城市軌道交通電工電子技術

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目錄任務一認識三相電路任務二磁路、互感與變壓器任務三認識異步電動機項目目標知識目標：1.熟悉三相電路電源，接線方式。2.了解三相負載的連接，三相電路的功率。3.熟悉磁路的基本概念，互感的基本概念。4.掌握變壓器的原理，三相異步電動機的機械結構與轉動原理。5.了解三相異步電動機的運行和控制方法，三相異步電動機的選擇與使用。技能目標：1.掌握三相電路的連接與使用，能根據(jù)實際情況選用連接方式。2.理解變壓器原理，能合適的選用變壓器。3.掌握三相異步電機的原理與操作，能正確選擇和使用三相電動機素質目標：1.培養(yǎng)認真負責，敢于求知的精神。2.具有對新知識、新技能的學習能力和創(chuàng)新能力3.具有團隊精神和組織協(xié)調能力重難點學習重點：1.不同聯(lián)接方式的對稱三相電路。2.變壓器的結構、基本原理及其應用。3.三相異步電動機的工作原理，及其控制方法。學習難點：1.三相對稱負載的星形，三角形連接的特點。2.變壓器的基本原理。3.三相異步電動機的結構及其應用。任務一認識三相電路三相電源一、三相電源為三相交流電路提供電能的裝置是三相交流電源。1.對稱三相電源三相交流電是通過三相交流發(fā)電機獲得的。三相交流發(fā)電機與單相交流發(fā)電機的結構相似，由定子和轉子組成。定子有3個結構相同的繞組，3個繞組在定子的位置彼此相隔120°，3個繞組的始端分別以U1、V1、W1來表示，末端分別以U2、V2、W2來表示，如圖2-1所示。三相電源當轉子勻速旋轉時，3個繞組由于切割磁感線而產(chǎn)生3個不同相位的三相交流電，如圖2-2（a）和圖2-2（b）所示。在工程上，最大值相等、頻率相同、相位互差120°的3個正弦電動勢，稱為三相對稱電動勢。如果以UU為參考正弦量，那么各相電動勢的瞬時值表達式為：UU＝EmsinωtUV＝Emsin(ωt-120°)UW＝Emsin(ωt+120°)2.三相電源的相序三相電動勢隨時間按正弦規(guī)律變化，它們到達最大值（或零值）的先后次序，稱為相序。由上圖2-2（b）所示相量圖可以看出，3個電動勢按順時針方向的次序到達最大值（或零值)，即按U-V-W-U的順序，稱為正序或順序；若按逆時針方向的次序達到最大值（或零值)，即按U-W-V-U的順序，稱為負序或逆序。三相電源三相電源的連接二、三相電源的連接1.對稱三相電源的連接三相電路中，電源（電壓源或電流源）與負載均為三相，三相之間存在兩種連接方式，分別為Y（星形）接法與Δ（三角形）接法，電源與負載的接法并不要求統(tǒng)一，兩種接法之間可以相互等效變換。但是不同的接法，電路中的參數(shù)關系互不相同。Δ連接與Y連接在三相電路中起著不同的作用，Δ連接能使得三倍頻諧波在閉環(huán)內形成環(huán)流，避免三倍頻諧波對電路的影響，采用Y連接并使得中性點接地時，可以使得零序電路構成通路，在電纜以及長距離三相高壓輸電的繼電保護中起著零序保護的關鍵作用。三相電源的連接2.對稱三相電源星形連接將三個電源繞組的末端接在一起，從三個始端U、V、W引出三根輸電線，這種連接方式稱為三相電源的星形（Y形）連接。把三相電源繞組的末端U2、V2、W2連在一起向外引出一根輸電線N，由三相電源始端U1、V1、W1分別向外引出三根輸電線U、V、W。從三個始端引出的三根輸電線稱為端線或相線（俗稱火線）。連接末端的公共節(jié)點N稱為中性點，從中性點引出的導線稱為中性線（或零線）。由三根相線和一根中性線組成的輸電方式稱為三相四線制（通常在低壓配電中采用）。無中性線的輸電方式稱為三相三線制（通常在高壓輸電中采用）。三相電源的連接

由于電源的星形連接可以輸出兩種電壓，所以使用范圍很廣。我國低壓供電中通常所說的380V、220V就是指電源星形連接時線電壓和相電壓的有效值。三相電源的連接3.對稱三相電源△形連接將三相發(fā)電機三個繞組依次首尾相連，接成一個閉合回路，從三個連接點引出三根導線（又稱為端線），這種連接方式稱為三相電源的三角形（△）連接。三相電源為三角形連接時，只能是三相三線制，線電壓就等于相電壓。三相負載連接

三相負載連接

三相負載連接三相電路的功率

任務二磁路、互感與變壓器磁路的基本概念1.磁的基本概念（1）磁體與磁極：物體具有吸引鐵、鈷、鎳等物質的性質稱為磁性。具有磁性的物體稱為磁體。磁體分為天然磁體和人造磁體。常見的條形磁鐵、蹄形磁鐵和針形磁鐵都屬于人造磁鐵。磁體兩端磁性最強的區(qū)域稱為磁極，實驗證明任何磁體都有兩個磁極，磁針經(jīng)常指向北的一端稱為北極，用字母N表示；經(jīng)常指向南方的一端稱為南極，用字母S表示。N極和S極總是成對出現(xiàn)并且強度相等，不存在獨立的N極和S極。（2）磁的相互作用：當用一個條形磁鐵靠近一個懸掛的小磁針或條形磁鐵時，若條形磁鐵的N極靠近小磁針的N極，則小磁針的N極一端馬上被排斥，若條形磁鐵的N極靠近小磁針的S極，則小磁針的S極一端立即被條形磁鐵吸引，這說明磁極之間存在相互作用力，同名磁極之間互相排斥，異名磁極之間相互吸引。磁路的基本概念（3）磁場與磁感線：磁極之間存在的相互作用力是通過磁場傳遞的。磁場是磁體周圍存在的特殊物質。磁場與電場一樣是一種特殊物質。形象的描繪磁場的曲線，稱為磁感線，也稱之為磁力線。磁感線的特征：1）磁感線是互相不相交的閉合曲線，在磁鐵外部，磁感線從N極到S極，在磁鐵內部磁感線從S極到N極。2）磁感線的疏密反映磁場的強弱，磁感線越密表示磁場越強，磁感線越疏，表示磁場越弱。3）磁感線上的任意一點的切線方向，就是該點的磁場方向。磁路的基本概念（4）電流的磁效應及安培定則：1）電流的磁效應。電與磁有密切關系。奧斯特從實驗中發(fā)現(xiàn)，放在導體旁邊的小磁針，當導體導體中流過電流時，磁針就會受到力的作用而發(fā)生偏轉，這說明通電導體周圍存在磁場，即電流具有磁效應。2）安培定則。通電導體周圍的磁場方向，即磁感線方向與電流的關系可以用安培定則來判斷。安培定則也稱為右手螺旋定則。磁路的基本概念2.磁路簡介磁通集中經(jīng)過的閉合路徑稱為磁路。磁路和電路一樣，分為有有分支磁路和無分支磁路兩種類型。在無分支磁路路中通過每一個橫截面的磁通都相等。（1）磁通：磁感線的疏密定性的表示了磁場在空間的分布情況。磁通是定量地描述磁場在一定面積分布情況的物理量。通過與磁場方向垂直的某一面積上的磁感線的總數(shù)，稱作通過該面積的磁通量，簡稱磁通，用字母φ表示，磁通的單位是韋伯，簡稱為韋，用此符號Wb表示。當面積一定時，通過該面積的磁通越大，磁場就越強。（2）磁感應強度：磁感應強度是定量地描述磁場中各點的強弱和方向的物理量。在磁場方向垂直的單位面積上的磁通，稱為磁感應強度，也稱為磁通密度，用字母B表示，磁感應強度單位是特斯拉，簡稱為特，用符號T表示。在勻強磁場中，磁感線強度與磁場的關系可以用公式表達為B=φ/S。磁路的基本概念（3）磁導率：磁導率是用一個表示媒介質導磁性能的物理量，用字母μ表示，單位是亨利每米，用符號H/m表示。不同的媒介質有不同的磁導率。（4）磁場強度：磁場中各點的磁感應強度B與磁導率μ有關，計算比較復雜。為了方便計算，引入磁場強度這個新的物理量表示磁場的性質，用字母H表示，磁場中某點的磁場強度等于該點的磁感應強度與媒介質的磁導率的比值，用公式表示為H＝B/μ，磁場強度的單位是安每米，用符號A/m表示。（5）主磁通和漏磁通：當線圈中通以電流后，大部分磁感線沿鐵心、銜鐵和工作氣隙構成回路，這部分磁通稱為主磁通；還有一部分磁通，沒有經(jīng)過氣隙和銜鐵，而是經(jīng)過空氣自成回路，這部分磁通稱為漏磁通。互感互感現(xiàn)象是指兩相鄰線圈中，一個線圈的電流隨時間變化時導致穿過另一線圈的磁通量發(fā)生變化，而在該線圈中出現(xiàn)感應電動勢的現(xiàn)象。1.同名端互感線圈的同名端:在工程上，對兩個或兩個以上的有電磁耦合的線圈，常常需要知道互感電動勢的極性?；ジ芯€圈由于電流變化所產(chǎn)生的自感電動勢極性與互感電動勢的極性始終保持一致的端點稱為同名端，反之稱為異名端。在電路中，一般用“·”表示同名端。在標出同名端后，每個線圈的具體繞法和它們之間的相對位置就不需要再在圖上表示出來了。渦流2.渦流把塊狀金屬放在交變磁場中，金屬塊內將產(chǎn)生感應電流。這種電流在金屬塊內自成回路，像水的旋渦，因此稱為渦電流，簡稱渦流。由于整塊金屬電阻很小，所以渦流很大，不可避免地使鐵心發(fā)熱，溫度升高，引起材料絕緣性能下降，甚至破壞絕緣造成事故。鐵心發(fā)熱，還會使一部分電能轉換為熱能白白浪費，這種電能損失稱為渦流損失。變壓器1.變壓器的基本結構變壓器的結構形式多種多樣，但其基本結構都類似，均由鐵心和繞組組成。鐵心是變壓器的磁路通道。為了減少鐵心損耗，鐵心采用硅鋼片疊裝而成。按照鐵心構造形式，變壓器可分為心式和殼式兩種，其結構如圖所示。心式變壓器繞組套在鐵心柱上，該結構多應用于大容量的電力變壓器上；殼式變壓器繞組被包圍在中間，該結構常用于小容量的電子設備中。變壓器工作原理

變壓器種類（1）按用途分。變壓器按用途分有電力變壓器、試驗變壓器、儀表變壓器和特殊用途變壓器等。（2）按相數(shù)分。變壓器按相數(shù)分有用于三相系統(tǒng)的升、降電壓的三相變壓器和用于單相負荷及組成三相變壓器組的單相變壓器。（3）按繞組形式分。變壓器按繞組形式分有三繞組變壓器、雙繞組變壓器和自耦變壓器等。（4）按鐵心形式分。變壓器按鐵心形式分有芯式變壓器和殼式變壓器。（5）按冷卻方式分。變壓器按冷卻方式分有油浸式變壓器、干式變壓器、充氣式變壓器和蒸發(fā)冷卻變壓器等。變壓器功率效率

常用變壓器（1）電力變壓器。為有效解決輸電要經(jīng)濟用電要安全的矛盾，在電力系統(tǒng)中廣泛采用了電力變壓器。由于電力系統(tǒng)是三相制供電，因此，電力變壓器大部分是三相變壓器。（2）自耦變壓器。自耦變壓器是原、副線圈共用一部分繞組，它們之間不僅有磁耦合，還有電的關系。（3）互感器?；ジ衅魇且环N專供測量儀表、控制設備和保護設備中使用的變壓器。1）電壓互感器。電壓互感器的作用是將電力設備上的高電壓變換成低電壓（一般電壓互感器的二次側電壓都設計為100V），再供給測量儀表。2）電流互感器。電流互感器的作用是把電路中大電流變成小電流（一般電流互感器的二次側電流都設計為5A），再供給測量儀表。任務二異步電動機基本結構一、三相異步電動機的基本結構三相異步電動機是一種將電能轉變?yōu)闄C械能的交流電動機。三相異步電動機由兩個基本部分組成，固定不動的部分叫定子（定子鐵心、定子繞組、機殼和端蓋），轉動的部分叫轉子（轉子鐵心、轉子繞組和轉軸）。異步電動機主要由定子和轉子兩大部分組成，兩大部分之間由氣隙隔開。按照轉子結構形式的不同，又可分為鼠籠式和繞線式兩種。基本結構1.定子。定子由定子鐵心、定子繞組、機座等固定部分組成。定子鐵心是電機磁路的一部分，由0.5mm厚的硅鋼片疊壓制成，在其內圓沖有均勻分布的槽。定子鐵心槽內對稱嵌放定子繞組。定子繞組是電動機的電路部分，通常由漆包線繞制而成。機座是電動機的支架，一般用鑄鐵或鑄鋼制成。2.轉子。轉子由轉子鐵心、轉子繞組和轉軸3部分組成。轉子鐵心也是由0.5mm厚的硅鋼片疊壓制成，在硅鋼片外圓沖有均勻分布的槽，用來嵌放轉子繞組。轉子鐵心固定在轉軸上。鼠籠式異步電動機的轉子繞組與定子繞組不同，在轉子鐵心的槽內澆鑄鋁導條（或嵌放銅條），兩邊端部用短路環(huán)短接，形成閉合回路。轉動原理

控制-啟動人們對電動機的啟動提出了要求：啟動電流小、啟動轉矩大、啟動時間短和所用啟動裝置及操作方法盡量簡單易行。同時滿足上述幾點顯然困難，實際應用中常根據(jù)具體情況適當?shù)剡x擇啟動方法。首先要考慮是否需要限制啟動電流，若不需要，可用刀閘或其他設備直接將電動機與電源相接，這種啟動方式稱為全壓啟動或直接啟動。直接啟動所需設備簡單、操作方便、啟動迅速。通常規(guī)定，電源容量在180kV·A以上、電動機容量在7kW以下的三相異步電動機才可采用直接啟動的方法。降壓啟動可分兩步進行：先給電動機接通較低電壓以限制啟動電流，待電動機轉動達到一定轉速時，再加上額定電壓使其進入正常運行。降壓啟動的目的主要是限制啟動電流，但問題是，在限制啟動電流的同時，啟動轉矩也被限制了。因此，降壓啟動的方法只適用于在輕載或空載情況下啟動的電動機，待電動機啟動完畢后再加上機械負載。常用的降壓啟動方法有Y-△降壓啟動和自耦補償降壓啟動。Y-△降壓啟動Y-△降壓啟動方法顯然只適用于正常運行時定子繞組為△接法的異步電動機。降壓啟動過程:啟動時把雙向開關Q2投向下方，三相異步電動機的定子繞組即成Y連接，待轉速上升到接近額定值時，Q2迅速投向上方，則電動機定子繞組切換成△連接正常運行。由三相交流電的知識可知，Y連接啟動時線電流是△連接時線電流的1/3，啟動轉矩也是△連接時的1/3。Y-△降壓啟動方法設備簡單、成本低、操作方便、動作可靠、使用壽命長。目前，4~100kW的異步電動機均設計成380V的△連接，因此這種啟動方法得到了廣泛應用。自耦補償降壓啟動自耦補償降壓啟動是利用三相自耦變壓器來降低加在定子繞組上的電壓的，如圖所示。啟動時，先將開關Q2扳到“啟動”位置，使自耦變壓器的高壓側與電網(wǎng)相連，低壓側與電動機定子繞組相接，電源電壓經(jīng)自耦變壓器降壓后加到異步電動機的三相定子繞組上，當轉速接近額定值時，再將Q2扳向“運行”位置，將自耦變壓器切除，電動機的定子繞組直接與電網(wǎng)相接，進入正常的全壓運行狀態(tài)。繞線式異步電動機的啟動繞線式異步電動機啟動時，只要在轉子電路中串入適當?shù)膯与娮鑂，就可以達到減小啟動電流、增大啟動轉矩的目的。啟動過程中逐步切除啟動電阻，啟動完畢后將啟動電阻全部短接，電動機正常運行。除在轉子回路中串電阻啟動外，目前用得更多的是在轉子回路中接頻敏變阻器啟動，此變阻器在啟動過程中能自動減小阻值，以代替人工切除啟動電阻。普通鼠籠式異步電動機的起動轉矩較小滿足，滿足不了有些特殊場合生產(chǎn)機械的需求，這時可選用具有較大起動轉矩的雙籠型或深槽型異步電動機。而繞線式異步電動機的啟動轉矩更大，常用于要求啟動轉矩較大的卷揚機、起重機等場合?？刂?調速生產(chǎn)機械在工作過程中為了提高生產(chǎn)效率或滿足生產(chǎn)工藝的要求，在負載不變的情況下，用人為的方法使電動機的轉速從某一數(shù)值改變到另一數(shù)值的過程稱為調速。三相異步電動機的調速方法有變極（p）調速、變頻(f）調速和變轉差率（s）調速3種。（1）變極調速，這種調速方法只適用于三相鼠籠式異步電動機，不適合繞線式異步電動機。因為鼠籠式異步電動機的轉子磁極數(shù)是隨定子磁極數(shù)的改變而改變的，而繞線式異步電動機的轉子繞組在轉子嵌線時應當已確定了磁極數(shù)，一般情況下很難改變?？刂?調速（2）變頻調速。改變電源頻率可以改變旋轉磁場的轉速，同時也改變了轉子的轉速。這種調整方法的關鍵是為電動機設置專用的變頻電源，因此成本較高?，F(xiàn)在的晶閘管變頻電源已經(jīng)可以把50Hz的交流電源轉換成頻率可調的交流電源，以實現(xiàn)范圍較寬的無級調速。隨著電子器件成本的不斷降低和可靠性的不斷提高，這種調速方法的應用將越來越廣泛。（3）變轉差率調速。這種方法只適用于繞線式異步電動機。在繞線式異步電動機的轉子回路中串可調電阻，恒負載轉矩下通過調節(jié)電阻的阻值大小，使轉差率得到調整和改變。這種變轉差率調速的方法，其優(yōu)點是有一定的調速范圍，且可做到無級調速，設備簡單，操作方便；缺點是能耗較大，效率較低，并且隨著調速電阻的增大，機械特性將變軟，運行穩(wěn)定性將變差。此種調速方法一般應用于短時工作制、且對效率要求不高的起重設備中?？刂?反轉3.三相異步電動機的反轉三相異步電動機的轉動方向總是同旋轉磁場的旋轉方向相一致，而旋轉磁場的方向取決于通人異步電動機定子繞組中的三相電流的相序。因此，若要電動機反轉，只需把接到電動機定子繞組上的3根電源線中的任意2根對調一下位置，三相異步電動機即可改變旋轉方向?？刂?制動4.三相異步電動機的制動采用一定的方法讓高速運轉的電動機迅速停轉的措施稱為制動。正在運行的電動機斷電后，由于轉子旋轉和生產(chǎn)機械的慣性，電動機總要經(jīng)歷一段時間后才能慢慢停轉。為了提高生產(chǎn)機械的效率及安全性，往往要求電動機能夠快速停轉，或有的機械從安全角度考慮，要求限制電動機不致過速（如起吊重物下降的過程），這時就必須對電動機進行制動控制。能耗制動能耗制動的原理如圖所示。當電動機三相定子繞組與交流電源斷開后，將直流電通入定子繞組，產(chǎn)生固定不動的磁場。轉子由于慣性轉動，與固定磁場相切割而在轉子繞組中產(chǎn)生感應電流，這個感應的轉子電流與固定磁場再相互作用，從而產(chǎn)生制動轉矩。這種制動方法是把電動機軸上的旋轉動能轉變?yōu)殡娔埽脑谵D子回路電阻上，故稱為能耗制動。能耗制動的特點是制動準確、平穩(wěn)，但需要直流電