城市轨道交通电工电子技术

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目录任务一认识三相电路任务二磁路、互感与变压器任务三认识异步电动机项目目标知识目标：1.熟悉三相电路电源，接线方式。2.了解三相负载的连接，三相电路的功率。3.熟悉磁路的基本概念，互感的基本概念。4.掌握变压器的原理，三相异步电动机的机械结构与转动原理。5.了解三相异步电动机的运行和控制方法，三相异步电动机的选择与使用。技能目标：1.掌握三相电路的连接与使用，能根据实际情况选用连接方式。2.理解变压器原理，能合适的选用变压器。3.掌握三相异步电机的原理与操作，能正确选择和使用三相电动机素质目标：1.培养认真负责，敢于求知的精神。2.具有对新知识、新技能的学习能力和创新能力3.具有团队精神和组织协调能力重难点学习重点：1.不同联接方式的对称三相电路。2.变压器的结构、基本原理及其应用。3.三相异步电动机的工作原理，及其控制方法。学习难点：1.三相对称负载的星形，三角形连接的特点。2.变压器的基本原理。3.三相异步电动机的结构及其应用。任务一认识三相电路三相电源一、三相电源为三相交流电路提供电能的装置是三相交流电源。1.对称三相电源三相交流电是通过三相交流发电机获得的。三相交流发电机与单相交流发电机的结构相似，由定子和转子组成。定子有3个结构相同的绕组，3个绕组在定子的位置彼此相隔120°，3个绕组的始端分别以U1、V1、W1来表示，末端分别以U2、V2、W2来表示，如图2-1所示。三相电源当转子匀速旋转时，3个绕组由于切割磁感线而产生3个不同相位的三相交流电，如图2-2（a）和图2-2（b）所示。在工程上，最大值相等、频率相同、相位互差120°的3个正弦电动势，称为三相对称电动势。如果以UU为参考正弦量，那么各相电动势的瞬时值表达式为：UU＝EmsinωtUV＝Emsin(ωt-120°)UW＝Emsin(ωt+120°)2.三相电源的相序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）的先后次序，称为相序。由上图2-2（b）所示相量图可以看出，3个电动势按顺时针方向的次序到达最大值（或零值)，即按U-V-W-U的顺序，称为正序或顺序；若按逆时针方向的次序达到最大值（或零值)，即按U-W-V-U的顺序，称为负序或逆序。三相电源三相电源的连接二、三相电源的连接1.对称三相电源的连接三相电路中，电源（电压源或电流源）与负载均为三相，三相之间存在两种连接方式，分别为Y（星形）接法与Δ（三角形）接法，电源与负载的接法并不要求统一，两种接法之间可以相互等效变换。但是不同的接法，电路中的参数关系互不相同。Δ连接与Y连接在三相电路中起着不同的作用，Δ连接能使得三倍频谐波在闭环内形成环流，避免三倍频谐波对电路的影响，采用Y连接并使得中性点接地时，可以使得零序电路构成通路，在电缆以及长距离三相高压输电的继电保护中起着零序保护的关键作用。三相电源的连接2.对称三相电源星形连接将三个电源绕组的末端接在一起，从三个始端U、V、W引出三根输电线，这种连接方式称为三相电源的星形（Y形）连接。把三相电源绕组的末端U2、V2、W2连在一起向外引出一根输电线N，由三相电源始端U1、V1、W1分别向外引出三根输电线U、V、W。从三个始端引出的三根输电线称为端线或相线（俗称火线）。连接末端的公共节点N称为中性点，从中性点引出的导线称为中性线（或零线）。由三根相线和一根中性线组成的输电方式称为三相四线制（通常在低压配电中采用）。无中性线的输电方式称为三相三线制（通常在高压输电中采用）。三相电源的连接

由于电源的星形连接可以输出两种电压，所以使用范围很广。我国低压供电中通常所说的380V、220V就是指电源星形连接时线电压和相电压的有效值。三相电源的连接3.对称三相电源△形连接将三相发电机三个绕组依次首尾相连，接成一个闭合回路，从三个连接点引出三根导线（又称为端线），这种连接方式称为三相电源的三角形（△）连接。三相电源为三角形连接时，只能是三相三线制，线电压就等于相电压。三相负载连接

三相负载连接

三相负载连接三相电路的功率

任务二磁路、互感与变压器磁路的基本概念1.磁的基本概念（1）磁体与磁极：物体具有吸引铁、钴、镍等物质的性质称为磁性。具有磁性的物体称为磁体。磁体分为天然磁体和人造磁体。常见的条形磁铁、蹄形磁铁和针形磁铁都属于人造磁铁。磁体两端磁性最强的区域称为磁极，实验证明任何磁体都有两个磁极，磁针经常指向北的一端称为北极，用字母N表示；经常指向南方的一端称为南极，用字母S表示。N极和S极总是成对出现并且强度相等，不存在独立的N极和S极。（2）磁的相互作用：当用一个条形磁铁靠近一个悬挂的小磁针或条形磁铁时，若条形磁铁的N极靠近小磁针的N极，则小磁针的N极一端马上被排斥，若条形磁铁的N极靠近小磁针的S极，则小磁针的S极一端立即被条形磁铁吸引，这说明磁极之间存在相互作用力，同名磁极之间互相排斥，异名磁极之间相互吸引。磁路的基本概念（3）磁场与磁感线：磁极之间存在的相互作用力是通过磁场传递的。磁场是磁体周围存在的特殊物质。磁场与电场一样是一种特殊物质。形象的描绘磁场的曲线，称为磁感线，也称之为磁力线。磁感线的特征：1）磁感线是互相不相交的闭合曲线，在磁铁外部，磁感线从N极到S极，在磁铁内部磁感线从S极到N极。2）磁感线的疏密反映磁场的强弱，磁感线越密表示磁场越强，磁感线越疏，表示磁场越弱。3）磁感线上的任意一点的切线方向，就是该点的磁场方向。磁路的基本概念（4）电流的磁效应及安培定则：1）电流的磁效应。电与磁有密切关系。奥斯特从实验中发现，放在导体旁边的小磁针，当导体导体中流过电流时，磁针就会受到力的作用而发生偏转，这说明通电导体周围存在磁场，即电流具有磁效应。2）安培定则。通电导体周围的磁场方向，即磁感线方向与电流的关系可以用安培定则来判断。安培定则也称为右手螺旋定则。磁路的基本概念2.磁路简介磁通集中经过的闭合路径称为磁路。磁路和电路一样，分为有有分支磁路和无分支磁路两种类型。在无分支磁路路中通过每一个横截面的磁通都相等。（1）磁通：磁感线的疏密定性的表示了磁场在空间的分布情况。磁通是定量地描述磁场在一定面积分布情况的物理量。通过与磁场方向垂直的某一面积上的磁感线的总数，称作通过该面积的磁通量，简称磁通，用字母φ表示，磁通的单位是韦伯，简称为韦，用此符号Wb表示。当面积一定时，通过该面积的磁通越大，磁场就越强。（2）磁感应强度：磁感应强度是定量地描述磁场中各点的强弱和方向的物理量。在磁场方向垂直的单位面积上的磁通，称为磁感应强度，也称为磁通密度，用字母B表示，磁感应强度单位是特斯拉，简称为特，用符号T表示。在匀强磁场中，磁感线强度与磁场的关系可以用公式表达为B=φ/S。磁路的基本概念（3）磁导率：磁导率是用一个表示媒介质导磁性能的物理量，用字母μ表示，单位是亨利每米，用符号H/m表示。不同的媒介质有不同的磁导率。（4）磁场强度：磁场中各点的磁感应强度B与磁导率μ有关，计算比较复杂。为了方便计算，引入磁场强度这个新的物理量表示磁场的性质，用字母H表示，磁场中某点的磁场强度等于该点的磁感应强度与媒介质的磁导率的比值，用公式表示为H＝B/μ，磁场强度的单位是安每米，用符号A/m表示。（5）主磁通和漏磁通：当线圈中通以电流后，大部分磁感线沿铁心、衔铁和工作气隙构成回路，这部分磁通称为主磁通；还有一部分磁通，没有经过气隙和衔铁，而是经过空气自成回路，这部分磁通称为漏磁通。互感互感现象是指两相邻线圈中，一个线圈的电流随时间变化时导致穿过另一线圈的磁通量发生变化，而在该线圈中出现感应电动势的现象。1.同名端互感线圈的同名端:在工程上，对两个或两个以上的有电磁耦合的线圈，常常需要知道互感电动势的极性。互感线圈由于电流变化所产生的自感电动势极性与互感电动势的极性始终保持一致的端点称为同名端，反之称为异名端。在电路中，一般用“·”表示同名端。在标出同名端后，每个线圈的具体绕法和它们之间的相对位置就不需要再在图上表示出来了。涡流2.涡流把块状金属放在交变磁场中，金属块内将产生感应电流。这种电流在金属块内自成回路，像水的旋涡，因此称为涡电流，简称涡流。由于整块金属电阻很小，所以涡流很大，不可避免地使铁心发热，温度升高，引起材料绝缘性能下降，甚至破坏绝缘造成事故。铁心发热，还会使一部分电能转换为热能白白浪费，这种电能损失称为涡流损失。变压器1.变压器的基本结构变压器的结构形式多种多样，但其基本结构都类似，均由铁心和绕组组成。铁心是变压器的磁路通道。为了减少铁心损耗，铁心采用硅钢片叠装而成。按照铁心构造形式，变压器可分为心式和壳式两种，其结构如图所示。心式变压器绕组套在铁心柱上，该结构多应用于大容量的电力变压器上；壳式变压器绕组被包围在中间，该结构常用于小容量的电子设备中。变压器工作原理

变压器种类（1）按用途分。变压器按用途分有电力变压器、试验变压器、仪表变压器和特殊用途变压器等。（2）按相数分。变压器按相数分有用于三相系统的升、降电压的三相变压器和用于单相负荷及组成三相变压器组的单相变压器。（3）按绕组形式分。变压器按绕组形式分有三绕组变压器、双绕组变压器和自耦变压器等。（4）按铁心形式分。变压器按铁心形式分有芯式变压器和壳式变压器。（5）按冷却方式分。变压器按冷却方式分有油浸式变压器、干式变压器、充气式变压器和蒸发冷却变压器等。变压器功率效率

常用变压器（1）电力变压器。为有效解决输电要经济用电要安全的矛盾，在电力系统中广泛采用了电力变压器。由于电力系统是三相制供电，因此，电力变压器大部分是三相变压器。（2）自耦变压器。自耦变压器是原、副线圈共用一部分绕组，它们之间不仅有磁耦合，还有电的关系。（3）互感器。互感器是一种专供测量仪表、控制设备和保护设备中使用的变压器。1）电压互感器。电压互感器的作用是将电力设备上的高电压变换成低电压（一般电压互感器的二次侧电压都设计为100V），再供给测量仪表。2）电流互感器。电流互感器的作用是把电路中大电流变成小电流（一般电流互感器的二次侧电流都设计为5A），再供给测量仪表。任务二异步电动机基本结构一、三相异步电动机的基本结构三相异步电动机是一种将电能转变为机械能的交流电动机。三相异步电动机由两个基本部分组成，固定不动的部分叫定子（定子铁心、定子绕组、机壳和端盖），转动的部分叫转子（转子铁心、转子绕组和转轴）。异步电动机主要由定子和转子两大部分组成，两大部分之间由气隙隔开。按照转子结构形式的不同，又可分为鼠笼式和绕线式两种。基本结构1.定子。定子由定子铁心、定子绕组、机座等固定部分组成。定子铁心是电机磁路的一部分，由0.5mm厚的硅钢片叠压制成，在其内圆冲有均匀分布的槽。定子铁心槽内对称嵌放定子绕组。定子绕组是电动机的电路部分，通常由漆包线绕制而成。机座是电动机的支架，一般用铸铁或铸钢制成。2.转子。转子由转子铁心、转子绕组和转轴3部分组成。转子铁心也是由0.5mm厚的硅钢片叠压制成，在硅钢片外圆冲有均匀分布的槽，用来嵌放转子绕组。转子铁心固定在转轴上。鼠笼式异步电动机的转子绕组与定子绕组不同，在转子铁心的槽内浇铸铝导条（或嵌放铜条），两边端部用短路环短接，形成闭合回路。转动原理

控制-启动人们对电动机的启动提出了要求：启动电流小、启动转矩大、启动时间短和所用启动装置及操作方法尽量简单易行。同时满足上述几点显然困难，实际应用中常根据具体情况适当地选择启动方法。首先要考虑是否需要限制启动电流，若不需要，可用刀闸或其他设备直接将电动机与电源相接，这种启动方式称为全压启动或直接启动。直接启动所需设备简单、操作方便、启动迅速。通常规定，电源容量在180kV·A以上、电动机容量在7kW以下的三相异步电动机才可采用直接启动的方法。降压启动可分两步进行：先给电动机接通较低电压以限制启动电流，待电动机转动达到一定转速时，再加上额定电压使其进入正常运行。降压启动的目的主要是限制启动电流，但问题是，在限制启动电流的同时，启动转矩也被限制了。因此，降压启动的方法只适用于在轻载或空载情况下启动的电动机，待电动机启动完毕后再加上机械负载。常用的降压启动方法有Y-△降压启动和自耦补偿降压启动。Y-△降压启动Y-△降压启动方法显然只适用于正常运行时定子绕组为△接法的异步电动机。降压启动过程:启动时把双向开关Q2投向下方，三相异步电动机的定子绕组即成Y连接，待转速上升到接近额定值时，Q2迅速投向上方，则电动机定子绕组切换成△连接正常运行。由三相交流电的知识可知，Y连接启动时线电流是△连接时线电流的1/3，启动转矩也是△连接时的1/3。Y-△降压启动方法设备简单、成本低、操作方便、动作可靠、使用寿命长。目前，4~100kW的异步电动机均设计成380V的△连接，因此这种启动方法得到了广泛应用。自耦补偿降压启动自耦补偿降压启动是利用三相自耦变压器来降低加在定子绕组上的电压的，如图所示。启动时，先将开关Q2扳到“启动”位置，使自耦变压器的高压侧与电网相连，低压侧与电动机定子绕组相接，电源电压经自耦变压器降压后加到异步电动机的三相定子绕组上，当转速接近额定值时，再将Q2扳向“运行”位置，将自耦变压器切除，电动机的定子绕组直接与电网相接，进入正常的全压运行状态。绕线式异步电动机的启动绕线式异步电动机启动时，只要在转子电路中串入适当的启动电阻R，就可以达到减小启动电流、增大启动转矩的目的。启动过程中逐步切除启动电阻，启动完毕后将启动电阻全部短接，电动机正常运行。除在转子回路中串电阻启动外，目前用得更多的是在转子回路中接频敏变阻器启动，此变阻器在启动过程中能自动减小阻值，以代替人工切除启动电阻。普通鼠笼式异步电动机的起动转矩较小满足，满足不了有些特殊场合生产机械的需求，这时可选用具有较大起动转矩的双笼型或深槽型异步电动机。而绕线式异步电动机的启动转矩更大，常用于要求启动转矩较大的卷扬机、起重机等场合。控制-调速生产机械在工作过程中为了提高生产效率或满足生产工艺的要求，在负载不变的情况下，用人为的方法使电动机的转速从某一数值改变到另一数值的过程称为调速。三相异步电动机的调速方法有变极（p）调速、变频(f）调速和变转差率（s）调速3种。（1）变极调速，这种调速方法只适用于三相鼠笼式异步电动机，不适合绕线式异步电动机。因为鼠笼式异步电动机的转子磁极数是随定子磁极数的改变而改变的，而绕线式异步电动机的转子绕组在转子嵌线时应当已确定了磁极数，一般情况下很难改变。控制-调速（2）变频调速。改变电源频率可以改变旋转磁场的转速，同时也改变了转子的转速。这种调整方法的关键是为电动机设置专用的变频电源，因此成本较高。现在的晶闸管变频电源已经可以把50Hz的交流电源转换成频率可调的交流电源，以实现范围较宽的无级调速。随着电子器件成本的不断降低和可靠性的不断提高，这种调速方法的应用将越来越广泛。（3）变转差率调速。这种方法只适用于绕线式异步电动机。在绕线式异步电动机的转子回路中串可调电阻，恒负载转矩下通过调节电阻的阻值大小，使转差率得到调整和改变。这种变转差率调速的方法，其优点是有一定的调速范围，且可做到无级调速，设备简单，操作方便；缺点是能耗较大，效率较低，并且随着调速电阻的增大，机械特性将变软，运行稳定性将变差。此种调速方法一般应用于短时工作制、且对效率要求不高的起重设备中。控制-反转3.三相异步电动机的反转三相异步电动机的转动方向总是同旋转磁场的旋转方向相一致，而旋转磁场的方向取决于通人异步电动机定子绕组中的三相电流的相序。因此，若要电动机反转，只需把接到电动机定子绕组上的3根电源线中的任意2根对调一下位置，三相异步电动机即可改变旋转方向。控制-制动4.三相异步电动机的制动采用一定的方法让高速运转的电动机迅速停转的措施称为制动。正在运行的电动机断电后，由于转子旋转和生产机械的惯性，电动机总要经历一段时间后才能慢慢停转。为了提高生产机械的效率及安全性，往往要求电动机能够快速停转，或有的机械从安全角度考虑，要求限制电动机不致过速（如起吊重物下降的过程），这时就必须对电动机进行制动控制。能耗制动能耗制动的原理如图所示。当电动机三相定子绕组与交流电源断开后，将直流电通入定子绕组，产生固定不动的磁场。转子由于惯性转动，与固定磁场相切割而在转子绕组中产生感应电流，这个感应的转子电流与固定磁场再相互作用，从而产生制动转矩。这种制动方法是把电动机轴上的旋转动能转变为电能，消耗在转子回路电阻上，故称为能耗制动。能耗制动的特点是制动准确、平稳，但需要直流电