项正弦交流电路

项正弦交流电路第一页，共100页。电工基本知识及技能新疆建设职业技术学院第二页，共100页。项目4

三项正弦交流电路第三页，共100页。一、三相电压的产生三相电源由三相交流发电机产生，其结构分为：定子和转子。定子｛铁芯绕组（结构相同，空间排列互差1200）转子｛铁芯1、三相发电机的基本构造绕组（直流励磁）第四页，共100页。三相交流发电机的原理图转子AXCBZY••S•N+_(尾端)+eAeBeCXABYCZ(首端)++––

–定子铁心由硅钢片叠成，它的内圆周表面冲有槽，用以放置三相电枢绕组。每相绕组是同样的，它们的始端（头）标以A，B，C，末端（尾）标以X，Y，Z。第五页，共100页。每个绕组的两边放置在相应的定子铁心的槽内。要求绕组的始端之间或末端之间都彼此相隔120度。磁极是转动的，亦称转子。转子铁心上绕有励磁绕组，有直流励磁。选择合适的极面形状和励磁绕组的布置情况，可使空气隙中的磁感应强度按正弦规律分布。2、对称三相电动势的产生当转子由原动机带动，并以匀速按顺时针方向转动时，则每相绕组依次切割磁力线，其中产生频率相同，幅值相等的正弦电动势eA、eB、ec。电动势的参考方向选定为自绕组的末端指向始端。

第六页，共100页。三相电动势瞬时表达式：波形：相量表达式：相量图：EBEA..120°120°120°EC.e0eAeBeC2120°240°360°以A相为参考，则可得出：第七页，共100页。这三个电动势的幅值相等、频率相同、彼此间的相位互差1200。对称三相电动势的瞬时值之和或相量之和为零：三相交流电到达正最大值的顺序称为相序。供电系统三相交流电的相序为A

B

C第八页，共100页。三相电动势达到最大值(振幅)的先后次序叫做相序。e1比e2

超前120，e2比e3超前120，而e3又比e1超前120，称这种相序称为正相序或顺相序；反之，如果e1比e3超前120，e3比e2超前120，e2

比e1超前120，称这种相序为负相序或逆相序。相序是一个十分重要的概念，为使电力系统能够安全可靠地运行，通常统一规定技术标准，一般在配电盘上用黄色标出U相，用绿色标出V相，用红色标出W相。（电动机的旋转方向与电源相序相关。第九页，共100页。二、三相电源的接法

1．接法（一）三相电源的星形联结发电机三相绕组的尾端U2、V2、W2接于一点，称为中性点，三相绕组的首端和中性点向用电设备供电。这种接法称为三相四线制电源。

（1）中性点（或零点）：三个末端相联接的点。用字母“N”表示中性线（或零线）：从中性点引出的一根线叫中性线或零线。

（2）端线或相线：从首端引出的三根线，俗称火线。第十页，共100页。XYZNBCAeA+–eC+–eB+–中性点–+–++––+–+–+端线(相线、火线)中性线(零线、地线)相电压：火线与中线间的电压。、UP线电压：火线与火线间的电压。、UL讲线的颜色第十一页，共100页。

注意：给学生讲各相绕组的标号，现在变成如下形式。

（1）相电压：相线与中性线间的电压，用UU、UV、UW

表示，工程上用UP

表示，各相电压之间相位相差。（2）线电压：二根相线间的电压，用UUV、UVW、UWU

表示，工程上用UL表示，各线电压之间相位相差。第十二页，共100页。根据KVL定律∠∠∠AXYZNBCeA+–eC+–eB+–+–+–+––+–+–+线电压与相电压的关系因为：第十三页，共100页。相量图由相量图可得同理：

30°第十四页，共100页。

注意：一般三相交流电供电方式（1）中性点：三相绕组U2、V2、W2的末端连接到一点。用N表示，如图所示。第十五页，共100页。（2）中性线：从中性点引出的导线，用蓝色或黑色表示。（3）相线：线圈的手端U1

、V1

、W1

引出的三根线，分别用黄、绿、红三种颜色表示。（4）供电方式：三相四线制。（5）三相四线制系统提供两种电压：相电压和线电压。相电压：各相线与中性线之间的电压，用UU、VV、WW表示有效值。线电压：相线与相线之间的电压，用UUV、VVW、WWU表示。第十六页，共100页。（1）三相电动势的有效值相等，相位相差。（3）线电压是相电压的倍，且超前对应的相电压。（2）相电压和线电压各自对称，相位都相差。结论第十七页，共100页。1．接法2．相电压和线电压（二）三相电源的三角形联结将发电机三相绕组首尾端依次连接，三个连接点作为三相电源输出点。UL

=UP第十八页，共100页。这说明若连接正确三角形回路中无电流，但若有一相接反，则导致相量和不为零而是一相电压的两倍，烧毁发电机绕组。3、由于发电机三相对称，相位相差

，则有第十九页，共100页。特别需要注意的是，在工业用电系统中如果只引出三根导线(三相三线制)，那么就都是火线(没有中性线)，这时所说的三相电压大小均指线电压UL；而民用电源则需要引出中性线，所说的电压大小均指相电压UP。第二十页，共100页。

【例】已知发电机三相绕组产生的电动势大小均为E=220V，试求：(1)

三相电源为Y联结时的相电压UP与线电压UL；(2)

三相电源为联结时的相电压UP与线电压UL。解：(1)

三相电源Y联结：相电压UP=E=220V，线电压

(2)

三相电源联结：相电压UP=E=220V，线电压UL=UP=220V第二十一页，共100页。4.2负载星形联接的三相电路三相负载的联接方式分为：星形（Y）和三角形（）两种接法，至于采用哪种方法，要根据负载的额定电压和电源电压确定。

负载星形联结的三相电路有两种主要的方式：1.三相四线制2.三相三线制（负载必须完全对称）

三相四线制的接法是：各单相负载的一端连接在相线上，另一端都连接在中线上。如果不计连接导线的阻抗，负载承受的电压就是电源的相电压，而每相负载与电源构成一个单独的回路。第二十二页，共100页。三相负载：同时需要三相电源供电的负载。三相对称负载：在三相负载中，如果每相负载的电阻、电抗都相等，这样的负载称为三相对称负载。负载的连接方法（在三相电路中）：星形、三角形。与三相电源星形接法相同第二十三页，共100页。负载星形联接的三相电路第二十四页，共100页。线电流：流过端线的电流相电流：流过每相负载的电流结论：负载Y联结时，线电流等于相电流。+ZBZCZAN'N++–––三相四线制

N电源中性点N´负载中性点第二十五页，共100页。中线电流：（由KCL定律）当三相负载对称时，即当负载对称时，中线无电流，可以省掉中线，电路即为三相三线制：注意：只有当负载完全对称时，才能接成三相三线制。如：三相异步电动机、三相电炉等都是三相对称负载，因此它们都采用三相三线制供电，这样可省去一根中线，节约电工材料。+ZBZCZAN'N++–––第二十六页，共100页。

【例】在负载作Y联结的对称三相电路中，已知每相负载均为|Z|=20，设线电压UL=380V，试求：各相电流(也就是线电流)。解：在对称Y负载中，相电压相电流(即线电流)为第二十七页，共100页。

1．若负载不对称，则

IN

0；

2．若有中性线，则各相负载仍有对称的电源相电压，从而保证了各相负载能正常工作；

3．若没有中性线，则各相负载的电压就不再等于电源的相电压，这时阻抗较小的负载的相电压可能低于其额定电压，阻抗较大的负载的相电压可能高于其额定电压，使负载不能正常工作，甚至会造成事故。

4．结论：不对称三相负载星形联结中，中性线不可省，且要可靠接地不允许安装开关和熔断器。不对称三相负载星形联结时中性线的作用第二十八页，共100页。①将额定电压为220V，功率分别为100W、60W、40W的灯作星形联结，接到三相四线制的电源上。如图所示。②闭合SN，三个灯均亮：断开SU、SV、SW时灯仍然正常发光。结论：相电压不变，各相电流值不同，中性线电流值不为零。不对称负载星形联结时中性线的作用通过实验进行说明第二十九页，共100页。③断开SW，再断开SN，如图所示。现象：40W的比100W灯亮。原因：串联分压，100W灯电阻比40W的小。

中性线对于不对称三相负载的作用：保证三相负载电压的对称，防止发生事故。若为单相多台负载，应尽量均匀地分布在三相上。第三十页，共100页。

将白炽灯照明电路按三相四线制星形联结，如图，各白炽灯额定电压220V，设U相负载ZU

与V相负载

ZV阻抗均为220，而W相负ZW

载阻抗为20，将它们接在380V的三相对称电源上，若U相灯开关断开又将中性线断开，会出现什么现象。

例第三十一页，共100页。解：U相关闭、中性线断开，相当于将V相白炽灯与W相白炽灯串联于380V的线电压中，此时两负载电流为UV=|Zv|

I=2201.58V=347.6V

V相白炽灯电压为

W相白炽灯电压为结论：V相电压升高很多，白炽灯将烧毁。UW=|Zw|I=201.58V=31.6V第三十二页，共100页。负载三角形联接的三相电路ZABZBCZCAACB+++–––相电流:

流过每相负载的电流

、、线电流:

流过端线的电流负载连接在电源的两根相线之间，每相负载所承受的电压等于电源的线电压。即:UP=UL第三十三页，共100页。电路第三十四页，共100页。一般电源线电压对称，因此不论负载是否对称，负载相电压始终对称,且线电压与相电压相等。即UAB=UBC=UCA=UL=UP

相电流：线电流不等于相电流线电流：第三十五页，共100页。相量图BCABCABCABCA30°BC根据相量图：因此线电流也对称，即。

负载对称时,相电流对称，即第三十六页，共100页。

【例】在对称三相电路中，负载作形联接，已知每相负载均为|Z|=50，设线电压UL=380V，试求各相电流和线电流。解：在

联结负载中，相电压等于线电压，即UP=UL，则相电流线电流第三十七页，共100页。三相负载星形及三角形连接电路连接第三十八页，共100页。三相功率表的安装接线及测量第三十九页，共100页。三相电能表安装接线第四十页，共100页。

5.1变压器的结构1．铁心（1）磁路的通道。（3）结构型式：心式和壳式。（2）用彼此绝缘的硅钢片叠成，目的是增加电阻，减小涡流和磁滞损耗。变压器是由铁心和线圈组成的。项目四第四十一页，共100页。铁心线圈铁心线圈心式壳式铁心：硅钢片叠压而成。小变压器也有用铁氧体或坡莫合金替代硅钢片。第四十二页，共100页。

心式和壳式变压器

第四十三页，共100页。第四十四页，共100页。一次绕组（原绕组）：和电源相连的线圈。2．绕组：电流的载体二次绕组（副绕组）：与负载相连的线圈。心式：绕组分装在两个铁心柱上，结构简单，用铁量较少，适用于容量大，电压高的变压器。壳式：绕组装在同一个铁心上，绕组呈上下缠绕或里外缠绕，机械强度好，铁心散热好，适用于小型变压器。3．其他附件绝缘层——冷却设备——铁壳或铝壳（电磁屏蔽作用）。第四十五页，共100页。4．变压器冷却装置:油箱、散热器等。5．变压器的图形符号12341、2为一次绕组3、4为二次绕组u2+-u1+-

u1、u2

分别为输入与输出电压第四十六页，共100页。单相变压器铁芯原边绕组副边绕组结构：第四十七页，共100页。变压器符号：工作过程：第四十八页，共100页。空载运行：原边接入电源，副边开路。接上交流电源原边电流i1等于励磁电流i10

产生感应电动势二.工作原理

i10

产生磁通（交变）第四十九页，共100页。结论：改变匝数比，就能改变输出电压。K为变比根据交流磁路的分析可得：时（变电压）原、副边电压关系第五十页，共100页。负载运行

副边带负载后对磁路的影响：在副边感应电压的作用下，副边线圈中有了电流i2

。此电流在磁路中也会产生磁通，从而影响原边电流i1。但当外加电压、频率不变时，铁芯中主磁通的最大值在变压器空载或有负载时基本不变

。带负载后磁动势的平衡关系为：Z第五十一页，共100页。结论：原、副边电流与匝数成反比原、副边电流关系（变电流）由于变压器铁芯材料的导磁率高、空载励磁电流很小，可忽略。即：第五十二页，共100页。原、副边阻抗关系结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以变比的平方。将代入，得因为所以第五十三页，共100页。RsRL信号源设：信号电压的有效值:U1=50V;信号内阻：Rs=100;负载为扬声器，其等效电阻：RL=8。求：负载上得到的功率解：（1）将负载直接接到信号源上，得到的输出功率为：扬声器上如何得到最大输出功率阻抗变换举例：第五十四页，共100页。Rs（2）将负载通过变压器接到信号源上。输出功率为：设变比则：结论：由此例可见加入变压器以后，输出功率提高了很多。原因是满足了电路中获得最大输出的条件（信号源内、外阻抗差不多相等）。第五十五页，共100页。

[例]有一台降压变压器，一次绕组电压为220V，二次绕组电压为110V，一次绕组为2200匝，若二次绕组接入阻抗为10W的阻抗，问变压器的变比、二次绕组匝数，一次、二次绕组中电流各为多少?[解]变压器变比为二次绕组匝数为二次绕组电流为一次绕组电流为第五十六页，共100页。（一）变压器的空载运行和变压比

1．空载运行：变压器一次绕组接电源，二次绕组开路的状态。

2．空载电流（励磁电流）：在外加电压作用下，原绕组中通过的电流。

3．在理想状态下，变压器的电压变换关系为。变压器绕组电压的有效值与一次、二次绕组的匝数成正比。比值K

称为变压比。第五十七页，共100页。4．K>1降压变压器；

K<1升压变压器；

K=1隔离变压器。（二）变压器的负载运行和变流比1．负载运行：二次绕组接入负载zL

。变压器一次、二次绕组电流的有效值与一次、二次绕组匝数成反比。空载时：I2=0，I1

很小。2．在理想情况下，一次侧功率等于二次侧功率有第五十八页，共100页。

3．变压器的效率

P：变压器的损耗，它包括

铜损：绕组直流电阻通电后发热的热损耗通常都在95%以上。

铁损：铁心在导磁过程中所产生的涡流损耗和磁滞损耗之和。第五十九页，共100页。1．变压器的功率损耗外加电压固定时磁通固定，铁损不变，称固定损耗。主要有两部分铁损耗铜损耗磁滞损耗涡流损耗铜损的大小随电流变化而变化，称可变损耗。2．变压器的效率效率=输出功率输入功率输出功率输出功率+铁损耗+铜损耗=

×100%变压器效率一般在95%~98%以上，负载一般在40%~60%额定负载时效率最高。第六十页，共100页。5.2互感器互感器是一次系统和二次系统之间的联络元件，将一次系统侧的高电压、大电流转换为二次侧标准的低电压和小电流，向二次电路提供交流电源，以正确反映一次系统的正常运行和故障情况。互感器

电流互感器电压互感器第六十一页，共100页。TV将一次侧的高电压变换成二次侧的标准低电压（100或100/V），其一次绕组与被测电网相并联，二次绕组与二次测量仪表和继电器的电压线圈相并联。（一）互感器与系统的连接电流互感器TA将一次侧的大电流变换成二次侧的标准小电流（5或1A），其一次绕组串联于被测电路内，二次绕组与二次测量仪表和继电器的电流线圈相串联。电压互感器第六十二页，共100页。（二）互感器的作用技术方面经济方面安全方面可以将高电压变成低电压，大电流变成小电流，便于测量；也易实现自动化和远动化。使测量仪表和继电器标准化、小型化，结构轻巧，价低。可用低电压、小截面的控制电缆，屏内布线简单、安装调试方便，造价低。使测量仪表和继电器与一次高压隔离，且互感器二次接地保证了设备和人身安全。一次系统发生短路时，能够保护测量仪表和继电器免受大电流的伤害，保证了设备安全。第六十三页，共100页。5.3异步电动机的构造电动机由定子和转子两个基本部分组成，如图6-1所示。图

6-1

三相异步电动机的构造

第六十四页，共100页。

笼型异步电动机的结构型异步电动机由定子和转子组成，定子和转子间留有很小的空气间隙。第六十五页，共100页。定子由定子铁心、定子绕组和机座组成。

（一）定子

2．铁心：是电动机的磁路部分。由彼此绝缘的硅钢片叠成，目的是减小铁损（涡流和磁滞损耗）。硅钢片内圆冲有均匀分布的槽口用来嵌放线圈。整个铁心被固定在铸铁机座内。

1．机座：用于容纳定子铁心和绕组并固定端盖，起保护和散热作用。

3．绕组：是电动机的电路部分。三组，均匀分布，空间位置彼此相差120。第六十六页，共100页。铁心定子绕组机座定子铁心冲片U1U2（U相）定子

三相异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组组成。第六十七页，共100页。

1．定子

三相异步电动机的定子由机座、铁心和定子绕组组成。定子绕组是电动机的电路部分，由三相对称绕组组成，按一定规则连接，有六个出线端。即U1-U2、V1-V2、W1-W2接到机座的接线盒中，定子绕组接成星形或三角形。图6-2定子绕组的星形和三角形联结图

第六十八页，共100页。

1．转轴：输出机械转矩。

2．铁心：由外圆冲有均匀槽口、彼此绝缘的硅钢片叠成。

3．绕组：笼型绕组铸于铁心槽内，铝质或铜质，为短路绕组，两端铸有端环。整个转子套在转轴上形成紧配合，被支承在端盖中央的轴承中。（二）转子第六十九页，共100页。2.转子根据转子绕组结构的不同分为：三相异步电动机的转子是由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子铁心冲片铁心转子绕组转轴笼型转子去掉铁心后的转子导条（转子铁心槽内嵌有铸铝导条）笼型转子绕线型转子（转子铁心槽内嵌有三相绕组）第七十页，共100页。图6-7绕线式转子绕组与外接变阻器的连接第七十一页，共100页。（三）其他附件端盖、轴承、轴承盖、风扇叶、接线盒。第七十二页，共100页。2．转子转子是异步电动机的旋转部分，由转轴、转子铁心和转子绕组三部分组成，其作用是输出机械转矩。跟据构造的不同，转子绕组分为绕线式和笼型两种，图6-3(a)所示为笼型绕组，(b)为铸铝的笼型转子。图

6-3

笼型绕组及转子

3.转子轴用来支撑转子并传递机械转矩.异步电动机转子与定子之间气隙约0.2~1.0毫米第七十三页，共100页。二.工作原理为了说明三相异步电机的转动原理，我们先做一个演示实验如图6-4所示。SN图6-4

旋转磁场带动鼠笼转子旋转第七十四页，共100页。磁极间放一个由铜条构成的鼠龙式转子，当我们摇动磁极时转子跟着转动。异步电机转子转动原理与图6-4相似可用图6-5所示加以说明NS-+FFnNS图6-5转子转动原理第七十五页，共100页。二、工作原理1.旋转磁场的产生

三相异步电动机的定子铁心中放入三相定子绕组。U2V1V2W1W2U1V1W1iuiviw定子绕组Y接接入三相对称电源。t02iuiwivi第七十六页，共100页。t=0°iu=0iv为负值iw为正值U1V1V2W1W2U2++U1V1V2W1W2U2++t=0°360°240°120°t=120°t=240°t=360°U1V1V2W1W2U2++U1V1V2W1W2U2++NSNNNSSS2.磁场的旋转方向

与绕组中电流的相序一致U-V-W-U。t02iuiwivi第七十七页，共100页。t0iuiviwit=0°360°240°120°U1V1W1iuiwivU1V1V2W1W2U2++NSt=120°U1V1V2W1W2U2++NSU1V1V2W1W2U2++NSt=0°t=240°绕组中电流的相序为U-W-V-U，磁场逆时针旋转。t=360°第七十八页，共100页。把三相异步电动机的三根线任意调换两根与电源相接，电动机旋转方向反向。第七十九页，共100页。旋转磁场的磁极对数p与取决于三相定子绕组的结构和连接方式。3.旋转磁场的磁极对数p4.旋转磁场的转速n0(转/每分）电源频率电动机的磁极对数7501000150030004321pn(转/每分)第八十页，共100页。极对数（P）的概念AXBYCZ此种接法下，合成磁场只有一对磁极，则极对数为1。即：AXYCBZ第八十一页，共100页。极对数（P）的改变C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'将每相绕组分成两段，按右下图放入定子槽内。形成的磁场则是两对磁极。AXBYCZ第八十二页，共100页。图产生四极旋转磁场的定子绕组ABCABCXYZ(a)ACBXYZ（b）第八十三页，共100页。极对数C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'第八十四页，共100页。0NNSSNNSSNNSSNNSSNNSS(a)(d)(b)(c)(e)无电流电流进电流出图第八十五页，共100页。极对数和转速的关系第八十六页，共100页。旋转磁场的转速

上述旋转磁场具有一对磁极，若用p表示磁极对数，则p=1。磁极对数p=1的旋转磁场，其转速与正弦电流同步，若交流电的频率为f，则旋转磁场的转速n0=60f式中n0又称为同步转速。磁极对数p=2时，交流电变化一周，旋转磁场转动1/2周，依此类推当旋转磁场具有p对磁极时，交流电变化一周，旋转磁场转动1/p

周。因此交流电频率为f，磁极对数为p，则旋转磁场的转速为第八十七页，共100页。U1U2V1V2W1W2++SN6.1.3三相异步电动机的运转原理•+ff转子转速n旋转的磁场可以带动转子同方向旋转异步电动机原理图•••+++转子定子磁场转速n1n三相异步电动机转子在旋转磁场的作用下转动起来，其转向与旋转磁场的转向相同。磁场转速n1转子感应电动势(电流)第八十八页，共100页。n=(1–s)n1转差率：0<s

<sN=0.01~0.06例6.1

一台额定转速为1450r/min的三相异步电动机，求：额定转差率。解：因为sN=0.01~0.06，所以该电动机为4极电机，旋转磁场转速为1500r/min。第八十九页，共100页。电动机转速和旋转磁场同步转速的关系电动机转速:电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但

异步电动机无转距转子与旋转磁场间没有相对运动无转子电动势（转子导体不切割磁力线）无转子电流提示：如果第九十页，共100页。转差率的概念：异步电机运行中:转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差。即：电动机起动瞬间:（转差率最大）第九十一页，共100页。三、笼型电动机的铭牌三相异步电动机

型

号

Y112M-4

额定频率

50Hz

额定功率

4kW

绝缘等级

E级

接

法