《电路与电子技术》课件第4章

P4M1三相交流电的测试P4M2电源变压器的测试P4M3常用低压电器与电动机的识别P4M4三相异步电动机启动控制电路的设计与制作P4M5三相异步电动机正反转控制电路的制作P4M6两台三相异步电动机正反转控制电路的设计与制作思考与练习

现代机床或其他生产机械设备的运动部件大部分是由电动机来带动的。三相电动机采用的电源是三相电源，因此，在这个项目中首先分析三相电源与三相负载。同时，在实际生产过程中，要对电动机进行自动控制，使生产机械各部件的动作按顺序进行，保证生产过程和加工工艺符合预定要求。对电动机的主要控制包括启动、停止、正反转、调速及制动。对电动机或其他电气设备的接通或断开，基本采用的是利用继电器、接触器及按钮等控制电器来实现自动控制，这种控制系统一般称为继电器接触控制系统，它是一种有触点的断续控制(因为其中控制电器是断续动作的)。任何复杂的控制电路，都是由一些基本单元电路组成的。本项目主要讨论常用低压电器、继电接触器控制的一些基本单元电路。项目任务书电能是现代化生产、管理及生活的主要能源。电能的生产、传输、分配和使用等环节构成了一个完整的系统，这个系统叫做电力系统。电力系统目前普遍采用三相交流电源供电，由三相交流电源供电的电路称为三相交流电路。三相电源的特点是输出端有三个，三个输出端输出频率相同而相位不同的电压。组成三相电路的各个单相部分称为相。P4M1三相交流电的测试MNL1三相交流电的基本概念

1.三相交流电的特点

(1)三相交流发电机比功率相同的单相交流发电机体积小、重量轻、成本低。

(2)当输送功率相等、电压相同、输电距离一样且线路损耗也相同时，用三相制输电比单相制输电可大大节省输电线有色金属的消耗量，即输电成本较低，三相输电的用铜量仅为单相输电用铜量的75%。

(3)目前获得广泛应用的三相异步电动机，它以三相交流电作为电源。与单相电动机或其它电动机相比，三相异步电动机具有结构简单、价格低廉、性能良好及使用和维护方便等优点。

2.三相交流电的产生

三相交流电的产生就是指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，它是在单相交流发电机的基础上发展而来的，如图4-1-1所示。在发电机定子(固定不动的部分)上嵌放了三相结构完全相同的线圈AX、BY、CZ(通称绕组)，这三相绕组在空间位置上各相差120°电角度，分别称为A相、B相和C相。A、B、C三端称为首端，X、Y、Z则称为末端。工厂或企业配电站内的三相电源线一般用黄、绿、红分别代表A、B、C三相。图4-1-1三相发电机原理图磁极放在转子上，一般均由直流电通过励磁绕组产生一个很强的恒定磁场。当转子由原动机拖动作匀速转动时，三相定子绕组即切割转子磁场而感应出三相交流电动势。由于三相绕组在空间各相差120°电角度，因此三相绕组中感应出的三个交流电动势在时间上也相差三分之一周期(也就是120°角)。这三个电动势的三角函数表达式为

3.三相交流电

(1)相线与中线。

发电机三相绕组的接法如图4-1-2所示，将三个绕组的末端连在一起，这个连接点称为中性点或零点，用N表示,这种连接方法称为Y形连接。

①相线(火线或端线)：从三相绕组的始端A、B、C引出的三根导线。

②中线(中性线或零线)：从中性点引出的导线。

(2)相电压与线电压。

①相电压：相线与中线之间的电压。

②线电压：相线与相线之间的电压。图4-1-2三相电源Y形连接测试工作任务书MNL2三相电源的Y形连接

1.三相电源电压的表示方法

1)三角函数表示法

三相电源电压的三角函数表达式为:

eA=Emsinωt

eB=Emsin(ωt-120°)

eC=Emsin(ωt+120°)三角函数的波形图如图4-1-5所示。

2)相量表示法

三相电源电压的相量表达式为:相量图如图4-1-6所示。图4-1-5三相电压波形图

图4-1-6三相电压相量图

2.相电压与线电压之间的关系

线电压与相电压的相量图如图4-1-7所示。

(1)数量关系：U线=

U相。

(2)相位关系：线电压在相位上超前与之相对应的相电压30°。

3.三相三线制

三相电源的三相三线制如图4-1-8所示。在一般情况下，三相三线制只适用于三相对称负载电路。图4-1-7三相电源Y形连接时的电压相量图图4-1-8三相电源的三相三线制MNL3三相负载Y形连接

1.三相负载作Y形连接时的特点

(1)相电压与线电压的关系。

数量关系：U线=

U相

相位关系：线电压在相位上超前与之相对应的相电压30°。

(2)相电流与线电流的关系：

三相负载作Y形连接时，线电流与相电流相等。

(3)三相功率的计算。

①三相不平衡负载。

三相视在功率：S=SA+SB+SC

三相有功功率：P=PA+PB+PC

三相无功功率：Q=QA+QB+QC

②三相平衡负载。

三相视在功率：S=3SA=3U相I相=

U线I线

三相有功功率：P=3PA=3U相I相cos

=

U线I线cos

三相无功功率：Q=3QA=3U相I相sin

=

U线I线sin

注：表示相电压与相电流之间的相位差。

2.中线电流的计算

设电源相电压UA为参考正弦量,则

=UA∠0°,

=UB∠-120°,

=UC∠120°

每相负载中的电流为：每相负载中电流的有效值分别为：

每相负载中电压与电流之间的相位差分别为

根据基尔霍夫电流定律，可以得到中线电流为

(1)三相平衡负载。在三相平衡负载中，|ZA|=|ZB|=|ZC|,

，则

中线电流为

图4-1-10三相不平衡负载时中线电流的相量图

(2)三相不平衡负载。在三相不平衡负载中，因为每相负载阻抗不相等，即

ZA≠ZB≠ZC

所以流过每相负载的电流是不相等的，其相量图如图4-1-10所示。根据相量公式，其中线电流也不为零，即

测试工作任务书MNL4三相负载作△形连接

1.三相负载作△形连接时的特点

(1)线电压与相电压的关系：线电压与相电压相等。

(2)线电流与相电流的关系:

①数量关系：I线=

I相。

②相位关系：线电流在相位上滞后与之相对应的相电流30°。线电流与相电流的相量图如图4-1-12所示。图4-1-12三相平衡负载△连接时电压与电流的相量图

2.三相功率的计算

三相平衡负载功率的计算如下所述。

三相视在功率：

S=3SA=3U相I相=

U线I线

三相有功功率：

P=3PA=3U相I相cos

=

U线I线cos

三相无功功率：

Q=3QA=3U相I相sin

=

U线I线sin

注：表示相电压与相电流之间的相位差。

例4-1

有三个100Ω的电阻，将它们连接成星形或三角形，分别接到线电压为380V的对称三相电源上。试求：线电压、相电压、线电流和相电流各是多少?

解

(1)负载作星形连接负载的线电压为

UL=380V负载的相电压为线电压的，即

负载的相电流等于线电流，即

(2)负载作三角形连接负载的线电压为

UL=380V

负载的相电压等于线电压，即

UP=UL=380V

负载的相电流为

负载的线电流为相电流的倍，即

例4-2

一台同步发电机的定子三相绕组为星形连接,带负载运行时，三相电压和三相电流均对称，线电压

uAB=6300

sin100πtV,线电流iA=115sin(100πt-60°)A，

试写出三相电压和三相电流的解析表达式。

解因为星形连接中

UL=

UP,所以相电压的有效值为

又因为相电压在相位上滞后于相应的线电压30°，所以A相电压的解析式为

根据电压的对称性，B相电压滞后于A相电压120°，C相电压滞后于B相电压120°，因此B、C相的相电压解析式为

又因为是星形连接,IP=IL，所以相电流解析式为

根据电流的对称性，可得B、C相电流的解析式为

例4-3

在如图4-1-13所示的对称三相电路中，已知电源线电压UL=380V，负载功率因数λ=cos

=0.8(滞后，感性)，三相负载功率P=6930W，求负载阻抗Z。

图4-1-13例4-3图解

变压器是一种常见的电气设备,在电力系统和电子线路中广泛应用，例如：用于输配电系统的电力变压器；用于工业动力系统中直流拖动的专用电源变压器；用于电力系统或实验室等场合的调压变压器；用于测量电压、电流的电压互感器、电流互感器；用于潮湿环境或人体常常接触场合的隔离变压器。P4M2电源变压器的测试MNL1变压器的结构

变压器的原理图如图4-2-1所示。

1.初级绕组和次级绕组

(1)初级绕组(原绕组)：与电源相连的绕组。

(2)次级绕组(副绕组)：与负载相连的绕组。

2.变压器的原理

当初级绕组接上交流电压u1时，初级绕组中便有电流i1通过；原绕组的磁通势N1产生的磁通绝大部分通过铁芯而闭合，从而在次级绕组中产生感生电动势。如果次级绕组接有负载，则在次级绕组中就有电流i2通过。图4-2-1变压器原理图测试工作任务书MNL2变压器

1.变压器的功能

1)变电压

原、副绕组的电压比与原副绕组的匝数比成正比，即

n称为变压器的变比。当电源电压U1一定时，只要改变匝数比，就可得出不同输出电压U2。n＞1时,为降压变压器；n＜1时，为升压变压器。变比在变压器的铭牌上注明，它表示初级、次级绕组的额定电压之比。例如“10000/400”V,表示初级绕组的额定电压U1＝10000V，次级绕组的额定电压U2＝400V。

2)变电流

原、副绕组的电流比与原、副绕组的匝数比成反比，即

3)阻抗变换

负载阻抗模ZL在变压器副级绕组上，将其等效到初级绕组，其等效阻抗模为Zab。所谓等效，是指输入电路的电压、电流和功率不变，即直接接在电源上的阻抗模Zab和接在变压器次级绕组的负载阻抗模ZL是等效的，即

例4-4有一台电压为220/36V的降压变压器，副边接一盏“36V/40W”的灯泡。试求：

(1)若变压器的原边绕组N1=1100匝，则副边绕组的匝数应是多少？

(2)灯泡点亮后，原、副边的电流各为多少？

解

(1)由变压比的公式

可以求出副边的匝数N2为

(2)由有功功率公式P2=U2I2cos，灯泡是纯电阻负载，cos

=1，可求得副边电流为

由变流公式，可求得原边电流为

例4-5

在晶体管收音机输出电路中，晶体管所需的最佳负载电阻R′=600Ω，而变压器副边所接扬声器的阻抗RL=16Ω。试求变压器的匝数比。

解根据题意，要求副边电阻等效到原边后的电阻刚好等于晶体管所需最佳负载电阻,以实现阻抗匹配，输出最大功率。

根据变压器阻抗变换公式

即原边的匝数应为副边匝数的6倍。

2.同名端

同名端指初级绕组与次级绕组产生的感生电动极性相同的端。

3.三相变压器的分析方法

三相变压器如图4-2-3所示。三相变压器的分析与单相变压器相似。图4-2-3三相变压器

4.自耦变压器的原理

自耦变压器的特点是：次级绕组是初级绕组的一部分，即自耦变压器只有一个绕组，低压绕组是高压绕组的一部分。因此，自耦变压器初级绕组和次级绕组有电的直接联系。自耦变压器分为固定抽头式与可调式两种，可调式自耦变压器又称为调压器。自耦变压器的外形与电路图形符号如图4-2-4所示。图4-2-4自耦变压器P4M3常用低压电器与电动机的识别低压电器通常是指工作在交流额定电压1200V、直流额定电压1500V及以下的电路中，起通断、保护、控制或调节作用的电器产品。它是电力拖动自动控制系统的基本组成元件。电器按其工作电压等级可分成高压电器和低压电器。按照电器动作性质的不同，低压电器可分为手控电器和自控电器两大类。手控电器是指依靠人力直接操作的电器，如闸刀开关、铁壳开关、转换开关、按钮等。自控电器是指按照指令信号或物理参数(如电流、电压、时间、速度等)的变化而自动动作的电器，如各种型号的接触器、继电器等。低压电器按用途又可分为低压控制电器和低压配电电器两大类。低压配电电器主要用于低压供电系统，如刀开关、低压断路器、转换开关和熔断器等。低压控制电器主要用于电力拖动控制系统，如接触器、继电器、控制器、行程开关、主令控制器和万能转换开关等。低压电器按有无触点可分为有触点电器和无触点电器两大类。由有触点控制电器组成的控制电路又称为继电—接触控制，是最基本、最常用的控制电路。在现代化的电力拖动系统中，应用了无触点电器和新的控制元件(如晶体管无触点逻辑元件、电子程序控制、数字控制系统及计算机控制系统等)，这些现代电器元件在实现对电动机的控制时，最终也要与接触器、继电器相配合才能完成较高质量的控制。

低压开关主要作用于隔离、转换及接通和分断电路。常见的低压开关有刀开关、转换开关、自动空气开关等。识别工作任务书识别工作任务书MNL1电气控制图及其原理

1.电气控制图

电气控制线路可以绘制成两种不同的形式：安装图和原理图。安装图是按照电气与设备的实际布置位置绘制的，属于同一个电气或设备的全部部件按照其实际位置画在一起。安装图便于安装与检修。原理图是按照电路功能进行绘制的，对电路分析比较方便。这里主要讲解原理图的绘制与阅读步骤。P4M4三相异步电动机启动控制电路的设计与制作

(1)电气控制图一般分为电源电路、主电路和辅助电路三部分。

①电源电路画成水平线，三相交流电源A、B、C自上而下依次画出。

②主电路是指受电的动力装置及控制、保护电器的支路等，它是由主熔断器、接触器的主触点、热继电器的热元件及电动机等组成的。

③辅助电路一般包括：控制主电路工作状态的控制电路；显示主电路工作状态的指示电路；提供机床设备局部照明等。它主要由主令电器的触点、接触器线圈及辅助触点、继电器线圈及触点、指示灯及照明灯等组成。

(2)原理图中的电器均采用其图形符号和文字符号来表示。图形符号和文字符号应符合国家标准(GB4728—85《电气图形符号》、GB7159《电气技术中的文字符号制定通则》)。

①同一个电器的不同部件根据其在电路中的不同作用，分别画在原理图的不同电路中，但要用同一种文字符号来表示，表明这些部件属于同一个电器。

②原理图中的全部触点按常态画出，对于继电器和接触器是指其线圈未通电时的状态，对于按钮、行程开关等，是指其未受到外力作用时的状态。

2.原理图的阅读步骤

(1)阅读原理图之前，必须了解控制对象的工作情况，搞清楚其有关机械传动、液(气)压传动、电器控制的全部过程。

(2)阅读原理图的主电路，搞清楚有几台电动机，各有什么特点？采用的启动方法是什么？是否有正反转？有无调速和制动等？

(3)阅读原理图的控制电路(辅助电路)。一般从主电路的接触器触点入手，按动作的先后顺序(通常自上而下)逐一分析，分析其动作的条件和作用，分析电路的基本组成环节、保护措施等。制作工作任务书制作工作任务书

各种生产机械经常要求具有上下、左右、前后等正反两个方向的运动，这就要求拖动电动机正、反向转动。要实现三相异步电动机的正反转，只要把连接到三相电源的三根相线中的任意两根对调，即改变了三相电源的相序，也就改变了电动机的转向。P4M5三相异步电动机正反转控制电路的制作制作工作任务书制作工作任务书在机床控制电路中，常常需要两台或三台电动机来控制，下面设计与制作两台电动机的控制电路。P4M6两台三相异步电动机正反转控制电路的设计与制作设计工作任务书

1.对称Y形连接的三相负载，各相负载阻抗Z=(4+j3)Ω，接于U线=380V的三相电源上。求：

(1)各相电流、相电压，并画出相电流、相电压的相量图；

(2)三相有功功率P、三相无功功率Q及三相视在功率S。2.在三相四线制电路中，电源的线电压U线=380V，负载连接如题图4-1所示，各相负载阻抗ZA=(3+j4)Ω，ZB=8Ω，ZC