gè)理想的功率半導(dǎo)體器件應(yīng)當(dāng)具有的理想的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性是 在阻斷狀態(tài) 能承受高電壓 在導(dǎo)通狀態(tài) 具有高的電流密度和低的導(dǎo)通壓降 在開關(guān)狀態(tài) 轉(zhuǎn)換時(shí)具有短的開 關(guān)時(shí)間 能承受高的和 同時(shí)器件具有全控功能 即器件的通斷可通過電信號(hào)控制 電氣工程概論3 1功率半導(dǎo)體器件 2020 3 14 144 二 功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展 功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展經(jīng)歷了以下階段 大功率二極管產(chǎn)生于20世紀(jì)40年代 是功率半導(dǎo)體器件中結(jié)構(gòu)最簡單 使用最廣泛的一種器件 20世紀(jì)70年代 出現(xiàn)了稱之為第二代的自關(guān)斷器件 如門極可關(guān)斷晶閘管 大功率雙極型晶體管 功率場效應(yīng)晶體管等 20世紀(jì)80年代 出現(xiàn)了的第三代復(fù)合導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的場控半導(dǎo)體器件 以絕緣柵極雙極型晶體管 IGBT或IGT 為典型代表 另外還有靜電感應(yīng)式晶體管 靜電感應(yīng)式晶閘管 MOS控制晶閘管 集成門極換流晶閘管等 現(xiàn)已經(jīng)出現(xiàn)了第四代電力電子器件 集成功率半導(dǎo)體器件 它將功率器件與驅(qū)動(dòng)電路 控制電路及保護(hù)電路集成在一塊芯片上 從而開辟了電力電子器件智能化的方向 具有廣闊的應(yīng)用前景 電氣工程概論3 1功率半導(dǎo)體器件 2020 3 14 145 圖3 2示出了各種功率半導(dǎo)體器件的工作范圍 電氣工程概論3 1功率半導(dǎo)體器件 2020 3 14 146 二 大功率二極管 大功率二極管屬不可控器件 在不可控整流 電感性負(fù)載回路的續(xù)流 電壓源型逆變電路中提供無功路徑 電流源型逆變電路換流電容與反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載的隔離等場合均得到廣泛使用 一 大功率二極管的結(jié)構(gòu) 大功率二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個(gè)具有P型 N型半導(dǎo)體 一個(gè)PN結(jié)和陽極A 陰極K的兩層兩端半導(dǎo)體器件 其符號(hào)表示如圖3 3 a 所示 從外部構(gòu)成看 也分成管芯和散熱器兩部分 一般情況下 200A以下的管芯采用螺旋式 圖3 3 b 以上則采用平板式 圖3 3 c 電氣工程概論3 1功率半導(dǎo)體器件 2020 3 14 147 二 大功率二極管的特性1 大功率二極管