三相交流电路和电动机.ppt

电工基础 第2版 主编 刘志平 苏永昌 第六章三相交流电路和电动机 第一节三相交流电源 第二节三相负载的连接 第三节三相电路的功率 本章主要介绍三相交流电压 三相星形与三角形联结 三相电路的功率及三相异步电动机 单相异步电动机 第四节三相笼型异步电动机 第五节三相异步电动机的启动 第六节安全用电 6 1三相交流电源 三相交流电的优点 1 三相交流发电机的铁心及电枢磁场较单相发电机利用充分 2 作为三相交流电负载的三相电动机比单相电机性能好 易维护 运转时比单相发电机的振动小 3 理论和实践证明 在输电距离 输送功率 电压相等的条件下 三相输电是单相输电所用导线量的四分之三 4 采用三相四线制输电 用户可得两种不同的电压 5 工农业生产大量使用交流电动机 三相电动机比单相电动机性能平稳可靠 一 三相交流电动势的产生 三相交流电动势由三相交流发电机产生 它的主要组成部分是定子和转子 转子是转动的磁极 定子是在铁心槽上放置三个几何尺寸与匝数相同的线圈 称为定子绕组 它们排列在圆周上的位置彼此相差120 分别用U1 U2 V1 V2 W1 W2表示 图6 1三相交流发电机原理示意图 U1 V1 W1表示各相绕组的首端 U2 V2 W2表示各相绕组的末端 各相绕组的电动势参考方向规定为线圈的末端指向始端 一 三相交流电动势的产生 当原动机带动转子顺时针以角速度 逆时针匀速转动 作切割磁力线运动 因而产生感应电动势eU eV eW 由于三个绕组的结构相同 在空间相差120 因此eU eV eW三个电动势 振幅相同 频率相同 彼此间的相位差为120 图6 1三相交流发电机原理示意图 以eU为参考正弦量 则三相电动势的瞬时表达式为 一 三相交流电动势的产生 显然 有eU eV eW 0 波形图与旋转矢量图如图6 2所示 三相电动势随时间按正弦规律变化 它们到达最大值 或零值 的先后顺序 叫做相序 从图6 2中可以看出 eU超前达最大值 又超前达最大值 这种U V W U的顺序叫正序 若相序位U W V U叫负序 二 三相四线制电源 三相电源本来具有U1 V1 W1 U2 V2 W2六个接头 但是在低压供电系统中常采用三相四线制供电 其电路连接方式如图所示 二 三相四线制电源 从三相电源三个相头U1 V1 W1引出的三根导线叫作端线或相线 俗称火线 任意两个火线之间的电压叫做线电压 把三相绕组的末端的公共连接点N叫作中性点 从中点引出的导线叫做中性线或零线 由三根相线和一根中性线组成的输电方式叫做三相四线制 通常在低压配电中采用 每相绕组始端与末端之间的电压 即相线与中线之间的电压 叫做相电压 它们的瞬时值用uU uV uW来表示 显然这三个相电压也是对称的 相电压大小 有效值 均为 UU UV UW UP 二 三相四线制电源 任意两相始端之间的电压 即火线与火线之间的电压 叫做线电压 它们的瞬时值用uUV uVW uWU来表示 三相四线制连接的旋转矢量图如图6 4所示 显然三个线电压也是对称的 大小 有效值 均为 线电压比相应的相电压超前30 如线电压uUV比相电压uU超前30 线电压uVW比相电压uV超前30 线电压uWU比相电压uW超前30 1 对称三相电动势有效值相等 频率相同 各相之间的相位差为120 2 三相四线制的相电压和线电压都是对称的 注意 3 线电压是相电压的倍 线电压的相位超前相应的相电压30 6 2三相负载的连接 一 三相负载的星形连接 把各相负载的末端U2 W2 V2连在一起接到三相电源的中性线上 把各相负载的首端分别接到三相交流电源的三根相线上 这种连接方法叫做三相负载有中性线的星形联结 用Y0表示 如图6 7所示 三相电路中的三相负载 可分为对称三相负载和不对称三相负载 各相负载的大小和性质完全相同的教对称三相负载 各相负载不同的教不对称三相负载 在三相电路中 负载有星形 Y型 和三角形 型 两种连接方式 1 连接方式 一 三相负载的星形连接 2 电路计算 A 电压 负载星形联结时 其线电压与相电压的关系 UYP 负载作星形联结时的相电压 B 相电流 各相电流之间的相位差为 一 三相负载的星形连接 C 线电流 三相负载星形联结 每相负载都串在相线上 相线和负载通过同一个电流 所以各相电流等于各线电流 D 中性线 对称负载星形联结 其各相相电流大小相等 相位相差作旋转矢量图分析可得 三个相电流的旋转矢量和 注意 1 对称负载作星形联结时 中性线电流为零 去掉中性线电路也可正常工作 为此 某些场合常采用三相三线制电路供电 如三相电动机和三相变压器 2 不对称星形负载的三相电路 中性线电流不为零 中性线不可去掉 要为电流提供通路 必须采用带中性线的三相四线制供电 更重要的是要保证每相负载两端的电压等于电源的相电压 中性线的作用就在于使星形联结的不对称负载的相电压对称 为了保证负载的相电压对称 就不应让中性线断开 因此 中性线内不准接入熔断器和闸刀开关 二 三相负载的三角形连接 三相负载分别接到三相交流电源的每两根相线之间 负载的这种连接方法叫做三角形联结 用符号 表示 如图6 10所示 1 连接方式 二 三相负载的三角形连接 2 电路计算 A 电压 负载三角形联结时 其线电压与相电压的关系 B 相电流 各相电流之间的相位差为 二 三相负载的三角形连接 C 线电流 当对称三相负载作三角形联结时 线电流的大小为相电流的倍 其相位关系如图6 11所示 6 3三相电路的功率 一 三相功率 三相负载的有功功率等于各相功率之和 即 P P1 P2 P3 在对称三相电路中 无论负载是星形联结还是三角形联结 由于各相负载相同 各相电压大小相等 各相电流也相等 所以三相功率为 其中 为对称负载的阻抗角 也是负载相电压与相电流之间的相位差 三相电路的功率因数为 对称负载为星形活三角形联结式 线电压是相同的 相电流是不相等的 三角形联结时的线电流为星形联结时线电流的3倍 注意 2 仍然是相电压与相电流之间的相位差 而不是线电压与线电流之间的相位差 也就是说 功率因数是指每相负载的功率因数 3 同单相交流电路一样 三相负载中既有耗能元件 又有储能元件 则它得无功功率 视在功率分别为 三者间的关系为 6 4三相笼型异步电动机 一 三相笼型异步电动机的构造 异步电动机主要由定子和转子两个基本部分构成 此外还有端盖 风叶 轴承和接线盒等零部件 如图6 15所示 电动机是一种电能转换成机械能的动力设备 三相异步电动机结构简单 坚固耐用 维护方便 体积小 易起动 成本低 在工农业生产中有着广泛的应用 定子是电动机的静止部分 它由铁心 定子绕组和机座三部分组成 定子绕组可接成星形或三角形 转子是电动机的转动部分 它由转轴 转子铁心 转子绕组和风叶组成 二 三相异步电动机的工作原理 1 旋转磁场的产生 三相异步电动机的定子绕组接成星形 形成对称三相 三个绕组结构相同 空间互差120 星形负载 将它们的首端U1 V1 W1接到对称三相电源上 三个绕组中有对称三相电流通过 相位依次相差120 其波形如图6 16所示 正弦电流通过三相绕组 根据电流的磁效应可知 每个绕组都要产生一个按正弦规律变化的磁场 三相绕组就会产生一个合成磁场 此合成磁场是一个旋转磁场 通过分析可知 对称三相正弦电流iU iV iW分别通入三相绕组时 产生一个随时间变化的旋转磁场 磁场有一对磁极 一个N极 一个S极 因此 又叫两极旋转磁场 当正弦电流的电角度变化360 时 两极旋转磁场在空间也正好旋转360 这样就形成了一个和正弦电流同步变化的旋转磁场 2 旋转磁场的转速 磁极对数p 1的磁场 即两极旋转磁场与正弦电流同步变化 对工频电流 即50Hz的正弦交流电来说 旋转磁场在空间每秒钟转50周 以转每分 r min 位单位 旋转磁场转速为 50 60 3000r min 计算公式为 3 三相异步电动机的工作原理 旋转磁场以同步转速n0顺时针旋转 相当于磁场不动 转子逆时针切割磁力线 产生感应电流 用右手定则判定 转子半部分的感应电流流入纸面 有电流的转子在磁场中受到电磁力的作用 用左手定则判定 上半部分所受磁场力向右 下半部分所受磁场力向左 如图6 18所示 这两个力对转子转轴形成电磁转矩 使转子沿旋转磁场的方向以转速n旋转 转子转速n总是与同步转速n0保持一定转速差 即保持着异步关系 所以把这类电动机叫做异步电动机 又因为这种电动机是应用电磁感应原理制成 所以也叫感应电动机 二 转差率 调速与反转 1 转差率异步电动机的同步转速n0与转子转速之差n 即n0 n叫做转速差 转速差 n0 n 与同步转速n0之比 叫做异步电动机的转差率 用s表示 即 转差率式电动机的一个重要参数 一般用百分数表示 转子转速n越高 转差率s越小 n越低 转差率越大 转差率s可以表明异步电动机的运行速度 其变化范围是 1 s 0 为了方便计算计算异步电动机转子的转速 将上式改写成 2 调速许多机械设备在工作时需要改变匀速速度 像金属切削车床要更加切削刀具的性质和被加工材料的种类来调节转速 这就需要改变异步电动机的转速 在负载不变的情况下 改变异步电动机的转速n 叫做调速 由转差率公式 可知 有三种方法改变电动机转速 1 改变电源频率f2 改变转差率s 笼型异步电动机的转差率不易改变 所以 笼型异步电动机不用改变转差率来实现调速 3 改变磁极对数p 3 反转异步电动机的旋转方向与磁场旋转方向一致 而磁场的旋转方向取决于三相电源的相序 所以要使电动机反转只需要旋转磁场反转 为此只要将三相电源的三根相线种的任意两根对调即可 三 铭牌 电机厂三相交流笼型异步电动机型号Y 112M 4功率7 5KW频率50HZ电压380V电流15 4A接法 转速1440r min绝缘等级B工作方式连续年月日编号 6 5三相异步电动机的启动 一 全压起动加在电动机定子绕组的起动电压是电动机的额定电压 这样的起动就叫全压起动 也称直接起动 1 全压起动存在的问题电动机全压起动在刚接通电源的瞬间 旋转磁场和转子之间的相对转速较大 由于互感作用 在定子绕组中产生很强的互感电流 通常全压起动的起动电流可达电机额定电流的4 7倍 起动电流过大 供电线路上的电压降也随之增大 使电动机两端的电压减小 这样不仅使电动机本身的起动转矩减小 还可能影响电动机的使用寿命 长期使用 会使电动机内部绝缘老化 甚至烧毁电动机 2 全压起动的作用 在一般情况下 当电动机的容量小与10kW或其容量不超过电源变压器容量的15 20 时 起动电流不会影响同一供电线路上的其他用电设备的正常工作 可允许全压起动 全压起动的优点 起动设备简单可靠 在条件允许时可采用全压起动 一 全压起动 二 降压起动 1 自耦变压器起动自耦变压器降压起动是利用三相自耦变压器降低加在电动机定子绕组上的起动电压 从而完全起动过程 其原理图入图6 21 当全压起动条件不满足时 应采用降压起动来减小起动电流 起动时用降低加在定子绕组上的电压的方法来减小起动电流 当起动过程结束后 当起动过程结束后 再使电压恢复到额定运行 这种起动方法叫降压起动 通常把起动用的自耦变压器叫起动补偿器 一般功率在75kW一下的笼型异步电动机 比较广泛地使用自耦变压器降压起动 二 降压起动 1 Y 换接降压起动 在同一个对称三相电源地作用下 对称三相负载作星形联结时的线电流的 对称三相负载接成星形时的相电压是其接成三角形时相电压的 这就是星形 三角形换接降压起动的原理 其原理图如图6 22 这种方法只适用于正常运行时定子绕组为三角形联结的电动机 星形 三角形换接降压起动的起动转矩较小 适用于空载或轻载起动 6 6安全用电 一 电气事故 1 电流伤害由于违反操作规程 接近或接触带电体 是电流通过人体发生触电事故 轻者受伤 重者死亡 实践证明 频率为50 100Hz的电流最危险 若人体通过50mA的工频电流就会有生命危险 当通过人体的电流为30至40mA 电击时间为l 2min 触电者会出现心跳不规律 血压上升 强烈痉挛 知觉消失 当通过人体的电流为40 500mA 电击时间超过0 1s 触电者可能发生心室纤颤 知觉消失 以至死亡 触电对人体的伤害程度 主要由通过人体的电流来决定 通过人体电流的大小与触电电压大小和人体电阻有关 一般情况下 人体电阻约为800 当皮肤出汗时 电阻还要低 一般情况下 规定36V以下电压为安全电压 如果在金属架或潮湿的场所工作 那么安全电压等级还要降低 通常为24V或12V 2 电磁伤害 人体在电磁场的作用下 可吸收辐射能量 当电磁场的强度高到一定数值时 就会对人体组织造成不同程度的伤害 3 静电伤害 静电有对人有利的一面 也有对人们有害的一面 其主要危害有引起爆炸和火灾 造成电击和影响生产等 因此 在人们不希望有静电而出现静电时 就要采取措施 防止它的产生 或使静电小到一定程度 尽量减少危害 4 电路故障 在电路故障发生的同时 可能伴有人身事故或其它事故的发生 例如 短路故障可能引起火灾或爆炸 架空线的断落可能造成人身伤亡等 5 電电伤害 一次雷电放电电流可达几千安至几百千安 持续时间可达30 s 50 s 具有相等大的破坏力 常见电气事故 二 触电方式 触电方式指电流流过人体时对人体产生的生理和病理伤害 发生触电的原因很多 常见触电方式有单相触电和两相触电 1 单相触电当人的一只手接触到一相带电体时 就会发生单相触电 此类触电事故约占总触电事故的75 以上 当低