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工程设备部 电工基础知识培训2012年8月8日 1 2 电能 电能是指电以各种形式做功的能力 是我们日常生产和生活中使用最广泛的一种能量 是很清洁和环保的一种能源 3 电能优点 电能是工业生产的主要能源和动力 电能即易于由其它形式的能量转换而来 又易于转换为其它形式的能量以供应用 它的输送及分配既简单经济 又便于控制 调节和测量 有利于实现生产过程自动化 4 供电的基本要求 1 安全 在电能的供应 分配和使用中 不应发生人身事故和设备事故 2 可靠 应满足电能用户寻供电可靠性的要求 3 优质 应满足电能用户对电压质量和频率等方面的要求 4 经济 供电系统的投资要少 运行费用要低 并尽可能的节约电能和减少有色金属消耗量 5 什么是直流 什么是交流 根据电流的大小和方向的是否随时间的变化可分为交流电和直流电 大小和方向都不随时间变化的电流叫做恒定电流或直流电流 简称直流 电流大小和方向随时间的变化而改变的是交流电 6 电的三要素 电的三要素是电压 电动势 电流和频率 7 什么叫电压 电压的概念大家都知道 水在管中所以能流动 是因为有着高水位和低水位之间的差别而产生的一种压力 水才能从高处流向低处 电也是如此 电流所以能够在导线中流动 也是因为在电流中有着高电位和低电位之间的差别 这种差别叫电位差 也叫电压 换句话说 在电路中 任意两点之间的电位差称为这两点之间的电压 电压用符号 U 表示 电压的高低 一般是用单位伏特表示 简称伏 用符号 V 表示 高电压可以用千伏 kV 表示 低电压可以用毫伏 mV 表示 8 相电压和线电压 在正弦三相交流电中相电压 是指每相绕组两端的电压 即火线与零线之间的电压 线电压 是指线路上任意两火线之间的电压 9 高压和低压的区分 电压可分为高电压与低电压 高低压的区别是 以火线的对地间的电压值为依据的 对地电压高于250伏的为高压 对地电压小于250伏的为低压 习惯的想法是380伏或500伏以上的电压为高压 220伏的为低压 其实质是一种误解 工业常用的380伏电压其实也是一种低压 因为它是3根火线1根零线 火线的对地电压是220伏所以它也是低压 10 什么叫电流 1 电流是指电荷的定向移动 电流的大小称为电流强度 简称电流 符号为I 是指单位时间内通过导线某一截面的电荷量 q 2 电功顾名思义 电流做的功 实质就是电能转化为其他形式能的过程 这个过程我们叫做电流做功 11 正弦交流电 电流随时间的变化而按正弦规律作周期性变化的电流 称为正弦交流电流 正弦交流电的要素是频率 最大值 有效值和相位 由三个频率相同 振幅相等 相位依次互差120 的交流电势组成的电源叫三相正弦交流电 12 什么叫频率 频率是指交流电中电流的方向和大小每秒钟变化的周期的次数 是表示交流电随时间变化快慢的物理量 在国际单位制中 频率的单位是赫兹 我国市电频率为50Hz 国外也有60Hz 13 电机 电机根据能量转换的不同 分为电动机和发电机 发电机是将机械能 势能 风能等转化为电能的一种机器 电动机是一种将电能转化为机械能的一种机器 通俗的称电机就是指电动机 发电机和电动机的能量转换是可逆的 也就是说发电机在某些时候也可作为电动机 而电动机也可作为发电机 如矿山的输送皮带 在启动时是电动机 启动后就把矿石的势能转换为电能而又成为发电机 14 电动机的种类 按电能种类分为直流电动机和交流电动机 按电动机的转速与电网电源频率之间的关系来分类可分为同步电动机与异步电动机 按电源相数来分类可分为单相电动机和三相电动机 按功能可分为驱动电动机和控制电动机 伺服电机 按防护型式可分为开启式 防护式 封闭式 隔爆式 防水式 潜水式 按安装结构型式可分为卧式 立式 带底脚 带凸缘等 按绝缘等级可分为E级 B级 F级 H级等 15 直流电机的工作原理 当外电源接通后 靠换向器和电刷的作用 使得每一极下线圈边中的电流始终为一个方向 这样电枢绕组所受电磁力方向总是不变 电枢就能沿着同一方向连续旋转 从而带动负载工作 16 直流电机的分类 直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机 有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机 电磁直流电动机又分为串励直流电动机 并励直流电动机 他励直流电动机和复励直流电动机 我们的窑主传采用的是他励直流电动机 17 调速系统的指标 评价调速系统的技术性能和经济性能的指标有 调速范围 调速的平滑性 调速的方向性 调速的相对稳定性 调速的经济性 调速时的允许负载 18 直流电动机的调速 1 改变电枢电路电阻调速 串入的电阻越大 机械特性越软 静差度越大 在给定转速下 工作的稳定性越差 要满足生产机械某一静差度的要求 电枢串入的电阻不能太大 因而调速范围较小 电枢串电阻调速 由于电枢电流大 调速电阻损耗较多的能量 很不经济 为了充分利用电机的容量并不减少能量损耗 这种方法用于恒转矩负载 适用作短期调速 在起重和运输牵引装置中得到广泛应用 19 改变电枢电压调速 2 改变电枢电压 只允许向小于额定值的方向改变 只能获得向下调速 优点在于通过减小输入功率来减小输出功率从而降低转速 因此在低速运行时 损耗并未增加 故调速经济性好 因具有恒转矩特性 调速范围宽 机械特性好 经济性能好等特点而被广泛应用 20 改变磁通调速 改变磁通调速 在电机励磁绕组电路中 串联外接电阻来改变励磁电流 从而改变励磁磁通来调速 即弱磁调速 得到的是额定转速以上的恒功率调速 弱磁调速是在励磁回路中进行 而励磁电流只有电枢电流的 能量损耗较小 调速的经济性和平滑性都较好 缺点是机械特性较软 尤其在磁通降至相当小时 电枢反应去磁作用显著 特性更加软化 电动机将不稳定工作 21 直流电机与交流电机的区别 直流电机 具有较大的起动转矩 响应速度快 机械特性好 经济性能好等优点 但结构复杂 价格昂贵 维护困难 运转时要产生火花 不防爆 交流电机 结构简单 运行可靠 成本低廉 易于维护 过载能力强 操作简单 控制方便等等 所以交流电机得到了广泛的应用 但起动困难 起动转矩小 不易于调速等 但随着变频技术的日趋提高和完善 交流电机的调速得到了很好的发展 22 三相异步电动机的工作原理 三相异步电动机的定子绕组是一个对称的三相绕组 如果将定子绕组接到三相交流电源上 在定子绕组中就会产生对称的三相交流电流 该电流在定子绕组中产生的磁场是一种旋转磁场 该磁场切割转子绕组 在转子绕组中感生电动势 如果转子绕组电路闭合 则会产生转子电流 该电流与定子旋转磁场相互作用 使转子绕组导体受到电磁力 而使转子跟着定子旋转磁场同方向旋转 从转子电流是由定子旋转磁场感应产生这一原理来考虑 异步电动机又称为感应电动机 23 三相异步电机的分类 按转子的结构分为1 笼型感应电动机2 绕线转子感应电动机 24 三相电源和异步电动机的绕组接法 1 星形接法 将电源或电动机的三相绕组的末端U2 V2 W2连成一节点 而始端U1 V1 W1分别接负载或电源 绕组相电流等于线电流 线电压为相电压的 3倍 三相绕组连成的公共点叫做中性点 星形接法的供电方式叫做三相四线制 2 三角形接法 将电源或电动机的三相绕组依次首尾相连构成闭合回路 再自首端U1 V1 W1接负载或电源 绕组相电压等于线电压 线电流为相电流的 3倍 三角形接法的供电方式叫做三相三线制 25 Y 接法 5 5KW以下的三相异步电动机绕组接法一般为Y接法 电源电压标注一般为380 220VAC当电源三相为220V供电时 绕组接法应更换为 接法 如采用单相供电的富士变频器输出的三相220V电压所接的电动机即为 接法 5 5KW 含5 5KW 以上的三相异步电动机绕组接法一般为 接法 26 27 28 电动机的启动要求 电动机启动是指 电机从静止状态开始转动 直至达到稳定运行的全过程 对电机启动性能的要求是 有较大的启动转矩 以缩短启动过程所需的时间 并能在负载下启动 和较小的启动电流 29 三相异步电机的起动电流 三相异步电机起动时 起动电流可能达到额定电流的4 7倍 某些笼形转子的异步电动机甚至达到8 12倍 电流太大 绕组发热就会严重 起动电流的电动力可能使电机绕组变形 造成短路而烧坏 大的起动电流会使绕组发热量骤增 绕组的温度也大为提高 影响绝缘材料的使用寿命 大的起动电流还会使线路电压降增大 影响其它用电设备的正常工作 30 三相异步电机的直接起动 一 直接起动 直接起动方法的应用主要受电网容量的限制 当直接起动时的起动电流在电网中引起的电压降落不超过10 15 经常起动的电动机取10 就允许直接起动 在空载或轻载下 现在90KW以下的电机可采取直接启动 31 三相异步电机的降压起动 二 降压起动 采用降压起动来减小起动电流 但会同时使电动机的起动转矩减小 故只适用于对起动要求不高 空载或轻载的场合 1 Y 起动 实用于定子绕组 接法的电动机 设备简单 可以频繁起动 应用较广泛 2 定子回路串电阻降压起动 起动过程中把电阻短接 电阻损耗大 电阻容量限制起动次数不能频繁 较少采用 3 自耦变压器降压启动 定子回路接入变压器起动 起动后切除变压器 不宜频繁起动 但起动较平稳 设备较简单 应用较为广泛 5 延边三角形启动 Y 启动的延伸 但控制很繁琐 电机制造时有特殊要求 很少采用 6 软启动 采用半导体整流和逆变技术来降低电机输入电压 逐步升高至额定电压 起动很平滑 控制很方便 但价格较高 随着大功率整流元件等半导体技术的飞速发展 软启动已应用得相当广泛 32 绕线形电机转子串电阻起动 1 转子电路串电阻起动 能获得较大的起动转矩 适用于启动时间短和重载起动 但只采用于绕线式异步电机 我们的磨机主电机都采用这种方式起动 水阻柜 2 转子电路串接频敏变阻器起动 频敏变阻器是一种无触点电磁无件 在起动中它的电阻随转子电流频率的降低而自动减小 因此不必人工控制去切除电阻 免除了分段切除电阻引起的冲击 使电动机的起动电流在限定范围内平稳的变化 起动很平滑 33 三相异步电动机的调速 n n1 1 S 60f1 p 1 S 1 改变定子绕组的磁极对数p 当极数增加一倍时 转速就降低一半 这种方法一般是应用在笼型异步电动机 因为当改变定子绕组的极对数时 其转子绕组的极对数能自动的与定子极对数相对应 而绕线式则必须拆开电机将转子改接才行 这在生产现场是不宜采用的 变极调速的优点是设备简单 运行可靠 既可获得恒转矩调速 也可获得恒功率调速 能适应不同的生产机械的要求 缺点是调速的档数很少 34 改变电动机转差率s 改变电动机转差率s n n1 1 S 1 绕线式异步电动机转子电路串电阻调速 当转差率增大时 电动机的机械功率减小 消耗在转子电路中的电气损耗增大 故电动机的效率降低 调速的经济性低 但由于调速线路简单 调速电阻又可作起动电阻使用 故在桥式起重机上几乎全部采用这种调速方法 35 改变电动机转差率s 2 串级调速 在异步电动机转子电路串电阻调速时 转速调得越低 转差功率损耗就越大 为了充分利用这部分功率 就采用在转子电路串接一个三相对称的附加电动势 其频率应与转子电动势的频率相同 改变附加电动势的大小及相位 均能改变转子电流及转矩 也就可以调节电动机的转速 串级调速的设备费用高 多用于大功率调速系统中 36 改变电动机转差率s 3 改变定子电压调速 如果用于恒转矩负载则调速范围很小 对于恒转矩负载 如果采用转子电阻较大的高转差率笼型异步电动机 才能得到较宽的调速范围 但高转子电阻时的机械特性太软 静差率常不能满足要求 采用闭环系统的晶闸管交流调压调速 可以得到平滑调速 低速硬特性和较大的调速范围 但这种方法调速时电动机是运行在较大转差率的情况下 损耗大 效率低 37 改变电动机转差率s 4 采用电磁滑差离合器调速 由通用型的笼型异步电动机和电磁滑差离合器组合在一起 成为一种交流调速电动机 通过控制器可以进行较广范围的调速 调速比一般为10 1 这种电机结构简单 进行要靠 能平滑调速 缺点是低速时损耗大 效率低 励磁电流太小及转速太低时会出现失控现象 38 改变电源频率f1 三 改变电源频率f1 改变电源的频率可以使旋转磁场的转速随着改变 电机的转速也跟着改变 这种调速方法称为变频调速 1 如果降低频率而保持电压不变 则随f1的下降将会使磁通 1增大 电动机磁路就会越来越饱和 励磁电流将大大增加 电动机将无法正常运行 故在降低频率的同时 必须降低电源电压 这样才能保持磁通 1在调速过程中不变 电磁转矩也不变 属于恒转矩的调速方法 39 改变电源频率f1 2 从基频50Hz往上变频调速时 为了保持磁通 1不变 如果也按比例升高电压 则电压会超过电机的额定电压 这是不允许的 因此只好保持电压不变 频率往上调 磁通 1就越小 是一种弱磁调速的方法 属于恒功率的调速方法 电动机变频调速具有类似于直流电动机的调速性能 随着晶闸管元件生产水平的不断提高 变频调速在很多领域内已获得广泛应用 40 变频调速方法 变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器 变频器可分成交流 直流 交流变频器和交流 交流变频器两大类 目前国内大都使用交 直 交变频器 41 变频调速的特点 效率高 经济性好 调速过程中没有附加损耗 应用范围广 可用于笼型异步电动机 调速范围大 特性硬 精度高 技术复杂 造价高 维护检修困难 本方法适用于要求精度高 调速性能较好场合 42 液力偶合器调速 液力偶合器是一种液力传动装置 一般由泵轮和涡轮组成 它们统称工作轮 放在密封壳体中 壳中充入一定量的工作液体 当泵轮在原动机带动下旋转时 处于其中的液体受叶片推动而旋转 在离心力作用下沿着泵轮外环进入涡轮时 就在同一转向上给涡轮叶片以推力 使其带动生产机械运转 液力偶合器的动力转输能力与壳内相对充液量的大小是一致的 在工作过程中 改变充液率就可以改变偶合器的涡轮转速 作到无级调速 其特点为 功率适应范围大 可满足从几十千瓦至数千千瓦不同功率的需要 结构简单 工作可靠 使用及维修方便 且造价低 尺寸小 能容大 控制调节方便 容易实现自动控制 本方法适用于风机 水泵的调速 43 三相异步电动机常见故障及处理 一 电机发热 温度超过允许值或冒烟 1 运行生产机械过载 测电流 降低负载 2 电机通风不良 检查电机风扇是否损坏 风扇入口是否堵塞 3 定子与转子摩擦 检查电机轴承 4 定子绕组小范围短路 检测电机三相电流是否平衡 检查绕组短路处 将其分开 5 定子绕组局部接地 用兆欧表检测绝缘 44 三相异步电动机常见故障及处理 二 电机接地1 端部太长触及机壳 垫一层绝缘纸 2 引出线或接线盒接头绝缘损坏 检查接线盒 并处理 3 绕组损坏 检查是否可以修复 如不可修复 更换绕组 4 绕组上积满灰尘污垢或电机进水 清除灰尘污垢 烘干绕组 浸渍处理 45 三相异步电动机常见故障及处理 三 轴承盖发热超过机壳温度 1 轴承有缺油现象 加注润滑油 2 轴承润滑油加注过多 只见于刚加注过润滑脂的情况 可适当去除一些润滑脂 3 传动带张力过紧或工作中电机轴于联轴器产生歪斜 停机重新校正 4 轴承损坏 更换同型号轴承 46 电机绕组故障的判断 1 用摇表 兆欧表 黑色检测线接电机机壳 红色线接电机任意一电机引出线接线端 摇动手柄 每分钟120转左右 如果摇表指示低于0 5M 表示电机绕组绝缘不良 如果指示为0 则绕组已接地 这是测量绕组对地绝缘的方法 2 将电机引出线的连接片拆除 用摇表检测电机三相绕组相间绝缘 把摇表的一根检测线接在绕组的任意一根线上 另一根分别接余下的两根绕组线上 注意要么测接线盒内上边三根线 要么测下边三根线 这样是为了防止测到同一绕组上 测完之后在对调摇表线测其他两相绕组 如果阻值小于0 5兆欧 则相接绝缘损坏 47 用万用表进行绕组的检测 1 Y连接三相异步电动机 用万用表一支表笔接任意一根电机引出线 另一支表笔接另一绕组 如果阻值正常 一般为几欧 再用另一支表笔接另一根引出线 两两检测 如果阻值接近或相同 表示电机绕组良好 如果有一相断路则电机绕组损坏或引出线断路 需处理 48 用万用表进行绕组的检测 2 连接的三相异步电动机 首先应将接线端连接片拆除后 用万用表一支表笔分别接A B C三个接线端 另一支表笔分别接U V W接线端 首先找出三个绕组 阻值应为几欧 如果只有两组绕组是通的 则另一绕组损坏 再用万用表的两只表笔分别接A B C三相 如果有相通的 阻值在数千欧以下 则说明绕组相间绝缘已损坏 或相间已短路 49 三相异步电动机运行中的检查 观察电压 电流表的数值是否超出规定值 用钳形电流表检查电流是否过载 三相电流是否平衡 三相电压是否一致等 耳听电机运转声音是否正常 有无摩擦声 尖叫声和其它杂声 鼻嗅电机附近有无焦臭味 手摸机壳 包括轴承端 温度是否超过允许值 观察轴承有无过热和漏油 检查电机是否振动 目测联轴器间隙上下左右是否一致 检查电气设备的接地或接零保护是否可靠 检查保护导线的软管和接头是否损坏 松动 检查电机地脚螺栓是否松动 50 互感器 互感器的原理与变压器相似 互感器的功能是把线路上的高电压变换成低电压 把大电流变换成小电流 以便于各种测量仪表和继电保护装置使用的电气设备 变换电压的叫电压互感器 电压互感二次侧电压一般为100V 变换电流的叫电流互感器 电流互感器二次侧电流一般为5A 变比 是指互感器的一次侧与二次侧的电压之比 电压互感器 或电流之比 电流互感器 51 电流互感器的安装注意问题 1 二次回路接线应采用截面积不小于2 5 2的绝缘铜线 排列应当整齐 连接必须良好 盘 柜内的二次回路接线不应有接头 2 为了减轻电流互感器一次线圈对外壳和二次回路漏电的危险 其外壳和二次回路的一点应接地良好 3 对于接于线路中的没有使用的电流互感器 应将其二次线圈短路并接地 4 为避免电流互感器二次开路的危险 二次回路中不得装熔断器 二次开路有高压 5 电流互感器二次回路中的总阻抗不得超过其额定值 6 电流互感器的极性和相序必须正确 52 电压互感器的安装注意问题 1 二次回路接线应采用截面积不小于1 5 2的绝缘铜线 排列应当整齐 连接必须良好 盘 柜内的二次回路接线不应有接头 2 与电流互感器相同 电压互感器的外壳和二次回路的一点应接地良好 用于绝缘监视的电压互感器的二次绕组中性点也必须接地 3 为防止电压互感器一 二次短路的危险 一 二次回路都应装有熔断器 接成开口三角形的二次回路即使发生短路也只流过微小的不平衡电流和三次谐波电流 故不装设熔断器 5 电压互感器二次回路中的工作阻抗不得太小 以避免超负荷运行 6 电压互感器的极性和相序必须正确 53 热电偶的基本原理 两种不同成分的导体两端经焊接 形成回路 直接测温端叫测量端 接线端子端叫参比端 当测量端和参比端存在温差时 就会在回路中产生热电流 接上显示仪表 仪表上就指示出热电偶产生的热电动势的对应温度值 热电偶的热电动势将随着测量端温度升高而增长 热电动势的大小只和热电偶导体材质以及两端温差有关 和热电极的长度 直径无关 54 热电偶输出的是mv信号 当热电偶断裂时 仪表一般显示仪表最大值 量程值 当已断裂而有接触时 因电动势有损失 所以仪表显示温度会明显偏小 55 热电阻的工作原理 热电阻是利用物质在温度变化时自身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的 对热电阻输出电阻值的变化进行监测就能得到测量点的温度 温度越高 输出的阻值越大 当热电阻损坏 线路接触不良或线路断路时 因阻值为无穷大 所以仪表显示温度就会是仪表的最大值 量程值 56 热电阻与热电偶 一般来说 温度在300度以下的用热电阻 300度以上的用热电偶 随着温度的变化 热电阻的阻值会发生变化 热电偶的热电势会发生变化 热电阻目前都采用铜热电阻和铂热电阻 根据0度时热电阻值的不同又分为不同的分度号 如PT100 PT1000 CU50等 以PT100为例 PT代表铂 100代表0度时热电阻的阻值是100欧姆 热电偶目前大体上有K B S等分度号 分别代表不同的材质 以用于不同的温度范围 例如 K型为镍铬 镍硅材材 一般测量0 800度 B型为铂铑30 铂铑6 一般测量800 1600度 在实际应用中 热电阻一般用三芯铜导线 用于去除导线的电阻值的影响 热电偶