三相交流電路和電動(dòng)機(jī).ppt

電工基礎(chǔ) 第2版 主編 劉志平 蘇永昌 第六章三相交流電路和電動(dòng)機(jī) 第一節(jié)三相交流電源 第二節(jié)三相負(fù)載的連接 第三節(jié)三相電路的功率 本章主要介紹三相交流電壓 三相星形與三角形聯(lián)結(jié) 三相電路的功率及三相異步電動(dòng)機(jī) 單相異步電動(dòng)機(jī) 第四節(jié)三相籠型異步電動(dòng)機(jī) 第五節(jié)三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng) 第六節(jié)安全用電 6 1三相交流電源 三相交流電的優(yōu)點(diǎn) 1 三相交流發(fā)電機(jī)的鐵心及電樞磁場(chǎng)較單相發(fā)電機(jī)利用充分 2 作為三相交流電負(fù)載的三相電動(dòng)機(jī)比單相電機(jī)性能好 易維護(hù) 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比單相發(fā)電機(jī)的振動(dòng)小 3 理論和實(shí)踐證明 在輸電距離 輸送功率 電壓相等的條件下 三相輸電是單相輸電所用導(dǎo)線量的四分之三 4 采用三相四線制輸電 用戶可得兩種不同的電壓 5 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大量使用交流電動(dòng)機(jī) 三相電動(dòng)機(jī)比單相電動(dòng)機(jī)性能平穩(wěn)可靠 一 三相交流電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生 三相交流電動(dòng)勢(shì)由三相交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生 它的主要組成部分是定子和轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子是轉(zhuǎn)動(dòng)的磁極 定子是在鐵心槽上放置三個(gè)幾何尺寸與匝數(shù)相同的線圈 稱為定子繞組 它們排列在圓周上的位置彼此相差120 分別用U1 U2 V1 V2 W1 W2表示 圖6 1三相交流發(fā)電機(jī)原理示意圖 U1 V1 W1表示各相繞組的首端 U2 V2 W2表示各相繞組的末端 各相繞組的電動(dòng)勢(shì)參考方向規(guī)定為線圈的末端指向始端 一 三相交流電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生 當(dāng)原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針以角速度 逆時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng) 作切割磁力線運(yùn)動(dòng) 因而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)eU eV eW 由于三個(gè)繞組的結(jié)構(gòu)相同 在空間相差120 因此eU eV eW三個(gè)電動(dòng)勢(shì) 振幅相同 頻率相同 彼此間的相位差為120 圖6 1三相交流發(fā)電機(jī)原理示意圖 以eU為參考正弦量 則三相電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)表達(dá)式為 一 三相交流電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生 顯然 有eU eV eW 0 波形圖與旋轉(zhuǎn)矢量圖如圖6 2所示 三相電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化 它們到達(dá)最大值 或零值 的先后順序 叫做相序 從圖6 2中可以看出 eU超前達(dá)最大值 又超前達(dá)最大值 這種U V W U的順序叫正序 若相序位U W V U叫負(fù)序 二 三相四線制電源 三相電源本來具有U1 V1 W1 U2 V2 W2六個(gè)接頭 但是在低壓供電系統(tǒng)中常采用三相四線制供電 其電路連接方式如圖所示 二 三相四線制電源 從三相電源三個(gè)相頭U1 V1 W1引出的三根導(dǎo)線叫作端線或相線 俗稱火線 任意兩個(gè)火線之間的電壓叫做線電壓 把三相繞組的末端的公共連接點(diǎn)N叫作中性點(diǎn) 從中點(diǎn)引出的導(dǎo)線叫做中性線或零線 由三根相線和一根中性線組成的輸電方式叫做三相四線制 通常在低壓配電中采用 每相繞組始端與末端之間的電壓 即相線與中線之間的電壓 叫做相電壓 它們的瞬時(shí)值用uU uV uW來表示 顯然這三個(gè)相電壓也是對(duì)稱的 相電壓大小 有效值 均為 UU UV UW UP 二 三相四線制電源 任意兩相始端之間的電壓 即火線與火線之間的電壓 叫做線電壓 它們的瞬時(shí)值用uUV uVW uWU來表示 三相四線制連接的旋轉(zhuǎn)矢量圖如圖6 4所示 顯然三個(gè)線電壓也是對(duì)稱的 大小 有效值 均為 線電壓比相應(yīng)的相電壓超前30 如線電壓uUV比相電壓uU超前30 線電壓uVW比相電壓uV超前30 線電壓uWU比相電壓uW超前30 1 對(duì)稱三相電動(dòng)勢(shì)有效值相等 頻率相同 各相之間的相位差為120 2 三相四線制的相電壓和線電壓都是對(duì)稱的 注意 3 線電壓是相電壓的倍 線電壓的相位超前相應(yīng)的相電壓30 6 2三相負(fù)載的連接 一 三相負(fù)載的星形連接 把各相負(fù)載的末端U2 W2 V2連在一起接到三相電源的中性線上 把各相負(fù)載的首端分別接到三相交流電源的三根相線上 這種連接方法叫做三相負(fù)載有中性線的星形聯(lián)結(jié) 用Y0表示 如圖6 7所示 三相電路中的三相負(fù)載 可分為對(duì)稱三相負(fù)載和不對(duì)稱三相負(fù)載 各相負(fù)載的大小和性質(zhì)完全相同的教對(duì)稱三相負(fù)載 各相負(fù)載不同的教不對(duì)稱三相負(fù)載 在三相電路中 負(fù)載有星形 Y型 和三角形 型 兩種連接方式 1 連接方式 一 三相負(fù)載的星形連接 2 電路計(jì)算 A 電壓 負(fù)載星形聯(lián)結(jié)時(shí) 其線電壓與相電壓的關(guān)系 UYP 負(fù)載作星形聯(lián)結(jié)時(shí)的相電壓 B 相電流 各相電流之間的相位差為 一 三相負(fù)載的星形連接 C 線電流 三相負(fù)載星形聯(lián)結(jié) 每相負(fù)載都串在相線上 相線和負(fù)載通過同一個(gè)電流 所以各相電流等于各線電流 D 中性線 對(duì)稱負(fù)載星形聯(lián)結(jié) 其各相相電流大小相等 相位相差作旋轉(zhuǎn)矢量圖分析可得 三個(gè)相電流的旋轉(zhuǎn)矢量和 注意 1 對(duì)稱負(fù)載作星形聯(lián)結(jié)時(shí) 中性線電流為零 去掉中性線電路也可正常工作 為此 某些場(chǎng)合常采用三相三線制電路供電 如三相電動(dòng)機(jī)和三相變壓器 2 不對(duì)稱星形負(fù)載的三相電路 中性線電流不為零 中性線不可去掉 要為電流提供通路 必須采用帶中性線的三相四線制供電 更重要的是要保證每相負(fù)載兩端的電壓等于電源的相電壓 中性線的作用就在于使星形聯(lián)結(jié)的不對(duì)稱負(fù)載的相電壓對(duì)稱 為了保證負(fù)載的相電壓對(duì)稱 就不應(yīng)讓中性線斷開 因此 中性線內(nèi)不準(zhǔn)接入熔斷器和閘刀開關(guān) 二 三相負(fù)載的三角形連接 三相負(fù)載分別接到三相交流電源的每?jī)筛嗑€之間 負(fù)載的這種連接方法叫做三角形聯(lián)結(jié) 用符號(hào) 表示 如圖6 10所示 1 連接方式 二 三相負(fù)載的三角形連接 2 電路計(jì)算 A 電壓 負(fù)載三角形聯(lián)結(jié)時(shí) 其線電壓與相電壓的關(guān)系 B 相電流 各相電流之間的相位差為 二 三相負(fù)載的三角形連接 C 線電流 當(dāng)對(duì)稱三相負(fù)載作三角形聯(lián)結(jié)時(shí) 線電流的大小為相電流的倍 其相位關(guān)系如圖6 11所示 6 3三相電路的功率 一 三相功率 三相負(fù)載的有功功率等于各相功率之和 即 P P1 P2 P3 在對(duì)稱三相電路中 無論負(fù)載是星形聯(lián)結(jié)還是三角形聯(lián)結(jié) 由于各相負(fù)載相同 各相電壓大小相等 各相電流也相等 所以三相功率為 其中 為對(duì)稱負(fù)載的阻抗角 也是負(fù)載相電壓與相電流之間的相位差 三相電路的功率因數(shù)為 對(duì)稱負(fù)載為星形活三角形聯(lián)結(jié)式 線電壓是相同的 相電流是不相等的 三角形聯(lián)結(jié)時(shí)的線電流為星形聯(lián)結(jié)時(shí)線電流的3倍 注意 2 仍然是相電壓與相電流之間的相位差 而不是線電壓與線電流之間的相位差 也就是說 功率因數(shù)是指每相負(fù)載的功率因數(shù) 3 同單相交流電路一樣 三相負(fù)載中既有耗能元件 又有儲(chǔ)能元件 則它得無功功率 視在功率分別為 三者間的關(guān)系為 6 4三相籠型異步電動(dòng)機(jī) 一 三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造 異步電動(dòng)機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)基本部分構(gòu)成 此外還有端蓋 風(fēng)葉 軸承和接線盒等零部件 如圖6 15所示 電動(dòng)機(jī)是一種電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的動(dòng)力設(shè)備 三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 堅(jiān)固耐用 維護(hù)方便 體積小 易起動(dòng) 成本低 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用 定子是電動(dòng)機(jī)的靜止部分 它由鐵心 定子繞組和機(jī)座三部分組成 定子繞組可接成星形或三角形 轉(zhuǎn)子是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分 它由轉(zhuǎn)軸 轉(zhuǎn)子鐵心 轉(zhuǎn)子繞組和風(fēng)葉組成 二 三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理 1 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生 三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組接成星形 形成對(duì)稱三相 三個(gè)繞組結(jié)構(gòu)相同 空間互差120 星形負(fù)載 將它們的首端U1 V1 W1接到對(duì)稱三相電源上 三個(gè)繞組中有對(duì)稱三相電流通過 相位依次相差120 其波形如圖6 16所示 正弦電流通過三相繞組 根據(jù)電流的磁效應(yīng)可知 每個(gè)繞組都要產(chǎn)生一個(gè)按正弦規(guī)律變化的磁場(chǎng) 三相繞組就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)合成磁場(chǎng) 此合成磁場(chǎng)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 通過分析可知 對(duì)稱三相正弦電流iU iV iW分別通入三相繞組時(shí) 產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間變化的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 磁場(chǎng)有一對(duì)磁極 一個(gè)N極 一個(gè)S極 因此 又叫兩極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 當(dāng)正弦電流的電角度變化360 時(shí) 兩極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在空間也正好旋轉(zhuǎn)360 這樣就形成了一個(gè)和正弦電流同步變化的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 2 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速 磁極對(duì)數(shù)p 1的磁場(chǎng) 即兩極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與正弦電流同步變化 對(duì)工頻電流 即50Hz的正弦交流電來說 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在空間每秒鐘轉(zhuǎn)50周 以轉(zhuǎn)每分 r min 位單位 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速為 50 60 3000r min 計(jì)算公式為 3 三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速n0順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 相當(dāng)于磁場(chǎng)不動(dòng) 轉(zhuǎn)子逆時(shí)針切割磁力線 產(chǎn)生感應(yīng)電流 用右手定則判定 轉(zhuǎn)子半部分的感應(yīng)電流流入紙面 有電流的轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中受到電磁力的作用 用左手定則判定 上半部分所受磁場(chǎng)力向右 下半部分所受磁場(chǎng)力向左 如圖6 18所示 這兩個(gè)力對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸形成電磁轉(zhuǎn)矩 使轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n總是與同步轉(zhuǎn)速n0保持一定轉(zhuǎn)速差 即保持著異步關(guān)系 所以把這類電動(dòng)機(jī)叫做異步電動(dòng)機(jī) 又因?yàn)檫@種電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理制成 所以也叫感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 二 轉(zhuǎn)差率 調(diào)速與反轉(zhuǎn) 1 轉(zhuǎn)差率異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差n 即n0 n叫做轉(zhuǎn)速差 轉(zhuǎn)速差 n0 n 與同步轉(zhuǎn)速n0之比 叫做異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率 用s表示 即 轉(zhuǎn)差率式電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要參數(shù) 一般用百分?jǐn)?shù)表示 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n越高 轉(zhuǎn)差率s越小 n越低 轉(zhuǎn)差率越大 轉(zhuǎn)差率s可以表明異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度 其變化范圍是 1 s 0 為了方便計(jì)算計(jì)算異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 將上式改寫成 2 調(diào)速許多機(jī)械設(shè)備在工作時(shí)需要改變勻速速度 像金屬切削車床要更加切削刀具的性質(zhì)和被加工材料的種類來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 這就需要改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 在負(fù)載不變的情況下 改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n 叫做調(diào)速 由轉(zhuǎn)差率公式 可知 有三種方法改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 1 改變電源頻率f2 改變轉(zhuǎn)差率s 籠型異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率不易改變 所以 籠型異步電動(dòng)機(jī)不用改變轉(zhuǎn)差率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速 3 改變磁極對(duì)數(shù)p 3 反轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向與磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向一致 而磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相電源的相序 所以要使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)只需要旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)反轉(zhuǎn) 為此只要將三相電源的三根相線種的任意兩根對(duì)調(diào)即可 三 銘牌 電機(jī)廠三相交流籠型異步電動(dòng)機(jī)型號(hào)Y 112M 4功率7 5KW頻率50HZ電壓380V電流15 4A接法 轉(zhuǎn)速1440r min絕緣等級(jí)B工作方式連續(xù)年月日編號(hào) 6 5三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng) 一 全壓起動(dòng)加在電動(dòng)機(jī)定子繞組的起動(dòng)電壓是電動(dòng)機(jī)的額定電壓 這樣的起動(dòng)就叫全壓起動(dòng) 也稱直接起動(dòng) 1 全壓起動(dòng)存在的問題電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)在剛接通電源的瞬間 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)轉(zhuǎn)速較大 由于互感作用 在定子繞組中產(chǎn)生很強(qiáng)的互感電流 通常全壓起動(dòng)的起動(dòng)電流可達(dá)電機(jī)額定電流的4 7倍 起動(dòng)電流過大 供電線路上的電壓降也隨之增大 使電動(dòng)機(jī)兩端的電壓減小 這樣不僅使電動(dòng)機(jī)本身的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小 還可能影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命 長(zhǎng)期使用 會(huì)使電動(dòng)機(jī)內(nèi)部絕緣老化 甚至燒毀電動(dòng)機(jī) 2 全壓起動(dòng)的作用 在一般情況下 當(dāng)電動(dòng)機(jī)的容量小與10kW或其容量不超過電源變壓器容量的15 20 時(shí) 起動(dòng)電流不會(huì)影響同一供電線路上的其他用電設(shè)備的正常工作 可允許全壓起動(dòng) 全壓起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn) 起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單可靠 在條件允許時(shí)可采用全壓起動(dòng) 一 全壓起動(dòng) 二 降壓起動(dòng) 1 自耦變壓器起動(dòng)自耦變壓器降壓起動(dòng)是利用三相自耦變壓器降低加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上的起動(dòng)電壓 從而完全起動(dòng)過程 其原理圖入圖6 21 當(dāng)全壓起動(dòng)條件不滿足時(shí) 應(yīng)采用降壓起動(dòng)來減小起動(dòng)電流 起動(dòng)時(shí)用降低加在定子繞組上的電壓的方法來減小起動(dòng)電流 當(dāng)起動(dòng)過程結(jié)束后 當(dāng)起動(dòng)過程結(jié)束后 再使電壓恢復(fù)到額定運(yùn)行 這種起動(dòng)方法叫降壓起動(dòng) 通常把起動(dòng)用的自耦變壓器叫起動(dòng)補(bǔ)償器 一般功率在75kW一下的籠型異步電動(dòng)機(jī) 比較廣泛地使用自耦變壓器降壓起動(dòng) 二 降壓起動(dòng) 1 Y 換接降壓起動(dòng) 在同一個(gè)對(duì)稱三相電源地作用下 對(duì)稱三相負(fù)載作星形聯(lián)結(jié)時(shí)的線電流的 對(duì)稱三相負(fù)載接成星形時(shí)的相電壓是其接成三角形時(shí)相電壓的 這就是星形 三角形換接降壓起動(dòng)的原理 其原理圖如圖6 22 這種方法只適用于正常運(yùn)行時(shí)定子繞組為三角形聯(lián)結(jié)的電動(dòng)機(jī) 星形 三角形換接降壓起動(dòng)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小 適用于空載或輕載起動(dòng) 6 6安全用電 一 電氣事故 1 電流傷害由于違反操作規(guī)程 接近或接觸帶電體 是電流通過人體發(fā)生觸電事故 輕者受傷 重者死亡 實(shí)踐證明 頻率為50 100Hz的電流最危險(xiǎn) 若人體通過50mA的工頻電流就會(huì)有生命危險(xiǎn) 當(dāng)通過人體的電流為30至40mA 電擊時(shí)間為l 2min 觸電者會(huì)出現(xiàn)心跳不規(guī)律 血壓上升 強(qiáng)烈痙攣 知覺消失 當(dāng)通過人體的電流為40 500mA 電擊時(shí)間超過0 1s 觸電者可能發(fā)生心室纖顫 知覺消失 以至死亡 觸電對(duì)人體的傷害程度 主要由通過人體的電流來決定 通過人體電流的大小與觸電電壓大小和人體電阻有關(guān) 一般情況下 人體電阻約為800 當(dāng)皮膚出汗時(shí) 電阻還要低 一般情況下 規(guī)定36V以下電壓為安全電壓 如果在金屬架或潮濕的場(chǎng)所工作 那么安全電壓等級(jí)還要降低 通常為24V或12V 2 電磁傷害 人體在電磁場(chǎng)的作用下 可吸收輻射能量 當(dāng)電磁場(chǎng)的強(qiáng)度高到一定數(shù)值時(shí) 就會(huì)對(duì)人體組織造成不同程度的傷害 3 靜電傷害 靜電有對(duì)人有利的一面 也有對(duì)人們有害的一面 其主要危害有引起爆炸和火災(zāi) 造成電擊和影響生產(chǎn)等 因此 在人們不希望有靜電而出現(xiàn)靜電時(shí) 就要采取措施 防止它的產(chǎn)生 或使靜電小到一定程度 盡量減少危害 4 電路故障 在電路故障發(fā)生的同時(shí) 可能伴有人身事故或其它事故的發(fā)生 例如 短路故障可能引起火災(zāi)或爆炸 架空線的斷落可能造成人身傷亡等 5 電電傷害 一次雷電放電電流可達(dá)幾千安至幾百千安 持續(xù)時(shí)間可達(dá)30 s 50 s 具有相等大的破壞力 常見電氣事故 二 觸電方式 觸電方式指電流流過人體時(shí)對(duì)人體產(chǎn)生的生理和病理傷害 發(fā)生觸電的原因很多 常見觸電方式有單相觸電和兩相觸電 1 單相觸電當(dāng)人的一只手接觸到一相帶電體時(shí) 就會(huì)發(fā)生單相觸電 此類觸電事故約占總觸電事故的75 以上 當(dāng)?shù)?